智慧教育體系架構與關鍵支撐技術 *

楊現民，余勝泉

(1.江蘇師范大學 教育研究院 江蘇省教育信息化工程技術研究中心，江蘇 徐州 221116；2. 北京師范大學 現代教育技術研究所，北京 100875)

智慧教育體系架構與關鍵支撐技術 *

楊現民1，余勝泉2

(1.江蘇師范大學 教育研究院 江蘇省教育信息化工程技術研究中心，江蘇 徐州 221116；2. 北京師范大學 現代教育技術研究所，北京 100875)

智慧教育正在引領全國教育信息化的發展方向，成為技術變革教育時代教育發展的主旋律。智慧教育是一個宏大的系統工程，其總體架構可以概括為“一個中心、兩類環境、三個內容庫、四種技術、五類用戶、六種業務”。智慧教育云中心是帶動一個國家或地區教育信息化整體飛躍發展的關鍵；兩類環境包括支持學校教育的智慧校園和支持終身教育的學習型智慧城區；重點建設三個沉淀智慧的內容庫，包括學習資源庫、開放課程庫和管理信息庫；物聯網、云計算、大數據、泛在網絡是支撐智慧教育“大廈”構建的四種核心智慧技術；重點服務教師、學生、家長、教育管理者和社會公眾五類用戶；有效支撐包括智慧教學、智慧學習、智慧管理、智慧科研、智慧評價和智慧服務在內的六大主流教育業務的順利開展。智慧教育的建設與可持續發展離不開智慧技術的創新應用：物聯網技術提升教育環境與教學活動的感知性；大數據技術提高教育管理、決策與評價的智慧性；云計算技術拓展教育資源與教育服務的共享性；泛在網絡技術增強教育網絡與多終端的連通性。

智慧教育；體系架構；智慧技術; 創新應用

一、引言

自從2008年IBM首次提出“智慧地球”概念，“智慧地球”戰略得到了世界各國的普遍認可。智慧城市作為智慧地球戰略的重要組成部分，已被眾多發達國家納入科技發展規劃。2012年12月我國正式啟動了國家智慧城市試點工作，國內很多大中城市規劃文件中明確提出建設智慧城市。教育對未來城市的發展起著決定性的作用。隨著交通、醫療、物流、能源等各個領域智慧化水平的不斷提升，教育領域面臨前所未有的壓力和挑戰。不可否認，教育信息化的發展水平在我國信息化產業體系中目前處于落后位置，是制約國家信息化整體水平提升的“短板”。如何提升教育領域的智慧化水平，與其他領域并驅發展，是未來智慧城市發展面臨的重大現實問題。

目前，北京、上海、廣州、寧波等城市正在緊鑼密鼓地推進智慧教育的規劃與實施。在前期參與一些城市智慧教育發展規劃項目的過程中發現，研究者、企業人士、教育機構領導等對智慧教育的理解仍比較“模糊”，不清楚智慧教育系統究竟包括哪些要素，該如何建設。本文在調研國內外智慧教育研究現狀基礎上，嘗試構建了智慧教育的體系架構，并對智慧技術在教育領域的創新應用思路進行設計，期望能對國內智慧教育建設帶來一定啟發。

二、智慧教育研究現狀

信息化視角下的智慧教育研究剛剛起步，國內外已有一些研究者和實踐者開始對智慧教育進行前期探索。

(一)國內研究現狀

當前智慧教育在實踐層面提的比較多，國內外一些IT企業(如IBM、方正、華為等)紛紛提出了智慧教育解決方案，學術層面的研究剛剛起步。國內自2011年開始出現從教育信息化發展角度專門探討智慧教育的研究成果。

智慧教育內涵方面，祝智庭、尹恩德、金江軍等學者分別從不同視角出發進行了闡釋。祝智庭教授[1]構建了理解智慧教育的基本圖式，描述了智慧教育、智慧環境(智慧計算是其核心技術)和智慧教學三者之間的關聯性，認為智慧教育要以智慧學習環境為技術支撐，以智慧教學法為催化促導，以智慧學習為根本基石。尹恩德[2]認為，智慧教育是指運用物聯網、云計算為代表的一批新興的信息技術，統籌規劃、協調發展教育系統各項信息化工作，轉變教育觀念、內容與方法，以應用為核心，強化服務職能，構建網絡化、數字化、個性化、智能化、國際化的現代教育體系。金江軍[3]認為，智慧教育是教育信息化發展的高級階段，是教育行業的智能化，與傳統教育信息化相比表現出集成化、自由化和體驗化三大特征。

智慧教育技術架構方面，也有部分學者從云計算入手研究了智慧教育云平臺的架構。葛虹[4]對區域智慧教育云構建的方法、技術與策略進行了研究，指出區域智慧教育要以實現教育管理信息化、學校應用信息化、社會教育信息化為功能目標，要加強教育城域網的建設與教育信息樞紐的構建，大力實施云戰略，促進教育信息資源的區域無縫共享和深入應用。張進寶等人[5]提出了智慧教育云架構，指出智慧教育云具有服務情境識別、智能信息提取、智能信息處理、智能信息檢索、智能信息推送等五個方面的關鍵技術特征。亞洲教育網開發了支持廣電網、電信網和互聯網三網融合的智慧教育云平臺，該平臺以公共服務器集群為基礎，提供Iaas、Paas、Saas三層服務，滿足教育行業的資源開放與共享需求，同時支持手機、電腦、電視跨平臺訪問[6]。

此外，智慧教育環境的建設也是國內研究者關注的重點。不少學者分別對智慧校園[7][8]和智慧教室[9][10]的概念、特征、系統構建、技術方案等進行了研究。

(二)國外研究現狀

當前，國際上的智慧教育研究主要以韓國學者為主。韓國2011年正式頒布“智慧教育推進戰略”，隨后一大批研究者紛紛開始探索智慧教育。

Choi & Lee[11]介紹了韓國正在推進的智慧教育行動計劃，該計劃強調物理的智慧教育環境建設和教育內容的開發，此外還考慮到智能設備、無線網絡的維護以及教師信息技術應用能力的提升。Kim等人[12]認為高度發達的信息技術在教育中的應用已經成為全球的發展趨勢，智慧學習是以泛在學習和社會化學習為基礎形成的新型學習范式。An等人[13]重點對智慧教育內容進行了研究，指出智慧教育需要為學習者提供智慧的、合適的學習環境，學習者可以按需獲取任何學習材料，這些學習材料要經過精心組織，以方便學習者的使用。

智慧教育系統研發也取得了一定進展。Jo,Parker &Lim[14]研發了一種面向智慧教育的教案生成平臺，可以輔助教師快速創作教案。Jo, Yang &Lim[15]基于智慧教育的核心理念設計開發了一套結構化的插件式智慧教育系統，該系統由智慧內容服務子系統和家校學習子系統組成。智慧內容服務子系統用來創建、管理、關聯學習內容，家校學習子系統用來支持協作學習和終身學習。Jeong, Kim& Yoo[16]提出一種采用云架構的智慧教育系統，可以遞送和分享各種增強型的教育內容，包括視頻、圖片、三維對象以及增強現實、虛擬現實場景。此外，還有部分學者對智慧教育環境下的教師能力評估工具[17]進行了研究。

此外，針對目前智慧學習者大多使用電子教科書提供的批注、書簽和筆記功能進行學習的現象，Kim, Sohn & Lee[18]提出了注釋內容的學習模型，以分析學習者在電子教科書中的注釋與筆記行為。并且在該模型的基礎上開發出相似的算法，能找到有類似學習風格的學生所創建的注釋或筆記，實現學習者之間交流和共享知識、想法、經驗，在很大程度上促進了資源的進化，并形成關于某一學習主題的資源圈。這些有類似學習風格的學習者也可以創建網上社區，建立起較為穩定的學習共同體和人際圈。Scott & Benlamri[19]等人采用語義Web技術和泛在技術開發了智慧學習空間，可以向學習者提供情境感知服務，如通過感知學習者的位置和學習活動情況，向學習者智能推送個性化的學習資源，并能高效地促進學習者之間的交流和實時共享學習資源。

總的來說，上述研究對于普及智慧教育理念、推動智慧教育云平臺建設起到了重要的“奠基”作用。然而，智慧教育是一個宏大的系統工程，當前研究更多地聚焦在教育云服務平臺的研發上，忽視了智慧教育體系的整體架構。智慧教育系統究竟包含哪些要素？其核心業務又有哪些？關鍵性的支撐技術是什么？如何創新應用？……這些問題已成為智慧教育戰略推進過程中亟待解決的關鍵問題。

三、智慧教育體系架構

智慧教育是依托物聯網、云計算、大數據、無線通信等新一代信息技術所打造的智能化教育信息生態系統，是數字教育的高級發展階段，旨在提升現有數字教育系統的智慧化水平，實現信息技術與教育主流業務的深度融合(智慧教學、智慧學習、智慧管理、智慧評價、智慧科研和智慧服務)，促進教育利益相關者(學生、教師、家長、管理者、社會公眾等)的智慧養成與可持續發展[20]。依據上述定義，筆者構建了智慧教育體系架構(如下頁圖1所示)。智慧教育體系可以概括為“一個中心、兩類環境、三個內容庫、四種技術、五類用戶、六種業務”。

需要說明的是，智慧教育不是孤立的系統，而是智慧城市的重要組成部分。因此，智慧教育體系架構需要通過標準的接口規范與智慧城市中的其他智慧系統(醫療、交通、城管、物流、能源等)進行連通，共享基礎數據。智慧教育將改變教育產業的結構，促進傳統教育產業的升級，形成規?；闹腔劢逃a業，從而為智慧教育的可持續發展提供源源不斷的技術、產品和服務保障。智慧教育產業的快速、健康、有序發展離不開標準，因此智慧教育系列標準也是智慧教育體系的重要組成部分。此外，為了保障智慧教育的可持續發展，需要配套相應的建設保障機制和應用推進機制。

圖1 智慧教育體系架構

(一)一個智慧云中心

“智慧教育云中心”是帶動一個國家或地區教育信息化整體飛躍發展的關鍵，對突破教育信息化中普遍存在的“資金難籌措”“應用難推進”“共享難實施”等三大瓶頸有著至關重要的作用。因此，智慧教育發展要將智慧教育云中心的建設放在首要位置。智慧教育云中心要提供統一門戶、統一身份認證、統一接口和統一數據中心等基礎支持服務，有效整合現有的軟硬資源和信息數據，為學校提供計算、存儲、網絡安全等計算資源服務，實現通用教育業務的集中化管理和信息資源的按需分配；整合現有各類教育軟件系統，促進應用系統貫通與集成，形成基于統一數據環境的集成、智能的信息平臺，為廣大教育用戶提供“人人通”空間服務。智慧教育云中心的建設要合理定位，適度超前規劃，構建基于人、財、物、教學資源等基礎數據庫的大集中方式的應用系統平臺，使其成為教育數據存儲、數據交換、數據運算、網絡管理服務、應用服務的中心和樞紐，支撐全系統教育信息化應用工作的開展。

(二)兩類智慧環境

智慧環境是智慧教育實施的基礎和保障，需要創新應用物聯網、云計算、大數據、語義網、移動通信等新一代信息技術，完善兩類智慧教育環境，分別是支持學校教育的智慧校園和支持終身教育的學習型智慧城區。智慧校園重點建設智慧教室、智慧備課室、智慧語音室、智慧圖書館(學校)、智慧探究實驗室等智慧型功能室；對現有網絡設備進行升級與改造，普及高速無線校園網；建設基于RFID技術和傳感器技術的智慧型教育裝備，使其能實現各類物體的互連、識別，以及智能化的數據傳遞服務。可將RFID應用于教育管理領域，如學生行蹤、門禁系統、圖書管理等；將傳感器應用于課程內外教學中，如實驗活動的開展、學生聽課狀況的記錄、學生健康安全的監測等方面。學習型城區建設要以區域教育寬帶網為主要平臺，充分利用教育信息化的基礎設施和現代網絡遠程教育手段，重點建設除了智慧校園以外的各種智慧化學習環境，包括智慧博物館、智慧美術館、智慧圖書館、智慧公園、智慧社區、智慧教育探究基地等，支持社會大眾的終身學習。

(三)三個智慧內容庫

學習資源是實現教育系統變革的基礎，是教育智慧沉淀、分享的重要載體。需要重點建設三個沉淀智慧的內容庫，包括學習資源庫、開放課程庫和管理信息庫。

1. 學習資源庫。學習資源庫是教師智慧教學和學習者智慧學習所需資源的基本來源，該庫主要由教學案例、多媒體課件、試題和試卷、電子圖書、媒體素材、資源目錄索引、教育網站、研究專題、認知工具、文獻資料等資源組成。學習資源庫的建設要以應用為導向，緊密圍繞新課程，統一整合來自多個渠道的優質教學資源，以自建與購買相結合的模式建設新課程教育教學資源網站群，建立符合新的國家課程標準的教學資源體系以及相應的建設和應用模式，促進優秀教育教學資源廣泛共享與應用。此外，還可以通過數據挖掘、語義技術和機器學習等技術將教學和學習活動中生成性信息資源進行持續采集，加工整理后入庫。

2.開放課程庫。隨著MOOCs熱潮在全球范圍內的興起和發展，開放課程資源的建設共享已成為國際教育資源發展的重要趨勢。開放課程庫的建設要堅持開放共享的理念，建立合理、可行、有效的課程資源建設與分享模式；部署開放教育應用平臺，建設一批通過網絡向社會大眾提供可公開訪問的，并支持超大規模學生交互式參與的在線課程；建立促進區域開放課程動態生成、有序進化的共建共享體系，吸引e-Learning服務商、出版社、培訓機構、學校等廣泛參與各類開放課程建設，并將現有的網易公開課、新浪公開課、鳳凰微課等開放課程資源通過合理途徑集成到開放課程庫中。

3.管理信息庫。管理信息庫在整個智慧資源體系中占有重要地位，管理信息的大規模、標準化采集是實現教育業務智慧管理的重要前提。教育管理信息數據是教育行政部門經常需要用到的一些基礎業務管理數據，如學生、教師、教學、科研、體衛、設備、房產、辦公等。應統一開發校務與教學管理系統，統一使用數據標準，與地區教育信息數據中心數據庫無縫連接，實現教育基礎數據的從下到上的持續采集與動態更新。

(四)四種智慧技術

物聯網、云計算、大數據、泛在網絡是支撐智慧教育“大廈”構建的關鍵技術。物聯網和大數據技術是智慧教育系統建設的 “智慧支柱”，泛在網絡和云計算技術是智慧教育系統建設的“智慧底座”。

2.大數據?！按髷祿币辉~自從2011年提出以來，已成為當前最為炙手可熱的IT技術。大數據的來源廣泛，包括海量的、多樣化的交易數據、交互數據與傳感數據。大數據技術是一系列收集、存儲、管理、處理、分析、共享和可視化技術的集合[22]。大數據并非等同于大量的數據，其具有兩個更加重要的特征：跨領域數據的交叉融合與數據的流動生長。與傳統數據相比具有非結構化、分布式、量大等特性。大數據的核心技術包括大規模并行處理數據庫、分布式文件系統、分布式數據庫、云計算平臺、互聯網和可擴展的存儲系統。

3.云計算。云計算是繼個人計算機變革、互聯網變革之后的第三次IT浪潮，已成為我國戰略性新興產業的重要組成部分。云計算中的“云”主要用來強調計算泛在性和分布性，實質上是分布式計算、并行計算和網格計算等技術的發展[23]。云計算熱潮的出現源于其能夠將分布在各地的服務器群進行網聯，能夠實現大規模計算能力、海量數據處理和信息服務的需求。

4.泛在網絡。泛在網絡是通信網、互聯網、物聯網的高度協同和融合，將實現跨網絡、跨行業、跨應用、異構多技術的融合和協同[24]。泛在網絡將信息空間與物理空間實現無縫的對接，其服務將以無所不在、無所不包、無所不能為三個基本特征，幫助人類實現任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信，都能通過合適的終端設備與網絡進行連接，獲得前攝性、個性化的信息服務[25]。

智慧教育系統的建設需要綜合應用多種信息技術，除了上述四種智慧技術外，增強現實、定位導航等先進技術的不斷發展，也將為智慧教育系統的構建提供重要支撐。

(五)五類服務用戶

教師、學生、家長、教育管理者和社會公眾是智慧教育系統的五類核心用戶。智慧教育要為各類用戶提供最需要、最適合、最準確、最便捷的教育服務，滿足他們接受美好教育的期盼，發展數字智慧，提升生命質量。

1.為管理者提供智慧管理服務。各級教育管理者可以更加直觀地查看所轄范圍內的教育資源配置狀況；查看任意時間段各個學校的運行狀況(教學、管理、安全等)；查看所有教育設備及資產的運行狀況；查看各地區、學校的教育發展統計報表；依據全面的教育統計分析數據，更加科學地確定教育經費投入及分配政策；科學評估教育產生的社會經濟效益；全面掌握所轄范圍內教育均衡發展現狀；更加直觀地查看各個地區、學校的數字教學資源建設、應用與共享狀況；實時監控所轄范圍內任何學校、任何班級的考試情況；全面掌控校園安全狀況，果斷及時處理安全事故，打造平安校園。

2.為教師提供智慧教學服務。教師可以主持、參與跨區、跨校名師公開課；將名師資源引入課堂教學；全面掌握學生的學習成績分析數據，開展針對性教學；實時了解班級學生出勤狀況；及時與家長、同事、校領導溝通交流；加入教師社群，開展網絡教研活動；更加高效、便捷地進行網絡備課；對學生的作業和試卷進行自動批改和自動分析；快速獲取、加工和集成教學資源，支持課堂教學；根據學習者特征，進行快速分組，組織課堂協作學習；靈活控制學習終端，實時向學生推送相關學習資源；登錄個人教學空間，動態獲取系統推送的優質教學資源。

3.為學生提供智慧學習服務。學生可以利用博物館、圖書館等數字場館資源開展自主探究學習；免費學習國際、國內名師開放課程；參加校際同步課堂，享受優質教學資源；及時與教師、同學溝通交流，解決學習、生活中遇到的難題；利用各種媒體終端進行隨時隨地的學習、交流和分享；登錄個人學習空間，動態獲取系統推送的個性化、優質學習資源；及時獲得學習的評價反饋信息，彌補自身知識缺陷；將學習過程中的關鍵信息存入電子學檔，開展發展性評價；將課堂教學反饋信息及時傳遞給教師，便于教師調整教學；享受學習、交通、購物、醫療等一卡通服務。

詩意美是《雨巷》最為突出的特點之一。“藝術作品的形式美，歸根結底，也正是這樣一種生命感應的產物”。詩歌作為一種充滿藝術性的作品形式，與其他體裁相比，簡潔而又含蓄，卻能將作者的心緒、感受完美地詮釋；精練的語言，短小的篇幅，卻能引人遐想。

4.為家長提供智慧溝通服務。家長可以及時查收學校、教師發布的教學、考試、出勤等信息；將孩子的家庭作業完成情況及時反饋給教師；及時了解孩子是否安全達到學校；學校開放日通過網絡實時查看教師授課情況；隨時查看孩子在學校的學習情況；及時了解孩子的學習成績及變化情況；了解各學校最新信息，包括升學率、就業率、熱門專業、優勢學科等。

5.為公眾提供智慧資源服務。廣大市民可以免費享受各級各類教育機構開放的優質教育資源；在線接受各種信息技術應用培訓；通過多種終端設備獲取系統推送的個性化學習資源；為教育發展出謀劃策，將建議通過多種渠道反饋給教育主管部門；參加各種正規教育與非正規教育，實現終身學習。

(六)六種智慧業務

智慧教育要推動信息技術與教育教學的深度融合，有效支撐包括智慧教學、智慧學習、智慧管理、智慧科研、智慧評價和智慧服務在內的六大主流教育業務的順利開展。

1.智慧教學

隨著科學技術的發展，教學形式也在不斷發生改變。根據各種技術工具在教學中的應用情況，可以將教學發展過程分為傳統教學、電化教學、數字化教學和智慧教學四個階段。智慧教學是教師在智慧教學環境下，利用各種先進信息化技術和豐富的教學資源開展的教學活動。智慧教學以提升教師教學智慧，促進教師專業發展，培養創新人才為目的，可以有效改善傳統課堂教學存在的機械、低效、參與不足等現象，具有高效、開放、多元、互通、深度交互等基本特征。

教學環境的改變對教師的信息化教學能力提出了更高要求，因此需要進一步實施教師信息技術應用能力提升工程，開展全員培訓，鼓勵教師在智慧教室實施各種新型教學模式，構建智慧型課堂。課前，教師利用智能備課系統進行電子備課；課中，既可以使用視頻會議子系統開展異地同步互動教學，還可以監控每一位學生的學習過程，了解其學習進展與困難，進行個性化指導；課后，教師通過智能作業批改系統，自動分析學生作業成績，通過可視化圖表方式一目了然地呈現學生作業結果及變化趨勢。

2.智慧學習

智慧學習是在智慧環境中開展的完全以學習者為中心的學習活動。學習者不僅能夠即時獲取自己所需的資源、信息和服務，還能夠享受到個性化定制的資源和服務，不斷發掘自己的興趣愛好，挖掘自己的潛能，使得學習過程更加輕松高效。智慧學習具有個性化、高效率、沉浸性、持續性、自然性等基本特征，能夠幫助學習者不斷認識自己、發現自己和提升自己，成為21世紀知識和智慧的創造者。

智慧學習的開展需要學生具備較強的學習力。學習力是組織和個體掌握知識、創造知識、傳承文化的基礎，它主要包括組織學習活動的能力、獲取知識的能力、運用知識的能力、創造知識的能力以及伴隨學習過程而發生的一系列智力技能[26]。智慧教育環境下要著重培養學生在認知、創造、內省和交際四大領域的學習能力。

3.智慧管理

不可否認，我國的教育管理信息化已經走在了教學信息化的前面。然而，當前的教育管理信息化體系仍有待完善，智能化水平有待提升。頻繁的數據錄入、導出、統計、更新、報表制作等大多數管理工作仍需要“人工”完成。對教育數據的使用多限于簡單的統計分析，未對教育數據做深度挖掘。

為了提升教育管理的智慧水平，使教育管理從“人管、電控”走向智能管控[27]，需要建設統一的智慧管理云平臺，對外界需求進行智能處理，提供資源配置、數據集成、信息管理、運行狀態監控、教育質量監測等業務支持，實現教育的智能決策、可視化管控、安全預警和遠程督導。

4.智慧評價

傳統教育評價存在評價標準和內容過于片面、缺少真實性與動態性評價、對數據利用和挖掘不夠充分、難以開展持續性和終身性評價等弊端。隨著信息技術的發展和智慧教學環境的完善，學習者的學習行為和結果數據將越來越豐富。

智慧評價需要充分利用大數據、云計算等先進技術，定期、持續采集各類教育數據(學業成就、體質狀況、教學質量等)，并對數據進行深度挖掘，以得出更加科學、準確的評價結果。學生和教師的檔案袋數據需要永久存儲在云端，同時通過科學的評估模型，客觀、全面評價教師的教學績效和學生的學習績效，并提出更具針對性的發展建議。

5.智慧科研

傳統科研存在科研信息無法及時共享、團隊智慧性難以充分發揮、“高門檻”實驗難以開展等弊端。智慧科研以數字科研為基礎，以許多新興前沿技術(如大數據、物聯網、視頻會議等)作為支撐和保障，注重協作性、共享性和創新性，強調將個人的小智慧匯聚成集體的大智慧，通過科研成果的共享，啟迪研究者的研究智慧，促進科研的創新發展。

智慧科研的開展需要創設良好的網上教研環境，建立基于網絡的教師協同教研平臺，使得基于網絡協作教學研究在全區范圍內得到廣泛應用開展，真正提升教學教研質量，促進教師專業發展；組建科研網絡共同體，匯聚每位科研人員的集體智慧，促進科研成果的快速流通和轉換、科研數據的及時分享，實現技術支持下的協同創新。

6.智慧服務

教育的本質是一種特殊的服務，信息技術的進步為教育服務的智慧化水平提升創造了條件。智慧服務是整個智慧教育系統和諧運轉的基礎，主要包含運維云服務和培訓公共服務。其中，智慧教育運維云服務提供全天候的智慧教育系統運維服務，保障智慧教育系統和諧運轉；智慧教育培訓公共服務提供惠及全民的個性化學習與培訓服務。

四、智慧技術創新應用

物聯網、云計算、大數據、泛在網絡是智慧教育體系構建的重要支撐技術。近年來，這些技術在政府、企業、科研機構等多方努力和推動下不斷成熟，并在經濟、醫療、環境等領域的應用取得較大進展。智慧教育的建設與可持續發展離不開這些先進技術的創新應用。接下來，將對智慧技術在教育領域的創新應用思路進行分析。

(一)物聯網：提升教育環境與教學活動的感知性

物聯網基于傳感器和電子標簽兩大主要技術，可以在課堂教學、課外學習和教育管理三個方面給教育提供支持，優化教育環境，豐富教學資源，改善學習方式，節省管理成本，提高管理效率[28]。智慧教室是一種基于物聯網技術集智慧教學、人員考勤、資產管理、環境智慧調節、視頻監控及遠程控制于一體的智能化教學環境，運用智慧技術，支持智慧教與學，實現教室的智慧管理[29]。國內一些廠商已經紛紛推出了智慧教室解決方案，并在中小學校推廣應用。2011年，無錫成為江蘇省首個感知教育實驗示范區，累計建設28所感知教育應用實驗學校，建成中小學物聯網比特實驗室20個，用于普及物聯網傳感技術，培養中小學生的探究精神和創新能力。江南大學應用物聯網、通信、信息、控制、檢測等前沿技術，自主研發了“數字化能源監管”平臺，通過“數字化”的方式，將原來能源管理過程中的“模糊”概念變成清晰數據，為管理者提供更好、更科學的決策支持，打造低碳綠色校園。

物聯網技術除了可以用于構建智能化教學環境、豐富實驗教學、輔助能源管理之外，還可以在以下幾個方面發揮優勢：(1)學生體質健康監測，通過為學生佩戴體質監測方面的傳感器，可以動態、持續獲取學生的體溫、脈搏、心率、血壓等體征數據，構建全國性或區域性的學生體質健康數據庫；(2)學習情境數據采集，通過傳感器結合定位技術，可以實時捕獲學習者的學習地點、時間、內容、狀態、環境信息等學習情境信息，用于適應性推送學習資源、活動、工具和服務；(3)拓展課外教學活動，比如開展基于物聯網的“數字化微型氣象站”在科學教育中的應用實踐，將先進的測量技術、傳感技術與現代教學理念相結合，支持學生的正式學習、戶外學習和區域合作性學習[30]，還可以利用智慧教育探究基地，鼓勵學生親身體驗、探究各種科學現象，培養其探究精神和創新能力；(4)教育安全監控與危機快速處理，基于物聯網、視頻監控等技術構建校園安防系統，實時、全面監控校園運行情況，跟蹤每個學生的進校、離校情況，準確定位危機發生地點，快速處理校園危險事件；(5)教學設備管理，學校的教室設備、會議設設備、實驗器材等分布離散、信息透明度小、管理難度大，通過給這些物理教學設備粘貼RFID標簽或傳感器，分配專人管理，可以進行統一管理和調度，有效檢測設備的工作狀態。

(二)大數據：提高教育管理、決策與評價的智慧性

隨著教育信息化進程的推進，學習、教學、科研、管理過程中無時無刻不在產生海量數據。大數據技術將對我國的教育信息化產生巨大沖擊和深刻影響。當前，國際知名的大數據教育應用典型案例當屬美國普渡大學的“課程信號”項目[31]。該項目通過“課程信號”平臺全程采集、匯聚學生課程學習數據，根據成功預測算法分析學生課程學習的成功概率，然后教師進行針對性的交流反饋、推薦學習資源，最終提高了學生學習成功率和新生保有率(大一新生在結束大一課程后仍在這所大學繼續就讀的比例)。近年來，國內一些高校已經開始應用大數據技術輔助教育教學管理。華東師范大學利用預警系統跟蹤學生的餐飲消費數據，發現低于警戒值就發出短信慰問，確定學生是否有經濟困難需要幫助。浙江大學通過對資產的歸納、整理，最終形成權威、全面的資產數據，并基于資產數據提供數據查詢和分析服務[32]。清華大學對學生成長類的數據進行分析，比如針對進校時成績很優秀的一批學生，追蹤其在大學四年的各種數據，觀察其成長路徑，或者對畢業時表現很優秀的學生進行追溯。

此外，大數據技術還可以在以下幾個方面發揮優勢：(1)教育輿情監測與剖析，互聯網的開放性為廣大師生提供了自由發表言論的空間和機會，尤其是Web2.0時代的到來，微博、微信、QQ、論壇等各種社交工具成為師生交流的重要渠道，通過大數據技術可以準確把握師生群體的言論動向，快速預測教育輿情，并進行輿情發生原因的深層剖析；(2)教育信息化與現代化發展水平評估，依據信息化與現代化發展評價指標，全面、動態、持續采集各方數據，對國家或地區的教育信息化與現代化發展現狀進行準確評估，同時自動診斷薄弱環節，全面推進教育信息化與現代化事業發展；(3)教育機構布局與教育經費調整，全面采集全國或區域范圍內教育機構的分布數據、學生入學退學轉學數據、教育經費投入數據等，依據科學的評估模型，調整下一階段的教育機構布局、教育經費投入及分配等政策；(4)學生的發展性評價，持續跟蹤、采集學生成長過程中的各種數據，進行全面、系統的統計分析和數據挖掘，為學生提供更加科學、全面的發展評價報告；(5)基于大數據的科學研究，動態采集科研所需數據，對大規?？蒲行畔⑦M行分析處理，發現其內在關聯性，預測科研發展趨勢，提高科研效率和科研結果的可信度。

(三)云計算：拓展教育資源與教育服務的共享性

相比物聯網技術，云計算在教育中的應用更為普及和成熟。云計算技術在高校的發展，已經從原來的理論步入實際應用。云計算已經在清華大學、中科院等單位得到了初步應用，并取得了很好的應用效果。廣東省佛山市南海區教育云采用云計算技術建設了智能教育信息網絡服務體系[33]。華南理工大學采用Rocks、Lustre以及曙光等高性能計算管理系統，構建適合各種科學計算的高性能云計算平臺系統。許多企業也推出了教育云解決方案，如思科教育云解決方案、微軟教育云解決方案、華為eS-pace教育云方案等?！叭üこ獭弊鳛椤笆濉逼陂g教育信息化重大工程，將充分應用云計算技術搭建了“教育資源公共服務平臺”和“教育管理公共服務平臺”。其中，國家教育資源公共服務平臺已于2012年12月28日正式開通上線試運行。教育部“中國學術會議在線”平臺和“基于網絡的雙課堂教學應用試點示范項目”兩大項目也都采用了云計算技術。

如上所述，云計算技術在智慧教育體系中的應用主要集中在教育資源(硬件、平臺、軟件、學習資源)的共享上，可以有效解決我國教育信息化推進過程中長期存在的重復投資、信息孤島等“頑疾”。此外，云計算技術還可以用于打造云學習環境，學生通過電子書包等終端隨時隨地享受云端的各種學習服務。學習者的學習過程數據也將及時存儲到云端，保證學習數據的永不丟失，為學習行為的分析提供數據支持。

(四)泛在網絡：增強教育網絡與多終端的連通性

泛在網絡是智慧教育系統全面連通、無縫訪問的基礎，用戶可以在電信網、移動網、互聯網、衛星網等多個網絡之間暢通無阻地享受高質量的網絡服務。泛在網絡技術也是物聯網、大數據、云計算等技術發揮智慧作用的支撐性技術。目前泛在網絡已經在許多產業領域應用，如政府管理、金融服務、后勤、環境保護、家庭網絡、醫療保健、辦公大樓的自動化和智能化服務等[34]。泛在圖書館是泛在網絡技術在教育領域應用的典型代表。區別于一般的數字圖書館，泛在圖書館將數字資源、先進移動技術與泛在網絡環境進行優質高效整合，為用戶構建一個觸手可及的泛在網絡環境和易于識別、掌握、獲取知識的信息共享環境，確保用戶在尊重知識產權的條件下，通過各種學習終端隨意獲取所需圖書資源[35]。2012年啟動的北京數字學校工程，通過泛在網絡技術打通互聯網與有線電視網，市民在家中通過歌華有線高清交互電視首頁“公共教育”欄目中的“北京數字學?！?，就可將“名師請到家中。智慧教育環境中，泛在網絡技術的有效應用將大力推進“三方連通”：學習、生活與工作的連通；學校教育、家庭教育和社會教育的連通；手機、平板、PC、學習機、電視等各種終端設備的連通。

五、總結與展望

物聯網、云計算、大數據和泛在網絡四種智慧技術的快速發展及其在教育領域的逐步滲透，正在改變教育的生態環境和運作模式。智慧教育體系可以概括為“一個中心、兩類環境、三個內容庫、四種技術、五類用戶、六種業務”。本文構建的智慧教育體系和智慧技術創新應用思路，能夠在一定程度上指導我國智慧教育的發展。隨著全國各地智慧教育發展規劃的制定及其推進，智慧教育研究和實踐的浪潮正在醞釀、發展。智慧教育研究還存在很多亟待解決的關鍵問題，主要包括：(1)智慧教育環境建設：如何提升當前各種教育環境(學校、社區、博物館等)的智慧性，實現教育環境的無縫連通；(2)智慧教育產業標準制定：如何制定智慧教育行業技術標準，引導我國智慧教育產業規范化發展；(3)智慧教育業務開展：如何基于智慧教育環境，實現教學、管理、評價等主流教育業務的智慧化流程改造和績效提升；(4)智慧教育資源開發：如何創新設計智慧資源組織形態、智慧資源管理與應用機制，實現各種教學資源的智能化推送、動態匯聚、有序進化與自適應呈現；(5)智慧型教師隊伍建設：如何創新教師培訓模式與內容，提升教師智慧環境下開展智慧教學的能力。

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楊現民：博士，碩士生導師，研究方向為泛在學習、知識進化、智慧教育、技術增強學習(yangxianmin8888@163.com)。

余勝泉：教授，博士生導師，研究方向為教育技術基本理論、計算教育應用(yusq@bnu.edu.cn)。

2014年8月22日

責任編輯：李馨 趙云建

The Architecture and Key Support Technologies of Smart Education

Yang Xianmin1, Yu Shengquan2
(1.Institute of Education, Jiangsu Normal University, The Engineering Center of Educational Informatization of Jiangsu Province, Xuzhou Jiangsu 221116; 2. Institute of Modern Educational Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875)

Smart education is a new trend of educational informatization development in the information era. The implementation of smart education is huge and complex system engineering. The architecture can be summarized as "one center, two types of environment, three kinds of content library, four key technologies, five kinds of users, and six kinds of core business". Cloud center drives the overall leap of a country or a region's educational informatization. The smart education environment consists the smart campus, which mainly supports school education, and the smart learning city that supports lifelong learning. In order to meet the needs of smart education, we shall construct three kinds of content library, including learning resource base, open course library and management information database. The internet of things, cloud computing, big data and ubiquitous network are four core smart technologies that support the construction of smart education system. This system serves teachers, students, parents, education managers and the public. The innovative applications of smart technologies are essential to promote smart teaching, smart learning,smart management, smart research, smart evaluation and smart service.

Smart Education; System Architecture; Smart Technology; Innovative Application

G434

A

1006—9860(2015)01—0077—08

* 本文受江蘇省高?！扒嗨{工程”、江蘇高校優勢學科建設工程資助項目、教育部—中國移動“移動學習”聯合實驗室開放課題“泛在學習資源的動態與協同進化機制研究”(項目編號：MLLAB-MOE-CMCC-BNU-OFUND-2013-001)資助。