智慧教育體系結構設計與應用研究

胡伏湘

（長沙商貿旅游職業技術學院，湖南長沙410116）

1.智慧教育的內在訴求

智慧教育（Wisdom Education）是信息技術的產物。上世紀九十年代以后，互聯網迅速發展，隨之而來的云計算、移動計算、物聯網，極大地加快了信息化進程，智慧城市、智能制造、智能交通等智慧產業成為社會的研究熱點，特別是以智能手機、iPad、平板電腦為典型代表的智能終端的普及，讓每一個用戶同時具備數據使用者和數據制造者雙重功能，信息量呈幾何級數急劇增長，人類社會步入大數據時代，大數據分析與精確定位在商業領域取得了空前的成功，同時也為教育教學提供了更加廣闊的前景，智慧教育從此應運而生，是時代賦與教育界的歷史使命。

1.1 智慧產業的大趨勢催生智慧教育

縱觀人類文明的發展進程，經歷了三次大的技術革命，第一次是以紡織機和蒸汽機為標志的農業革命；第二次是電力電機為代表的工業革命；而第三次是以計算機和空間技術為主導的信息產業與應用。不難發現，每一次歷史性變革都是通過傳統產業的轉型升級和更新迭代來實現的。無人駕駛汽車、手機銀行、人臉識別、GPS定位等智慧產業蓬勃發展，人們充分感受到新型信息技術帶來的巨大便利，智力經濟時代已經來臨開啟，運用信息化手段促進教育現代化，利用大數據進行個性化指導和差異化培養，改革教育教學模式成為不可逆轉的趨勢，并且已經上升為國家策略的高度[[]]。

1.2 學生的思維模式發生了根本性變化

教育正面臨著有史以來最大的網絡“土著”群體，90后、00后的學生從小就生長在網絡和智能化環境中，一日不可無網，有問題問百度，輕松即可獲得，成為真實寫照，網絡改變了他們的思維模式、生活習慣和人際交往方式，徹底打破了傳統的課堂邊界、學校的邊界和求知的邊界，虛擬社區對三尺講臺提出了嚴峻的挑戰，求必有應、迅速得到，平等對話、親身體驗、共同參與、陪伴成長成為一種本能的需求，灌輸式教學逐步失去興趣，質疑、反駁成為教學互動的新常態。

1.3 社會對專業人才提出了全新的標準

照搬照抄、人云亦云的簡單勞動逐漸不再被企業認可，流水線崗位逐步被機器人擠占，靠記憶、只會標準答案的應試型人才越來越失去競爭力，取而代之的是會分析、能綜合、有團隊精神、主動探索最佳解決方案的創新型人才，大數據時代，掌握獲取知識的能力遠遠超過掌握知識本身，方法比技能更有價值[[]]。

1.4 大數據技術為智慧教育提供了數據存儲和實施方法的支撐

由校園有線網、無線網、物聯網產生的各類數據匯聚于數據中心，通過存儲器虛擬化將來源于業務系統的結構化數據和非結構數據存儲在公有云和私有云上，經過清洗和過濾發送到共享數據平臺，供不同的用戶調用，隨著時間的增加，教育大數據平臺上記錄的信息不斷完善，學生的軌跡逐漸清晰，老師對學生的洞察能力大為提高，為定制個性化導學方案和精準推送提供了準確的方向。

綜上所述，在大數據技術支持下，搭建智慧教育平臺，采集梳理教與學的相關信息，建立網絡資源共享課程，在智慧教室中運用智慧教育方法，線上與線下互為補充，行政班級與學習共同體互為配合，形成智慧教育體系的基本框架。通過實施智慧教育，推動傳統教育教學模式的改革與創新，促進人才培養質量的整體提升。

2.國內外相關研究

2.1 國外研究進展

智慧教育概念最早是在2001年由加拿大教育家范梅南（Max.Vanmanen）提出，他在著作《教學機智-教育智慧的意蘊》中寫到，教育要以學習者為中心，要因勢利導因材施教，注重個性化培養[[]]。2008年IBM公司的《智慧地球》計劃，設想把傳感器嵌入電網、鐵路、公路、建筑等物體中，相互連接構成“物聯網”，并整合到Internet，開啟了智慧時代的進程，智慧城市、智能交通、智慧大樓逐步出現，智慧教育隨之產生，美國、新加坡等率先響應，先后發布了本國的智慧教育計劃。如韓國2011年頒布了“智慧教育推進戰略”、馬來西亞的“智慧學校計劃”、新加坡的iN2015計劃[[]]。與傳統教育相比，智慧教育以數字化資源作為主要載體，讓學生主動參與教學過程，和老師一起探討問題的最優化解決方案，而不是被動接受知識，強調教師的引導作用。實施智慧教育需要智慧環境、智能終端和無線網絡，同樣需要教師掌握現代信息技術[[]]，其核心是智慧學習，通過泛在學習和社會學習共同體達到掌握問題解決方案的目的[[]]，通過教學資源的輸送，學習者可以定向獲取按需材料[[]]，除傳統的文字和圖表外，還應包括視頻、聲音、動畫、AR（增強現實）、VR（虛擬現實）、虛擬場景、地理位置等非結構化信息等[[]]。

2.2 國內研究進展

我國正式將“智慧教育”作為關鍵詞寫進文獻標題的是在2000年[[]]，從2009年開始成為研究熱點，從中國知網上搜索，每年都有100篇以上的論文發表，2014年以后達到200多篇，表明智慧教育的關注度越來越高。研究主題集中在內涵、環境構建、模式、學習方式和運用等方面[[]]：

祝智庭認為，智慧教育是信息技術在教育領域的應用類型，通過智慧環境和智慧方法培養具有高智能和創新能力的學習者，需要環境、資源、教師、學生和管理者的共同配合[[]]。楊現民通過比較數字教育與智慧教育的差異，得出的結論是：智慧教育是對現有數字教育系統的改造升級，實現全球教育資源的無縫整合共享，具有按需推送、智能管控、可視化等技術特征[[]]。金江軍歸納了智慧教育的三個典型環節，即集成式教學環境、自由式學習過程和體驗式教育方式[[]]。實施智慧教育需要的集成平臺通常以云計算和物聯網為架構，感知并記錄學生的學習行為，教師事先建立立體化的課程與專業教學資源庫，利用大數據提取、分析和信息推送方法，引導學生共同掌握知識要點，達到熟能生巧靈活運用的目的[[],[]]，其理想的環境是用大數據技術構建起來的智慧校園，教師起主導作用，學生主動探索未知領域的解決方案[[]]。余勝泉指出，智慧教育對學生也有要求，傳統的被動接受知識達不到智慧的標準，內容交互與數據追蹤、學習數據分析、學習動機維持、社會知識網絡等學習技術是智慧學習的關鍵內容[[]]。智慧教育可以為學校師生及社會的各類用戶提供服務，其核心業務主要包括智慧教學（對師生）、智慧學習（對學生）、智慧科研（對教師）、智慧管理（對管理者）、智慧服務（對家長及公眾）和智慧評價（對學校），形成依托大數據平臺的教學服務系統[3]。比較典型的架構由“一個智慧云中心、二類智慧環境、三個智慧內容庫、四種智慧技術、五類服務用戶、六種智慧業務”組成[[]]，既需要主管部門的頂層設計，也需要學校的支持，更需要老師學生和管理人員的積極參與和相互協作[11]。

2.3 研究述評

智慧教育的前期研究成果雖然不少，但大多立足于某一視角，局限于理論層面，有一定的片面性，難以達到實際操作的需要，特別是總體結構、平臺建設和具體實踐方面還有待進一步深入探索：（1）體系結構問題：智慧教育是系統工程，其主要組成元素是教師和學生，前人的研究往往忽略了后者的中心地位。事實上，如果不充分激發學生的主動性，再好的理念和方法都會徒勞無功。（2）智慧教育的平臺問題：硬件和軟件構成的平臺是實施智慧教育的必要條件，將數字化校園網升級為大數據智慧校園平臺，不斷收集信息逐漸匯聚成教育大數據資源，為學校、專業、課程和學生四個層面提供決策和個性化服務，這是尚未研究透徹的內容。（3）教師的定位問題：傳道授業解惑是教師的基本要求，但更重要的是會引導學習、能設計課堂、善于啟發潛力、掌握推送技術、懂得評估優化方案，和學生共同成長，教師是實施智慧教育的具體落實者，原有研究在這個角度明顯不足。（4）應用模式問題：在平臺和環境建設好之后，教師應善于從各個業務系統及數據庫中挖掘資源，為不同類型的學生推送個性化服務，重在使用，這是前人研究所缺失的內容。

3.智慧教育體系結構的設計

3.1 服務對象的需求分析

截至2016年底，中國網民規模達到7.31億，其中手機網民用戶6.95億，智能手機用戶超過90%，屏幕大小和清晰度逐步提高，智能化程序和體驗性不斷上升，利用手機搜索資源進行學習的趨勢進一步明顯[[]]，不僅是學生，還有老師和管理者，以及與教育領域相關的社會人士，都是智慧教育的服務對象，而他們的關注點是不同的，設計智慧教育體系要充分考慮不同用戶的需求。

學生的關注點是在輕松活潑的環境中，以直觀生動的方式掌握學習內容，所需要的知識信手拈來，志同道合者一起探討感興趣的問題，有自我表現的機會，掌握有用有趣有挑戰的知識和技能，能獲得成就感。老師更加關注如何激發學生的興趣，所講授的課程內容能不能被學生掌握，是不是按照自己的布置進行了預習、復習和完成作業，能不能達到預期目標，老師的付出是否得到認可，良好的教學環境、實時了解學生動態、有利于學歷職稱的提升、方便的科研服務都是他們期待解決的問題。職能部門管理人員的側重點是所轄的業務能否順序執行，以及項目進展情況。校級領導更加希望掌握學校的總體情況，隨時隨地掌握招生、就業情況、重大項目的建設進程、資金使用等宏觀數據和未來趨勢，作為決策依據。社會用戶有多種，關注點也不盡相同，如上級主管部門關心政策的實施和學校目標的實現，家長關心自己孩子的成績和表現，企業關心的是能否招聘到公司所需要的人才，能否有更多合作的機會。

不難看出，智慧教育體系中，搭建數據采集平臺是基礎，教師和學生是最主要的用戶群體，其它用戶均有不同的需求，用數據說話是關鍵，定向輸出定制推送是核心應用，快速存取和數據安全是保證，營造以學生為中心的學習環境和以教師為主導的教育環境，運用大數據技術對學校的運營進行監管，提升綜合治理水平是智慧教育的高級應用。

3.2 智慧教育體系結構設計

智慧教育體系采用云計算技術搭建平臺，利用IaaS、PaaS、SaaS三種云服務模式，面向各類用戶提供數據采集、篩選與聚合、統計分析與決策支持功能，如表1所示。

表1 智慧教育體系的三層服務

云服務可以將學校所需的軟硬件和資料都放到網絡平臺上，在任意時間（Anytime）、任意地點（Anywhere）、任何人（Anywho）都可以將授權的設備連接起來，實現數據存取、互相貫通和遠程管理，個人數據保存在私有云端，而系統信息保存在公共云端，經過軟件系統的處理輸出給不同用戶，供調用和維護。

體系結構是根據功能和屬性的不同而設計的基本框架及工作原理與應用的統稱。為了達到服務對象的要求，按照大數據技術和云計算技術的特點，智慧教育體系的邏輯結構可以設計成五層四個接口兩翼，由低層到高層依次是：基礎設施層、基礎支撐層、數據資源層、業務應用層、綜合展示層。與計算機網絡體系結構相仿，相鄰兩層之間數據的傳遞通過接口實現，接口由低層向高層單向傳遞，兩冀是保證智慧教育正常實施的政策要求和安全運維體系，其結構如圖1所示。

圖1 智慧教育體系結構

第一層是基礎設施層，分為網絡和系統兩個子層，前者是表示原始數據的來源，后者是數據采集設備和存儲位置。第二層是基礎支撐層，在制定統一數據標準的基礎上，將采集到的數據存儲于數據中心，并且建立統一身份認證、統一信息傳遞、統一信息門戶、統一支付和統一決策支持五個平臺，以保證單點登錄，全局漫游，數據出口的唯一性。這兩層之間的接口是數據的采集與清洗，無用的、多余的數據將被過濾掉。

第三層是數據資源層，主要功能是將數據中心的數據進行分類存儲，形成可用資源。主要包括三類資源：基礎教學資源，如課程資源、報刊網站、聲音視頻、動畫等，隨著時間的推移不斷增長，形成教學資源庫；共享交換資源，是相對固定的基礎數據，即教師信息（來自人事部門）、學生信息（來自學生工作管理系統）、課程信息（來自教務管理系統）、固定資產信息（來自資產管理部門），這些數據可供不同業務系統調用，但發源地只有一處；決策支持資源根據檢索條件或者查詢需求重構而成，臨時組建，用完刪除，一般是經過統計或者分析得到，由專業軟件抽取和運算，為決策提供數據支持。第二層到第三層之間的接口是分類和整理，形成基礎數據庫、共享數據庫和專用數據庫。

第四層是業務應用層，由各個業務處理系統構成，面向不同的職能部門和二級學院提供教育教學和相關服務。與傳統的管理信息系統不同之處在于：其底層數據已經在數據中心全部貫通，業務系統存取的信息有一部分是本身所在的子系統，還有一部分來源于其它子系統，甚至是處理后的數據，資源更加豐富和智能。第三層與第四層的接口是數據提取，實現業務信息的歸口處理。

第五層是綜合展示層，即綜合信息服務門戶，在實現統一身份認證、統一信息門戶和單點登錄功能的前提下，通過對歷史數據和子系統數據的統計分析，完成各類信息的聚合和匯總，支持個性化的頁面設置，為不同用戶提供資源呈現和趨勢預測服務。第四層和第五層的接口是聚合和匯總。

這種智慧教育五層體系結構的主要特點是：從數據源入手到智慧教育環境的構建，通過大數據和云計算技術的應用，使實施智慧教育過程的對象和手段具體明確，在國家有關法律法規和標準、安全和運維體系的保障下有序進行。

4.智慧教育的典型應用模式設計

智慧教育是通過信息化手段推動教育的現代化，其技術基礎是大數據等新型IT技術，緊密跟蹤學生的學習生活路線，實時掌握動態變化情況，通過個性化教學內容和方法的滲透修正其成長軌跡，智慧教育的本質是人才培養，關鍵在于教育教學，提高管理效率和決策水平。為教師營造智慧教育環境，為學生自主學習提供場景，形成行政班級與學習共同體云班級配合、線上線下混合式教育相互補充，是智慧教育的典型應用。

4.1 智慧教學過程設計

智慧教育的特點是：以學生為中心，依靠學生，通過教師的主導作用，充分考慮學生的個體差異，讓學生主動參與教學過程，為他們提供陳述觀點和評價的機會，變被動接受為主動探究。要求老師事先準備好足夠的課程資源，因材施教，通過預置問題、創設情境、小組討論、方案評價等方式激活學生的學習欲望。在智慧教育環境中，教師的身份是導學（學生自主學習的引導者），是導師（學生成長路徑的設計者），是導演（實施課堂教學過程的組織者），同時也是課題團隊成員之一（陪伴學生成長），是資源的提供者（精確推送個性化資源），是最優方案的評估者（考量和評價學習效果），而不是標準答案的制定者，更不是真理的化身。學生的地位由課堂內容的吸納者變成了方案的探索者，也是教學過程的參與者。智慧教學過程如圖2所示。

圖2 智慧教學過程

從圖2可以看出，智慧教學過程采用了翻轉課堂模式，利用微課（圍繞一個知識點制作的10分鐘左右的教學視頻）、MOOC（大型開放式網絡課程，由若干視頻組成，每個視頻時間短，以一門課為單位，教學內容完整，任何人都可以注冊學習）、SPOC（小規模受限制網絡課程，只允許所在專業的部分人學習）等課程資源，面授和在線式教學混合進行，以問題為導向，探索最優方案為終點，通過學習小組共同配合，發揮每個人的智慧，達到掌握知識要點提升技能的目標。

4.2 智慧教學環境設計

實施智慧教育首先需要重構教學環境和學習空間，這是實現教育教學變革的前提、抓手和基礎，靈活安排室內設施的布局和座位,能使學生容易參與到課堂教學活動中，突出以人為本和個性化的設計理念，符合人體功效學和認知工效學原理，打破物理空間、數字空間和虛擬空間的邊界，更大的自由活動空間方便學生對移動終端使用的便捷性，可以調節范圍的區域組合,幫助學習者便捷地穿梭于不同類型的學習空間，方便老師線上線下混合式教學。

合適的空間布局，無處不在的網絡資源，固定端與移動端融為一體，必要的教學儀器設置，所有這些構成一種新型教學環境，或稱智慧教室，是完成智慧教學過程的典型場所。與傳統教室不同，它采用了大數據技術云計算架構，教師采用服務器虛擬化桌面，課程資源存儲在云端，學生人手一臺智能終端設備，方便教師移動教學，其結構如圖3所示。

圖3 智慧教室邏輯結構

智慧教室從物理設備來看，可以由三部分組成：一是教學設備。如投影、觸摸屏、攝相機、麥克風、音箱等，用以錄制播放課件及音視頻，捕捉師生狀態。二是環境感知設備。如傳感器、射頻識別（RFID）、紅外感應器、二維碼，將感知信息傳送到數據中心，通過軟件自動簽到并智能調節教室環境，形成舒適而環保的氣氛。三是控制設備。對教室中的設施設備統一管控，將錄播、投影、互動信息發送到系統平臺，為資源庫建設、視頻點播、場景設計、遠程培訓提供素材，與智慧教育的其它功能貫通。智慧教室的數據來源遠不止課件，而是大量從校園網或者智慧校園大數據平臺中提取，通過存儲在云服務器端的教學管理系統可以調用各類業務管理模塊的信息，實現預約課堂、發布信息、實時互動等傳統教室所不具備的服務。其教學場地可以由教室延伸到宿舍甚至家里，將學生的碎片化時間充分利用起來，通過實體課堂和虛擬課堂的相互補充，提高學習效率。

4.3 大數據智慧推送應用設計

推送（push）是將經過整理的信息資源以文件或者鏈接的形式發送到用戶終端，使其不用通過搜索而能夠直接打開，滿足用戶個性化需求，精確而快捷。推送服務的內容可以由用戶自己定制，也可以在大數據環境中由軟件智能分析而確定，其依據是活動軌跡和行為記錄。充分利用智慧教育平臺的推送服務，不僅可以為學生節省用于搜索和整理資源的時間，更為重要的是能夠定期接受到最新資訊，將興趣和特長引導持續和深入，對于提高職業技能培養核心競爭力大有益處。

學生一旦登錄上網，其上網行為、學習進度、消費情況均會由系統自動記錄，逐漸構成活動軌跡，通過大數據挖掘和處理，教師、管理人員和開發人員適時及時掌握其動態，利用推送系統給予他們指導和幫助，如圖4所示。

圖4 智慧信息推送服務系統

在信息推送系統中，會根據需要同時向學生、教師和管理者推送不同的信息，以幫助不同的用戶從不同的角度提高教學和學習的效果，從而提升教育質量。

在智慧教育的應用過程中，教師的工作量比以前會更大，不僅要備課準備教學資源，還要關注領域內的動態，不斷學習新技術新思想，否則有可能無法駕馭課堂，同時需要掌握導學方案設計、移動課件制作、非結構化數據的捕捉、大數據的提煉與分析、聚類與分類等相關技術，隨身云盤、隨時存儲、隨手記錄成為智慧型教師不可缺少的習慣。

五、結束語

智慧教育作為智慧大家庭中的一個重要成分，是推動教育教學改革與創新的時代命題，大數據、云計算技術為這一新型模式提供了可以落地生根的技術基礎，極大地豐富了教育理論的內涵，拓展了教育實踐的視角。教育工作者不僅要掌握好教育教學理論，同樣還需要學會教育技術和信息化手段，這是信息社會對教師職業的挑戰。本文立足于此，對智慧教育的體系結構進行了探索，并設計了智慧教育的典型應用。而對智慧管理和教育教學模式并未過多涉及，這也是本文的不足。

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