智慧教育的體系技術解構與融合路徑研究*

胡欽太，鄭 凱，胡小勇，林南暉

(1.華南師范大學 教育信息技術學院，廣東 廣州 510631；2.華南師范大學 網絡中心，廣東 廣州 510631)

智慧教育的體系技術解構與融合路徑研究*

胡欽太1，鄭 凱2，胡小勇1，林南暉2

(1.華南師范大學 教育信息技術學院，廣東 廣州 510631；2.華南師范大學 網絡中心，廣東 廣州 510631)

信息技術的快速發展及其在教育領域的不斷滲透，正顛覆性影響著教育體系的理論、模式和環境。為深入理解智慧教育體系的運作模式和實現原理，該文從體系、技術和功能實現的角度對智慧教育進行解構，討論了體現智慧教育所含智慧特征的技術細節和內在聯系，提出了智慧教育關鍵技術，描述了技術所帶來的智慧教育特征和教育應用場景，給出了智慧教育技術融合發展路徑的建議。

智慧教育；體系解構；技術解構；技術融合路徑

智慧教育是科技領域的“智慧地球”概念[1]在教育領域的延伸和體現，在老一輩科學家錢學森所描繪的“大成智慧學”[2]的教育發展藍圖早有體現。受技術發展水平限制，錢老的智慧教育理念只能依靠學習者本人博眾家之所長，耗費學習者大量的心力，并不能推廣到大眾的學習者。當前，云計算、大數據、物聯網、普適計算、社交網絡等信息化技術的不斷涌現，為智慧教育體系的構建提供了現實基礎和強大支撐。現有智慧教育的研究文獻更多關注溯源概念、挖掘內容、提取特征和創建模型方面，對于信息化新技術在智慧教育體系和技術融合、智慧特征的技術驅動等方面的研究較為少見。對智慧教育進行體系解構與技術解構，理清體系與技術的內在脈絡，系統梳理智慧教育中智慧特征與信息技術的對應關系和發展圖譜，成為本文研究的主要動因。

一、智慧教育的概念與特征

學者們對智慧教育概念、內涵與特征的闡述本質上趨同，但在觀察角度上各有側重。從教育理論的角度，華東師范大學祝智庭認為：“智慧教育的真諦就是通過利用智能化技術(靈巧技術)構建智能化環境”[3]。湖北大學靖國平提出：“廣義智慧教育是一種更為全面、豐富、多元、綜合的智慧教育”[4]。從系統理論的角度，北京師范大學黃榮懷認為：“智慧教育(系統)是一種由學校、區域或國家提供的高學習體驗、高內容適配性和高教學效率的教育行為(系統)”[5]。江蘇師范大學楊現民提出了更詳細的系統性解釋：“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”[6]。綜合各家觀點，智慧教育以培養智慧型人才為最終目標，以新一代信息技術為驅動和支撐，以融合滲透當前最先進的教育理論、系統理論和高新技術為路徑，是教育信息化發展的高級階段和未來方向。

學者們對智慧教育的特征也進行了提取與分析。黃榮懷認為：“智慧教育具有感知、適配、關愛、公平、和諧五大本質特征”。楊現民認為：“智慧教育整體呈現智能化、融合化、泛在化、個性化與開放協同的特征與發展趨勢”。從智慧教育特征的本質看，這些特征都是其內在技術載體特點的釋放，正是信息技術的巨大進步，使得智慧教育的特征能夠淋漓盡致地體現。我們認為，智慧教育是先進的教育理念和信息化技術的綜合體，其特征包括智能感知、自動建模、資源的組織與適配、服務主動推送、適應學習的差異化、協作性和社群化等。深入分析解構智慧教育體系和技術細節，有助于我們領會智慧教育體系運轉和發展的內在驅動力。

二、智慧教育的體系解構

深入理解智慧教育以及智慧教育所依托的信息技術，必須對智慧教育的體系架構加以解構。楊現民結合智慧城市體系，把智慧教育體系概括為“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”[7]。趙秋錦進一步提出了智慧教育環境的系統模式，并描述了體系模塊相互連接的部分技術[8]。從智慧教育功能與技術的融合出發，智慧教育是一個由多個教育活動、過程以及功能技術模塊共同構成且相互反饋的復雜生態體系。該生態體系由以學習者為主體的智慧學習、以教學者為主體的智慧教學、開發者視角的智慧教育資源與技術環境(智慧教育云)、管理者視角的智慧教育制度等四個主要部分構成，如圖1所示。

1.以學習者為主體的智慧學習。可以解構為四個功能技術模塊：學習者(包括智能學習設備和泛在的網絡接入)、學習者感知模塊、學習者模型和智慧教育服務引擎提供的學習服務。

2.以教學者為主體的智慧教學。可以解構為三個模塊：教學者(包括智能教學設備和泛在的網絡接入)、教學模塊和智慧教育服務引擎提供的教學服務。

3.開發者視角的智慧教育資源與技術環境(智慧教育云)。可以解構為三個模塊：學習資源模塊、工具平臺與環境模塊以及智能服務模塊。

4.管理者視角的智慧教育制度可以解構為兩個模塊：現代教育制度、智慧教育體系的資源和應用推廣機制。各個模塊中黃色(深色)方框表示智慧教育功能，藍色(淺色)方框表示功能所依托的信息技術。

在各模塊中，智能服務模塊居于中心地位，是整個智慧教育體系中的核心模塊和運轉引擎。它從其它系統模塊中獲取各類信息，并通過內在嵌入的智能技術提供智慧教育的各類服務。

圖1 智慧教育體系與功能模型

基于上述體系，典型的智慧學習過程可以描述為：學習者借助智能學習終端和智慧學習物理環境，通過泛在網絡環境無縫接入智慧教育云。智慧教育云通過感知學習者學習目標、狀態變化、物理環境和學習歷史，主動向學習者推送相對應的教學服務、學習資源和學習工具，幫助學習者適配和聯接學習社區，智能調控學習者的物理學習環境。簡而言之，智慧學習能夠更加貼近學習者的學習需求，滿足學習行為的多樣化，賦予學習者學習的主導權，從而培養更有智慧的學習者。

典型的智慧教學過程可以描述為：教學者借助智能教學工具，通過泛在網絡環境無縫接入智慧教育云。智慧教育云分析學習者的統計數據和學習資源統計數據，為教學者的教學設計和資源構建提供智能建議和教學工具，幫助教學者適配和聯接教學社區。在具體的教學過程中，智慧教育云向教學者及時反饋學習者的學習情況，教學者按需動態地提供學習干預，準確地進行學習診斷和評價。

三、智慧教育的技術解構

對智慧教育進行體系解構后可以發現，智慧教育與以往其它教育方式相比，所呈現的特征和功能均能找到相應的信息技術作為依托。由于智慧教育制度并不是本文關注的技術內容，下文就智慧教育體系的其它三個主要組成部分作進一步的技術解構和細節剖析。

(一)學習者視角下的智慧教育——智慧學習

韓國教育科學技術部(The Korean Ministry of Education, Science and Technology, MEST)認為智慧學習的特點是以自我為導向的、主動的、適配的、資源豐富的和技術融合的[9]。Lee 和Son認為其特點包括：以學生為中心、自我指導、交互、智能、非正規學習、現實感等[10]。賀斌提出智慧學習的SMART-STAIR(智慧階梯)概念框架，他認為智慧學習模型由內外兩層組成：里層的學習者和外層的技術環境(學習空間)[11]。

筆者認為智慧學習以學習者為中心，以自我為導向，其關鍵特征是能夠適應學習者學習的差異化，包括學習者個體差異、學習情境差異和學習目標差異。學習差異化的消除，通過學習者與技術環境的智能交互實現。智能交互的因素包括學習設備和物理環境、學習者和學習情境感知、學習者建模以及智慧教育服務引擎向學習者推送的智能服務。

1.學習設備和物理環境。智慧學習設備是集成智慧學習客戶端和學習工具的綜合學習設備，具備網絡的泛在接入能力和與智慧教育云的全方位交互能力。針對不同的學習目標和學習情境，智慧學習設備可以是輕便、移動的，也可以固定、支持完整的學習體驗。它是學習者與智慧教育云的接入層。

2.學習者感知。學習者感知是感知學習過程中學習者的學習目標、學習狀態和所處的物理環境等信息。張永和對學習情境識別作了形式化的表述，并分析了學習情境識別的六個要素其相互關系[12]，如圖2所示。學習目標感知主要是判斷學習類型，如正規學習與非正規學習、有意愿的學習與隨意性學習等。學習目標可以通過學習時間持續性、學習資源選取系統性等因素進行判斷或者由學習者自己選擇。學習狀態感知通過獲取學習者個體的生物特征信息來感知學習者的情感狀態變化，獲取的技術途徑目前主要有面部表情[13]、眼動[14]、可穿戴設備[15]等。物理環境感知通過傳感器、GPS、RFID、智能水電控制等技術獲取的溫度、濕度、嘈雜度、光亮等學習物理環境信息。

圖2 學習情景識別的要素關系

3.學習者建模。學習者和學習情境感知獲取的信息存在統計意義上的分布差異和表面特征的無關聯性。為了使智慧教育云的服務引擎能夠準確識別學習者感知信息并提供恰當的服務反饋，必須抽取學習者和學習情境感知信息特征，建立適合計算機系統處理的抽象、準確的表征方式，這個過程稱為學習者建模。黃煥提出了一個融合情感特征的學習者模型，并給出了一個基于微博分析的學習者情感建模框架[16]。Bull和Kay提出了開放性學習者模型(Open Learner Model,OLM)，該模型允許學習者訪問系統對自己的評價信息，可以維護自己和學習同伴信息，是一個自適應、個性化驅動的教育系統[17]。李青等探討了利用角色模型對學習者進行建模的具體實現方法[18]。現有的學習者建模研究局限于固定感知場景，考慮到智慧學習學習情境和學習方式的特殊性，時空和個體關聯限制仍未取得關鍵性突破。

4.智能學習服務。為學習者提供智能、個性化的學習服務，通過智慧教育體系中各部分、功能、模塊的協同工作實現，是智慧教育的出發點和歸宿。智能學習服務包括學習資源模塊提供的基于主題和語義關聯的資源推薦服務、資源檢索導航服務、資源自適應展現服務；智慧教學模塊提供的學習計劃和課程安排服務、學習干預服務、學習診斷與評價服務；智能服務模塊提供的聯接學習社群服務、學習過程可視化服務；工具、平臺與環境模塊提供的支持學習的軟硬件服務、物理環境控制服務等。智能學習服務由智慧教育服務引擎直接與學習者進行交互。學習者能夠獲得的智能學習服務功能及來源功能模塊，如表1所示。

表1 智慧教育云的智能學習服務

(二)教學者視角下的智慧教育——智慧教學

培養智慧型的人才是智慧教育的最終目標，智慧教學首先應能夠依托智慧教育云，為學習者提供符合智慧教育特征的教學服務；其次，智慧教學還能夠通過聯接教學社群、接受學習者對教學的反饋等方式促進教學方法和教學內容的演進。現階段智慧教學相關的體系化研究非常鮮見，基于本文提出的智慧教育體系與功能模型，我們認為智慧教學必須能夠及時、準確地把握學習者的差異化并做出相應的教學引導；教學過程中能夠確切地發現教學過程中的問題并進行相應的教學調整；教學者能夠利用教學社群和知識庫進入智慧學習過程并提高教學者的教學水平。智慧教學是通過智能教學設備和網絡環境、智慧教學模塊與智慧教育云的智能交互實現的。

1.教學設備和物理環境。智慧教學設備是集成智慧教學客戶端和教學工具的綜合教學設備，具備網絡的泛在接入能力和與智慧教育云的全方位交互能力。它是教學者與智慧教育云之間的接入層。

2.智慧教學模塊。智慧教學模塊為教學者提供綜合性的智慧教學功能，主要包括資源制作和上傳、學習計劃和課程安排設定、學習干預、學習的診斷與評價等。需要指出的是，智慧教學模塊的功能并不是孤立的，而是與智慧教育云形成有機的整體，并進行頻繁的信息交互，從而確保智慧教學服務的針對性和準確性。

3.智能教學服務。為教學者提供智能的、綜合性的教學服務，通過智慧教育體系中各部分、功能、模塊的協同工作實現，是智慧教育的催化劑。智能教學服務包括學習資源模塊提供的基于主題和語義關聯的資源推薦服務、資源檢索導航服務、資源自適應展現服務；學習者模型提供的學習者建模服務、學習情境建模服務和學習過程/歷史服務；智能服務模塊提供的聯接教學社群服務、教學過程可視化服務；工具、平臺與環境模塊提供的支持教學的軟硬件服務等。智能教學服務由智慧教育服務引擎直接與教學者進行交互。學習者能夠獲得的智能學習服務功能及來源功能模塊，如表2所示。

表2 智慧教育云的智能教學服務

(三)設計者視角下的智慧教育——智慧教育云

智慧教育資源與技術環境是整個智慧教育體系的核心和樞紐，是教育智慧的源泉。黃榮懷指出，“學習環境的構建是實現學與教方式變革的基礎，智慧學習環境是數字學習環境的高端形態”[19]。鐘國祥提出“智能學習環境是從建構主義學習理論、混合學習理論、現代教學理論出發，以學習者學習為中心，由相匹配的設備、工具、技術、媒體、教材、教師、同學等構成的一個智能性、開放式、集成化的數字虛擬現實學習空間。”[20]

表3是黃榮懷提出的智慧學習環境六大要素與普通數字學習環境的比較。

表3 普通數字學習環境與智慧學習環境的比較

續表3

本文認為智慧教育的資源與技術環境(智慧教育云)由三個核心模塊和兩個接入模塊構成，如圖3所示。核心模塊包括學習資源模塊，工具、平臺與環境模塊以及智能服務模塊，接入模塊包括智慧學習模塊和智慧教學模塊。從系統分割的視角，核心模塊的功能是由教育資源云提供的，下文主要解構核心模塊的功能與技術。接入模塊的功能是由學習者和智能學習設備的客戶端軟硬件提供的。

圖3 智慧教育智慧與技術環境系統模型

在這個系統模型中，智能服務模塊是智慧教育云的服務引擎，其它模塊都向智能服務模塊注冊元數據信息，推送本模塊提供的服務。各模塊實現的功能相對固定并可以自我進化，同時，模塊間的相互作用也加速了各模塊的發展進程。

1.學習資源模塊。鄭旭東認為，“智慧資源應為智慧化的教學和學習提供必需的支撐，彌合正式學習和非正式學習，滿足學習者智慧化的發展需求”[21]。他指出智慧教育資源應具備七大特征，分別為語義聚合與聯通性、深層開放與共享性、進化與再生性、多終端自適應性、海量與泛在性、個性化智能推送和多維交互與人機合一性，并給出了由“三庫+六系統”構成的智慧資源建設體系框架，如圖4所示。

本文認為，從學習資源自我發展、自我進化的角度看，智慧學習資源至少需要具備四個特征與功能。一是基于語義關聯和主題匯聚的資源自組織能力。目前表達學習資源間邏輯關系的組織模式主要有基于元數據(Meta Data)[22]、基于本體(Ontology)[23]和基于主題圖(Topic Map)[24]三種方法。基于元數據和本體的方法主要依靠專家知識庫和建構工具實現，研究者也試圖通過本體學習技術[25][26]來實現，本體學習技術的目標是利用機器學習和統計等技術自動從已有的學習資源中獲取期望的本體。由于完全自動的知識獲取技術尚不現實，因此目前的本體構建技術還是一個“半手動半自動”的過程。二是智能的資源檢索與導航能力。資源檢索與導航能力是在資源的有序組織的前提下實現的，目的是向學習者提供個性化的、精確的資源檢索服務，向學習者提供多樣化的檢索導航模式、個性化的設計和高精度的檢索。三是資源的自我分類與轉換能力。由于智慧學習資源必須適應不同學習目標和學習情境的需要，因此資源建設必須支持多元化和資源形式的智能轉換。智能學習資源能夠根據學習者、智能學習設備和學習情境信息，對資源格式、分段、大小進行智能轉換，實現基于多終端、多網絡環境的資源自適應和完整展現。四是資源的再生與進化能力。教育資源再生與進化是以形成生成性資源為目的的資源更新與擴展，指教育資源的開發者、使用者、管理者在瀏覽、應用教育資源的過程中與資源發生交互，并依托自身的知識與經驗衍生出新資源的過程[27]。

圖4 智慧教育資源建設體系框架

2.工具、平臺與環境模塊。該模塊是智慧教育體系中起到基礎性支撐作用，主要包括智慧教育云上的軟硬件基礎平臺、云端向智慧學習、教學活動提供的工具與環境、基于學習行為的資源調度和存儲優化、物理環境的智能控制等功能。承載智慧教育的云平臺實現平臺即服務層(Platform as a Service)功能，要求平臺具有高度的分布性、可擴展性和良好的訪問性能。智慧教育云為學習者和教學者提供區別于客戶端的云端工具與環境，不會因為用戶切換設備而導致服務中斷或者數據丟失。該模塊還應能夠按需動態調整資源的物理分布、實現基于主題的資源調度與預取。

3.智能服務模塊。即智慧教育的服務引擎，承擔元數據管理、消息路由、大數據分析、智能推送服務等智慧教育的核心功能。智能服務模塊包括的關鍵功能包括學習行為的大數據分析、教育服務的適配性推薦、教育過程的可視化和社群聯接功能。大數據分析是智慧教育服務的前提，通過對學習行為、教學行為、資源訪問行為、學習效果、學習教學評價等多個方面數據的關聯分析和挖掘，構建各類服務的智能決策模型，通過教育服務的適配性推薦功能向智慧教育體系的其它模塊發送智慧服務或控制指令。教育過程的可視化實現對學習者學習、教學者教學的過程與歷史的可視化，為學習者和教學者進行自我調整、人工干預提供參考和依據，為管理者提供宏觀督導。教學社群和學習社群可以在智慧教育云中進行集成式的構建，也可以調用和聯接公共社交平臺。社群聯接主要依賴主題進行智能匹配。

四、智慧教育的技術融合路徑

智慧教育的發展依賴于現代教育制度的保障，依賴于智慧教育應用推廣機制，也依賴于人的信息化素養和ICT應用能力的提升，同時更離不開與信息技術的相互融合和協同發展。結合現階段技術水平及其應用能力，本文提出以下幾條智慧教育的技術融合路徑。

(一)建設智慧教育云平臺，實現教育資源與教育服務的整合

智慧教育云平臺需基于多級架構、公有云和私有云相結合的方式建設，自上而下對教育類型、模式、主題和特色進行有區別的分布，使智慧教育云更貼近學習者的實際學習需求。從技術架構層面，智慧教育云要能夠實現對現有教育平臺、教育系統、教育資源和教育服務的包含和整合，構建統一的身份認證、數據共享、接口規范和訪問門戶。云平臺硬件資源要具備彈性擴展能力和分布式存儲能力，平臺與大帶寬高速網絡連接，提供高可用的各類教育服務。

(二)構建泛在的感知體系，擴展物聯網在校園的應用范圍

在校園各公共區域構建視頻監控、門禁、一卡通及各類傳感器設備，在教學區域構建教學環境智能控制系統，完善教室的教學信息化設備，大力擴展物聯網在校園內的應用范圍，形成校園泛在的感知體系，讓設備產生智能，為智慧教育收集大數據。

(三)強化大數據利用能力，推進大數據教育應用服務示范

智慧教育大數據的應用建議從選取示范性應用服務入手，采取“以點帶面、逐步拓展”的技術推廣路徑。選擇教育過程中不易獲取的規律但又具有實際意義的大數據分析，如就學習者就餐習慣與學習成績的關系、學習者生活習慣與學習態度的關系、學習者上網習慣與網絡學習能力之間的關系等進行大數據挖掘，得到其內含的發展規律，并進行個性化教育應用示范。鼓勵廣大教育工作者和信息化工作者拓展教育大數據應用思維，不斷創新大數據教育服務。

(四)加大研究支持力度，破解智慧教育關鍵技術難題

各級教育機構和科研機構要不斷加大對智慧教育體系和技術研究的支持力度，逐步破解制約智慧教育發展的關鍵技術難題。深入研究智慧教育服務的發現、組合和推送問題，智慧教育體系中各個實體的建模技術、教育大數據關聯分析挖掘技術、教育資源的多態組織與存取優化技術等，并盡快形成可實際應用的技術方案，在實際應用中加以驗證與改善。

(五)組建校企合作聯盟，打造智慧教育發展產業鏈

企業的積極參與是保證智慧教育活力和可持續發展的必要條件。教育信息化催生了一大批技術先進、產品豐富、服務到位的企業。組建校企合作聯盟，可以充分發揮高校的智力資源優勢和企業的產業化優勢，面向國家智慧教育的前瞻性需求，協同創新、集中開發高技術含量、高服務質量的教育平臺和工具，打造智慧教育發展的產業鏈條。

(六)融入智慧城市發展，創設智慧教育外部發展環境

智慧教育是智慧城市在教育領域的體現，智慧城市可以為智慧教育發展提供良好的技術與應用土壤。智慧教育發展要時刻關注智慧城市建設中出現的新技術、新應用和新服務，確保智慧教育體系的開放性和互通能力，一方面做好智慧城市服務的延伸，另一方面也要積極地融入智慧城市的整體發展框架，為智慧教育創設良好的外部發展環境。

五、結語

智慧教育是一個長期復雜的系統性工程，是教育信息化發展的高端形態。在智慧教育的研究和應用推進過程中，從體系和技術的角度去審視技術給教育帶來的智慧特征，有助于我們深入了解智慧教育的智慧來源和本質，并厘清智慧教育的技術融合路徑，對更加有的放矢地推進智慧教育發展進程有著很強的實踐指導意義。

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責任編輯：李馨 趙興龍

Research on the Systematical Technology Analysis and Integration Path of Smart Education

Hu Qintai1, Zheng Kai2, Hu Xiaoyong1, Lin Nanhui2
(1.College of Educational information technology, South China Normal University, Guangzhou Guangdong 510631;2.Network Center, South China Normal University, Guangzhou Guangdong 510631)

At the age of increasingly development of ICT, and the constant penetration in the field of education, ICT itself is subversively influencing the theory, model, and environment of educational system. For the reason to understand operational model and relatively principle of smart educational system, this research analyze the educational system from the perspective of system,technology, and function method. The process of analyze also include the discussion about technical details and internal relationship of smart characteristics. On the ground of above discussion, the paper indicates the conception of vital technology of smart education.This conception will give a picture for all of us about the features and apply situation of smart education. Finally, this research will present some strategy about technical integration path of smart education.

Smart Education; Systematical Analysis; Technical Analysis; Technical Integration Path

G434

：A

1006—9860(2016)01—0049—07

胡欽太：教授，博士生導師，研究方向為信息化教育與傳播研究(huqt8@scnu.edu.cn)。

2015年11月28日

* 本文系國家自然科學基金“移動學習行為感知下教育資源語義組織與存儲優化研究”(項目編號：61370178)、國家自然科學基金“基于眼動追蹤的智能教學Agent情感交互與認知支持模型研究”(項目編號：61305144)、廣州市科技計劃項目云計算技術研發及產業化專項“基于下一代互聯網的移動教育應用云平臺示范建設”(項目編號：2013Y2-00062)研究成果。