智慧校園背景下智慧學習環境的架構研究

張濤 江蘇警官學院

● 前言

教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》提出要“構建智慧學習支持環境”“大力推進智能教育”“探索泛在、靈活、智能的教育教學新環境建設與應用模式”。[1]國務院印發的《中國教育現代化2035》明確提出要“建設智能化校園，統籌建設一體化智能教學、管理與服務平臺”。[2]可以說，智慧校園將成為信息化時代高校實施教學、管理、運行的新形態，成為構建智慧學習環境的基石。因此，筆者結合所在學校近年來開展智慧校園基礎設施建設、實施智慧教學環境改造相關項目的實踐，探討智慧校園背景下智慧學習環境的設計與構建，探索信息化時代教學環境改革的路徑與方法。

● 智慧學習環境的構成要素

從功能上來看，智慧學習環境可看作是一種融合了物理環境、現代信息技術，以及諸多人文要素的學習支持系統，其全部功能都是圍繞學生的學習活動而存在。黃榮懷等認為智慧學習環境中的學習是一種“技術促進學習”（Technology Enhanced Learning，TEL），其構成要素包括數字化學習資源、虛擬學習社區、學習管理系統、設計者（教育者）心理、學習者心理。[3]逯行等認為智能學習環境包括人的環境（教師與管理者）、物的環境（物理空間、社會場館）以及信息環境（互聯網空間以及人工智能等信息技術）。[4]綜合以上觀點，結合智慧校園總體架構的特點和要求，筆者認為智慧學習環境的構成應當包含四大要素，即環境要素、人文要素、資源要素、技術要素，如下頁圖1所示。

圖1

①環境要素是指學習發生的場所，是構成智慧學習環境的基礎設施，包括物理環境和虛擬環境兩個子類。

②人文要素是學習活動的參與者和實施者，包含兩個子類：一是學習活動參與者所構成的主體，包括學生、教師、教學設計人員、教學管理人員等；二是由各主體之間相互交流、溝通、協作而構建的群體主體，即學習社群。

③資源要素是指支持學習活動和教學活動的所有外部知識載體，其中分為實體資源和電子資源兩類，前者指傳統的課本、圖書、講義、筆記等以實體形式記錄的資源，后者指以模擬、數字、多媒體形式記錄的資源。

④技術要素是指支持在智慧學習環境下進行學習、教學和管理的一切技術手段和工具，也是使智慧學習環境區別于一般學習環境的核心要素，是“智慧”的直觀體現。

● 智慧學習環境的類型和適用性

智慧學習環境是指在“互聯網+”理念影響下，基于“以學習者為中心”的人本主義思想，將學生身處的物理環境與網絡虛擬環境相結合，融合大數據、云計算、人工智能、虛擬現實等科技而打造的學習環境。筆者將智慧學習環境劃分為兩種類型，即基于物理環境的智慧學習環境和基于虛擬環境的智慧學習環境，如圖2所示。若將物理空間和虛擬空間作為一個維度、將正式學習和非正式學習作為另一個維度組成二維坐標系，則可以將上述學習環境進行適用性劃分，具體如下頁圖3所示。

圖2

圖3

在橫坐標中，學習環境類型越靠近某一端，則表明其越適用于該類型的學習。例如，智慧教室和在線班級是指以班級為單位，在真實教室或網絡空間中進行集體學習的類別，它們都具有相對固定的授課環境、穩定的學習時間、特定的學習目標和評價標準，由教師進行直接授課；而智慧終端和個人學習空間則是以支持個人自主學習為主要目標的學習環境，在這類環境中，學習行為通常由學生自主發起、自由控制，沒有預設的學習目標和評價標準，學生可根據自身興趣決定學習內容、進度安排，具有極高的靈活性和自主性。此外，所有類別的學習環境都可以在有所側重的前提下兼顧正式學習與非正式學習，可以根據教師和學生的需求靈活安排開展混合式學習、基于項目的學習等多種學習模式。

在縱坐標中，學習環境類型越靠近某一端，則表明構成它的空間要素所占比重越大。智慧教室、智慧實驗室、智慧訓練場、智慧校園都是在物理空間的基礎上，通過添加基礎設施（網絡系統）、信息感知設備（攝像頭、麥克風、傳感器）、教學儀器（實驗設備、訓練器材）、教學交互設備（智能黑板、智能終端、班牌）、學習支持系統（后臺服務端和軟件系統）而形成的智慧學習環境；個人空間、虛擬班級、虛擬社區等則是基于通信服務（有線網、無線網、移動網絡）、云服務（云存儲、云計算）、網絡管理系統、網絡學習資源、應用軟件系統所建立的網絡虛擬空間，用戶根據權限訪問空間的資源和功能，獲取個性化服務，實現自主學習、交流討論、分工合作。

事實上，從智慧學習環境的類型劃分來看，物理環境與虛擬環境存在一定的共通性，兩者仿佛彼此的鏡像，某一空間中的學習環境類型都能在另一空間中找到對應。因此，對高校教學來說，兩種類型的智慧學習環境雖然在物理上隔離，但在使用上卻是相互融合、缺一不可的。無論個人學習還是集體學習、正式學習還是非正式學習，智慧學習環境都能根據學生的需求和教學過程的需要，由線上線下兩種形態的學習環境共同提供學習支持。因此，在實踐中，高校通常采取線上線下相結合的模式開展教學與學習活動，以充分發揮兩者的優勢，實現教學效果的優化。

● 智慧學習環境的架構

1.智慧校園里的智慧學習環境

智慧校園是在數字化校園基礎之上的升級和換代，是高等院校信息化建設的新階段。智慧校園的產生和發展為改革高校教學組織形態、突破校園邊界、構建泛在教學環境創造了有利條件。[5]與數字化校園相比，智慧校園更強調校園環境的整體性和基礎性作用，注重建設和利用覆蓋全校的無線互聯網絡和多節點感知模塊，不間斷地檢測和收集學校各項運行數據；注重將數據層面和業務層面打通，并將不同部門、不同類型的數據進行融合，實現全面的數字化管理；注重數據感知與智能處理，利用大數據技術對基礎數據進行處理、分析，自動提取有價值信息，形成過程性結論，以支持學校管理決策；注重提供個性化服務，將接口統一、服務融合，形成面向個人用戶的個性化支持體系，全面滿足每個人的學習、生活、教學、科研、管理等需求。

智慧校園相對于數字化校園的重要特征之一就是融合，包括底層的數據融合、中層的業務融合、頂層的服務融合。這種融合有效避免了數據冗余、數據差異等問題，也有助于打破不同部門之間的信息壁壘，使數據獲得極大的流通性。而智慧學習環境同樣是基于對眾多技術平臺、業務系統、開發工具、基礎服務的有機融合，實現對學習資源、學習支持、學習服務的整合。[6]因此，智慧校園中的高速互聯網絡、無線感知系統、業務融合與智能處理系統、支持大數據和云計算的信息中心等軟硬件設施，都為高校開展智慧教育，構建以人為本、滿足學生個性化需求的智慧學習環境創造了基礎條件。

2.智慧學習環境的整體架構

2018年6月，國家標準化管理委員會發布了《智慧校園總體框架》國家標準，指出智慧校園總體架構包括基礎設施層、支持平臺層、應用平臺層、應用終端等四個層次。[7]而智慧學習環境的構建與智慧校園的建設是相輔相成的，其整體架構在某種程度上根植于智慧校園，具有“一體多能”的特性。此外，智慧學習環境必須更加重視在線學習與線下學習、正式學習與非正式學習的對接與融合，助力師生開展教學模式、學習模式的創新，也必須更加強調應用系統的靈活性、數據接口的統一性、服務體驗的一致性、接入節點的多樣性等各個方面。

基于此，在智慧校園基礎上構建的智慧學習環境，其整體架構應當包括服務端的硬件基礎設施和服務系統、用戶端的應用場景和接入終端，以及連接兩端的統一接口。具體地說，可以將其劃分為五個層次，即硬件層、中心層、接口層、應用層、終端層，如圖4所示。

圖4

①硬件層是構成智慧學習環境的硬件基礎，包括傳感器系統、網絡系統、中心機房。遍布校園的傳感器能夠采集環境信息、設備設施狀態與使用情況、人員身份信息等基礎數據，通過校園網傳輸到存儲服務器，并匯集到大數據中心，為下一步數據處理和云計算提供海量數據來源；校園基礎網絡系統和高速聯網技術為師生訪問校內資源提供便捷、安全的通道，并有助于模糊學校邊界，為開展非正式學習創造條件；中心機房利用虛擬化技術整合并靈活分配計算資源，可根據需要增減服務器，降低維護成本,提升整體性能，為部署大數據、云計算相關應用奠定基礎。

②中心層是智慧學習環境的核心層，也是數據、業務的匯聚層，包括大數據中心和云計算中心。大數據中心負責收集、存儲、處理用戶數據、學習資源、教學資源、學習過程數據以及支持系統、環境數據，以支持客戶端調用資源、記錄學習過程、開展日常教學和自主學習；云計算中心承擔整個系統的復雜計算任務，一方面為人工智能、智慧教學、虛擬現實、學習支持系統、學習跟蹤與監控系統等應用系統服務，另一方面作為VDI/VOI架構的云機房以及各類虛擬實驗室、虛擬訓練場的服務端，為實訓課程承擔相應運算任務，以降低終端性能要求，實現系統的跨平臺功能并支持移動應用。

③接口層是連接服務端和用戶端的中介層，包括統一接口和安全防護兩部分。統一接口部分負責識別、轉換內外數據的接口類型，將來自不同終端的請求進行處理和轉發，為不同端口提供一致的數據接入；安全防護部分負責進行身份認證、權限管理、系統防護等工作，與智慧校園的安全防護體系一起保障智慧教學環境的安全平穩運行。

④應用層是智慧學習環境的應用運行部分，是開展智慧教學、智慧學習的主要場所，包括物理環境和虛擬環境兩部分。物理環境即智慧教室、實驗室、研討室等實體空間，主要為開展線下教學提供支持；虛擬環境即虛擬教室、虛擬實驗室、虛擬訓練場等虛擬空間，主要為自主學習、小組學習、模擬演練、虛擬班級等在線學習情境提供服務。

⑤終端層是人員實際操作的層面，包括用戶和終端兩部分。無論是學生、教師，還是管理員、行政人員均可通過不同的終端設備訪問權限內的資源，各個業務平臺通過統一門戶進行集成，打通部門數據壁壘，實現系統的智能化、統一化運作。

在各個層次之間通過網絡傳輸數據和信息，用戶可以根據自身需要，在校內、校外通過不同終端自由地接入系統，獲取信息，開展學習與教學活動，并由系統自動進行學習行為的記錄、分析、評價與反饋，最終為學生、教育者、管理者提供趨勢預測、狀態預警、決策參考等智能化信息。

● 結語

智慧學習環境的構建并非一朝一夕的事，需要結合高校自身定位需求、發展目標、技術實力、資源投入、運行效力等多個方面的因素進行綜合分析、設計、構建、實施，并在過程中不斷修正方向，持續改進。本文重點探討了智慧學習環境的構成要素、類型及其適用性，在智慧校園總體框架的基礎上提出一種智慧學習環境的架構模型，下一步還需要對其實現細節和建設規劃進行進一步研究和完善。