智慧教育的体系技术解构与融合路径研究*

胡钦太，郑 凯，胡小勇，林南晖

(1.华南师范大学 教育信息技术学院，广东 广州 510631；2.华南师范大学 网络中心，广东 广州 510631)

智慧教育的体系技术解构与融合路径研究*

胡钦太1，郑 凯2，胡小勇1，林南晖2

(1.华南师范大学 教育信息技术学院，广东 广州 510631；2.华南师范大学 网络中心，广东 广州 510631)

信息技术的快速发展及其在教育领域的不断渗透，正颠覆性影响着教育体系的理论、模式和环境。为深入理解智慧教育体系的运作模式和实现原理，该文从体系、技术和功能实现的角度对智慧教育进行解构，讨论了体现智慧教育所含智慧特征的技术细节和内在联系，提出了智慧教育关键技术，描述了技术所带来的智慧教育特征和教育应用场景，给出了智慧教育技术融合发展路径的建议。

智慧教育；体系解构；技术解构；技术融合路径

智慧教育是科技领域的“智慧地球”概念[1]在教育领域的延伸和体现，在老一辈科学家钱学森所描绘的“大成智慧学”[2]的教育发展蓝图早有体现。受技术发展水平限制，钱老的智慧教育理念只能依靠学习者本人博众家之所长，耗费学习者大量的心力，并不能推广到大众的学习者。当前，云计算、大数据、物联网、普适计算、社交网络等信息化技术的不断涌现，为智慧教育体系的构建提供了现实基础和强大支撑。现有智慧教育的研究文献更多关注溯源概念、挖掘内容、提取特征和创建模型方面，对于信息化新技术在智慧教育体系和技术融合、智慧特征的技术驱动等方面的研究较为少见。对智慧教育进行体系解构与技术解构，理清体系与技术的内在脉络，系统梳理智慧教育中智慧特征与信息技术的对应关系和发展图谱，成为本文研究的主要动因。

一、智慧教育的概念与特征

学者们对智慧教育概念、内涵与特征的阐述本质上趋同，但在观察角度上各有侧重。从教育理论的角度，华东师范大学祝智庭认为：“智慧教育的真谛就是通过利用智能化技术(灵巧技术)构建智能化环境”[3]。湖北大学靖国平提出：“广义智慧教育是一种更为全面、丰富、多元、综合的智慧教育”[4]。从系统理论的角度，北京师范大学黄荣怀认为：“智慧教育(系统)是一种由学校、区域或国家提供的高学习体验、高内容适配性和高教学效率的教育行为(系统)”[5]。江苏师范大学杨现民提出了更详细的系统性解释：“智慧教育是依托物联网、云计算、大数据、无线通信等新一代信息技术所打造的智能化教育信息生态系统，是数字教育的高级发展阶段”[6]。综合各家观点，智慧教育以培养智慧型人才为最终目标，以新一代信息技术为驱动和支撑，以融合渗透当前最先进的教育理论、系统理论和高新技术为路径，是教育信息化发展的高级阶段和未来方向。

学者们对智慧教育的特征也进行了提取与分析。黄荣怀认为：“智慧教育具有感知、适配、关爱、公平、和谐五大本质特征”。杨现民认为：“智慧教育整体呈现智能化、融合化、泛在化、个性化与开放协同的特征与发展趋势”。从智慧教育特征的本质看，这些特征都是其内在技术载体特点的释放，正是信息技术的巨大进步，使得智慧教育的特征能够淋漓尽致地体现。我们认为，智慧教育是先进的教育理念和信息化技术的综合体，其特征包括智能感知、自动建模、资源的组织与适配、服务主动推送、适应学习的差异化、协作性和社群化等。深入分析解构智慧教育体系和技术细节，有助于我们领会智慧教育体系运转和发展的内在驱动力。

二、智慧教育的体系解构

深入理解智慧教育以及智慧教育所依托的信息技术，必须对智慧教育的体系架构加以解构。杨现民结合智慧城市体系，把智慧教育体系概括为“一个中心、两类环境、三个内容库、四种技术、五类用户、六种业务”[7]。赵秋锦进一步提出了智慧教育环境的系统模式，并描述了体系模块相互连接的部分技术[8]。从智慧教育功能与技术的融合出发，智慧教育是一个由多个教育活动、过程以及功能技术模块共同构成且相互反馈的复杂生态体系。该生态体系由以学习者为主体的智慧学习、以教学者为主体的智慧教学、开发者视角的智慧教育资源与技术环境(智慧教育云)、管理者视角的智慧教育制度等四个主要部分构成，如图1所示。

1.以学习者为主体的智慧学习。可以解构为四个功能技术模块：学习者(包括智能学习设备和泛在的网络接入)、学习者感知模块、学习者模型和智慧教育服务引擎提供的学习服务。

2.以教学者为主体的智慧教学。可以解构为三个模块：教学者(包括智能教学设备和泛在的网络接入)、教学模块和智慧教育服务引擎提供的教学服务。

3.开发者视角的智慧教育资源与技术环境(智慧教育云)。可以解构为三个模块：学习资源模块、工具平台与环境模块以及智能服务模块。

4.管理者视角的智慧教育制度可以解构为两个模块：现代教育制度、智慧教育体系的资源和应用推广机制。各个模块中黄色(深色)方框表示智慧教育功能，蓝色(浅色)方框表示功能所依托的信息技术。

在各模块中，智能服务模块居于中心地位，是整个智慧教育体系中的核心模块和运转引擎。它从其它系统模块中获取各类信息，并通过内在嵌入的智能技术提供智慧教育的各类服务。

图1 智慧教育体系与功能模型

基于上述体系，典型的智慧学习过程可以描述为：学习者借助智能学习终端和智慧学习物理环境，通过泛在网络环境无缝接入智慧教育云。智慧教育云通过感知学习者学习目标、状态变化、物理环境和学习历史，主动向学习者推送相对应的教学服务、学习资源和学习工具，帮助学习者适配和联接学习社区，智能调控学习者的物理学习环境。简而言之，智慧学习能够更加贴近学习者的学习需求，满足学习行为的多样化，赋予学习者学习的主导权，从而培养更有智慧的学习者。

典型的智慧教学过程可以描述为：教学者借助智能教学工具，通过泛在网络环境无缝接入智慧教育云。智慧教育云分析学习者的统计数据和学习资源统计数据，为教学者的教学设计和资源构建提供智能建议和教学工具，帮助教学者适配和联接教学社区。在具体的教学过程中，智慧教育云向教学者及时反馈学习者的学习情况，教学者按需动态地提供学习干预，准确地进行学习诊断和评价。

三、智慧教育的技术解构

对智慧教育进行体系解构后可以发现，智慧教育与以往其它教育方式相比，所呈现的特征和功能均能找到相应的信息技术作为依托。由于智慧教育制度并不是本文关注的技术内容，下文就智慧教育体系的其它三个主要组成部分作进一步的技术解构和细节剖析。

(一)学习者视角下的智慧教育——智慧学习

韩国教育科学技术部(The Korean Ministry of Education, Science and Technology, MEST)认为智慧学习的特点是以自我为导向的、主动的、适配的、资源丰富的和技术融合的[9]。Lee 和Son认为其特点包括：以学生为中心、自我指导、交互、智能、非正规学习、现实感等[10]。贺斌提出智慧学习的SMART-STAIR(智慧阶梯)概念框架，他认为智慧学习模型由内外两层组成：里层的学习者和外层的技术环境(学习空间)[11]。

笔者认为智慧学习以学习者为中心，以自我为导向，其关键特征是能够适应学习者学习的差异化，包括学习者个体差异、学习情境差异和学习目标差异。学习差异化的消除，通过学习者与技术环境的智能交互实现。智能交互的因素包括学习设备和物理环境、学习者和学习情境感知、学习者建模以及智慧教育服务引擎向学习者推送的智能服务。

1.学习设备和物理环境。智慧学习设备是集成智慧学习客户端和学习工具的综合学习设备，具备网络的泛在接入能力和与智慧教育云的全方位交互能力。针对不同的学习目标和学习情境，智慧学习设备可以是轻便、移动的，也可以固定、支持完整的学习体验。它是学习者与智慧教育云的接入层。

2.学习者感知。学习者感知是感知学习过程中学习者的学习目标、学习状态和所处的物理环境等信息。张永和对学习情境识别作了形式化的表述，并分析了学习情境识别的六个要素其相互关系[12]，如图2所示。学习目标感知主要是判断学习类型，如正规学习与非正规学习、有意愿的学习与随意性学习等。学习目标可以通过学习时间持续性、学习资源选取系统性等因素进行判断或者由学习者自己选择。学习状态感知通过获取学习者个体的生物特征信息来感知学习者的情感状态变化，获取的技术途径目前主要有面部表情[13]、眼动[14]、可穿戴设备[15]等。物理环境感知通过传感器、GPS、RFID、智能水电控制等技术获取的温度、湿度、嘈杂度、光亮等学习物理环境信息。

图2 学习情景识别的要素关系

3.学习者建模。学习者和学习情境感知获取的信息存在统计意义上的分布差异和表面特征的无关联性。为了使智慧教育云的服务引擎能够准确识别学习者感知信息并提供恰当的服务反馈，必须抽取学习者和学习情境感知信息特征，建立适合计算机系统处理的抽象、准确的表征方式，这个过程称为学习者建模。黄焕提出了一个融合情感特征的学习者模型，并给出了一个基于微博分析的学习者情感建模框架[16]。Bull和Kay提出了开放性学习者模型(Open Learner Model,OLM)，该模型允许学习者访问系统对自己的评价信息，可以维护自己和学习同伴信息，是一个自适应、个性化驱动的教育系统[17]。李青等探讨了利用角色模型对学习者进行建模的具体实现方法[18]。现有的学习者建模研究局限于固定感知场景，考虑到智慧学习学习情境和学习方式的特殊性，时空和个体关联限制仍未取得关键性突破。

4.智能学习服务。为学习者提供智能、个性化的学习服务，通过智慧教育体系中各部分、功能、模块的协同工作实现，是智慧教育的出发点和归宿。智能学习服务包括学习资源模块提供的基于主题和语义关联的资源推荐服务、资源检索导航服务、资源自适应展现服务；智慧教学模块提供的学习计划和课程安排服务、学习干预服务、学习诊断与评价服务；智能服务模块提供的联接学习社群服务、学习过程可视化服务；工具、平台与环境模块提供的支持学习的软硬件服务、物理环境控制服务等。智能学习服务由智慧教育服务引擎直接与学习者进行交互。学习者能够获得的智能学习服务功能及来源功能模块，如表1所示。

表1 智慧教育云的智能学习服务

(二)教学者视角下的智慧教育——智慧教学

培养智慧型的人才是智慧教育的最终目标，智慧教学首先应能够依托智慧教育云，为学习者提供符合智慧教育特征的教学服务；其次，智慧教学还能够通过联接教学社群、接受学习者对教学的反馈等方式促进教学方法和教学内容的演进。现阶段智慧教学相关的体系化研究非常鲜见，基于本文提出的智慧教育体系与功能模型，我们认为智慧教学必须能够及时、准确地把握学习者的差异化并做出相应的教学引导；教学过程中能够确切地发现教学过程中的问题并进行相应的教学调整；教学者能够利用教学社群和知识库进入智慧学习过程并提高教学者的教学水平。智慧教学是通过智能教学设备和网络环境、智慧教学模块与智慧教育云的智能交互实现的。

1.教学设备和物理环境。智慧教学设备是集成智慧教学客户端和教学工具的综合教学设备，具备网络的泛在接入能力和与智慧教育云的全方位交互能力。它是教学者与智慧教育云之间的接入层。

2.智慧教学模块。智慧教学模块为教学者提供综合性的智慧教学功能，主要包括资源制作和上传、学习计划和课程安排设定、学习干预、学习的诊断与评价等。需要指出的是，智慧教学模块的功能并不是孤立的，而是与智慧教育云形成有机的整体，并进行频繁的信息交互，从而确保智慧教学服务的针对性和准确性。

3.智能教学服务。为教学者提供智能的、综合性的教学服务，通过智慧教育体系中各部分、功能、模块的协同工作实现，是智慧教育的催化剂。智能教学服务包括学习资源模块提供的基于主题和语义关联的资源推荐服务、资源检索导航服务、资源自适应展现服务；学习者模型提供的学习者建模服务、学习情境建模服务和学习过程/历史服务；智能服务模块提供的联接教学社群服务、教学过程可视化服务；工具、平台与环境模块提供的支持教学的软硬件服务等。智能教学服务由智慧教育服务引擎直接与教学者进行交互。学习者能够获得的智能学习服务功能及来源功能模块，如表2所示。

表2 智慧教育云的智能教学服务

(三)设计者视角下的智慧教育——智慧教育云

智慧教育资源与技术环境是整个智慧教育体系的核心和枢纽，是教育智慧的源泉。黄荣怀指出，“学习环境的构建是实现学与教方式变革的基础，智慧学习环境是数字学习环境的高端形态”[19]。钟国祥提出“智能学习环境是从建构主义学习理论、混合学习理论、现代教学理论出发，以学习者学习为中心，由相匹配的设备、工具、技术、媒体、教材、教师、同学等构成的一个智能性、开放式、集成化的数字虚拟现实学习空间。”[20]

表3是黄荣怀提出的智慧学习环境六大要素与普通数字学习环境的比较。

表3 普通数字学习环境与智慧学习环境的比较

续表3

本文认为智慧教育的资源与技术环境(智慧教育云)由三个核心模块和两个接入模块构成，如图3所示。核心模块包括学习资源模块，工具、平台与环境模块以及智能服务模块，接入模块包括智慧学习模块和智慧教学模块。从系统分割的视角，核心模块的功能是由教育资源云提供的，下文主要解构核心模块的功能与技术。接入模块的功能是由学习者和智能学习设备的客户端软硬件提供的。

图3 智慧教育智慧与技术环境系统模型

在这个系统模型中，智能服务模块是智慧教育云的服务引擎，其它模块都向智能服务模块注册元数据信息，推送本模块提供的服务。各模块实现的功能相对固定并可以自我进化，同时，模块间的相互作用也加速了各模块的发展进程。

1.学习资源模块。郑旭东认为，“智慧资源应为智慧化的教学和学习提供必需的支撑，弥合正式学习和非正式学习，满足学习者智慧化的发展需求”[21]。他指出智慧教育资源应具备七大特征，分别为语义聚合与联通性、深层开放与共享性、进化与再生性、多终端自适应性、海量与泛在性、个性化智能推送和多维交互与人机合一性，并给出了由“三库+六系统”构成的智慧资源建设体系框架，如图4所示。

本文认为，从学习资源自我发展、自我进化的角度看，智慧学习资源至少需要具备四个特征与功能。一是基于语义关联和主题汇聚的资源自组织能力。目前表达学习资源间逻辑关系的组织模式主要有基于元数据(Meta Data)[22]、基于本体(Ontology)[23]和基于主题图(Topic Map)[24]三种方法。基于元数据和本体的方法主要依靠专家知识库和建构工具实现，研究者也试图通过本体学习技术[25][26]来实现，本体学习技术的目标是利用机器学习和统计等技术自动从已有的学习资源中获取期望的本体。由于完全自动的知识获取技术尚不现实，因此目前的本体构建技术还是一个“半手动半自动”的过程。二是智能的资源检索与导航能力。资源检索与导航能力是在资源的有序组织的前提下实现的，目的是向学习者提供个性化的、精确的资源检索服务，向学习者提供多样化的检索导航模式、个性化的设计和高精度的检索。三是资源的自我分类与转换能力。由于智慧学习资源必须适应不同学习目标和学习情境的需要，因此资源建设必须支持多元化和资源形式的智能转换。智能学习资源能够根据学习者、智能学习设备和学习情境信息，对资源格式、分段、大小进行智能转换，实现基于多终端、多网络环境的资源自适应和完整展现。四是资源的再生与进化能力。教育资源再生与进化是以形成生成性资源为目的的资源更新与扩展，指教育资源的开发者、使用者、管理者在浏览、应用教育资源的过程中与资源发生交互，并依托自身的知识与经验衍生出新资源的过程[27]。

图4 智慧教育资源建设体系框架

2.工具、平台与环境模块。该模块是智慧教育体系中起到基础性支撑作用，主要包括智慧教育云上的软硬件基础平台、云端向智慧学习、教学活动提供的工具与环境、基于学习行为的资源调度和存储优化、物理环境的智能控制等功能。承载智慧教育的云平台实现平台即服务层(Platform as a Service)功能，要求平台具有高度的分布性、可扩展性和良好的访问性能。智慧教育云为学习者和教学者提供区别于客户端的云端工具与环境，不会因为用户切换设备而导致服务中断或者数据丢失。该模块还应能够按需动态调整资源的物理分布、实现基于主题的资源调度与预取。

3.智能服务模块。即智慧教育的服务引擎，承担元数据管理、消息路由、大数据分析、智能推送服务等智慧教育的核心功能。智能服务模块包括的关键功能包括学习行为的大数据分析、教育服务的适配性推荐、教育过程的可视化和社群联接功能。大数据分析是智慧教育服务的前提，通过对学习行为、教学行为、资源访问行为、学习效果、学习教学评价等多个方面数据的关联分析和挖掘，构建各类服务的智能决策模型，通过教育服务的适配性推荐功能向智慧教育体系的其它模块发送智慧服务或控制指令。教育过程的可视化实现对学习者学习、教学者教学的过程与历史的可视化，为学习者和教学者进行自我调整、人工干预提供参考和依据，为管理者提供宏观督导。教学社群和学习社群可以在智慧教育云中进行集成式的构建，也可以调用和联接公共社交平台。社群联接主要依赖主题进行智能匹配。

四、智慧教育的技术融合路径

智慧教育的发展依赖于现代教育制度的保障，依赖于智慧教育应用推广机制，也依赖于人的信息化素养和ICT应用能力的提升，同时更离不开与信息技术的相互融合和协同发展。结合现阶段技术水平及其应用能力，本文提出以下几条智慧教育的技术融合路径。

(一)建设智慧教育云平台，实现教育资源与教育服务的整合

智慧教育云平台需基于多级架构、公有云和私有云相结合的方式建设，自上而下对教育类型、模式、主题和特色进行有区别的分布，使智慧教育云更贴近学习者的实际学习需求。从技术架构层面，智慧教育云要能够实现对现有教育平台、教育系统、教育资源和教育服务的包含和整合，构建统一的身份认证、数据共享、接口规范和访问门户。云平台硬件资源要具备弹性扩展能力和分布式存储能力，平台与大带宽高速网络连接，提供高可用的各类教育服务。

(二)构建泛在的感知体系，扩展物联网在校园的应用范围

在校园各公共区域构建视频监控、门禁、一卡通及各类传感器设备，在教学区域构建教学环境智能控制系统，完善教室的教学信息化设备，大力扩展物联网在校园内的应用范围，形成校园泛在的感知体系，让设备产生智能，为智慧教育收集大数据。

(三)强化大数据利用能力，推进大数据教育应用服务示范

智慧教育大数据的应用建议从选取示范性应用服务入手，采取“以点带面、逐步拓展”的技术推广路径。选择教育过程中不易获取的规律但又具有实际意义的大数据分析，如就学习者就餐习惯与学习成绩的关系、学习者生活习惯与学习态度的关系、学习者上网习惯与网络学习能力之间的关系等进行大数据挖掘，得到其内含的发展规律，并进行个性化教育应用示范。鼓励广大教育工作者和信息化工作者拓展教育大数据应用思维，不断创新大数据教育服务。

(四)加大研究支持力度，破解智慧教育关键技术难题

各级教育机构和科研机构要不断加大对智慧教育体系和技术研究的支持力度，逐步破解制约智慧教育发展的关键技术难题。深入研究智慧教育服务的发现、组合和推送问题，智慧教育体系中各个实体的建模技术、教育大数据关联分析挖掘技术、教育资源的多态组织与存取优化技术等，并尽快形成可实际应用的技术方案，在实际应用中加以验证与改善。

(五)组建校企合作联盟，打造智慧教育发展产业链

企业的积极参与是保证智慧教育活力和可持续发展的必要条件。教育信息化催生了一大批技术先进、产品丰富、服务到位的企业。组建校企合作联盟，可以充分发挥高校的智力资源优势和企业的产业化优势，面向国家智慧教育的前瞻性需求，协同创新、集中开发高技术含量、高服务质量的教育平台和工具，打造智慧教育发展的产业链条。

(六)融入智慧城市发展，创设智慧教育外部发展环境

智慧教育是智慧城市在教育领域的体现，智慧城市可以为智慧教育发展提供良好的技术与应用土壤。智慧教育发展要时刻关注智慧城市建设中出现的新技术、新应用和新服务，确保智慧教育体系的开放性和互通能力，一方面做好智慧城市服务的延伸，另一方面也要积极地融入智慧城市的整体发展框架，为智慧教育创设良好的外部发展环境。

五、结语

智慧教育是一个长期复杂的系统性工程，是教育信息化发展的高端形态。在智慧教育的研究和应用推进过程中，从体系和技术的角度去审视技术给教育带来的智慧特征，有助于我们深入了解智慧教育的智慧来源和本质，并厘清智慧教育的技术融合路径，对更加有的放矢地推进智慧教育发展进程有着很强的实践指导意义。

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责任编辑：李馨 赵兴龙

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

胡钦太：教授，博士生导师，研究方向为信息化教育与传播研究(huqt8@scnu.edu.cn)。

2015年11月28日

* 本文系国家自然科学基金“移动学习行为感知下教育资源语义组织与存储优化研究”(项目编号：61370178)、国家自然科学基金“基于眼动追踪的智能教学Agent情感交互与认知支持模型研究”(项目编号：61305144)、广州市科技计划项目云计算技术研发及产业化专项“基于下一代互联网的移动教育应用云平台示范建设”(项目编号：2013Y2-00062)研究成果。