智慧教育体系结构设计与应用研究

胡伏湘

（长沙商贸旅游职业技术学院，湖南长沙410116）

1.智慧教育的内在诉求

智慧教育（Wisdom Education）是信息技术的产物。上世纪九十年代以后，互联网迅速发展，随之而来的云计算、移动计算、物联网，极大地加快了信息化进程，智慧城市、智能制造、智能交通等智慧产业成为社会的研究热点，特别是以智能手机、iPad、平板电脑为典型代表的智能终端的普及，让每一个用户同时具备数据使用者和数据制造者双重功能，信息量呈几何级数急剧增长，人类社会步入大数据时代，大数据分析与精确定位在商业领域取得了空前的成功，同时也为教育教学提供了更加广阔的前景，智慧教育从此应运而生，是时代赋与教育界的历史使命。

1.1 智慧产业的大趋势催生智慧教育

纵观人类文明的发展进程，经历了三次大的技术革命，第一次是以纺织机和蒸汽机为标志的农业革命；第二次是电力电机为代表的工业革命；而第三次是以计算机和空间技术为主导的信息产业与应用。不难发现，每一次历史性变革都是通过传统产业的转型升级和更新迭代来实现的。无人驾驶汽车、手机银行、人脸识别、GPS定位等智慧产业蓬勃发展，人们充分感受到新型信息技术带来的巨大便利，智力经济时代已经来临开启，运用信息化手段促进教育现代化，利用大数据进行个性化指导和差异化培养，改革教育教学模式成为不可逆转的趋势，并且已经上升为国家策略的高度[[]]。

1.2 学生的思维模式发生了根本性变化

教育正面临着有史以来最大的网络“土著”群体，90后、00后的学生从小就生长在网络和智能化环境中，一日不可无网，有问题问百度，轻松即可获得，成为真实写照，网络改变了他们的思维模式、生活习惯和人际交往方式，彻底打破了传统的课堂边界、学校的边界和求知的边界，虚拟社区对三尺讲台提出了严峻的挑战，求必有应、迅速得到，平等对话、亲身体验、共同参与、陪伴成长成为一种本能的需求，灌输式教学逐步失去兴趣，质疑、反驳成为教学互动的新常态。

1.3 社会对专业人才提出了全新的标准

照搬照抄、人云亦云的简单劳动逐渐不再被企业认可，流水线岗位逐步被机器人挤占，靠记忆、只会标准答案的应试型人才越来越失去竞争力，取而代之的是会分析、能综合、有团队精神、主动探索最佳解决方案的创新型人才，大数据时代，掌握获取知识的能力远远超过掌握知识本身，方法比技能更有价值[[]]。

1.4 大数据技术为智慧教育提供了数据存储和实施方法的支撑

由校园有线网、无线网、物联网产生的各类数据汇聚于数据中心，通过存储器虚拟化将来源于业务系统的结构化数据和非结构数据存储在公有云和私有云上，经过清洗和过滤发送到共享数据平台，供不同的用户调用，随着时间的增加，教育大数据平台上记录的信息不断完善，学生的轨迹逐渐清晰，老师对学生的洞察能力大为提高，为定制个性化导学方案和精准推送提供了准确的方向。

综上所述，在大数据技术支持下，搭建智慧教育平台，采集梳理教与学的相关信息，建立网络资源共享课程，在智慧教室中运用智慧教育方法，线上与线下互为补充，行政班级与学习共同体互为配合，形成智慧教育体系的基本框架。通过实施智慧教育，推动传统教育教学模式的改革与创新，促进人才培养质量的整体提升。

2.国内外相关研究

2.1 国外研究进展

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《教学机智-教育智慧的意蕴》中写到，教育要以学习者为中心，要因势利导因材施教，注重个性化培养[[]]。2008年IBM公司的《智慧地球》计划，设想把传感器嵌入电网、铁路、公路、建筑等物体中，相互连接构成“物联网”，并整合到Internet，开启了智慧时代的进程，智慧城市、智能交通、智慧大楼逐步出现，智慧教育随之产生，美国、新加坡等率先响应，先后发布了本国的智慧教育计划。如韩国2011年颁布了“智慧教育推进战略”、马来西亚的“智慧学校计划”、新加坡的iN2015计划[[]]。与传统教育相比，智慧教育以数字化资源作为主要载体，让学生主动参与教学过程，和老师一起探讨问题的最优化解决方案，而不是被动接受知识，强调教师的引导作用。实施智慧教育需要智慧环境、智能终端和无线网络，同样需要教师掌握现代信息技术[[]]，其核心是智慧学习，通过泛在学习和社会学习共同体达到掌握问题解决方案的目的[[]]，通过教学资源的输送，学习者可以定向获取按需材料[[]]，除传统的文字和图表外，还应包括视频、声音、动画、AR（增强现实）、VR（虚拟现实）、虚拟场景、地理位置等非结构化信息等[[]]。

2.2 国内研究进展

我国正式将“智慧教育”作为关键词写进文献标题的是在2000年[[]]，从2009年开始成为研究热点，从中国知网上搜索，每年都有100篇以上的论文发表，2014年以后达到200多篇，表明智慧教育的关注度越来越高。研究主题集中在内涵、环境构建、模式、学习方式和运用等方面[[]]：

祝智庭认为，智慧教育是信息技术在教育领域的应用类型，通过智慧环境和智慧方法培养具有高智能和创新能力的学习者，需要环境、资源、教师、学生和管理者的共同配合[[]]。杨现民通过比较数字教育与智慧教育的差异，得出的结论是：智慧教育是对现有数字教育系统的改造升级，实现全球教育资源的无缝整合共享，具有按需推送、智能管控、可视化等技术特征[[]]。金江军归纳了智慧教育的三个典型环节，即集成式教学环境、自由式学习过程和体验式教育方式[[]]。实施智慧教育需要的集成平台通常以云计算和物联网为架构，感知并记录学生的学习行为，教师事先建立立体化的课程与专业教学资源库，利用大数据提取、分析和信息推送方法，引导学生共同掌握知识要点，达到熟能生巧灵活运用的目的[[],[]]，其理想的环境是用大数据技术构建起来的智慧校园，教师起主导作用，学生主动探索未知领域的解决方案[[]]。余胜泉指出，智慧教育对学生也有要求，传统的被动接受知识达不到智慧的标准，内容交互与数据追踪、学习数据分析、学习动机维持、社会知识网络等学习技术是智慧学习的关键内容[[]]。智慧教育可以为学校师生及社会的各类用户提供服务，其核心业务主要包括智慧教学（对师生）、智慧学习（对学生）、智慧科研（对教师）、智慧管理（对管理者）、智慧服务（对家长及公众）和智慧评价（对学校），形成依托大数据平台的教学服务系统[3]。比较典型的架构由“一个智慧云中心、二类智慧环境、三个智慧内容库、四种智慧技术、五类服务用户、六种智慧业务”组成[[]]，既需要主管部门的顶层设计，也需要学校的支持，更需要老师学生和管理人员的积极参与和相互协作[11]。

2.3 研究述评

智慧教育的前期研究成果虽然不少，但大多立足于某一视角，局限于理论层面，有一定的片面性，难以达到实际操作的需要，特别是总体结构、平台建设和具体实践方面还有待进一步深入探索：（1）体系结构问题：智慧教育是系统工程，其主要组成元素是教师和学生，前人的研究往往忽略了后者的中心地位。事实上，如果不充分激发学生的主动性，再好的理念和方法都会徒劳无功。（2）智慧教育的平台问题：硬件和软件构成的平台是实施智慧教育的必要条件，将数字化校园网升级为大数据智慧校园平台，不断收集信息逐渐汇聚成教育大数据资源，为学校、专业、课程和学生四个层面提供决策和个性化服务，这是尚未研究透彻的内容。（3）教师的定位问题：传道授业解惑是教师的基本要求，但更重要的是会引导学习、能设计课堂、善于启发潜力、掌握推送技术、懂得评估优化方案，和学生共同成长，教师是实施智慧教育的具体落实者，原有研究在这个角度明显不足。（4）应用模式问题：在平台和环境建设好之后，教师应善于从各个业务系统及数据库中挖掘资源，为不同类型的学生推送个性化服务，重在使用，这是前人研究所缺失的内容。

3.智慧教育体系结构的设计

3.1 服务对象的需求分析

截至2016年底，中国网民规模达到7.31亿，其中手机网民用户6.95亿，智能手机用户超过90%，屏幕大小和清晰度逐步提高，智能化程序和体验性不断上升，利用手机搜索资源进行学习的趋势进一步明显[[]]，不仅是学生，还有老师和管理者，以及与教育领域相关的社会人士，都是智慧教育的服务对象，而他们的关注点是不同的，设计智慧教育体系要充分考虑不同用户的需求。

学生的关注点是在轻松活泼的环境中，以直观生动的方式掌握学习内容，所需要的知识信手拈来，志同道合者一起探讨感兴趣的问题，有自我表现的机会，掌握有用有趣有挑战的知识和技能，能获得成就感。老师更加关注如何激发学生的兴趣，所讲授的课程内容能不能被学生掌握，是不是按照自己的布置进行了预习、复习和完成作业，能不能达到预期目标，老师的付出是否得到认可，良好的教学环境、实时了解学生动态、有利于学历职称的提升、方便的科研服务都是他们期待解决的问题。职能部门管理人员的侧重点是所辖的业务能否顺序执行，以及项目进展情况。校级领导更加希望掌握学校的总体情况，随时随地掌握招生、就业情况、重大项目的建设进程、资金使用等宏观数据和未来趋势，作为决策依据。社会用户有多种，关注点也不尽相同，如上级主管部门关心政策的实施和学校目标的实现，家长关心自己孩子的成绩和表现，企业关心的是能否招聘到公司所需要的人才，能否有更多合作的机会。

不难看出，智慧教育体系中，搭建数据采集平台是基础，教师和学生是最主要的用户群体，其它用户均有不同的需求，用数据说话是关键，定向输出定制推送是核心应用，快速存取和数据安全是保证，营造以学生为中心的学习环境和以教师为主导的教育环境，运用大数据技术对学校的运营进行监管，提升综合治理水平是智慧教育的高级应用。

3.2 智慧教育体系结构设计

智慧教育体系采用云计算技术搭建平台，利用IaaS、PaaS、SaaS三种云服务模式，面向各类用户提供数据采集、筛选与聚合、统计分析与决策支持功能，如表1所示。

表1 智慧教育体系的三层服务

云服务可以将学校所需的软硬件和资料都放到网络平台上，在任意时间（Anytime）、任意地点（Anywhere）、任何人（Anywho）都可以将授权的设备连接起来，实现数据存取、互相贯通和远程管理，个人数据保存在私有云端，而系统信息保存在公共云端，经过软件系统的处理输出给不同用户，供调用和维护。

体系结构是根据功能和属性的不同而设计的基本框架及工作原理与应用的统称。为了达到服务对象的要求，按照大数据技术和云计算技术的特点，智慧教育体系的逻辑结构可以设计成五层四个接口两翼，由低层到高层依次是：基础设施层、基础支撑层、数据资源层、业务应用层、综合展示层。与计算机网络体系结构相仿，相邻两层之间数据的传递通过接口实现，接口由低层向高层单向传递，两冀是保证智慧教育正常实施的政策要求和安全运维体系，其结构如图1所示。

图1 智慧教育体系结构

第一层是基础设施层，分为网络和系统两个子层，前者是表示原始数据的来源，后者是数据采集设备和存储位置。第二层是基础支撑层，在制定统一数据标准的基础上，将采集到的数据存储于数据中心，并且建立统一身份认证、统一信息传递、统一信息门户、统一支付和统一决策支持五个平台，以保证单点登录，全局漫游，数据出口的唯一性。这两层之间的接口是数据的采集与清洗，无用的、多余的数据将被过滤掉。

第三层是数据资源层，主要功能是将数据中心的数据进行分类存储，形成可用资源。主要包括三类资源：基础教学资源，如课程资源、报刊网站、声音视频、动画等，随着时间的推移不断增长，形成教学资源库；共享交换资源，是相对固定的基础数据，即教师信息（来自人事部门）、学生信息（来自学生工作管理系统）、课程信息（来自教务管理系统）、固定资产信息（来自资产管理部门），这些数据可供不同业务系统调用，但发源地只有一处；决策支持资源根据检索条件或者查询需求重构而成，临时组建，用完删除，一般是经过统计或者分析得到，由专业软件抽取和运算，为决策提供数据支持。第二层到第三层之间的接口是分类和整理，形成基础数据库、共享数据库和专用数据库。

第四层是业务应用层，由各个业务处理系统构成，面向不同的职能部门和二级学院提供教育教学和相关服务。与传统的管理信息系统不同之处在于：其底层数据已经在数据中心全部贯通，业务系统存取的信息有一部分是本身所在的子系统，还有一部分来源于其它子系统，甚至是处理后的数据，资源更加丰富和智能。第三层与第四层的接口是数据提取，实现业务信息的归口处理。

第五层是综合展示层，即综合信息服务门户，在实现统一身份认证、统一信息门户和单点登录功能的前提下，通过对历史数据和子系统数据的统计分析，完成各类信息的聚合和汇总，支持个性化的页面设置，为不同用户提供资源呈现和趋势预测服务。第四层和第五层的接口是聚合和汇总。

这种智慧教育五层体系结构的主要特点是：从数据源入手到智慧教育环境的构建，通过大数据和云计算技术的应用，使实施智慧教育过程的对象和手段具体明确，在国家有关法律法规和标准、安全和运维体系的保障下有序进行。

4.智慧教育的典型应用模式设计

智慧教育是通过信息化手段推动教育的现代化，其技术基础是大数据等新型IT技术，紧密跟踪学生的学习生活路线，实时掌握动态变化情况，通过个性化教学内容和方法的渗透修正其成长轨迹，智慧教育的本质是人才培养，关键在于教育教学，提高管理效率和决策水平。为教师营造智慧教育环境，为学生自主学习提供场景，形成行政班级与学习共同体云班级配合、线上线下混合式教育相互补充，是智慧教育的典型应用。

4.1 智慧教学过程设计

智慧教育的特点是：以学生为中心，依靠学生，通过教师的主导作用，充分考虑学生的个体差异，让学生主动参与教学过程，为他们提供陈述观点和评价的机会，变被动接受为主动探究。要求老师事先准备好足够的课程资源，因材施教，通过预置问题、创设情境、小组讨论、方案评价等方式激活学生的学习欲望。在智慧教育环境中，教师的身份是导学（学生自主学习的引导者），是导师（学生成长路径的设计者），是导演（实施课堂教学过程的组织者），同时也是课题团队成员之一（陪伴学生成长），是资源的提供者（精确推送个性化资源），是最优方案的评估者（考量和评价学习效果），而不是标准答案的制定者，更不是真理的化身。学生的地位由课堂内容的吸纳者变成了方案的探索者，也是教学过程的参与者。智慧教学过程如图2所示。

图2 智慧教学过程

从图2可以看出，智慧教学过程采用了翻转课堂模式，利用微课（围绕一个知识点制作的10分钟左右的教学视频）、MOOC（大型开放式网络课程，由若干视频组成，每个视频时间短，以一门课为单位，教学内容完整，任何人都可以注册学习）、SPOC（小规模受限制网络课程，只允许所在专业的部分人学习）等课程资源，面授和在线式教学混合进行，以问题为导向，探索最优方案为终点，通过学习小组共同配合，发挥每个人的智慧，达到掌握知识要点提升技能的目标。

4.2 智慧教学环境设计

实施智慧教育首先需要重构教学环境和学习空间，这是实现教育教学变革的前提、抓手和基础，灵活安排室内设施的布局和座位,能使学生容易参与到课堂教学活动中，突出以人为本和个性化的设计理念，符合人体功效学和认知工效学原理，打破物理空间、数字空间和虚拟空间的边界，更大的自由活动空间方便学生对移动终端使用的便捷性，可以调节范围的区域组合,帮助学习者便捷地穿梭于不同类型的学习空间，方便老师线上线下混合式教学。

合适的空间布局，无处不在的网络资源，固定端与移动端融为一体，必要的教学仪器设置，所有这些构成一种新型教学环境，或称智慧教室，是完成智慧教学过程的典型场所。与传统教室不同，它采用了大数据技术云计算架构，教师采用服务器虚拟化桌面，课程资源存储在云端，学生人手一台智能终端设备，方便教师移动教学，其结构如图3所示。

图3 智慧教室逻辑结构

智慧教室从物理设备来看，可以由三部分组成：一是教学设备。如投影、触摸屏、摄相机、麦克风、音箱等，用以录制播放课件及音视频，捕捉师生状态。二是环境感知设备。如传感器、射频识别（RFID）、红外感应器、二维码，将感知信息传送到数据中心，通过软件自动签到并智能调节教室环境，形成舒适而环保的气氛。三是控制设备。对教室中的设施设备统一管控，将录播、投影、互动信息发送到系统平台，为资源库建设、视频点播、场景设计、远程培训提供素材，与智慧教育的其它功能贯通。智慧教室的数据来源远不止课件，而是大量从校园网或者智慧校园大数据平台中提取，通过存储在云服务器端的教学管理系统可以调用各类业务管理模块的信息，实现预约课堂、发布信息、实时互动等传统教室所不具备的服务。其教学场地可以由教室延伸到宿舍甚至家里，将学生的碎片化时间充分利用起来，通过实体课堂和虚拟课堂的相互补充，提高学习效率。

4.3 大数据智慧推送应用设计

推送（push）是将经过整理的信息资源以文件或者链接的形式发送到用户终端，使其不用通过搜索而能够直接打开，满足用户个性化需求，精确而快捷。推送服务的内容可以由用户自己定制，也可以在大数据环境中由软件智能分析而确定，其依据是活动轨迹和行为记录。充分利用智慧教育平台的推送服务，不仅可以为学生节省用于搜索和整理资源的时间，更为重要的是能够定期接受到最新资讯，将兴趣和特长引导持续和深入，对于提高职业技能培养核心竞争力大有益处。

学生一旦登录上网，其上网行为、学习进度、消费情况均会由系统自动记录，逐渐构成活动轨迹，通过大数据挖掘和处理，教师、管理人员和开发人员适时及时掌握其动态，利用推送系统给予他们指导和帮助，如图4所示。

图4 智慧信息推送服务系统

在信息推送系统中，会根据需要同时向学生、教师和管理者推送不同的信息，以帮助不同的用户从不同的角度提高教学和学习的效果，从而提升教育质量。

在智慧教育的应用过程中，教师的工作量比以前会更大，不仅要备课准备教学资源，还要关注领域内的动态，不断学习新技术新思想，否则有可能无法驾驭课堂，同时需要掌握导学方案设计、移动课件制作、非结构化数据的捕捉、大数据的提炼与分析、聚类与分类等相关技术，随身云盘、随时存储、随手记录成为智慧型教师不可缺少的习惯。

五、结束语

智慧教育作为智慧大家庭中的一个重要成分，是推动教育教学改革与创新的时代命题，大数据、云计算技术为这一新型模式提供了可以落地生根的技术基础，极大地丰富了教育理论的内涵，拓展了教育实践的视角。教育工作者不仅要掌握好教育教学理论，同样还需要学会教育技术和信息化手段，这是信息社会对教师职业的挑战。本文立足于此，对智慧教育的体系结构进行了探索，并设计了智慧教育的典型应用。而对智慧管理和教育教学模式并未过多涉及，这也是本文的不足。

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