智能教育系统的总体架构及区域实践模式研究*

刘邦奇 袁婷婷

（1.讯飞教育技术研究院，安徽合肥 230088；2.认知智能国家重点实验室 智能教育研究中心，安徽合肥 230088；3.首都师范大学 教育学院，北京 100048）

一、研究背景

随着人工智能、 大数据等智能技术的快速发展与应用，教育加快步入智能化时代[1]。在智能时代，开展全面的智能教育势在必行[2]。人工智能可以为学习者个性化学习提供技术支撑，以促进学习者“21世纪能力”的获得[3]。近年来，欧美发达国家纷纷出台人工智能发展战略，并不断推进智能技术在教育领域中的应用[4]。2010年，美国课程监督和发展委员会发布 《创新到教育——对个性化学习的系统设计》报告，分析了如何利用人工智能实现个性化学习[5]。新媒体联盟近五年发布的《地平线报告（基础教育版）》也认为，人工智能 （2016年、2017年）、 虚拟现实（2013年、2016年、2017年）、机器人（2016年、2017年）、物联网（2014年、2017年）等智能信息技术，将促进教育发生真正的改变[6]。

近年来，我国对智能教育的研究与实践呈现井喷式发展。2017年7月，国务院发布的《新一代人工智能发展规划》[7]（以下简称《规划》），提出利用人工智能构建新型教育体系。2018年4月，在教育部发布的《教育信息化2.0 行动计划》（以下简称《2.0 计划》）[8]中，“智能”相关词共出现了36 个，可见推进智能教育是《2.0 计划》的重要内容。2018年4月，教育部发布《高等学校人工智能创新行动计划》[9]（以下简称《高校人工智能计划》）。2018年7月，科大讯飞联合北大、清华、北师大、华东师大等七所著名高校专家，共同成立了智能教育专家委员会，发布了《智能教育2018 观塘宣言》[10]。2018年8月，由中国人工智能学会、中国教育技术协会、首都师范大学、国家语委科研基地中国语言智能研究中心联合主办的首届“中国智能教育大会”在北京召开[11]。2018年11月，北京师范大学未来教育高精尖创新中心发布了 《人工智能+教育》蓝皮书[12]。可见，利用智能技术解决教育发展中的问题、推动教育变革，已成为共识[13]。

但是，当前在推进智能教育的过程中，仍存在着理论指导与实践借鉴的双重缺失，“智能教育”“教育人工智能”“人工智能教育”“智慧教育”等新术语、新概念层出不穷。然而，智能教育的概念缺乏清晰的界定，智能教育的系统架构和应用模式缺乏顶层设计，智能教育应用缺乏可供借鉴的实践案例。为此，本研究在对智能教育进行内涵界定的基础上，对智能教育系统架构、应用框架及区域智能教育实践模式进行了探讨和实例分析，以期对推进智能教育创新发展提供一些借鉴。

二、智能教育的内涵及边界关系辨析

（一）智能教育的内涵及新界定

关于智能教育的内涵，近年来，国内学者在研究和实践应用中有着不同的认识。一些学者从技术应用的视角理解智能教育，例如，李亦菲认为，利用智能技术的新型教育方式都可以被称为智能教育[14]；赵银生认为，智能教育就是教育手段的智能化，通过推进智能教育，可以实现对教育信息化发展瓶颈的突破[15]。还有一些学者认为，智能教育具有多个内涵，如，《规划》中的智能教育就包含两种含义，既包括运用智能技术改进教育，也包括实施人工智能教育；张进宝等认为，智能教育是“基于智能技术的教育”与“促进智能发展的教育”相结合的教育[16]；祝智庭等认为，智能教育具有三个方面的内涵：AI 技术支持的教育，学习AI 技术的教育，促进智能发展的教育[17]；吴永和等认为，智能教育是“人工智能+教育”的一种融合应用的形态，其要义是利用智能技术构建新型的教育体系[18]。

通过上述对智能教育内涵理解的分析，我们可以发现，智能教育总体上包括三种不同的含义：一是把智能技术作为环境与工具的教育； 二是以人工智能为内容的教育；三是以智能培养为目的的教育。

我们研究团队近几年也对智能教育进行了系统探讨，提出“智能教育的核心是人工智能在教育中的应用”，并重点探讨了智能教育的应用技术与实践模式[19]，把“智能教育的应用”定位于“人工智能、大数据等智能技术，在教育领域中融合创新应用的技术、模式与实践的综合”。同时，我们从“计算智能”“感知智能”“认知智能”三类人工智能技术在教育中的应用层面，探讨了智能教育应用的具体内涵。

归纳以上分析，我们结合教育信息化2.0 背景下智能技术与教育全面融合、加快发展的新要求，对“智能教育”的概念做出如下新界定：

从广义上理解，智能教育不仅是把智能技术作为环境与工具的教育，也是以人工智能为内容的教育，更是以培养适应智能时代的创新人才为目标的教育。从狭义上理解，智能教育是以智能技术作为环境与工具的教育，即基于人工智能、大数据等智能技术，构建智能化、网络化、个性化、终身化的新型教育体系，打造以学习者为中心的智能教育环境，建设智能型教师队伍，推动人才培养模式和教学方法变革，实现精准化教学、个性化学习、科学化管理和适切性服务，促进学习者核心素养提升，培养高素质创新人才的新型教育模式。当前，广泛研究与实践的智能教育应用形态，主要是基于狭义的智能教育理解，本研究所采用的也是狭义的智能教育概念。

（二）边界概念及关系辨析

正确理解智能教育的内涵，在明确智能教育概念的基础上，还需要弄清智能教育与相关概念的关系。近年来，在“人工智能+教育”领域出现了人工智能、教育人工智能、人工智能教育、智慧教育等众多边界概念，与智能教育既有联系、又有区别。其总体逻辑关系，如图1所示。

图1 智能教育与边界概念的关系

在智能教育发展进程中产生上述多个边界概念，缘于人工智能等技术在教育领域进行不同视角、不同方式、不同层次的融合应用。我们对智能教育与相关边界概念进行了具体的内涵辨析，如表1所示。

表1 智能教育与相关边界概念的内涵辨析

续表

三、智能教育系统的总体架构模型

（一）智能教育系统及研究方法论

智能教育系统是一个多要素、多层次、动态发展的复杂性生态系统。从总体上来说，智能教育不同于一般的智能教学系统，它离不开智能基础设施、技术资源、智能环境的构建与应用；但又不仅仅是技术系统、技术环境，还包括智能技术与教育融合、新型教育教学应用、伦理与安全保障等多个要素，它是一个完整的新型教育生态系统。

在智能教育系统实际构建与应用中，又区分为不同的具体系统。如，按教育教学应用的层次，可分为区域智能教育系统、智能校园系统和智能教学系统等；按教育教学业务类型，可分为智能教学系统、智能学习系统、智能考试系统、智能评价系统、智能管理系统与智能服务系统等；按学科教学应用类型，还可分为语文、数学、英语、社会、自然等学科的智能教学系统。因此，在实践中，可根据教育教学实际应用需要，有针对性地构建相应的智能教育系统。

推进智能教育系统建设与应用，首先要基于整体观念和系统工程的方法，本研究借鉴了信息系统顶层设计方法论[28]，自上而下地进行顶层设计，构建了总体架构模型，以此统领智能教育生态系统的各项建设。用系统化方法描述智能教育的总体架构，具体有两种方式： 一种是从智能教育生态总体进行框架架构描述，以反映生态系统的层次结构关系；另一种是从系统的技术层面，描述其技术策略及逻辑关系。前者注重系统的总体架构描述，后者侧重于系统的技术路线描述。

（二）智能教育系统的总体架构

根据上述对研究对象和研究方法的分析，我们结合实际研究需要，采用总体结构化的描述方法，构建了智能教育系统的“五个层次”总体架构模型，具体如图2所示。

智能教育系统的五层总体架构，包括基础设施层、核心技术层、智能系统层、智能应用层、综合保障层，由此形成智能教育建设与应用的生态系统。

图2 智能教育系统的总体架构

（1）基础设施层，包括物联网感知系统、高性能计算与云服务、大数据基础设施等，为智能教育提供了智能化的信息感知、智能云计算[29]、海量数据支撑和高效能计算支持等；（2）核心技术层，是智能教育的“大脑”，基于人工智能、大数据分析等关键技术，建立数据中心、知识中心、资源中心和能力中心，具备算法、数据和分析等核心技术能力；（3）智能系统层，通过开发建立区域教育云平台、智能校园、立体综合教学场、 智能在线学习平台和智能教育分析系统等教育教学支撑系统，构建网络化、数字化、智能化、个性化的教育新环境；（4）智能应用层，支持教育者、学习者、教育内容、教育媒介的交互融合和应用创新，实现教育教学场景应用的智能化，包括教学、学习、教研、管理、考试、评价和区域治理等场景应用；（5）综合保障层，是智能教育的多元保障体系，包括标准规范、伦理安全、人才培养和产业协同等保障。

四、智能教育系统的关键要素分析

（一）智能化基础设施环境

智能化基础设施是实现智能教育的基础支撑条件，提供智能硬件、网络、存储和计算基础能力，主要包括：

（1）建设智能感知关键设施。根据智能教育应用的需求，部署和实现各类智能感知设备的自由接入，如，智能传感器、全息成像、智能终端、可穿戴设备等，使教育环境从物理环境与信息环境分离的环境转向提供情境感知、 生物特征感知和社会特征感知的联通、感知和智能的环境[30]，实现对学习者所处的时空、学习行为、学习过程、学习效果等信息的自动感知，以适应全时空、全受众的智能学习新要求。（2）构造新一代网络设施。随着5G 网络技术的发展，引入物联网和新一代移动通信技术，优化升级网络设施，实现未来互联网、移动通信网、物联网的全面融合和互联互通，提供网络化、泛在化、高效化的智能通信服务。（3）构建智能云服务基础设施[31]。采用虚拟化等技术，实现云资源服务的高集成、高效率和智能化；建设高效能计算基础设施，加强基于云的超级计算中心建设，提升对智能教育大规模应用的支撑服务能力；统筹建设大数据基础设施，为智能教育研发和应用，提供教育大数据挖掘与分析的支持。

（二）智能教育核心技术平台

智能教育核心平台是智能教育建设的核心内容，它为各类教育场景应用提供智能技术能力的集成与调用，推动智能技术为教育信息化赋能，从而实现智能技术与教育的深度融合，主要包括：

（1）建立数据中心。通过数据汇聚、存储和加工，集成大数据、 人工智能技术，支持非结构化数据计算，提供数据统计服务和数据挖掘模型的计算服务。其中，应用比较广泛的数据处理平台有Hadoop、MapReduce 和Spark 等[32]。（2）建立知识中心。应用机器学习和深度学习算法，结合自然语言理解、 大数据/统计分析、规划决策等智能技术的支持，实现从数据到信息、再到知识的转化，向知识发现、知识管理、知识共享、知识服务转变。（3）建立资源中心。结合知识图谱和智能推荐引擎，能够有效支撑知识学习、技能训练，从而构建和完善资源的各类属性，提供智能化、个性化的资源管理与服务，以此促进资源中心的优化和升级。（4）建立能力中心。提供感知能力和认知能力，让机器系统能够感知和识别文字、语音和图像，主要应用包括语音智能评测、语音搜索引擎、智能批改、智能交互问答等。

（三）智能教育教学支撑系统

智能学习环境是智能教育应用的重要基础和支撑条件。利用人工智能、大数据等智能技术建立智能教育教学支持系统，重新设计和创建全新的学习空间，构建个性化、智能化的新型教育环境，促进教育形态和教育方式的变革，主要包括：

（1）建设区域智能教育云平台。汇聚各类教学、学习、管理、评价等业务系统数据信息，形成网络互联、数据互通、信息共享的区域教育大数据共享服务平台，为区域教育行政部门、各级各类学校和广大师生提供智能教育服务。（2）建设智能校园。利用智能化技术，在数字校园的基础上向智能校园演进，为用户提供开放、互动、协作，有利于师生智慧发展的智能化校园环境。（3）建设立体综合教学场。形成以智能化、立体化、综合化为特征的教学场所，如，智能教室、数字化实验室、人工智能教室、虚拟仿真实训室、STEM 综合创新实验室等，为教师智能教学、学生个性化学习提供智能化环境支撑。（4）建设智能在线学习平台。通过测评、采集、记录在线教学过程中产生的教育大数据，利用统计、机器学习、大数据分析等技术来分析和处理，实现对学习及学习情境的理解与优化[33]。（5）建设智能教育分析系统。通过开发智能教育助理，融合应用教育数据挖掘和学习分析技术，提供智能、快速和全面的教育分析服务。

（四）智能教育应用服务场景

智能教育应用是智能教育系统建设的目的与归宿。它是各类教育场景应用智能技术的集中体现，在区域、学校和课堂教育教学过程中，充分利用人工智能、大数据等智能技术，促进智能技术与教育教学的深度融合与应用，围绕教育者、学习者、教育内容、教育媒介的交互融合和应用需求，实现核心教育场景应用的智能化，大力推进智能教育应用与创新发展。

智能教育应用主要包括两个层面： 一是教与学场景的应用层面，主要是在教学、学习、考试、教研、评价等活动中融合并应用智能技术，实现基于大数据的教学全过程动态学习评价，精准评估教与学的过程与绩效，重构教学流程与结构，辅助教师进行差异化教学和因材施教，辅助学生的个性化学习，构建基于智能技术的新型教学模式；二是管理与服务场景的应用层面，主要是在学校管理、区域治理、综合服务等活动中融合并应用智能技术，建立智能化管理与服务支撑平台，辅助管理者的决策、管理和服务，优化和重构各个场景中的应用流程和服务模式，实现精准化管理和适切性服务，以推动区校教育治理方式的变革。

（五）智能教育综合保障体系

智能教育保障是智能教育有序实施、 可持续发展的重要保证，包括智能教育内外部的标准、伦理、安全、人才、产业协同等条件因素：

（1）标准规范保障。在遵循人工智能、大数据技术的一般标准规范的前提下，结合教育应用的需求特点，制定智能教育技术标准和管理规范，内容涵盖规划设计、软件开发、性能、功能、安全性、可用性、兼容性等方面。（2）伦理安全保障。针对人们对人工智能存在信任危机和技术伦理困境，围绕智能教育产品和系统的复杂性、风险性、师生隐私数据的泄露等潜在问题，探讨保障智能教育健康发展的法律规范和伦理边界，强化智能教育产品、数据、系统和网络信息安全风险评估和防护。（3）人才培养保障。加强与智能教育相关的人才培养，培养以智能技术应用为核心的、具有一定规模的智能教育从业人员，包括致力于智能教育理论、技术与方法的研究者，熟悉智能技术、 提出和设计智能教育应用解决方案的建设者，应用智能教育产品进行教育实践的智能型教师与管理者。（4）产业协同保障。建立“产、学、研、用”协同创新机制，加强企业之间相互协作、和谐共生，打造智能教育产业链，实现开放合作、资源共享、协同发展，以构筑“智能+教育”生态系统。

五、重构智能化的教育模式

智能教育是智能技术支持下的新型教育模式。通过智能技术在教育中的应用，促进智能技术与教育教学的深度融合和创新发展，推进“教育信息化”向“信息化教育”的转段升级，从而实现信息化教育的重构，构建起智能化的教育新模式。

（一）创新智能化教育理念

智能化时代要树立新的教育教学观念。在人才观上，对比工业化时代规模化、机械化和程序化的生产模式，教育培养出的是严格服从和高度专业化、标准化人才；智能化时代的大规模、个性化、自动化智能制造模式，需要教育培养的是有创新能力、多样化和个性特长的人才[34]。在资源观上，从数字化、信息化向数据化、智能化转变，从一般的数字教育资源共享服务向资源智能生成、个性化推荐转变。在教学观上，从传统的班级授课、封闭式的课堂教学向个性化学习、开放式教学转变，用智能信息技术与教学深度融合，促进传统课堂的结构性变革，实现课内与课外一体化、线上与线下一体化、虚拟与现实一体化的新型教学模式。

（二）锻造智能型教师队伍

在智能化时代，教师是促进智能技术与教育教学融合应用的关键因素。智能教育要重新认识和定位教师角色，由传统教师向智能型教师转变。一方面，在多元智能理论指导下，促进教师多种智能的提升，改善教学方法和教学手段，提高教师运用智能技术的教育教学能力；另一方面，在智能教学代理、智能助手和智能教学系统等智能化工具支持下，实现教师角色重塑[35]。有学者提出，基于智能技术的教师，在未来可能承担十二个角色[36]，通过学生信息的实时获取可帮助教师了解每一位学生，学习数据即时反馈增强教师的决策分析能力，学习过程智能测评提升教师教学机智，使教师真正成为学生学习的指导者、协同者和陪伴者。

（三）构建精准化教学模式

利用教育大数据和智能分析技术，使精准教学得以真正实现。通过课前、课中、课后全过程动态学习数据的采集、记录和分析，教师教育教学从基于经验转向基于教学数据，包括学生信息、 学习行为数据、学习过程数据、学习结果数据等。通过数据测量、数据统计、数据挖掘等方法，直观呈现对学生个体或群体的分析，构建精准化教学环境，实现学习过程监控，为教师提供实时动态的学情分析服务，帮助教师调整教学策略与进程，实现差异化精准教学；基于智能技术，对学生学的表现和教师教的过程，进行问题诊断和综合评价，并给予及时的智能反馈，为教师提供教学目标、内容和方法改进的针对性意见，辅助教师调整教学模式与方法[37]。

（四）重塑个性化学习方式

随着以机器学习、 人工神经网络等为支撑的新一代人工智能技术的发展，个性化学习正面临重塑和再造[38]。用人工智能、大数据等智能技术精准描绘学习者画像，按需定制个性化学习方案与策略，可以为学习者规划个性化的学习目标和最适切的学习路径。借助语音交互、图像识别、AR 等技术，推荐个性化学习内容，驱动个性化学习体验，从而激发学习者的学习欲望。通过对作业与考试进行自动识别与批改，来开展全过程、多维度数据采集和分析评价。综合利用行为建模、经历建模、知识图谱构建和学习分析等技术，对学习者的学习行为、过程和结果进行智能测评和个性化诊断，可以动态化掌握学生学习的全面情况，实现个性化的学习改进。

（五）推动精细化管理决策

智能技术的应用，推动教育管理向智能化、精细化和科学化发展。在学校教育中，管理者可以在智能教育助手等系统工具的辅助下，完成教育管理工作，如，智能排课助手、教务智能代理等系统，可以代理管理者承担排课或人事管理等工作。运用智能技术可以精简、优化和重构统一的管理流程，消除管理中的“信息孤岛”，实现管理的信息化、智能化，提高管理工作效率和效能[39]。在区域教育行政管理和教育公共服务中，教育大数据技术提供了区域教育大数据治理服务，建立区域教育大数据中心，采集、汇聚区域内各类用户、教育教学、管理等全流程数据，进行科学的数据统计和数据挖掘，支持管理者进行“基于数据”的管理决策和协调控制。

（六）实现适切性保障服务

智能技术使得未来学校的保障和服务工作更加适切，真正做到以人为本。“适切性”来源于对英文Relevance 的翻译，通常表现为适当、恰当或适合需要等方面的特征。适切性服务是指在智能技术支持下，使服务工作能够更适当地符合客户的需要。一方面，通过分析一卡通、智能手环、 智能终端等各类智能感知设备及用户行为数据，为用户提供符合需求的消费、健康、公共服务等信息服务支持，从而使个人学习生活更加智能便捷；另一方面，通过智能技术处理分析智能摄像、 智能感知等数据信息，为建筑节能、车辆监控管理、环境监测和安全监控提供支持[40]，从而使校园的保障服务更加智能与便捷。

六、区域智能教育系统架构的实践模式——以吉林省某市智能教育规划模型为例

区域智能教育是指在一个省市地区范围内打造的智能化教育生态系统，旨在利用智能技术，对区域内现有教育信息化系统进行升级完善，推进智能技术与教育的深度融合，转变教育形态和教育方式，为区域内广大师生、 管理者和社会公众提供智能化教育服务，以促进区域教育均衡和现代化发展。

近年来，我们研究团队承担了十多个省市区域的智能教育（智慧教育）顶层规划设计。依据前述智能教育系统总体架构模型，结合区域实际，提出了区域智能教育系统架构和建设框架。这里以吉林省某市（以下简称“C 市”）的“智能教育三层架构”规划模型为例，进行实证分析。

（一）C 市智能教育系统的整体架构

1.三层体系架构

C 市是吉林省的重点城市，其教育信息化建设已有较好基础，但在系统互通互联、统一数据管理、大数据智能开发、课堂教学深层次应用、教育治理智能化等方面有迫切需求，需要对原有的分散系统进行整合集成，利用人工智能、大数据等智能技术进行升级建设。为此，我们首先对C 市智能教育进行顶层设计，提出了从上到下，包括市级智能教育云平台层、智能校园/社区层、智能教学/学习平台层的C 市智能教育系统三层体系架构，如图3所示。

图3 C 市智能教育三层体系架构

在该体系架构中，有两条相向的教育信息流在不断地进行传递和汇聚： 第一条信息流是从上到下进行决策信息的传递； 第二条信息流是从下而上的教育教学数据信息的汇聚。教育和教学所产生的过程性个人基础数据，向上汇聚为学校/社区的大数据；同时，各个学校/社区的数据将会自动汇聚到市级智能教育云平台，形成了市级区域教育大数据。C 市智能教育三层体系架构的具体内涵，可如下描述：

（1）市级智能教育平台层。该平台层是整个市级区域教育大数据的汇聚中心和管理决策中心，向上可以与国家级、吉林省的相关平台进行对接，对下可以与校园级/社区级的相关平台进行对接。通过对全市所有学校和社区的教育教学数据进行全方位的汇聚、 多纵深的挖掘、 各维度的分析，为市教育主管部门提供了科学的、数据化的、可视化的决策依据，进而推进全市范围内资源共享与合理建设，助力区域教育均衡。

（2）智能校园/社区层。本层是学校/社区教育数据的汇聚中心和教育管理中心，向上可以与C 市智能教育云平台对接，对下可与智能教学与学习平台层对接，是连接上下两级教育信息的关键节点，在三层架构中发挥着承上启下的作用。智能校园以学校为单位，进行校园教育教学的多种数据汇聚，形成校园范围内的教育大数据，并据此进行科学管理和决策；智能社区是学习型城市的重要载体，实现着对社会大众全员、全程、全方位的终身学习支持。

（3）智能教学/学习平台层。本层连接一系列的教与学感知系统应用，是三层架构中的基础部分，承担着教育大数据的感知、 收集以及教育决策信息的传递、落实职能。智能教与学基于物联网、移动互联网等，为全体教师、学生提供跨平台立体化交互与动态学习评价等各类教学的相关应用，并且收集和汇聚教学活动中各场景的个人基础数据。

2.项目建设系统工程的框架

C 市智能教育的建设和发展是一个综合性系统工程，围绕“三层体系架构”以构建融合教育数据采集、汇聚及分析应用功能的完整体系，并分层次、分步骤立体化推进“八大建设项目”，具体如图4所示。

（1）智能教育云中心、教育资源体系、教育管理平台。打造C 市智能教育云平台，构建基于各类教、学、考、评业务和教育管理基础数据、资源的管理服务平台，形成汇聚教育大数据存储、交换、运算、管理、服务的C 市教育大数据中心，为全市所有学校和培训机构提供各类教育数据和资源服务。

图4 C 市智能教育项目的建设框架

（2）智能校园、智能学习社区。构建以学校教育大数据为核心、 支持学校教育教学全场景应用的智能校园，构建以丰富的学习资源为基础、支持终身教育的智能型学习社区。

（3）智能教学应用。围绕智能时代对于个性化、精准化及面向未来的教与学的迫切需求，构建区域智能教育“末梢神经”，实现个人小数据的感知、采集和教育决策的传递与落实，以创新教育教学模式。

（4）智能教育人才队伍、信息安全体系。提供智能教育人才队伍保障、运维技术保障、网络信息安全保障，以促进C 市智能教育快速协调和可持续发展。

（二）智能校园的技术架构模型

智能校园是C 市智能教育体系架构的关键和学校实施智能教育的基础。智能校园是利用新一代智能信息技术构建的新型信息化校园形态，通过搭建智能感知校园基础设施，开发和利用人工智能核心技术，汇聚与挖掘校园教育大数据，研发出各类教育教学业务系统，支持学校教育的个性化、 智能化应用。智能校园的技术架构模型，结合了人工智能、大数据、 网络融合等最新的技术理念和校园信息化发展实际，如图5所示。

智能校园的技术架构模型，采取基于“平台—系统—服务”的“3+N+4”技术策略。具体内涵如下：

1.三类支撑平台

“平台”即基础支撑平台，包括校园智能基础设施平台、 校园数据中心平台和基础服务平台这三类平台，它们构建了智能校园的重要基础与支撑服务环境。其中，校园智能基础设施平台由校园物联网、校园无线网络、接入区域教育云组成，形成感知化、网络化的智能校园基础环境； 校园数据中心提供数据采集、数据治理、数据挖掘和数据交换共享服务平台；基础服务平台提供统一身份认证、统一用户管理和应用开发集成的接口业务。

图5 智能校园的技术架构模型

2.N 个应用系统

“系统”即业务应用系统，是实现智能教育应用价值的主要载体，包括学校教育教学的各类主流业务应用。如，资源管理系统（资源中心）提供学习资源、教学资源、图书资源、档案资源和各类生成性资源的管理与共享服务； 智能教学系统提供课前、课中、 课后全过程，线上线下一体化的全场景教学应用； 在线学习系统提供大规模在线开放课程（MOOC）和小规模限制性课程（SPOC）等在线学习服务；综合管理系统提供教学、人、财、物等的综合管理和智能化服务。

3.四类终端服务

“服务”即智能化终端服务，包括虚拟校园服务、智能信息门户、移动信息门户、学校微信门户四类智能终端服务。其中，虚拟校园服务指利用VR、AR 和可视化等技术，提供虚拟现实的校园环境服务；智能信息门户即基于校园业务系统的数据信息，利用语义网络（Web3.0）、智能搜索、智能语音等技术，提供智能化的校园信息服务； 移动信息门户即依托智能移动终端（智能手机、PAD、 智能可穿戴设备等），提供智能移动信息服务，实现处处可用、时时可用的智能校园信息服务； 学校微信门户即基于微信企业号建立学校的微信公众号，提供智能便捷的微信服务。

（三）智能化教学服务平台

1.“云-台-端”体系架构

智能化教学服务平台（简称智能教学平台）是区域智能教育体系架构的基础，也是智能校园中的核心业务系统和立体综合教学场的核心场所。智能教学平台是面向学校各类教学业务构建的智能化教学服务支撑环境，通过利用人工智能、大数据等智能技术，以“云—台—端”体系架构部署和服务，构建起网络化、数据化、交互化、智能化的学习环境，支持线上线下一体化、课内课外一体化、虚拟现实一体化的全场景教学应用，其体系架构如图6所示。

图6 智能教学平台的“云-台-端”架构

其中，“云”即智能云服务，提供资源服务、教研服务、评测服务、学习服务、决策服务和在线课程，为教师和学生提供教与学全过程应用服务；“台” 即教室智能平台，在智能网络设施、高效能计算中心和数据中心基础上，构建通讯中枢、数据中心、能力中心和控制中心，依托智能技术提供课堂智能管控和智能化教学服务；“端” 即智能终端，包括教师智能终端、 学生智能终端和环境智能终端等智能软硬件，智能终端可自由接入教室智能平台，自动感知环境信息、收集教师和学生行为信息，为教师和学生提供教学工具、微课工具、互动工具、即时评价分析等。

2.平台应用模式

智能教学平台为教师和学生提供了全新的智能化教与学环境，为构建基于智能技术的新型教学模式提供了条件，体现为“课前—课中—课后”全过程的精准教学模式。

课前，教师将要学习的内容发布到平台，学生进行课前预习和练习，教师依据课前学情分析反馈，进行精准教学预设，制定个性化教学方案。

课中，构建精准教学环境，实现学习过程监控。平台根据课前学习分析，为教师智能筛选教学重难点，智能推荐教学资源，调节智能环境终端，为学生创建智能化学习环境。同时，平台通过教师和学生智能终端，全程监控学生学习过程，为教师提供实时动态的学情分析服务，帮助教师调整教学策略，实现精准教学。

课后，平台根据学生学习行为和结果数据，自动推送个性化作业和测试题进行智能评测，同时给予教师关于教学内容和方法的智能反馈，并对下一步的教学提出针对性建议[41]。

（四）与其它区域规划模型的比较

我国在推进区域教育信息化实践中，在不同的发展阶段、 基于不同的总体架构或技术策略进行区域规划设计，探索形成了“三通两平台”模式、“互联网+教育”模式、“区域教育大数据治理”模式和“智能教育三层架构”模式等规划类型。

“三通两平台”模式是早期的区域规划模型，“十二五”期间在大多数省份和城市普遍应用，其特点是以“三通”“两平台”的建设与应用为核心，基于资源共建共享，推进区域教育信息化发展；“互联网+教育”模式是根据教育领域实施“互联网+”行动计划提出的规划模型，黑龙江省、青岛市、佛山市、南通市等省市采用了这一规划模型，其特点是以“互联网+”思维和技术推进区域教育信息化发展，创建“互联网+资源、学习、教学、管理、服务等”应用模式；“区域教育大数据治理” 模式是适应大数据时代发展而提出的规划模型，已经在广州市、合肥市、北京市西城区、上海市浦东新区等区域得到应用，其特点是通过建设区域教育大数据中心，以区域教育大数据的汇聚、挖掘和分析为核心实现区域教育信息化的升级发展。

以上几种规划模型主要适应某一发展阶段，聚焦于某一类技术策略的区域教育信息化顶层规划设计。而我们提出的“智能教育三层架构”模式是近几年出现的一种新的区域教育信息化规划模型。与前几种规划模型相比，“智能教育三层架构” 模式具有层次化、一体化、数据化和智能化等特色和优势。

一是层次化，体现了智能教育系统的结构性，符合从智能课堂到智能校园、再到区域智能教育的三层系统结构；二是一体化，区域智能教育的三层结构不是孤立的，而是相互联系、相互支撑的有机整体，形成了一体化的区域智能教育体系；三是数据化，在智能教育三层体系架构中，有两条相向的教育信息流不断进行传递与汇聚，即从上到下的决策信息流传递和从下而上的教育教学数据信息汇聚，体现了教育大数据在区域智能教育中的“神经中枢”作用；四是智能化，基于人工智能、大数据等智能技术，构建起智能教学平台和智能校园，提供智能教育云服务，实现了区域教育信息化的智能化升级和发展。因此，“智能教育三层架构”是未来区域智能教育（智慧教育）顶层规划设计与实施的一个重要参考模型。

七、结语

基于智能教育发展的时代背景，我们归纳分析了智能教育的内涵，据此构建出智能教育系统的总体架构模型和建设应用框架，并以C 市为例，阐述了区域智能教育系统架构的顶层设计与实施模式，旨在为智能技术与教育的融合发展提供理论与实践指导。

新时代的教育信息化发展担负着新的使命，智能技术将成为教育信息化2.0 加速发展的重要驱动力。面对新形势新挑战，必须主动求变应变，紧密结合教育现代化发展的实际需求，把智能技术逐步转变成教育的内生变量，充分利用人工智能的新思维、新技术、新方法，积极开展智能教育创新研究和示范，从而推动智能技术支持下教育的模式变革和生态重构[42]。