智慧教育体系架构与关键支撑技术_杨现民

77LearningResourceandTechnology学习资源与技术2015.1 中国电化教育 总第336期智慧教育体系架构与关键支撑技术*杨现民1，余胜泉2 (1.江苏师范大学教育研究院江苏省教育信息化工程技术研究中心，江苏徐州221116；2.北京师范大学现代教育技术研究所，北京100875)摘要：智慧教育正在引领全国教育信息化的发展方向，成为技术变革教育时代教育发展的主旋律。智慧教育是一个宏大的系统工程，其总体架构可以概括为“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”。智慧教育云中心是带动一个国家或地区教育信息化整体飞跃发展的关键；两类环境包括支持学校教育的智慧校园和支持终身教育的学习型智慧城区；重点建设三个沉淀智慧的内容库，包括学习资源库、开放课程库和管理信息库；物联网、云计算、大数据、泛在网络是支撑智慧教育“大厦”构建的四种核心智慧技术；重点服务教师、学生、家长、教育管理者和社会公众五类用户；有效支撑包括智慧教学、智慧学习、智慧管理、智慧科研、智慧评价和智慧服务在内的六大主流教育业务的顺利开展。智慧教育的建设与可持续发展离不开智慧技术的创新应用：物联网技术提升教育环境与教学活动的感知性；大数据技术提高教育管理、决策与评价的智慧性；云计算技术拓展教育资源与教育服务的共享性；泛在网络技术增强教育网络与多终端的连通性。关键词：智慧教育；体系架构；智慧技术;创新应用中图分类号：G434文献标识码：A一、引言自从2008年IBM首次提出“智慧地球”概念，“智慧地球”战略得到了世界各国的普遍认可。智慧城市作为智慧地球战略的重要组成部分，已被众多发达国家纳入科技发展规划。2012年12月我国正式启动了国家智慧城市试点工作，国内很多大中城市规划文件中明确提出建设智慧城市。教育对未来城市的发展起着决定性的作用。随着交通、医疗、物流、能源等各个领域智慧化水平的不断提升，教育领域面临前所未有的压力和挑战。不可否认，教育信息化的发展水平在我国信息化产业体系中目前处于落后位置，是制约国家信息化整体水平提升的“短板”。如何提升教育领域的智慧化水平，与其他领域并驱发展，是未来智慧城市发展面临的重大现实问题。目前，北京、上海、广州、宁波等城市正在紧锣密鼓地推进智慧教育的规划与实施。在前期参与一些城市智慧教育发展规划项目的过程中发现，研究者、企业人士、教育机构领导等对智慧教育的理解仍比较“模糊”，不清楚智慧教育系统究竟包括哪些要素，该如何建设。本文在调研国内外智慧教育研究现状基础上，尝试构建了智慧教育的体系架构，并对智慧技术在教育领域的创新应用思路进行设计，期望能对国内智慧教育建设带来一定启发。二、智慧教育研究现状信息化视角下的智慧教育研究刚刚起步，国内外已有一些研究者和实践者开始对智慧教育进行前期探索。(一)国内研究现状当前智慧教育在实践层面提的比较多，国内外一些IT企业(如IBM、方正、华为等)纷纷提出了智慧教育解决方案，学术层面的研究刚刚起步。国内自2011年开始出现从教育信息化发展角度专门探讨智慧教育的研究成果。智慧教育内涵方面，祝智庭、尹恩德、金江军等学者分别从不同视角出发进行了阐释。祝智庭教授[1]构建了理解智慧教育的基本图式，描述了智慧教育、智慧环境(智慧计算是其核心技术)和智慧教学三者之间的关联性，认为智慧教育要以智慧学习环境为技术支撑，以智慧教学法为催化促导，以智慧学习为根本基石。尹恩德[2]认为，智慧教育*本文受江苏省高校“青蓝工程”、江苏高校优势学科建设工程资助项目、教育部—中国移动“移动学习”联合实验室开放课题“泛在学习资源的动态与协同进化机制研究”(项目编号：MLLAB-MOE-CMCC-BNU-OFUND-2013-001)资助。文章编号:1006—9860(2015)01—0077—0878LearningResourceandTechnology学习资源与技术2015.1 中国电化教育 总第336期是指运用物联网、云计算为代表的一批新兴的信息技术，统筹规划、协调发展教育系统各项信息化工作，转变教育观念、内容与方法，以应用为核心，强化服务职能，构建网络化、数字化、个性化、智能化、国际化的现代教育体系。金江军[3]认为，智慧教育是教育信息化发展的高级阶段，是教育行业的智能化，与传统教育信息化相比表现出集成化、自由化和体验化三大特征。智慧教育技术架构方面，也有部分学者从云计算入手研究了智慧教育云平台的架构。葛虹[4]对区域智慧教育云构建的方法、技术与策略进行了研究，指出区域智慧教育要以实现教育管理信息化、学校应用信息化、社会教育信息化为功能目标，要加强教育城域网的建设与教育信息枢纽的构建，大力实施云战略，促进教育信息资源的区域无缝共享和深入应用。张进宝等人[5]提出了智慧教育云架构，指出智慧教育云具有服务情境识别、智能信息提取、智能信息处理、智能信息检索、智能信息推送等五个方面的关键技术特征。亚洲教育网开发了支持广电网、电信网和互联网三网融合的智慧教育云平台，该平台以公共服务器集群为基础，提供Iaas、Paas、Saas三层服务，满足教育行业的资源开放与共享需求，同时支持手机、电脑、电视跨平台访问[6]。此外，智慧教育环境的建设也是国内研究者关注的重点。不少学者分别对智慧校园[7][8]和智慧教室[9][10]的概念、特征、系统构建、技术方案等进行了研究。(二)国外研究现状当前，国际上的智慧教育研究主要以韩国学者为主。韩国2011年正式颁布“智慧教育推进战略”，随后一大批研究者纷纷开始探索智慧教育。Choi&Lee[11]介绍了韩国正在推进的智慧教育行动计划，该计划强调物理的智慧教育环境建设和教育内容的开发，此外还考虑到智能设备、无线网络的维护以及教师信息技术应用能力的提升。Kim等人[12]认为高度发达的信息技术在教育中的应用已经成为全球的发展趋势，智慧学习是以泛在学习和社会化学习为基础形成的新型学习范式。An等人[13]重点对智慧教育内容进行了研究，指出智慧教育需要为学习者提供智慧的、合适的学习环境，学习者可以按需获取任何学习材料，这些学习材料要经过精心组织，以方便学习者的使用。智慧教育系统研发也取得了一定进展。Jo,Parker&Lim[14]研发了一种面向智慧教育的教案生成平台，可以辅助教师快速创作教案。Jo,Yang&Lim[15]基于智慧教育的核心理念设计开发了一套结构化的插件式智慧教育系统，该系统由智慧内容服务子系统和家校学习子系统组成。智慧内容服务子系统用来创建、管理、关联学习内容，家校学习子系统用来支持协作学习和终身学习。Jeong,Kim&Yoo[16]提出一种采用云架构的智慧教育系统，可以递送和分享各种增强型的教育内容，包括视频、图片、三维对象以及增强现实、虚拟现实场景。此外，还有部分学者对智慧教育环境下的教师能力评估工具[17]进行了研究。此外，针对目前智慧学习者大多使用电子教科书提供的批注、书签和笔记功能进行学习的现象，Kim,Sohn&Lee[18]提出了注释内容的学习模型，以分析学习者在电子教科书中的注释与笔记行为。并且在该模型的基础上开发出相似的算法，能找到有类似学习风格的学生所创建的注释或笔记，实现学习者之间交流和共享知识、想法、经验，在很大程度上促进了资源的进化，并形成关于某一学习主题的资源圈。这些有类似学习风格的学习者也可以创建网上社区，建立起较为稳定的学习共同体和人际圈。Scott&Benlamri[19]等人采用语义Web技术和泛在技术开发了智慧学习空间，可以向学习者提供情境感知服务，如通过感知学习者的位置和学习活动情况，向学习者智能推送个性化的学习资源，并能高效地促进学习者之间的交流和实时共享学习资源。总的来说，上述研究对于普及智慧教育理念、推动智慧教育云平台建设起到了重要的“奠基”作用。然而，智慧教育是一个宏大的系统工程，当前研究更多地聚焦在教育云服务平台的研发上，忽视了智慧教育体系的整体架构。智慧教育系统究竟包含哪些要素？其核心业务又有哪些？关键性的支撑技术是什么？如何创新应用？……这些问题已成为智慧教育战略推进过程中亟待解决的关键问题。三、智慧教育体系架构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，旨在提升现有数字教育系统的智慧化水平，实现信息技术与教育主流业务的深度融合(智慧教学、智慧学习、智慧管理、智慧评价、智慧科研和智慧服务)，促进教育利益相关者(学生、教师、家长、管理者、社会公众等)的智慧养成与可持续发展[20]。依据上述定义，笔者构建了智慧教育体系架构(如下页图1所示)。智慧教育体系可以概括为“一个中心、两79LearningResourceandTechnology学习资源与技术2015.1 中国电化教育 总第336期类环境、三个内容库、四种技术、五类用户、六种业务”。需要说明的是，智慧教育不是孤立的系统，而是智慧城市的重要组成部分。因此，智慧教育体系架构需要通过标准的接口规范与智慧城市中的其他智慧系统(医疗、交通、城管、物流、能源等)进行连通，共享基础数据。智慧教育将改变教育产业的结构，促进传统教育产业的升级，形成规模化的智慧教育产业，从而为智慧教育的可持续发展提供源源不断的技术、产品和服务保障。智慧教育产业的快速、健康、有序发展离不开标准，因此智慧教育系列标准也是智慧教育体系的重要组成部分。此外，为了保障智慧教育的可持续发展，需要配套相应的建设保障机制和应用推进机制。(一)一个智慧云中心“智慧教育云中心”是带动一个国家或地区教育信息化整体飞跃发展的关键，对突破教育信息化中普遍存在的“资金难筹措”“应用难推进”“共享难实施”等三大瓶颈有着至关重要的作用。因此，智慧教育发展要将智慧教育云中心的建设放在首要位置。智慧教育云中心要提供统一门户、统一身份认证、统一接口和统一数据中心等基础支持服务，有效整合现有的软硬资源和信息数据，为学校提供计算、存储、网络安全等计算资源服务，实现通用教育业务的集中化管理和信息资源的按需分配；整合现有各类教育软件系统，促进应用系统贯通与集成，形成基于统一数据环境的集成、智能的信息平台，为广大教育用户提供“人人通”空间服务。智慧教育云中心的建设要合理定位，适度超前规划，构建基于人、财、物、教学资源等基础数据库的大集中方式的应用系统平台，使其成为教育数据存储、数据交换、数据运算、网络管理服务、应用服务的中心和枢纽，支撑全系统教育信息化应用工作的开展。(二)两类智慧环境智慧环境是智慧教育实施的基础和保障，需要创新应用物联网、云计算、大数据、语义网、移动通信等新一代信息技术，完善两类智慧教育环境，分别是支持学校教育的智慧校园和支持终身教育的学习型智慧城区。智慧校园重点建设智慧教室、智慧备课室、智慧语音室、智慧图书馆(学校)、智慧探究实验室等智慧型功能室；对现有网络设备进行升级与改造，普及高速无线校园网；建设基于RFID技术和传感器技术的智慧型教育装备，使其能实现各类物体的互连、识别，以及智能化的数据传递服务。可将RFID应用于教育管理领域，如学生行踪、门禁系统、图书管理等；将传感器应用于课程内外教学中，如实验活动的开展、学生听课状况的记录、学生健康安全的监测等方面。学习型城区建设要以区域教育宽带网为主要平台，充分利用教育信息化的基础设施和现代网络远程教育手段，重点建设除了智慧校园以外的各种智慧化学习环境，包括智慧博物馆、智慧美术馆、智慧图书馆、智慧公园、智慧社区、智慧教育探究基地等，支持社会大众的终身学习。(三)三个智慧内容库学习资源是实现教育系统变革的基础，是教育智慧沉淀、分享的重要载体。需要重点建设三个沉淀智慧的内容库，包括学习资源库、开放课程库和管理信息库。1.学习资源库。学习资源库是教师智慧教学和学习者智慧学习所需资源的基本来源，该库主要由教学案例、多媒体课件、试题和试卷、电子图书、媒体素材、资源目录索引、教育网站、研究专题、认知工具、文献资料等资源组成。学习资源库的建设要以应用为导向，紧密围绕新课程，统一整合来自多个