課堂：走向“數(shù)字孿生”

/ 華東師范大學(xué)教授 教育部教育信息化專家組秘書(shū)長(zhǎng)

黨的十九大報(bào)告指出：“建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程，必須把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，加快教育現(xiàn)代化，辦好人民滿意的教育?！逼渖顚觾?nèi)涵是需要我們把“新時(shí)代”的“教育”研究清楚。

全面提升教育信息化水平

中國(guó)特色社會(huì)主義正在進(jìn)入新時(shí)代，信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其與教育教學(xué)的深度融合，展開(kāi)了教育發(fā)展的新圖景，是破解新時(shí)代教育矛盾，辦成人民滿意教育的重要途徑。

新時(shí)代的教育發(fā)展必將出現(xiàn)四大趨勢(shì)：一是教育范式亟待從經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)；二是教育目標(biāo)亟待從知識(shí)走向能力；三是教育機(jī)制亟待從管理走向治理；四是教育過(guò)程亟待從階段走向終生。面對(duì)上述趨勢(shì)，改革是唯一的出路。很顯然，如果沒(méi)有新理念、新方式支撐下的教育信息化的參與，針對(duì)上述趨勢(shì)的改革將難以奏效。而這種“新理念、新方式支撐下的教育信息化”就是教育信息化2.0。

十九大以后，教育部在教育信息化方面推進(jìn)力度比較大。2018年4月，教育部出臺(tái)了《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》（以下簡(jiǎn)稱《行動(dòng)計(jì)劃》），這是繼2012年出臺(tái)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》、2016年出臺(tái)的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》之后，我國(guó)又一次在全國(guó)層面出臺(tái)綜合性教育信息化規(guī)劃文件。

黨的十九大之前我們可以稱之為教育信息化1.0時(shí)代。這個(gè)階段中國(guó)教育信息化發(fā)展的特征總的來(lái)說(shuō)可以歸結(jié)為“基礎(chǔ)建設(shè)+設(shè)備配套+應(yīng)用探索”。黨的十九大以后整個(gè)中國(guó)的教育信息化進(jìn)入了2.0時(shí)代。2.0就是要全面提升教育信息化創(chuàng)新應(yīng)用水平，要走在世界前列。2.0和1.0是有本質(zhì)區(qū)別的，在整個(gè)發(fā)展理念和建設(shè)方式上更深一層。如果1.0時(shí)代的發(fā)展目標(biāo)還是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)先行的話，2.0就是一種需求導(dǎo)向、應(yīng)用導(dǎo)向，更要把教育信息化放諸現(xiàn)代信息社會(huì)語(yǔ)境，特別是要在大數(shù)據(jù)、人工智能的背景下加以考量。

黨的十九大之后我們要實(shí)現(xiàn)教育信息化發(fā)展的“轉(zhuǎn)段升級(jí)”，教育信息化2.0就是要在1.0階段“三通兩平臺(tái)”的基礎(chǔ)上，全面提升教育信息化發(fā)展水平。教育部副部長(zhǎng)杜占元在2018年全國(guó)教育信息化工作會(huì)議上指出：“教育信息化2.0就是要全面提升教育信息化發(fā)展水平，使中國(guó)教育信息化步入世界先進(jìn)行列，發(fā)揮全球引領(lǐng)作用，以教育信息化全面推動(dòng)教育現(xiàn)代化，開(kāi)啟智能時(shí)代教育的新征程。”

從“教育信息化1.0”走向“教育信息化2.0”絕不僅僅是一個(gè)提法上的改變，而是面對(duì)新時(shí)代教育發(fā)展的新要求，教育信息化在發(fā)展理念、建設(shè)方式上的一次躍升。

“教育信息化2.0”勢(shì)在必行

新時(shí)代的教育，它的研究范式應(yīng)從經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)。我們對(duì)孩子的培養(yǎng)，更應(yīng)在乎他們應(yīng)對(duì)未來(lái)變化的能力的掌握，而不應(yīng)當(dāng)僅僅重視知識(shí)的掌握，但目前的教育系統(tǒng)還很難改變，雖然我們都知道這個(gè)問(wèn)題很嚴(yán)重。教育研究中有科學(xué)的成分，但不完全是科學(xué)。但是，如果可以用科學(xué)的手段去研究實(shí)踐，而我們不用或者用得不好，那教育的研究就會(huì)有缺陷。不管是言傳身教還是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，要上升到科學(xué)，還有一段路要走。

教育是不是科學(xué)？1891年《教育評(píng)論》邀請(qǐng)哈佛大學(xué)哲學(xué)家喬賽亞·羅伊斯為其創(chuàng)刊號(hào)撰寫(xiě)首篇文章。羅伊斯以一個(gè)問(wèn)題作為其所撰寫(xiě)文章的標(biāo)題——“教育是科學(xué)嗎？”今天，這個(gè)問(wèn)題仍然困擾著整個(gè)教育學(xué)界。

埃倫·康德利夫·拉格曼在《一門捉摸不定的科學(xué)：困擾不斷的教育研究的歷史》一書(shū)中指出：“教育研究產(chǎn)生于哲學(xué)、心理學(xué)、社會(huì)科學(xué)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)等學(xué)科的不同組合，它既沒(méi)有單一的研究重點(diǎn)，也沒(méi)有統(tǒng)一的研究方法。這種多樣性從一開(kāi)始就成為教育學(xué)術(shù)的特點(diǎn)，再加上該領(lǐng)域沒(méi)有能形成一個(gè)十分有力、自我調(diào)節(jié)的專業(yè)群體，這就意味著這個(gè)領(lǐng)域始終沒(méi)有形成高度的內(nèi)部協(xié)調(diào)?！?/p>

可驗(yàn)證、可復(fù)現(xiàn)是科學(xué)之為科學(xué)的重要特征，也是教育科學(xué)能夠成為科學(xué)的前提。但由于教育所涉領(lǐng)域廣泛、要素駁雜，即便是微觀領(lǐng)域，要用單一要素，或少數(shù)要素來(lái)進(jìn)行解釋、判定，從而求得要素間的因果關(guān)系，進(jìn)而達(dá)成“可驗(yàn)證、可復(fù)現(xiàn)”都是相當(dāng)困難的。事實(shí)上，就目前而言，教育學(xué)離科學(xué)尚有相當(dāng)?shù)木嚯x，我們還處在“教育科學(xué)”的“預(yù)備階段”。在這個(gè)“教育科學(xué)”的“預(yù)備階段”，首要的任務(wù)是積累優(yōu)質(zhì)的、可供研究（或潛在可供研究）的數(shù)據(jù)。中國(guó)教育信息化1.0階段為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)；但在教育信息化2.0時(shí)代，該如何從基礎(chǔ)走向目標(biāo)，“數(shù)字孿生”為我們提供了新的思路。

從“數(shù)字孿生”到“孿生教室”

“數(shù)字孿生”最早是出現(xiàn)在工業(yè)制造領(lǐng)域的一個(gè)概念，原初是指充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

“數(shù)字孿生”本質(zhì)上是以數(shù)字化的形式對(duì)某一物理實(shí)體過(guò)去和目前的行為或流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)的過(guò)程與結(jié)果。如果引入到教育，就是在課堂上了一堂課后，有沒(méi)有把這個(gè)環(huán)節(jié)中所有數(shù)據(jù)都搜集起來(lái)，或者盡可能多地搜集起來(lái)。如果能搜集起來(lái)，才能談建模、人工智能。

“數(shù)字孿生”以針對(duì)眾多層面持續(xù)、實(shí)時(shí)開(kāi)展大量物理世界數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)。該檢測(cè)可通過(guò)數(shù)字化的形式對(duì)某一物理實(shí)體或流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，從而有效反映系統(tǒng)運(yùn)行情況。

“數(shù)字孿生”并非是一種“物聯(lián)網(wǎng)解決方案”，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可用于位置檢測(cè)和某個(gè)組件或要素的診斷，但無(wú)法對(duì)不同組件或要素間的相互作用和整個(gè)生命周期過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)；“數(shù)字孿生”特別適用于應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題或流程建模。

如果我們認(rèn)可教育是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜流程，那對(duì)于教育的研究我們就必須以復(fù)雜手段、復(fù)雜思維來(lái)加以應(yīng)對(duì)。當(dāng)教育過(guò)程中的因果關(guān)系還難以有效判定前，先將相關(guān)數(shù)據(jù)完整、實(shí)時(shí)、系統(tǒng)地記錄下來(lái)，然后在其中抽絲剝繭，找到線索，成為可行的做法。因此，要使得教育學(xué)真正走向教育科學(xué)，對(duì)教育的“數(shù)字孿生”勢(shì)在必行。

嘗試：對(duì)常態(tài)教室進(jìn)行“數(shù)字孿生”

實(shí)際上，教育的“數(shù)字孿生”還處于概念階段，“孿生教室”還處于籌劃階段，將還處于實(shí)驗(yàn)室階段的“孿生教室”貿(mào)然投入實(shí)踐顯然時(shí)機(jī)還不成熟，理當(dāng)慎之又慎，尤其需要考慮到其中可能產(chǎn)生的倫理問(wèn)題、道德問(wèn)題。目前在實(shí)踐中可行的是首先以“數(shù)字孿生”的概念重建“微格教室”，將“孿生教室”投入到職前和職后的師訓(xùn)中。

“孿生教室”記錄的是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，“孿生教室”的構(gòu)建本身也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，要對(duì)哪些要素的哪些側(cè)面進(jìn)行“孿生”需要不斷調(diào)整、不斷演進(jìn)，這是“教育科學(xué)”得以形成的必經(jīng)之路。

最后需要發(fā)展到“孿生教育”，將整個(gè)業(yè)態(tài)全部記錄下來(lái)，做到這點(diǎn)很難。那么，我們能不能先從一個(gè)學(xué)校做起？當(dāng)然，“孿生學(xué)?！币埠軓?fù)雜，那能不能再小一點(diǎn)，到“孿生教室”。這是我們最新的考慮。大家可以看到，這幾年人臉識(shí)別的技術(shù)突飛猛進(jìn)，一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始展示人臉識(shí)別相關(guān)的應(yīng)用。比如某互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)辦事處的大堂，當(dāng)人走過(guò)時(shí)，如果是本企業(yè)員工，臉上就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)。如果不是本企業(yè)員工，它是識(shí)別不出來(lái)的，就會(huì)變成“局外人”。如果這個(gè)企業(yè)有200人，只采集了200個(gè)人的數(shù)據(jù)，第201個(gè)人，是認(rèn)不出來(lái)的。但是它的邊上還有個(gè)小小的表情，如果這個(gè)人笑，旁邊也會(huì)出現(xiàn)笑臉。如果這個(gè)人是嚴(yán)肅的表情，也會(huì)跳出一個(gè)嚴(yán)肅的表情。總之是相符的表情。這里面有些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析，這就是類似于娛樂(lè)性的展示，所謂的人臉識(shí)別和人工智能的工具，除了鑒別這個(gè)人是誰(shuí)以外，在這里并沒(méi)有太大的實(shí)用性意義。鑒別這個(gè)人的前提是后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中有這個(gè)人的信息，包括我們現(xiàn)在看的電視中抓犯人，也是數(shù)據(jù)庫(kù)中有它的數(shù)據(jù)才能比對(duì)。

杭州第十一中學(xué)也用了兩個(gè)班級(jí)作為試點(diǎn)，在教室中安裝了探頭，有捕捉全景的攝像頭，有動(dòng)態(tài)跟蹤的攝像頭。一節(jié)課下來(lái)，哪個(gè)學(xué)生高興幾次、開(kāi)小差幾次，都可以統(tǒng)計(jì)出來(lái)，但這個(gè)探索還缺少一個(gè)重要前提——這些統(tǒng)計(jì)是根據(jù)什么規(guī)則來(lái)標(biāo)注的？我們要拿出足夠科學(xué)的依據(jù)才行。而且，一旦這類手段大規(guī)模應(yīng)用，學(xué)生可能很快會(huì)像大人一樣，明明在開(kāi)小差但是臉上表情裝得很認(rèn)真，明明很生氣但是做出笑的表情。所以如何辨別這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，是很關(guān)鍵的問(wèn)題。

實(shí)際上，我們需要采集環(huán)境數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)，以及學(xué)生和老師的生理數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)和學(xué)業(yè)情況的所有數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)如果在孿生的數(shù)字課堂中能夠采集到，我們就有了下一步研究的基礎(chǔ)。

在課堂中，可以考慮在桌椅上布置傳感器，捕捉孩子更多的表情與情緒，我一直期待有既精準(zhǔn)又便攜的采集設(shè)備，可以在一個(gè)成建制的班級(jí)中批量配置。現(xiàn)在心理學(xué)或者腦科學(xué)的研究案例，基本都是對(duì)于個(gè)體的研究。比較簡(jiǎn)單的，如在手指上套一些傳感器，這樣就可以采集心率、皮膚的溫度、皮膚阻抗、呼吸、脈搏，以及眼動(dòng)等數(shù)據(jù)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，一個(gè)是要進(jìn)行數(shù)據(jù)的清洗，將同一時(shí)間軸下所有的數(shù)據(jù)都在這根時(shí)間軸上反映出來(lái)，下一步要進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注并建模。這就需要引入人工智能的技術(shù)，挖掘自動(dòng)化的標(biāo)注模型。對(duì)表情及情緒的標(biāo)注也是很專業(yè)的事情，同一張臉你認(rèn)為是哭臉，我認(rèn)為是他在思考，這都是需要找到更準(zhǔn)確的模型。

對(duì)于教育的“數(shù)字孿生”概念，還處在比較概念的階段，處在籌劃的階段?！皩\生教室”的構(gòu)建是動(dòng)態(tài)的過(guò)程，研究對(duì)哪些要素要進(jìn)行哪些調(diào)整，便是教育科學(xué)應(yīng)該研究的問(wèn)題。