面向智慧校園應(yīng)用的若干思考

李 楠，胡亦琦（中國(guó)聯(lián)通智能城市研究院，北京 100048）

1 概述

1.1 教育信息化2.0時(shí)代的智慧校園

從農(nóng)耕時(shí)代到工業(yè)時(shí)代到信息時(shí)代，變遷的生產(chǎn)關(guān)系不斷改變社會(huì)的教育形態(tài)。互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)改變了人類社會(huì)信息傳遞的方式，新興技術(shù)諸如移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等對(duì)傳統(tǒng)課堂的滲透，使人們對(duì)智慧校園有了深刻的理解。

智慧校園是新一代信息技術(shù)充分運(yùn)用于相對(duì)完整的校園物理空間和社會(huì)結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生的環(huán)境形態(tài)。智慧校園的基礎(chǔ)是數(shù)字孿生校園，在校園運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)空軌跡上實(shí)現(xiàn)人、物的全方位連接，并在海量結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算并提供智能化決策結(jié)論。智慧校園的目標(biāo)是讓校園成為一個(gè)連續(xù)、高效、整合、開放的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間的有機(jī)銜接，使任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能便捷地獲取校園資源和服務(wù)。智慧校園正在進(jìn)入以技教融合為特征的教育信息化2.0時(shí)代。

1.2 技教融合

技教融合即信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。2006年，密西根州立大學(xué)的Punya Mishra教授和Matthew Koheler教授為了將技術(shù)與教學(xué)有效整合，在學(xué)科教學(xué)法知識(shí)（PCK）的基礎(chǔ)上提出了“整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)法知識(shí)”（TPACK）模型，成為理論界普遍接受和運(yùn)用的分析實(shí)踐模型。參考該模型的發(fā)展路徑，新一代信息技術(shù)將首先應(yīng)用于整合技術(shù)的教學(xué)法知識(shí)（TPK）層面的教學(xué)設(shè)計(jì)融合，以及整合技術(shù)的學(xué)科內(nèi)容知識(shí)（TCK）層面的教學(xué)資源融合，進(jìn)而在PCK層面帶動(dòng)學(xué)科教學(xué)融合，最終實(shí)現(xiàn)TPACK層面的信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)（TPACK）模型如圖1所示。

圖1 整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)（TPACK）模型

2 發(fā)展思路

智慧校園的建設(shè)與發(fā)展，既是校園信息系統(tǒng)從數(shù)字化走向智能化的過(guò)程，也是一個(gè)信息技術(shù)、教學(xué)技術(shù)和內(nèi)容知識(shí)逐漸融合的過(guò)程。科技與教育相輔相成、相互促進(jìn)，先進(jìn)教育理念是校園科技創(chuàng)新的思想源泉，科技創(chuàng)新是全面深化教育改革的有力杠桿。從發(fā)展速度來(lái)看，信息技術(shù)（TK）發(fā)展最快，其次是教學(xué)技術(shù)（PK），最后是內(nèi)容知識(shí)（CK）。由此，技教融合的發(fā)展脈絡(luò)將從信息技術(shù)與教學(xué)技術(shù)融合（TPK）階段開始，然后發(fā)展至內(nèi)容知識(shí)融合（TCK）階段，最后形成信息技術(shù)、教學(xué)技術(shù)和內(nèi)容知識(shí)融合（TPACK）的技教融合發(fā)展格局。

2.1 信息技術(shù)與教學(xué)融合（TPK）

智慧校園應(yīng)用首先應(yīng)注重信息技術(shù)與教學(xué)過(guò)程的融合。據(jù)教育部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2018年底，全國(guó)各級(jí)各類學(xué)校共有專任教師1 673萬(wàn)人，各學(xué)段的教師學(xué)歷合格率98.41%以上，具備教師信息化教學(xué)素養(yǎng)基礎(chǔ)。參考《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》的要求：“利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；逃c個(gè)性化培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合?！蔽磥?lái)的教育模式將進(jìn)一步向個(gè)性化、專業(yè)化、層次化細(xì)化，信息化技術(shù)將著重支撐教師因材施教工作，借助音、視頻和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集課堂人、事、物海量樣本，通過(guò)區(qū)域級(jí)、校園級(jí)、班級(jí)級(jí)的邊緣智能中樞（即融合多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景的大數(shù)據(jù)平臺(tái)）進(jìn)行分析、歸納、綜合、演繹，經(jīng)由校園電信網(wǎng)、駐地網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)等通信途徑，與校園基礎(chǔ)智能系統(tǒng)如圖書館、實(shí)驗(yàn)室、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）教學(xué)、學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)（LMS）、綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)等聯(lián)動(dòng)，在師生間建立豐富的、特色的、有效的智能教學(xué)場(chǎng)景。信息技術(shù)與教學(xué)過(guò)程的融合，應(yīng)作為支撐智慧校園應(yīng)用的首要環(huán)節(jié)。

2.2 信息技術(shù)與知識(shí)融合（TCK）

智慧校園應(yīng)用重點(diǎn)是促進(jìn)信息技術(shù)與教育知識(shí)的融合。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2018年，全國(guó)共有50.77萬(wàn)所學(xué)校，2.6億余在校學(xué)生。教育資源需求巨大的同時(shí)，存在著教學(xué)資源分布不均、教育觀念差異化等問(wèn)題。據(jù)艾瑞咨詢統(tǒng)計(jì)，2017年，中國(guó)三線及以下城市的中小學(xué)在校生人數(shù)是一二線城市的3.7倍左右，僅北京和上海2市所擁有的985、211學(xué)校數(shù)量占比分別達(dá)57%和31%左右。解決教育資源差異化問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)教育機(jī)會(huì)公平化的前提。在中國(guó)教育信息化發(fā)展規(guī)劃中，接連提出以“三通兩平臺(tái)”、“三全兩高一大”等為抓手，依靠電子教材、課程錄播、虛擬仿真等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)知識(shí)的聚合，采取翻轉(zhuǎn)課堂、慕課、開放實(shí)踐活動(dòng)等教學(xué)形式實(shí)現(xiàn)知識(shí)的分發(fā)，以教育資源作為生產(chǎn)資料的公有化，結(jié)合教師、網(wǎng)師等的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)技術(shù)，為不同區(qū)域、民族、經(jīng)濟(jì)狀況的學(xué)生輸送均等的知識(shí)資源。信息技術(shù)與教育知識(shí)的融合，是支撐智慧校園應(yīng)用的內(nèi)在動(dòng)力。1996—2019年教育信息化發(fā)展規(guī)劃演進(jìn)見表1。

2.3 信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合（TPACK）

智慧校園應(yīng)用最終要實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，即技術(shù)（TK）、教學(xué)（PK）、知識(shí)（CK）3者的動(dòng)態(tài)平衡。2010年，Archambault和Barnett等學(xué)者進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)，他們?yōu)門PACK模型各個(gè)維度設(shè)定了不同的題目并進(jìn)行調(diào)查，用于評(píng)估教師技教融合水平，其結(jié)果顯示教師知識(shí)因子習(xí)慣于加載于單一維度（如接近照本宣科的CK）上。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，諸如人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)更加深入地與現(xiàn)代課堂教育教學(xué)有效融合，這種趨勢(shì)無(wú)論是對(duì)習(xí)慣傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程的師生，還是支撐智慧校園的技術(shù)服務(wù)商都提出新的挑戰(zhàn)。在未來(lái)，信息技術(shù)、教學(xué)法、內(nèi)容將實(shí)現(xiàn)高度融合，其中任何單一維度的突破都能夠在學(xué)科交叉融合中帶動(dòng)智慧校園的整體發(fā)展。實(shí)現(xiàn)技教融合最終目標(biāo)的關(guān)鍵是構(gòu)建智慧校園的體系架構(gòu)。

表1 1996—2019年教育信息化發(fā)展規(guī)劃演進(jìn)

3 體系架構(gòu)

智慧校園是在虛擬空間中映射實(shí)體校園中的對(duì)象和活動(dòng)，從而反映智慧校園運(yùn)轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)的一套體系和機(jī)制，借此完成了物理空間和信息空間的有機(jī)銜接，從而使任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能便捷地獲取校園資源和服務(wù)。智慧校園的體系架構(gòu)包含基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)支撐層、平臺(tái)能力層、場(chǎng)景應(yīng)用層、接入展示層以及安全和標(biāo)準(zhǔn)體系?？蓞⒖荚擉w系架構(gòu)開展智慧校園頂層設(shè)計(jì)，完成自頂向下的規(guī)劃以及自底向上的建設(shè)，從而采用技術(shù)手段（TK）實(shí)現(xiàn)教學(xué)活動(dòng)（PK）的邏輯映射以及知識(shí)資源（CK）的積累，最終達(dá)成智慧校園技教融合（TPACK）的目標(biāo)。智慧校園的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

站在能力提供者的角度看，實(shí)現(xiàn)技教融合的技術(shù)要素有2點(diǎn)：一是“連接”，在信息技術(shù)與教學(xué)融合（TPK）維度的時(shí)空軌跡上，建立起高速率、大連接、低時(shí)延的通信管道，通過(guò)云化架構(gòu)演進(jìn)和多接入網(wǎng)融合等方式，實(shí)現(xiàn)智慧校園教學(xué)管測(cè)評(píng)等活動(dòng)的全方位連接；二是“數(shù)據(jù)”，在信息技術(shù)與知識(shí)融合（TCK）維度的知識(shí)框架內(nèi)，通過(guò)邊緣能力開放和智能學(xué)習(xí)終端等方式，實(shí)現(xiàn)海量知識(shí)數(shù)據(jù)的采集、分析、歸檔、共享。連接和數(shù)據(jù)能力的提升將賦能智慧校園應(yīng)用的方方面面，支撐并引導(dǎo)技術(shù)（TK）、教學(xué)（PK）、知識(shí)（CK）的融合發(fā)展進(jìn)入正向循環(huán)。

4 實(shí)踐方向

新興科技和教學(xué)理論不斷重塑校園發(fā)展形態(tài)。從最初的私塾講學(xué)，到工業(yè)時(shí)代的學(xué)科教學(xué)，到信息時(shí)代的翻轉(zhuǎn)課堂，校園的發(fā)展帶來(lái)社群需求的多樣化。隨著新一輪科技革命和教育改革的到來(lái)，校園運(yùn)轉(zhuǎn)方式即將迎來(lái)巨大的變化。運(yùn)營(yíng)商應(yīng)緊跟技教融合發(fā)展趨勢(shì)，從“云—網(wǎng)—邊—端”4個(gè)維度，開展智慧校園應(yīng)用實(shí)踐。

4.1 云化架構(gòu)演進(jìn)

圖2 智慧校園的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

向云化架構(gòu)演進(jìn)是運(yùn)營(yíng)商支撐技教融合的關(guān)鍵鏈條?；谠苹軜?gòu)，運(yùn)營(yíng)商可對(duì)校園區(qū)域內(nèi)的計(jì)算和存儲(chǔ)資源進(jìn)行集中調(diào)度和協(xié)調(diào)，提高了資源利用率和數(shù)據(jù)容量，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)智慧校園應(yīng)用迅速部署和升級(jí)，并能根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載的變化自適應(yīng)調(diào)整基礎(chǔ)信息資源。云化架構(gòu)還有利于大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)的引入，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容資源和基礎(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)的智能化和自動(dòng)化發(fā)展。向云化架構(gòu)演進(jìn)有助于智慧校園智能中樞的部署，在智慧應(yīng)用和教學(xué)活動(dòng)間建立了橋梁。

4.2 多接入網(wǎng)融合

多接入網(wǎng)融合是運(yùn)營(yíng)商支撐技教融合的首要基礎(chǔ)。通過(guò)融合校園網(wǎng)、電信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)等多種接入方式，為智慧校園應(yīng)用建立業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能的連接管道，使支撐教學(xué)活動(dòng)的應(yīng)用可以按需、分場(chǎng)景靈活部署在如圖書館、教室、實(shí)驗(yàn)室等校園功能型場(chǎng)所。借助內(nèi)容與計(jì)算能力的下沉，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)將有效支撐智慧校園時(shí)延敏感型業(yè)務(wù)（如互動(dòng)教學(xué)等）以及大計(jì)算和高處理能力需求的業(yè)務(wù)（如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等）。運(yùn)營(yíng)商多接入網(wǎng)融合為智慧校園建立了神經(jīng)末梢，為教學(xué)模式的發(fā)展提供了支點(diǎn)。

4.3 邊緣能力開放

邊緣能力開放是運(yùn)營(yíng)商支撐技教融合的主要路徑。邊緣能力既包含“硬”資源（如教學(xué)設(shè)施等），也包含“軟”資源（如網(wǎng)絡(luò)課程等）。相比智慧校園智能中樞，這些邊緣資源具有較高的近用戶屬性。運(yùn)營(yíng)商通過(guò)將計(jì)算和存儲(chǔ)能力下沉到邊緣資源上，可以根據(jù)教學(xué)需求定制特色化的內(nèi)容服務(wù)（如SPOC小規(guī)模限制性在線課程等），也可在保障基礎(chǔ)業(yè)務(wù)需求的前提下，將邊緣資源以多樣化的方式如定位及位置信息、業(yè)務(wù)本地化以及業(yè)務(wù)加速等開放給其他OTT業(yè)務(wù)（如雙師課堂等）。邊緣能力開放以信息技術(shù)賦能教學(xué)數(shù)據(jù)，為校園內(nèi)容資源運(yùn)營(yíng)和商業(yè)模式創(chuàng)新提供了土壤。

4.4 智能學(xué)習(xí)終端

智能學(xué)習(xí)終端是運(yùn)營(yíng)商支撐技教融合的重要根基。智能學(xué)習(xí)終端是開放式教育資源共享的入口，包含電子書包、智能手機(jī)、可穿戴裝備等形式，通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能手段，還可以向持有者提供數(shù)據(jù)伴隨式收集、信息自動(dòng)化分析、資源精準(zhǔn)化供給等服務(wù)。運(yùn)營(yíng)商依托云網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，連接智能學(xué)習(xí)終端，可以協(xié)助校園構(gòu)建混合式學(xué)習(xí)、線上線下學(xué)習(xí)和翻轉(zhuǎn)課堂場(chǎng)景，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠突破課堂空間環(huán)境限制，實(shí)施場(chǎng)景式、體驗(yàn)式、沉浸式學(xué)習(xí)，實(shí)施如項(xiàng)目制學(xué)習(xí)（PBL）等教學(xué)模式。智能學(xué)習(xí)終端匯集了教育內(nèi)容資源，提升了教學(xué)模式的可選擇性，為優(yōu)質(zhì)教育資源共建共享創(chuàng)造了條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)處理能力的提升，以網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個(gè)性化為特點(diǎn)的智慧校園應(yīng)用正在不斷涌現(xiàn)。運(yùn)營(yíng)商應(yīng)針對(duì)改善教育資源供給以及均衡發(fā)展優(yōu)質(zhì)教育服務(wù)的需要，合理運(yùn)用新一代信息技術(shù)和教育技術(shù)，構(gòu)建智慧校園環(huán)境，連接教育大數(shù)據(jù)，貫穿教學(xué)管測(cè)評(píng)，推動(dòng)教育資源按需供給，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)公平化，將技教融合作為發(fā)展智慧校園應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn)和實(shí)踐方向。