數(shù)智賦能：校園智慧大腦的構建與運行實踐

杭州師范大學附屬競潮小學 王 榮

2018年4月，教育部出臺的《教育信息化2.0行動計劃》明確指出在推進教育現(xiàn)代化建設的新征程中，要推動教育信息化建設轉段升級，發(fā)展智能教育。新興技術與教育場域的深度融合，教育發(fā)展進入了“數(shù)智化”階段。數(shù)智化是指信息技術由數(shù)字化向智能化轉型升級的過程，強調利用大數(shù)據(jù)以及人工智能技術等實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和分析，并促進科學決策。因此，數(shù)智賦能教育就意味著利用人工智能技術收集教育中的數(shù)據(jù)并挖掘其背后價值，達成科學的教育管理和教育決策。教育信息化的升級動向促進數(shù)字校園逐漸向智慧校園轉型升級。智慧校園能打破學校的時空局限，促進資源整合，實現(xiàn)智慧的教學關系，發(fā)展學生的信息素養(yǎng)。

一、校園智慧大腦：智慧校園發(fā)展新形態(tài)

“智慧”是第四次教育革命的重要價值指向。智慧校園發(fā)展的新形態(tài)以智慧教育、智慧資源、智慧管理、智慧服務等模塊組成的智慧教育生態(tài)系統(tǒng)為支撐[1]。智慧教育生態(tài)系統(tǒng)建設需要融合大數(shù)據(jù)以及人工智能技術，其發(fā)展的底層技術支持是高性能的校園網。然而諸多校園網是以核心層、匯聚層及接入層為代表的三層或多層架構，這種架構方式存在網絡層次多、設備故障定位難度大以及運維困難等弊端，與智慧校園的精細化管理要求相去甚遠，甚至成為制約智慧校園發(fā)展的技術瓶頸。智慧教育生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展要求指向結構簡單、安全穩(wěn)定、速度高效、維護方便的網絡系統(tǒng)。全光網絡通過光纖連接全網絡節(jié)點的技術，能使信息以光的形式傳播，具有高傳輸能力、高處理能力和強抗干擾能力。全光網絡的技術優(yōu)勢能夠與智慧校園的需求相耦合，并化解技術帶來的發(fā)展瓶頸。依托全光網絡覆蓋的硬件技術支持，能夠構建覆蓋全時段、全校園的“校園智慧大腦”。校園智慧大腦是“以人為本、深度融合”的智慧校園生態(tài)系統(tǒng)，它以為師生提供個性化服務和促進技術和教育深度融合為建設理念，融合智慧教育、智慧管理和智慧生活的應用集群，具有環(huán)境智能感知、網絡高效互通、海量數(shù)據(jù)資源、智慧決策、個性學習空間、開放學習環(huán)境等特征。

二、校園智慧大腦的設計原則

技術手段賦能教育的過程中，帶來了一系列倫理問題，例如，技術負荷過重束縛正常的教學秩序，高強度全方位的數(shù)據(jù)監(jiān)控讓教育活動參與者成為數(shù)據(jù)透明的客體對象，過于強調感性經驗的教學方式而輕視了學生抽象思維的啟迪和生長。因此，應從如何阻擋教育異化的風險出發(fā)，以“需求為先、以人為本、規(guī)范為墻”作為校園智慧大腦的設計原則，實現(xiàn)保障校園智慧大腦發(fā)揮其正向作用的目標。

（一）需求為先

技術賦能教育的根本是為了更好服務教育實踐，因此教育活動中的人的需求應是校園智慧大腦建設的關注重點和核心依據(jù)。校園智慧大腦系統(tǒng)構建中的主體主要有學生、教師、學校管理者、家長和技術人員。校園智慧大腦要在適應不同主體需求的基礎上，最大限度并且最有效地輔助學校教學和管理工作。校園智慧大腦要為學生提供更高效的學習策略和沉浸式的互動形式，幫助改進學生的學習行為并且激發(fā)學生的學習興趣。教師的需求表現(xiàn)為在智慧系統(tǒng)的輔助之下能夠更加精準地掌握學生的知識儲備狀態(tài)和學生的日常表現(xiàn)情況。智慧教育的線上線下融合優(yōu)勢能夠提供豐富的教學資源，為教師備課、課堂教學和教研工作提供詳實并且實時更新的素材。同時智慧管理系統(tǒng)還指向更加高效的行政工作，讓教師將工作重心更好安排在教書育人上。校園智慧大腦能夠為校長以及其他學校管理者提供全面的師生教育數(shù)據(jù)和學校工作數(shù)據(jù)，并對校園環(huán)境進行實時監(jiān)控、排查安全隱患。針對家長對學生的關注需求，校園智慧大腦能夠提供學生學習進展追蹤和日常表現(xiàn)追蹤，讓家長及時掌握學生在校動態(tài)。校園智慧大腦也能夠及時發(fā)布家校合作信息，對學生在校期間的敏感事務進行監(jiān)督管理。構建校園智慧大腦的技術人員的需求表現(xiàn)為關注硬軟件設備運行及使用情況，及時更新師生的需求，并對可能問題進行預警[2]。

（二）以人為本

以人為本的原則是指要將人作為教育之本和管理之本，強調技術手段要輔助于最大限度地實現(xiàn)人的合理需求。以人為本的原則要求校園智慧大腦的目的是幫助創(chuàng)造更加自由、開放、和諧、安全的學校環(huán)境。在良好的教育氛圍和安全高效的學校生活中調動師生的積極性和創(chuàng)造性，促進人的發(fā)展。因此，以人為本的設計原則要滲透至智慧教育、智慧管理和智慧生活三個方面。一是個性化的智慧教育。學生是具體的、活生生的個體。以人為本在智慧教育的表現(xiàn)特性是指向學生中心和學生的個性化發(fā)展[3]。教育在面向全體學生、促進人的全面發(fā)展的同時也要關注學生的個性化需求，尊重學生的獨特性，承認每個學生都有自己的發(fā)展?jié)撃堋Ｖ腔劢逃P注教師的個性化教學，以大數(shù)據(jù)支持教師實現(xiàn)精準指導、因材施教。二是人本化的智慧管理。建立民主管理、賦權多主體的管理系統(tǒng)，使每一位教職員工都擁有能夠互動參與的機會，能夠積極參加到學校管理中。尊重各參與者的主體性，在民主氛圍中激活人的內在價值。三是人文化的智慧生活。智慧生活建設要以文化人，以涵養(yǎng)人、教育人、規(guī)范人、促進人的進步為宗旨，營造良好的校園人文氛圍。

（三）規(guī)范為墻

數(shù)智技術在教育中全面應用讓教育行為具有人機操作的特性。在智慧校園的建設中，高效、滲透、便捷等本來技術在提供服務時的優(yōu)勢特質卻會一步步地擠占師生的思維空間。這在一定程度上占據(jù)了教育工具地位，教學秩序必須要納入“機器”這一維度而拓展為“人——機——人”的多維關系[4]。如何平衡教育活動中人與機器的關系成為新的挑戰(zhàn)。數(shù)智賦能教育系統(tǒng)難免會帶來隱私泄露、技術理性主導、算法排斥、信息成癮等倫理隱憂。因此校園智慧大腦構建要以技術規(guī)范路徑隔絕風險。

三、校園智慧大腦的系統(tǒng)架構

校園智慧大腦的系統(tǒng)架構分為四個層級，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)應用層和技術規(guī)范層。

（一）數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層是校園智慧大腦的基礎技術保障層次，通過硬件設計、軟件系統(tǒng)以及資料庫等形成覆蓋學校全域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中發(fā)揮巨大技術優(yōu)勢的是軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)主要通過學校中安裝的一系列智能感知設備，例如，語音識別系統(tǒng)、生物識別系統(tǒng)等硬件設施實現(xiàn)對校園的監(jiān)控和互聯(lián)互通。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時也能夠對師生的學校生活狀態(tài)、學生的課堂學習狀態(tài)、日常在校行為表現(xiàn)等進行數(shù)據(jù)收集，匯總上傳到大數(shù)據(jù)平臺的資料庫系統(tǒng)。

（二）數(shù)據(jù)分析層

數(shù)據(jù)分析層是對收集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析以及預警決策的系統(tǒng)，目的是為校園智慧大腦的應用服務提供可參考的信息模型以及方案支持。針對校園智慧大腦的智慧教育、智慧管理和智慧生活的三個應用集群，數(shù)據(jù)分析層要對信息進行篩選和甄別，為不同的應用提供適宜性的數(shù)據(jù)資源支持。例如，通過聚類算法分析學生的群體行為模式，對學生的課堂學習風格以及學習行為習慣等進行分析，輔助教師教學?；谥R圖譜等實現(xiàn)信息抽取以及融合，直接篩選出有價值的信息，降低教師的工作量，應用在作業(yè)批改系統(tǒng)中，方便教師了解學生對知識的掌握度和課堂教學的側重點。

（三）數(shù)據(jù)應用層

數(shù)據(jù)應用層是校園智慧大腦建設的實際落地方式。數(shù)據(jù)應用層是指在數(shù)據(jù)收集和分析的基礎之上，通過智能服務架構打造適用于各用戶、易于操作的應用終端，囊括智慧教育、智慧管理和智慧生活三大領域，要針對不同的用戶需求進行定制化供給。在智慧教育上，通過數(shù)據(jù)收集分析，對學生的教育綜合素質、學業(yè)發(fā)展、身心發(fā)展、核心素養(yǎng)發(fā)展等進行追蹤和記錄，實現(xiàn)對師生的精準畫像和行為監(jiān)測。在智慧管理上，為管理人員提供教育詳情概覽、師生統(tǒng)計信息等，為學校管理者提高信息領導能力提供技術支持。校園智慧大腦在智能生活中的建設目的是打造更加安全、便捷、綠色、智慧的校園生活空間。

（四）技術規(guī)范層

技術規(guī)范層的目的保證技術在合理范圍內運行，實現(xiàn)對技術風險和倫理風險的防范和預警。技術規(guī)范包括數(shù)據(jù)規(guī)范、物理規(guī)范以及網絡規(guī)范等。數(shù)據(jù)規(guī)范是指技術人員在進行信息存儲以及信息傳輸時要遵守一定規(guī)則，防止信息泄露導致的信息安全問題和倫理問題。師生的行為數(shù)據(jù)和課堂學習數(shù)據(jù)等具有較強的隱私性，在數(shù)據(jù)規(guī)范之外還應當輔之以網絡規(guī)范，即設置安全防火墻、惡意程序防護等，防止學校的數(shù)據(jù)庫遭到攻擊和破壞。物理規(guī)范則是指要對校園智慧大腦的硬件設備進行日常檢測和設備維護。

四、校園智慧大腦的應用分析

校園智慧大腦的應用可分為智慧教育、智慧管理和智慧生活三個應用集群，每個應用群集合各類子應用。

（一）智慧教育

智慧教育系統(tǒng)的子應用包括個性化學習空間、在線教育空間、智慧課堂、學生成長系統(tǒng)以及作業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。智慧教育系統(tǒng)能夠根據(jù)學生的精準畫像打造個性化教育空間，針對學生在課程側重點以及學習訴求上的差異，為學生提供不同的學習資料以及題目練習等。個性化教育空間能夠捕捉師生的個性化需求，找到學生學習的薄弱點和興趣點。利用智慧黑板、智能教學助手、智能錄播室等搭建在線教育平臺，實現(xiàn)線上線下融合教學，并整合校內校外的優(yōu)質知識資源，為學生提供更豐富的知識選擇，開拓學生的視野。智慧課堂系統(tǒng)通過電子班牌、智慧黑板、無線投屏技術、在線測試等為師生帶來更為便捷以及可視化的教學體驗，同時能夠實現(xiàn)貫穿課前課中課后的教學數(shù)據(jù)收集。學生成長系統(tǒng)以“成長動態(tài)、全面發(fā)展”為指引，涵蓋學生的學業(yè)成績管理系統(tǒng)、素質評價系統(tǒng)等。一方面能夠依據(jù)學生的學業(yè)成績進行智能分析，生成學生專屬的成績單和學習檔案。另一方面能夠依托核心素養(yǎng)發(fā)展維度，制定可操作性指標，進行過程性評價。在促進學生全面發(fā)展的理念下，將學生在體育、人文、藝術及科技等不同模塊的進步都納入到電子檔案中，并生成學生成長圖，且在學校展廳展示。作業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠實現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)反饋、錯題本數(shù)據(jù)收集分析，并針對學生的學習特質進行精準化個性推送，助力精準教學。

（二）智慧管理

當前許多學校已經開始進行學校管理信息化改革，然而囿于學校管理部門之間的系統(tǒng)不兼容、數(shù)據(jù)共享程度不高以及數(shù)據(jù)冗雜等原因導致學校管理存在信息利用不充分、智慧管理系統(tǒng)復雜等問題?；谟脩粜枨鬄橹行拇蛟斓闹腔酃芾硐到y(tǒng)更加強調服務的個性化和便捷性。智慧管理意在打造便捷、高效、安全、人性化的管理平臺，并服務于學校內外的每一個受眾。校園智慧大腦中的智慧管理應用集群是融合業(yè)務管理、動態(tài)監(jiān)測、教育監(jiān)管與決策分析、資源配置預測等功能的智慧化教育管理集合[5]。智慧管理應用平臺能夠實現(xiàn)移動終端上的數(shù)據(jù)協(xié)調，因此可以進行隨時隨地的智能化服務和動態(tài)管理，有助于校長以及學校管理團隊及時掌握學校狀態(tài)，提高應急處置相關事務的效率。學校管理的應用主要包括對于人事信息、教職工以及學生檔案、綜合財務信息等的管理。在教學管理方面則包括智能教務管理系統(tǒng)和智能教學服務系統(tǒng)，具體包括考試安排、實驗室管理、課程安排和教室管理等。

（三）智慧生活

校園智慧大腦中智慧生活應用集群的目的是提高校園生活服務質量以及促進生活空間的智能化發(fā)展。智慧生活應用分為平安校園、綠色校園、智慧圖書館、健康校園等多個模塊。平安校園系統(tǒng)通過校園視頻圍墻能夠實現(xiàn)對學校平面、立面的全方位、立體式的高清數(shù)字點位全覆蓋，并在學校的核心關注地點，例如校門口、校內道路以及教學樓等地點部署人臉識別設備，對校內有安全隱患的地區(qū)安裝人員軌跡攝像頭，對來校的人員、車輛等進行識別和登記。平安校園系統(tǒng)能夠快速識別校園的安全風險，實現(xiàn)安全監(jiān)控和自動報警。綠色校園系統(tǒng)集合智能照明控制、溫度調整以及植被灌溉系統(tǒng)等。教室中安裝的光線傳感器能夠實時監(jiān)控光線強度，根據(jù)光線變化和學生的座位分布智能調整室內的光照度。教室中安裝的智能控制器可以與窗簾、智慧黑板等設備連接，根據(jù)智慧黑板的工作狀態(tài)自動調整窗簾以及燈光照明方式，教室無人時自動關燈。智慧圖書館服務能夠對師生的閱讀偏好進行統(tǒng)計分析，提供個性化資源導航以及書籍推薦。心理健康服務系統(tǒng)關注校園師生的心理健康狀態(tài)，對學生的不良學習行為習慣提供指導服務，對存在較大心理問題風險的學生提供預警干預措施。