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摘要：為了推動(dòng)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型，將大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術(shù)應(yīng)用于教育是很有必要的。本文在簡(jiǎn)述教育的發(fā)展歷程、對(duì)比分析教育信息化現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)教育數(shù)字化進(jìn)行定義，歸納數(shù)字化技術(shù)在教育方面的應(yīng)用，并提出一種教育數(shù)字化的集成應(yīng)用——校園計(jì)算。

關(guān)鍵詞：教育信息化；校園計(jì)算；數(shù)字化轉(zhuǎn)型

1引言

隨著人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方式改革的推行，教育體系隨之發(fā)生變化。終身學(xué)習(xí)體系的出現(xiàn)產(chǎn)生了繼續(xù)教育學(xué)院、終身學(xué)習(xí)教育、開(kāi)放大學(xué)，使得“活到老學(xué)到老”成為一個(gè)永恒的話題。在新一代信息技術(shù)高速發(fā)展、科技進(jìn)步、教育意識(shí)強(qiáng)化的今天，教育數(shù)字化擁有優(yōu)質(zhì)的發(fā)展環(huán)境和發(fā)展?jié)撡|(zhì)，教育生態(tài)正從“互聯(lián)網(wǎng)+教育”向“智能+教育”轉(zhuǎn)變[1]。信息技術(shù)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，打破了時(shí)空的限制。師生交互不僅可以在物理空間，也可以遷移到虛擬空間，實(shí)現(xiàn)師生線上線下交互虛實(shí)融合的分布式學(xué)習(xí)[2]。運(yùn)用人工智能技術(shù)，使用目前先進(jìn)算法模型結(jié)合全過(guò)程大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和判斷，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者創(chuàng)造新型學(xué)習(xí)條件[3]。在疫情常態(tài)化背景下，教育行業(yè)迎來(lái)了一場(chǎng)前所未有的數(shù)字化革命，教育行業(yè)正駛?cè)霐?shù)字化轉(zhuǎn)型的快車道。本文主要闡述5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)，充分發(fā)揮各技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型，即大數(shù)據(jù)促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)、實(shí)現(xiàn)差異化教學(xué)、優(yōu)化管理決策、推進(jìn)教育智能化，開(kāi)啟教育新時(shí)代；區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建學(xué)信大數(shù)據(jù)、學(xué)位證書(shū)系統(tǒng)、去中心化教育系統(tǒng)，助力教育體系改革。基于此，本文提出一種教育數(shù)字化的集成應(yīng)用——校園計(jì)算（CampusComputing，又稱校園大腦）。

2教育數(shù)字化定義

在農(nóng)耕時(shí)代的原始社會(huì)，教育是一種自然教育，基于生產(chǎn)活動(dòng)、社會(huì)生活的需要而產(chǎn)生。教育內(nèi)容簡(jiǎn)單，圍繞生產(chǎn)需求開(kāi)展，教學(xué)手段也比較單一，無(wú)明確教學(xué)概念，以模仿學(xué)習(xí)為主。這種以傳統(tǒng)技術(shù)、工匠精神為代表的教育仍在以“師徒制”方式傳承。到奴隸社會(huì)私學(xué)的出現(xiàn)，官學(xué)與私學(xué)并重，形成中國(guó)古代教育的雙軌制。到了工業(yè)化時(shí)代，工業(yè)化生產(chǎn)模式需要大量有一定文化知識(shí)的生產(chǎn)工人，從而催生了規(guī)模化培養(yǎng)人才的學(xué)校。學(xué)校的教育模式類似工業(yè)化的量產(chǎn)模式，為工業(yè)時(shí)代的標(biāo)準(zhǔn)化輸送了大量可用人才。信息時(shí)代推動(dòng)信息技術(shù)在教育中的應(yīng)用，促進(jìn)教育的內(nèi)容、形式、方法等發(fā)生根本性的變革。隨著信息技術(shù)快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)日益普及，信息技術(shù)應(yīng)用于教育實(shí)踐成為現(xiàn)實(shí)，開(kāi)放性、協(xié)作型、交互性、共享性、實(shí)時(shí)性、個(gè)別化的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前，5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)正在重塑我們的世界，數(shù)字化正在潛移默化地推動(dòng)整個(gè)社會(huì)轉(zhuǎn)型，人類社會(huì)將迎來(lái)人機(jī)協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)共享的智能時(shí)代[4]。數(shù)字化被定義為信息表示與處理方式，而本質(zhì)上強(qiáng)調(diào)信息應(yīng)用的計(jì)算機(jī)化與自動(dòng)化[5]。為此，本文將教育數(shù)字化定義為新一代信息技術(shù)與教育的融合發(fā)展，促進(jìn)教育思維轉(zhuǎn)變，推動(dòng)物理和虛擬教學(xué)環(huán)境相融合，使個(gè)性化、情景化、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式成為常態(tài)，建立人機(jī)融合的智慧教育新生態(tài)。

3教育數(shù)字化技術(shù)

3.1大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)技術(shù)

在獲取、存儲(chǔ)、管理和分析數(shù)據(jù)等方面大大超過(guò)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，具有數(shù)據(jù)規(guī)模大、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)快、數(shù)據(jù)類型多樣和價(jià)值密度低等四大特征。現(xiàn)代教育行業(yè)的數(shù)據(jù)滿足這些特征，是教育大數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)教育數(shù)據(jù)應(yīng)用的范式。大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)于教育的重要價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)對(duì)大量教育數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)教育方式、教育決策等進(jìn)行合理調(diào)整。“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)學(xué)校，分析改革教育”已經(jīng)成為教育改革和發(fā)展的共識(shí)。

3.1.1大數(shù)據(jù)促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)教育體系缺乏獲取和分析信息的手段和方法，數(shù)據(jù)的獲取智能通過(guò)周期性和階段性的評(píng)估，只能體現(xiàn)宏觀層面的教育情況，凸顯群體水平而缺乏對(duì)個(gè)體特點(diǎn)和差異性的了解。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，在教育過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為教育大數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)體系不同的是，這樣的數(shù)據(jù)側(cè)重于過(guò)程性。過(guò)程性數(shù)據(jù)可以體現(xiàn)個(gè)性化表現(xiàn)特征，通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)背景和過(guò)程相關(guān)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，從這些大量的過(guò)程性數(shù)據(jù)中歸納分析出各個(gè)學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)行為——精準(zhǔn)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)、感知學(xué)生需求、進(jìn)行學(xué)習(xí)過(guò)程的引導(dǎo)、對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成果進(jìn)行分析，進(jìn)而為學(xué)生提供個(gè)性化學(xué)習(xí)支持，真正實(shí)現(xiàn)從集體教育到個(gè)體教育的轉(zhuǎn)變。

3.1.2大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)層次化教學(xué)

通過(guò)對(duì)教育大數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，構(gòu)建學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為相關(guān)模型，分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為，科學(xué)預(yù)測(cè)其未來(lái)學(xué)習(xí)趨勢(shì)，教師可以全面跟蹤和掌握這些學(xué)生特點(diǎn)、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)過(guò)程、學(xué)習(xí)趨勢(shì)，進(jìn)而根據(jù)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)模式來(lái)提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容和指導(dǎo)，促進(jìn)其個(gè)性化發(fā)展。在大數(shù)據(jù)支撐下，學(xué)校教育不再是傳統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和程序，教師也逐漸從教學(xué)者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鷮W(xué)者。以教師為中心、知識(shí)灌輸?shù)慕虒W(xué)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的層次化教學(xué)模式[6]。

3.1.3大數(shù)據(jù)優(yōu)化管理決策

目前，學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃的確定、教師教學(xué)安排的確定、教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)、人員管理等教學(xué)決策，都是建立在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。因此，數(shù)據(jù)處理和挖掘在學(xué)校管理中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的教育數(shù)據(jù)一般是靜態(tài)、局限、滯后或是過(guò)濾加工后的數(shù)據(jù)。在教育大數(shù)據(jù)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，突破了小樣本和個(gè)案研究，能夠在過(guò)程中動(dòng)態(tài)、全面、實(shí)時(shí)地收集最真實(shí)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)于重要管理對(duì)象的數(shù)據(jù)，可以由多個(gè)源頭從不同方向?qū)ν粋€(gè)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)之間可以相互印證。總之，新的數(shù)據(jù)技術(shù)更快更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)影響因素和干預(yù)策略，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)受數(shù)據(jù)缺陷而被隱蔽的教育新規(guī)律。

3.1.4大數(shù)據(jù)推進(jìn)教育智能化

人工智能深刻影響教育領(lǐng)域。數(shù)據(jù)智能采集分析各教育主體的行為數(shù)據(jù)，以幫助學(xué)校全面提升服務(wù)質(zhì)量，更好地為學(xué)生、老師和家長(zhǎng)提供服務(wù)。教育大數(shù)據(jù)的采集范圍之廣、分析之精確，成為教育智能的基礎(chǔ)，為學(xué)校用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)實(shí)施精準(zhǔn)服務(wù)提供了數(shù)字化基本環(huán)境[7]。

3.2區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有透明化、去中心化、數(shù)據(jù)不可篡改等特征，完全適用于教育軟件系統(tǒng)的功能模塊。“互聯(lián)網(wǎng)+教育”是全球教育發(fā)展改革的大趨勢(shì)，區(qū)塊鏈技術(shù)有望在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

3.2.1區(qū)塊鏈構(gòu)建學(xué)信大數(shù)據(jù)平臺(tái)

區(qū)塊鏈技術(shù)具有分布式學(xué)習(xí)記錄和存儲(chǔ)功能，可跨系統(tǒng)、跨平臺(tái)記錄學(xué)習(xí)行為和成果，并永久存儲(chǔ)在云服務(wù)器上，形成個(gè)體學(xué)信大數(shù)據(jù)。這有助于解決當(dāng)前教育領(lǐng)域信用體系缺失、教育就業(yè)中校企分離等問(wèn)題。升學(xué)院校和用人單位可以通過(guò)正規(guī)途徑有效獲取所需的學(xué)生相關(guān)證明數(shù)據(jù)，用于評(píng)估學(xué)生各項(xiàng)升學(xué)條件指標(biāo)或與工作崗位的匹配程度[8]。

3.2.2區(qū)塊鏈用于學(xué)位證書(shū)系統(tǒng)

基于“權(quán)威”中心的傳統(tǒng)學(xué)歷認(rèn)證、學(xué)位認(rèn)證流程繁瑣、時(shí)間長(zhǎng)、成本高，且存在一定的信用風(fēng)險(xiǎn)。而區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N不需要第三方機(jī)構(gòu)授信就能夠保證數(shù)據(jù)庫(kù)安全的解決方案，是分布式存儲(chǔ)、共識(shí)機(jī)制、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)融合應(yīng)用的模式。研究基于區(qū)塊鏈的學(xué)歷、學(xué)位認(rèn)證模式，有助于推動(dòng)學(xué)歷、學(xué)位認(rèn)證實(shí)現(xiàn)流程簡(jiǎn)化、成本降低，并規(guī)避信用風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)去中心化教育系統(tǒng)

現(xiàn)階段的教育體系，教育服務(wù)與認(rèn)證必須由政府機(jī)構(gòu)或?qū)W校提供，個(gè)人專業(yè)能力仍需通過(guò)紙質(zhì)文憑或證書(shū)來(lái)證明，屬于中心化教育體制。利用區(qū)塊鏈技術(shù)開(kāi)發(fā)去中心化教育系統(tǒng)[9]，有助于改進(jìn)原有教育體制高度中心化和集權(quán)化的問(wèn)題，使教育更加開(kāi)放，能夠?qū)崿F(xiàn)多方參與、協(xié)同育人，形成家校社一體化教育體系。

4教育數(shù)字化集成應(yīng)用

4.1校園計(jì)算演化進(jìn)程

從計(jì)算機(jī)時(shí)代的信息化建設(shè)，到互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的數(shù)字校園建設(shè)階段，智慧校園已經(jīng)從分散業(yè)務(wù)點(diǎn)的信息化建設(shè)發(fā)展成以管理為中心的應(yīng)用集成。智慧校園建設(shè)階段以移動(dòng)互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)為基礎(chǔ)，以人為本，連接所有服務(wù)智能化管理決策[10]。智慧校園的建設(shè)是教育數(shù)字化的重要組成部分，也是衡量教育現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。進(jìn)入“智能+”時(shí)代，如何推動(dòng)數(shù)字化教育持續(xù)深入發(fā)展，已經(jīng)成為整個(gè)教育系統(tǒng)乃至整個(gè)社會(huì)高度關(guān)切的問(wèn)題。這為智慧校園的成長(zhǎng)提供了優(yōu)質(zhì)的發(fā)展土壤，校園計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。

4.2校園計(jì)算定義

校園計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)與校園規(guī)劃、教育學(xué)、環(huán)境科學(xué)、心理學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)等以校園為背景的新興交叉學(xué)科及融合應(yīng)用。具體而言，校園計(jì)算是校園的人工智能樞紐，以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)為核心技術(shù)，通過(guò)感知、采集、整合、分析和展示，用校園中多種異構(gòu)大數(shù)據(jù)，形成校園工作、學(xué)習(xí)和生活的一體化環(huán)境，充分融合教學(xué)、科研、管理和校園生活；再通過(guò)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，為校園管理和決策提供數(shù)據(jù)支持和智能支撐，來(lái)解決校園在人才培養(yǎng)、科技研究與轉(zhuǎn)化、學(xué)生成長(zhǎng)、校園環(huán)境、心理、生活和工作環(huán)境等方面面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

4.3校園計(jì)算框架

隨著校園計(jì)算的演化，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，本文提出校園計(jì)算的一般架構(gòu)（圖1），并逐一說(shuō)明。

4.3.1校園數(shù)據(jù)感知模塊

為了實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的“互聯(lián)互通”，將校園數(shù)據(jù)感知模塊分為三部分。第一部分是通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即通過(guò)分布在校園內(nèi)的各種傳感器互聯(lián)，形成校園傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)感知。第二部分是校園物聯(lián)網(wǎng)，教師手機(jī)、校園PC、家長(zhǎng)手機(jī)等通訊設(shè)備，以及校門(mén)口、操場(chǎng)、教學(xué)樓、辦公樓等場(chǎng)所的設(shè)備通過(guò)校園網(wǎng)連接。例如：校門(mén)口人員檢測(cè)設(shè)備、手環(huán)、校園卡、校徽、手表等實(shí)物的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)全連接、全感知的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。第三部分是使用ETL工具將各種校園業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.3.2校園數(shù)據(jù)管理模塊

校園業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)量較多，各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)往往存放在不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中，而且不同類型的數(shù)據(jù)也存放在不同類型的數(shù)據(jù)庫(kù)中，如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（Mysql、Oracle）、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（MongoDB、HBase）、圖數(shù)據(jù)庫(kù)（Neo4J）、時(shí)間序列型數(shù)據(jù)庫(kù)（MatrixDB）、分析型數(shù)據(jù)庫(kù)（MatrixDB、Hive）等。為了消除由多個(gè)不同系統(tǒng)造成的“信息孤島”現(xiàn)象，校園計(jì)算設(shè)計(jì)了如圖2所示的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)來(lái)突破系統(tǒng)間的“信息壁壘”，實(shí)現(xiàn)校園系統(tǒng)的全連接。因此，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)向下承接校園內(nèi)的各種系統(tǒng)，向上支撐各種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

4.3.3校園數(shù)據(jù)分析模塊

校園數(shù)據(jù)分析模塊主要分為三個(gè)子系統(tǒng)：校園監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、智能報(bào)表系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘引擎。一是監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)校園重點(diǎn)指標(biāo)、重點(diǎn)項(xiàng)目等趨勢(shì)監(jiān)測(cè)預(yù)警，同時(shí)兼顧重點(diǎn)校園風(fēng)險(xiǎn)隱患監(jiān)測(cè)預(yù)警。通過(guò)對(duì)特定指標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、建模分析，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)預(yù)警、決策建議、定位及可視化。二是智能報(bào)表系統(tǒng)由兩部分組成：校園數(shù)據(jù)智能可視化分析、校園智能報(bào)表生成。三是數(shù)據(jù)挖掘引擎包括校園數(shù)據(jù)算法庫(kù)、校園數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)，對(duì)校園基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，提供決策依據(jù)。

4.3.4校園服務(wù)提供模塊

校園數(shù)據(jù)在感知模塊、管理模塊、分析模塊按序流轉(zhuǎn)，最終發(fā)掘校園大數(shù)據(jù)的價(jià)值，形成校園服務(wù)提供模塊。基于前三個(gè)模塊的支持，校園服務(wù)提供模塊可以準(zhǔn)確描繪校園畫(huà)像，開(kāi)展校園智慧化服務(wù)，包括校園教學(xué)、校園自適應(yīng)學(xué)習(xí)、校園科研、校園環(huán)境、校園管理、校園生活。

5總結(jié)

本文對(duì)教育數(shù)字化作出了定義。研究數(shù)字化技術(shù)在教育方面的應(yīng)用，從表面上看是新一代信息技術(shù)取代傳統(tǒng)技術(shù)、將先進(jìn)技術(shù)用于教學(xué)，但更深層次的是新一代信息技術(shù)重塑了一個(gè)全新的教育生態(tài)系統(tǒng)。基于上述研究，本文提出了一種教育數(shù)字化的集成應(yīng)用——校園計(jì)算，即互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈和人工智能打造的智慧教育新生態(tài)，能夠更加便捷地獲取優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源、開(kāi)展科學(xué)的教學(xué)評(píng)價(jià)、提供多元化的教學(xué)形式，從而實(shí)現(xiàn)新一代信息技術(shù)與教育的融合應(yīng)用。

作者：歐陽(yáng)玲 張禾佳 洪文興 朱達(dá)欣 單位：福建省廈門(mén)雙十中學(xué) 廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院 泉州師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院