智慧校园背景下智慧学习环境的架构研究

张涛 江苏警官学院

● 前言

教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》提出要“构建智慧学习支持环境”“大力推进智能教育”“探索泛在、灵活、智能的教育教学新环境建设与应用模式”。[1]国务院印发的《中国教育现代化2035》明确提出要“建设智能化校园，统筹建设一体化智能教学、管理与服务平台”。[2]可以说，智慧校园将成为信息化时代高校实施教学、管理、运行的新形态，成为构建智慧学习环境的基石。因此，笔者结合所在学校近年来开展智慧校园基础设施建设、实施智慧教学环境改造相关项目的实践，探讨智慧校园背景下智慧学习环境的设计与构建，探索信息化时代教学环境改革的路径与方法。

● 智慧学习环境的构成要素

从功能上来看，智慧学习环境可看作是一种融合了物理环境、现代信息技术，以及诸多人文要素的学习支持系统，其全部功能都是围绕学生的学习活动而存在。黄荣怀等认为智慧学习环境中的学习是一种“技术促进学习”（Technology Enhanced Learning，TEL），其构成要素包括数字化学习资源、虚拟学习社区、学习管理系统、设计者（教育者）心理、学习者心理。[3]逯行等认为智能学习环境包括人的环境（教师与管理者）、物的环境（物理空间、社会场馆）以及信息环境（互联网空间以及人工智能等信息技术）。[4]综合以上观点，结合智慧校园总体架构的特点和要求，笔者认为智慧学习环境的构成应当包含四大要素，即环境要素、人文要素、资源要素、技术要素，如下页图1所示。

图1

①环境要素是指学习发生的场所，是构成智慧学习环境的基础设施，包括物理环境和虚拟环境两个子类。

②人文要素是学习活动的参与者和实施者，包含两个子类：一是学习活动参与者所构成的主体，包括学生、教师、教学设计人员、教学管理人员等；二是由各主体之间相互交流、沟通、协作而构建的群体主体，即学习社群。

③资源要素是指支持学习活动和教学活动的所有外部知识载体，其中分为实体资源和电子资源两类，前者指传统的课本、图书、讲义、笔记等以实体形式记录的资源，后者指以模拟、数字、多媒体形式记录的资源。

④技术要素是指支持在智慧学习环境下进行学习、教学和管理的一切技术手段和工具，也是使智慧学习环境区别于一般学习环境的核心要素，是“智慧”的直观体现。

● 智慧学习环境的类型和适用性

智慧学习环境是指在“互联网+”理念影响下，基于“以学习者为中心”的人本主义思想，将学生身处的物理环境与网络虚拟环境相结合，融合大数据、云计算、人工智能、虚拟现实等科技而打造的学习环境。笔者将智慧学习环境划分为两种类型，即基于物理环境的智慧学习环境和基于虚拟环境的智慧学习环境，如图2所示。若将物理空间和虚拟空间作为一个维度、将正式学习和非正式学习作为另一个维度组成二维坐标系，则可以将上述学习环境进行适用性划分，具体如下页图3所示。

图2

图3

在横坐标中，学习环境类型越靠近某一端，则表明其越适用于该类型的学习。例如，智慧教室和在线班级是指以班级为单位，在真实教室或网络空间中进行集体学习的类别，它们都具有相对固定的授课环境、稳定的学习时间、特定的学习目标和评价标准，由教师进行直接授课；而智慧终端和个人学习空间则是以支持个人自主学习为主要目标的学习环境，在这类环境中，学习行为通常由学生自主发起、自由控制，没有预设的学习目标和评价标准，学生可根据自身兴趣决定学习内容、进度安排，具有极高的灵活性和自主性。此外，所有类别的学习环境都可以在有所侧重的前提下兼顾正式学习与非正式学习，可以根据教师和学生的需求灵活安排开展混合式学习、基于项目的学习等多种学习模式。

在纵坐标中，学习环境类型越靠近某一端，则表明构成它的空间要素所占比重越大。智慧教室、智慧实验室、智慧训练场、智慧校园都是在物理空间的基础上，通过添加基础设施（网络系统）、信息感知设备（摄像头、麦克风、传感器）、教学仪器（实验设备、训练器材）、教学交互设备（智能黑板、智能终端、班牌）、学习支持系统（后台服务端和软件系统）而形成的智慧学习环境；个人空间、虚拟班级、虚拟社区等则是基于通信服务（有线网、无线网、移动网络）、云服务（云存储、云计算）、网络管理系统、网络学习资源、应用软件系统所建立的网络虚拟空间，用户根据权限访问空间的资源和功能，获取个性化服务，实现自主学习、交流讨论、分工合作。

事实上，从智慧学习环境的类型划分来看，物理环境与虚拟环境存在一定的共通性，两者仿佛彼此的镜像，某一空间中的学习环境类型都能在另一空间中找到对应。因此，对高校教学来说，两种类型的智慧学习环境虽然在物理上隔离，但在使用上却是相互融合、缺一不可的。无论个人学习还是集体学习、正式学习还是非正式学习，智慧学习环境都能根据学生的需求和教学过程的需要，由线上线下两种形态的学习环境共同提供学习支持。因此，在实践中，高校通常采取线上线下相结合的模式开展教学与学习活动，以充分发挥两者的优势，实现教学效果的优化。

● 智慧学习环境的架构

1.智慧校园里的智慧学习环境

智慧校园是在数字化校园基础之上的升级和换代，是高等院校信息化建设的新阶段。智慧校园的产生和发展为改革高校教学组织形态、突破校园边界、构建泛在教学环境创造了有利条件。[5]与数字化校园相比，智慧校园更强调校园环境的整体性和基础性作用，注重建设和利用覆盖全校的无线互联网络和多节点感知模块，不间断地检测和收集学校各项运行数据；注重将数据层面和业务层面打通，并将不同部门、不同类型的数据进行融合，实现全面的数字化管理；注重数据感知与智能处理，利用大数据技术对基础数据进行处理、分析，自动提取有价值信息，形成过程性结论，以支持学校管理决策；注重提供个性化服务，将接口统一、服务融合，形成面向个人用户的个性化支持体系，全面满足每个人的学习、生活、教学、科研、管理等需求。

智慧校园相对于数字化校园的重要特征之一就是融合，包括底层的数据融合、中层的业务融合、顶层的服务融合。这种融合有效避免了数据冗余、数据差异等问题，也有助于打破不同部门之间的信息壁垒，使数据获得极大的流通性。而智慧学习环境同样是基于对众多技术平台、业务系统、开发工具、基础服务的有机融合，实现对学习资源、学习支持、学习服务的整合。[6]因此，智慧校园中的高速互联网络、无线感知系统、业务融合与智能处理系统、支持大数据和云计算的信息中心等软硬件设施，都为高校开展智慧教育，构建以人为本、满足学生个性化需求的智慧学习环境创造了基础条件。

2.智慧学习环境的整体架构

2018年6月，国家标准化管理委员会发布了《智慧校园总体框架》国家标准，指出智慧校园总体架构包括基础设施层、支持平台层、应用平台层、应用终端等四个层次。[7]而智慧学习环境的构建与智慧校园的建设是相辅相成的，其整体架构在某种程度上根植于智慧校园，具有“一体多能”的特性。此外，智慧学习环境必须更加重视在线学习与线下学习、正式学习与非正式学习的对接与融合，助力师生开展教学模式、学习模式的创新，也必须更加强调应用系统的灵活性、数据接口的统一性、服务体验的一致性、接入节点的多样性等各个方面。

基于此，在智慧校园基础上构建的智慧学习环境，其整体架构应当包括服务端的硬件基础设施和服务系统、用户端的应用场景和接入终端，以及连接两端的统一接口。具体地说，可以将其划分为五个层次，即硬件层、中心层、接口层、应用层、终端层，如图4所示。

图4

①硬件层是构成智慧学习环境的硬件基础，包括传感器系统、网络系统、中心机房。遍布校园的传感器能够采集环境信息、设备设施状态与使用情况、人员身份信息等基础数据，通过校园网传输到存储服务器，并汇集到大数据中心，为下一步数据处理和云计算提供海量数据来源；校园基础网络系统和高速联网技术为师生访问校内资源提供便捷、安全的通道，并有助于模糊学校边界，为开展非正式学习创造条件；中心机房利用虚拟化技术整合并灵活分配计算资源，可根据需要增减服务器，降低维护成本,提升整体性能，为部署大数据、云计算相关应用奠定基础。

②中心层是智慧学习环境的核心层，也是数据、业务的汇聚层，包括大数据中心和云计算中心。大数据中心负责收集、存储、处理用户数据、学习资源、教学资源、学习过程数据以及支持系统、环境数据，以支持客户端调用资源、记录学习过程、开展日常教学和自主学习；云计算中心承担整个系统的复杂计算任务，一方面为人工智能、智慧教学、虚拟现实、学习支持系统、学习跟踪与监控系统等应用系统服务，另一方面作为VDI/VOI架构的云机房以及各类虚拟实验室、虚拟训练场的服务端，为实训课程承担相应运算任务，以降低终端性能要求，实现系统的跨平台功能并支持移动应用。

③接口层是连接服务端和用户端的中介层，包括统一接口和安全防护两部分。统一接口部分负责识别、转换内外数据的接口类型，将来自不同终端的请求进行处理和转发，为不同端口提供一致的数据接入；安全防护部分负责进行身份认证、权限管理、系统防护等工作，与智慧校园的安全防护体系一起保障智慧教学环境的安全平稳运行。

④应用层是智慧学习环境的应用运行部分，是开展智慧教学、智慧学习的主要场所，包括物理环境和虚拟环境两部分。物理环境即智慧教室、实验室、研讨室等实体空间，主要为开展线下教学提供支持；虚拟环境即虚拟教室、虚拟实验室、虚拟训练场等虚拟空间，主要为自主学习、小组学习、模拟演练、虚拟班级等在线学习情境提供服务。

⑤终端层是人员实际操作的层面，包括用户和终端两部分。无论是学生、教师，还是管理员、行政人员均可通过不同的终端设备访问权限内的资源，各个业务平台通过统一门户进行集成，打通部门数据壁垒，实现系统的智能化、统一化运作。

在各个层次之间通过网络传输数据和信息，用户可以根据自身需要，在校内、校外通过不同终端自由地接入系统，获取信息，开展学习与教学活动，并由系统自动进行学习行为的记录、分析、评价与反馈，最终为学生、教育者、管理者提供趋势预测、状态预警、决策参考等智能化信息。

● 结语

智慧学习环境的构建并非一朝一夕的事，需要结合高校自身定位需求、发展目标、技术实力、资源投入、运行效力等多个方面的因素进行综合分析、设计、构建、实施，并在过程中不断修正方向，持续改进。本文重点探讨了智慧学习环境的构成要素、类型及其适用性，在智慧校园总体框架的基础上提出一种智慧学习环境的架构模型，下一步还需要对其实现细节和建设规划进行进一步研究和完善。