近十年智慧教室/课堂/实验室研究的热点主题和前沿演进——“智慧教育”的一条实现之途

引言

2008年11月美国IBM公司总裁兼首席执行官彭明盛在演讲《智慧地球:下一代的领导议程》中提出“智慧地球”(Smarter Planet)的理念。[1]随后“智慧城市”“智慧医疗”“智慧金融”等类似概念的相继涌现标志着各个领域纷纷进入“智慧时代”。教育的“智慧时代”以“智慧教育”作为概念标签,呈现出信息技术与教学深度融合的新态势。本文首先运用内容分析法,对“教育+智慧”领域历年CNKI核心期刊文献进行研究,提取出了“智慧教育”以及与之高度相关的几大重要概念:“智慧学习环境”“智慧校园”“智慧教室”“智慧课堂”“智慧实验室”。在大量文献的基础上,通过概念溯源呈现他们各自的发源和重要定义,内容分析梳理出他们之间的关系,发现“智慧教育”这个上位抽象理念能够通过他们逐步实践于具体的时空和实际的教学中。由此为我国“智慧教育”的落地实现提出了一条可操作途径。随后对此条途径最末端,也是作为落地基石的三个关键领域:智慧教室/课堂/实验室,采用文献计量学方法,获得了他们的发文作者和机构研究现状、研究热点主题以及前沿演进等情况,为进一步在此条途径上展开纵向和横向研究提供前期支持。

1 概念溯源

1.1 “智慧教育”的发源和重要定义

2018年4月教育部发布《教育信息化2.0行动计划》,提到“以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础,依托各类智能设备及网络,积极开展智慧教育创新研究和示范,推动新技术支持下教育的模式变革和生态重构”,并将“智慧教育创新发展行动”列入推动教育信息化2.0发展的“八大行动”之一。[2]这些标志着全国范围内的“智慧教育”变革正式展开。1997年著名科学家钱学森所提出的“大成智慧学(Science of Wisdom in Cyberspace)”可追溯为“智慧教育”(smart education)概念的源头。他提出,这样培养出的青年一代具有哲学与科学技术相统一的人生观,理、工、文、艺相结合,德、智、体、美、劳五育齐发展,并且熟悉信息网络, 善于用电子计算机处理知识;在面对变幻莫测、错综复杂的事物时, 能够迅速做出科学而明智的判断与决策, 并能不断有所发现、有所创新。[3]“智慧教育”具体的形式最早出现在新加坡,并在20世纪90年代开始引入我国部分小学进行试点。[4]IBM曾为“智慧教育”做出阐释,认为必须包含三个维度,即:个性多元的学习路径;服务型经济的知识技能;系统、文化、资源的全球整合。[5]2012年祝智庭教授提出的“智慧教育”理念中主张利用智能化技术,创建具有一定智慧(如感知、推理、辅助决策)的学习时空环境,让师生施展灵巧的教与学方法,培养具有良好价值取向、较高思维品质和较强思维能力的人才。[6]

1.2 “智慧学习环境”的发源和重要定义

智慧学习环境的研究始于20世纪90年代末,马来西亚学者Chin最先提出了智慧学习环境的概念。[7]黄荣怀等学者2012年提出智慧学习环境是“一种能感知学习情景、识别学习者特征、提供合适学习资源与便利的互动工具、自动记录学习过程和评测学习结果,以促进学习者有效学习的学习场所或活动空间”,[8]它主要包括物理环境、资源环境、技术环境和情感环境等。[9]

1.3 “智慧校园”的发源和重要定义

2012年黄荣怀等曾对“智慧校园”提出过定义:“智慧校园是以师生的个性化服务为理念, 提供无缝互通的网络通信,能全面感知校园的物理环境,识别学习情境,分析学习特征,有效支持教学过程分析、评价和智能决策的开放学习环境和便利的生活环境”。[10]随着信息技术的飞速发展,智慧校园也逐渐有了更为丰富的内涵和外延。2018年6月由国家标准化管理委员会发起,全国信息技术标准化技术委员会教育技术分会联合多个高校、研究所公司等共同起草国家标准《智慧校园总体框架》(Smart campus overall framework),并于2019年1月1日正式实施,为全国各类学校的智慧校园建设提供了政策、理论和技术指标依据。

1.4 “智慧教室”的发源和重要定义

1988年罗纳德·雷西尼奥提出“Smart-Classroom”,开启了关于智慧教室的研究。[11]国内广泛认为:“智慧教室是一种典型的智慧学习环境的物化,是多媒体和网络教室的高端形态”。[12]在现代化信息技术、传感技术、人工智能技术等的帮助下,教室环境具备了内容呈现多样化、环境管理灵活化、资源获取便利化、教学互动及时化、情境感知智能化等诸多特点,为课程教学的实施提供了更有力的支撑。基于这些特点,提出了“S.M.A.R.T.”模型,认为智能技术包括内容呈现(Showing)、环境管理(Manageable)、资源获取(Accessible)、实时互动(Real-time Interactive)和情感感知(Testing)五个维度”。[13]

1.5 “智慧课堂”的发源和重要定义

智慧课堂的概念源于2008年IBM的“智慧地球”。[14]国内于2010年上海市虹口区推广应用的电子书包项目正式引用了这个概念。[15]国内多位学者陆续对智慧课堂的概念进行过描述和定义。2015年刘邦奇在其出版的《智慧课堂》一书中提出了基于大数据学习分析的智慧课堂概念:“是以建构主义学习理论为依据,利用大数据、物联网、移动互联等新一代信息技术打造的智能、高效的课堂。其实质是基于大数据学习分析和移动学习终端的运用,通过即时的学习评价反馈、立体化的互动交流和智能化的资源推送,全面变革课堂教学内容与结构,构建大数据时代的信息化课堂教学模式”。[16]孙曙辉等基于动态学习数据分析,补充智慧课堂概念的主要目的“是基于动态学习数据分析和‘云+端’的运用,实现教学决策数据化、评价反馈即时化、交流互动立体化、资源推送智能化,全面变革课堂教学的形式和内容,构建大数据时代的信息化课堂教学模式。”[17]笔者经过文献分析归纳发现有三个视角解读智慧课堂的本体内涵:一是从教育的大视角,课堂教学既是知识传授或学习的过程,也是情感与智慧生成的过程,而“学生的智慧”除了包括常规的知识,还有着更广阔的范畴,智慧课堂中需要实现“转识成智”核心任务。[18-20]二是从信息化视角,智慧课堂利用新一代信息技术打造出信息化、智能化的智慧教学环境。[21-22]三是从心理学视角,智慧课堂可以使学生创造性思维、高阶思维、解决问题能力等得以培养与发展。[23-24]

1.6 “智慧实验室”的发源和重要定义

智慧实验室是传统实验室与教育信息化融合后的智慧化学习环境,一定程度上代表未来实验室的发展方向。[25]朱蓓薇院士指出,智慧实验室是对实验室管理的改革,充分利用信息技术让实验室更加高效、安全、便捷。[26]虽然目前关于智慧实验室还没有比较公认和统一的定义,但相继的研究纷纷为其概念的内涵和外延给出了一些说明。周春月等定义智慧实验室=实验室+物联网+智慧化设备。[27]徐婷等认为智慧实验室是一种新型的智慧学习环境,借助数字化互联网技术、融合智能传感、智能控制和智能安防等先进的无线通信技术,建造的一套智能控制、远程可视的互联网实验室。[28]高永清认为智慧实验室是将实验室内多个物品采用信息化手段互联互通,建立一个集实验管理、信息通信、智能化控制功能的智慧实验集成系统。[29]张丹等参考智慧教室的“SMART”概念模型构建了以系统集成中心(System Integrated Center),环境监测(Monitoring Environment)、设备管理(Apparatus Management)、资源获取(Resources Accessible)、实验管理(Teaching Management)四个部分组成智慧实验室概念模型。[30]

2 关系梳理

2018年祝智庭教授指出“信息时代智慧教育的基本内涵是通过构建智慧学习环境(Smart Learning Environments),运用智慧教学法(Smart Pedagogy),促进学习者进行智慧学习(Smart Learning),从而提升成才期望,即培养具有高智能(High-Intelligence)和创造力(Creativity)的人,利用适当的技术智慧地参与各种实践活动并不断地创造制品和价值,实现对学习环境、生活环境和工作环境灵巧机敏的适应”。[31]可见“智慧教育”的基本内涵是构建“智慧学习环境”。

而如何构建“智慧学习环境”,2016年江苏师范大学王运武等主编的《智慧校园:实现智慧教育的必由之路》中充分阐述道:推进智慧校园建设是必不可少的环节。[32]因此“智慧校园”是将“智慧教育”和“智慧学习环境”这两个上位抽象理念转化为具体实践的推进环节(如图1)。

前教育部部长陈宝生于2018年6月在新时代中国高等学校本科教育工作会议上明确提出,在今后两到三年时间内,打造智慧教室、智慧课堂、智慧实验室、智慧校园,深化课堂教学革命。[33]“智慧教室”“智慧课堂”“智慧实验室”是承载校园中教学活动和资源的三大主体,“智慧校园”的建设与实现离不开他们。如果把“智慧校园”比作开往未来教育发展和变革的先锋坦克,他们便是三个核心引擎(如图1)。

图1 几大概念关系图

由此获得结论,“智慧教育”的实现之途是:通过明晰“智慧学习环境”这个基本内涵,建设“智慧校园”这一推进环节,最后落地三个核心引擎“智慧教室”“智慧课堂”“智慧实验室”的设计与实施。

三个核心引擎是这个实现之途最末端、最基石,也是关系到智慧教育成败的关键部分。下文将从此入手,通过计量学方法,从历年发文量、发文作者、发文机构、热点主题、前沿演进多维度厘清和呈现智慧教室/课堂/智实验室三个领域的文献研究情况,并在此基础上进一步分析讨论,获得各维度的研究结论,以期为后续对“智慧教育”的实现之途作更广泛和深入的探索提供前期铺垫。

3 智慧教室/课堂/实验室文献研究

针对“智慧教室”“智慧课堂”“智慧实验室”三个核心引擎,本文采用计量学软件CiteSpace进行文献检索与研究。本研究数据来自中国知网(CNKI)的全文数据库,在CNKI的高级检索中设定检索条件为期刊检索,主题=智慧课堂 OR 智慧教室 OR 智慧实验室,期刊来源=所有期刊,检索条件=精确,检索时间截至2021年,共检索出文献4331篇。在剔除重复文献、会议通知等非研究型文献后,共获得4065篇有效文献。

3.1 历年发文量分析

文献年度分布、发文数量是衡量智慧教室/课堂/实验室研究热度与发展趋势的重要指标。对CNKI数据库中检索到的文献绘制线形图(见图2),可以看出从2012年之后发文量与年度呈逐年持续正比例增长态势。仔细阅读、分析2012年之前的文献,不仅数量零碎,且这些文章所涉及的智慧课堂、智慧教育方面的概念均与现在所定义或共识的概念不太相同,更强调主体的、抽象的“智慧”,基本没有引进技术性辅助设备和网络的参与,更多偏重如何在传统课堂中通过教学设计、过程、教师等因素体现出教学的智慧性和艺术性。2012年之后的文献中才出现了以物联网为基础架构的智慧校园的概念。

图2 文献年代分布图

讨论与结论:历年发文号分析表明,智慧教室/课堂/实验室的真正发展起点时间从2012年开始。因此,本研究的文献分析起点也定于2012年。

3.2 发文作者分析

在CiteSpace中,设置时间跨度为2012-2021,时间切片为1年,节点类型为作者,TOPN=50,将三组c,cc,ccv都设定为1,2,20,其它参数为默认设置,得到节点数为347,连线数为208,密度为0.0035的作者共现网络图谱(见图3)。可以看出整个图谱的网络分布零散,各作者节点之间的连线只有几条。其中节点数从高到低的中文学者为张屹、刘邦奇、陈蓓蕾、张耀天、白清玉、王静等。显示高产作者合作联系主要形成的有三个网络结构圈:张屹-陈蓓蕾-白清玉;刘邦奇-孙曙辉-李鑫;张耀天-张辉-郑洁。他们之间存在学术交流与联系,另外还有些两两交集的高产作者,其余大多数作者为独立研究。从图3中可以发现CNKI库中该领域的英文文献以及作者之间均有联系并形成了一个封闭的作者圈,但从名字来看主要还是以国内作者为主。

图3 作者共现图谱

讨论与结论:分析表明,该研究领域大多数中文文献的作者合作较少,少数学者之间形成各自的网络结构,且都为小规模或两人合作。发表英文文献的作者之间联系较为紧密,但英文文献在此次搜索中所占比重较少,再加上封闭的作者共现图谱使该领域发表英文文献的作者们更像是形成了一个研究团体,且从英文作者署名来看,多数为中国学者。总的来说,我国学者在智慧教室/课堂/实验室研究领域上沟通合作松散,未来的学术交流与合作需进一步加强。

3.3 发文机构分析

将节点类型设置为机构,其它参数设置与作者参数相同,得到节点数为280,连线数为0,密度为0的机构共现网络图谱(见图4),由数据和图4可以看出发文的研究机构内部之间均没有合作关系,为独立研究。从数量排序依次是合肥师范学院计算机学院11篇、湖南财经工业职业技术学院9篇、Department of Radiology 9篇、南京林业大学家居与工业设计学院8篇、江苏省昆山开发区青阳港学校7篇、安徽城市管理职业学院7篇、湖北师范大学马克思主义学院7篇、长春大学旅游学院6篇、济源职业技术学院6篇、湖南汽车工程职业学院6篇。这些发文量居前的机构中职业技术学院居多。

图4 机构共现图谱

讨论与结论:此数据与前文发文作者研究结果一起说明了该领域研究人员和机构合作意识较弱,知识与研究成果的共享与流动性不强。发文量居前的职业技术学院各自文章级别均不高,中文核心期刊的文章很少。可以推测职业技术学院虽然在智慧教室/课堂/实验室领域研究活跃,但是并未获得价值高、影响力大的科研成果。而职业技术学院在该领域的研究频率高于普通和重点高等院校的原因,则值得建立专题进一步探究。

3.4 热点主题研究

一个时间段内,研究热点通过某研究领域中论文数量和联系较多的问题或专题,反映了该领域研究重点和方向,对进一步深入的科研分析有着重要意义,而出现频次高的关键词和名词短语通常用来代表某一研究领域的热点主题。[34]关键词聚类分析是以关键词共现分析为基础,将关键词共现网络关系通过聚类统计学的方法简化成数目相对较少聚类的过程。[35]通过关键词聚类分析中的关键词聚类网络图谱和关键词共现网络聚类表两大技术手段折射出我国智慧教室/课堂/实验室领域的概念界定、热点问题现状和趋势等。

3.4.1 关键词聚类网络图谱

运行CiteSpace软件采用“LLR对数似然算法”,设置节点类型为关键词,参数同上文作者和机构,生成的智慧教室/课堂/实验室的关键词聚类网络图谱(跨度为1年)中,智慧教室关键词共现网络共有482个节点,868条连线,密度为0.0057,呈现了12个聚类。智慧课堂共有595个节点,1080条连线,密度为0.0061,呈现了12个聚类。智慧实验室共有250个节点,400条连线,密度为0.0129,呈现了13个聚类。而反映网络模块化评价指标的关键词时序图谱中智慧教室模块性Q值(Modularity: Q) 为0.7526,平均轮廓值MS(Mean Silhouette) 为0.9203。智慧课堂模块性Q值为0.6999,平均轮廓值MS为0.865。智慧实验室模块性Q值为0.777,平均轮廓值MS为0.9424。三个图中Q值远大于0.3,MS值远大于0.5,充分说明网络结构显著,得到的关键词聚类显著。

讨论与结论:总的来说,相较于作者和机构共现图谱,关键词共现网络的结构形态和性能更好,但是网络结构仍比较松散,未来也需要研究者们选择合适的主题展开深入研究。

3.4.2 关键词共现网络聚类表

基于关键词聚类知识图谱(跨度为1年)基础,使用“ClusterExplorer”得到对数似然率(聚类标签词提取算法之一),整理智慧教室/课堂/实验室各自关键词共现网络聚类表如下(见表1):

表1 智慧教室/课堂/实验室关键词共现网络聚类表

续表1

讨论与结论:对智慧教室/课堂/实验室各自多个聚类中的关键词进行分析发现,可分为共同、相似、差异三类研究主题。

第一类——共同研究主题是指智慧教室/课堂/实验室三者的聚类关键词中都存在多个相同或十分相近的概念。

共同主题一:关键词“智慧教育、智慧校园、智慧学习环境、智慧课堂、智慧教室、smart classroom、wisdom classroom、intelligent classroom、smart education”再次印证了前文所溯源的这些重要概念在三者的研究领域中相互之间紧密与不可分割的关系。

共同主题二:关键词“信息技术、教育信息化、信息化教学、信息化、ict、information systems、信息化教学”反映了智慧教室/课堂/实验室正是“现今教育信息化的新境界、新诉求”。[36]

共同主题三:关键词“internet、internet+、互联网+、互联网”充分说明智慧教室/课堂/实验室是“互联网+”时代的产物。

第二类——相似研究主题是指有些聚类关键词反映的是同样的范畴或者指向同样的研究方向。

相似主题一:三者均有反映应用于具体院校和课程教学的关键词,如智慧教室中“middle school,English teaching,emergency remote teaching,college English”;智慧课堂中“初中英语、职业教育、高职教育、高职英语、高职院校、思想政治理论课、新工科、思想政治教育”;智慧实验室中“高校实验室、武汉大学、南京师范大学”。可以看出三者各自的研究热点侧重还是有所不同:智慧教室呈现的聚类关键词反映的研究热点主要集中在英语方面;智慧课堂主要集中在高职、思政方面;而智慧实验室主要集中在高校。

相似主题二:三者均有新型技术词汇的聚类关键词,如“物联网、云技术、大数据、人工智能、虚拟仿真、电子书包、人脸识别”等,并且在这些聚类关键词中,大数据和数据分析、处理方面的概念都有单独的聚类凸显,说明各类新兴智能化信息技术不仅是实现智慧教室/课堂/实验室的基础,更是这些领域研究的重点热点。如何既依靠技术,又兼顾技术的反作用,实现技术与教育的深度融合,促进技术依赖向技术应用转变,用技术体现“智慧性”并发展出规范的技术标准,这些都是未来技术角度的研究方向。而“大数据”在教育中的地位和作用从众多前沿技术中脱颖而出。2016年《国家教育事业发展“十三五”规划》中提出“要利用大数据技术开展对教育教学活动和学生行为的收集、分析和反馈,为推动个性化学习和针对性教学提供支持”。[37]2018年《教育信息化 2.0 行动计划》中指出“要深化教育大数据应用,并构建全方位、全过程、全天候的支撑体系,助力教育教学、管理和服务的改革发展”。[38]在教育教学的实践中,随着大数据技术支持人与技术、人与人之间因交互而生成的数据能被真实采集与永久存储,教育大数据逐步在智慧教室/课堂/实验室中体现出了核心作用。[39]教育大数据主要指常规的结构化数据、非结构化数据(教学过程中生成的语音、作业作品、图像和视频等数据)、动态生成性数据(教学活动中产生的过程性数据,如教师教学行为数据与学生学习经历数据等)[40]三类数据的采集与分析。如何对这些大数据进行智能精准性的采集、建模与分析,如何合理有效地运用大数据进行教学设计、组织、管理,决策等,也将是未来智慧教室/课堂/实验室的研究热点和难点。

第三类——差异研究主题是指三者中一些聚类关键词彼此少或无交叉,仅反映各自研究热点和方向。

差异主题一:“技术不能自动改变教学效果”,[41]智慧教室和智慧课堂均有反映教与学的关键词,但明显智慧课堂的数量和概念覆盖程度更丰富一些。“混合式教学模式、教学改革”是两者都有的,而智慧课堂还有“线上教学、翻转课堂、混合式教学、雨课堂、e-learning”等具体教学形式的关键词。除此以外,还有以学习者角度的关键词如“个性化学习、深度学习、深度融合、自主学习、学习分析”等,可以看出智慧教室领域偏重从技术层面进行宏观系统性研究,智慧课堂领域偏重于从辅助教学视角进行策略性研究。

差异主题二:智慧实验室关键词中显示出更多更广泛的创新应用方向,如“地理信息服务、智慧旅游实验室、医疗保障制度改革、交通基础设施、传感器、交通监控系统”等。说明与“物联网”和“信息技术”等结合,实现传统实验室“智慧化”,不仅能创新人才培养模式,也能适用于更多的应用场景,比起传统的课堂、学校模式,智慧实验室能在更广泛的领域中创新孵化,多元融合。

3.5 前沿演进研究

CiteSpace软件的关键词突现Burstness功能,可以获得突现性数值。突现性数值代表关键词在某一时间段内的出现频率高低,可以用于分析研究热点及热点的演变。[42]本文通过在CiteSpace的“Burstterms”面板中设置参数,得到关键词突现图,根据突现关键词的始止时间,分析我国智慧教室/课堂/实验室研究的前沿问题及其演进趋势。

分别设置智慧教室/课堂/实验室Burstterms参数为[0.8,1]/[0.9,1]/[0.6,1]获得突现关键词数量为16、12、7。智慧教室/课堂/实验室关键词突现节点图(见图5、6、7)。聚焦于图中不同时期的关注点,结合高突现词的相关文献,为更好分析智慧教室/课堂/实验室的趋势演变,可以分别对它们划分为早期、中期、最新三个阶段(从上至下图中虚线分隔)。

图5 智慧教室关键词突现节点图

讨论与结论:早期研究前沿:智慧教室/课堂/实验室早期前沿突现时间均为2015年以前。图5中,“smart classroom”,说明这三年是智慧教室概念国际范围初形成,非我国本土概念。而我国融合实践这个新概念是从“电子书包”开始。图6中,智慧课堂除了跟智慧教室的概念有密不可分的关系,其研究领域更与“信息技术”“智慧教育”结合紧密。图7中,“智慧城市”是智慧实验室概念的早期源头,而“联合实验室”是智慧实验室的雏形。

图6 智慧课堂关键词突现节点图

图7 智慧实验室关键词突现节点图

中期研究前沿:智慧教室/课堂/实验室中期前沿突现时间分别为2016-2019/2016-2018/2018-2019。图5、图6中,智慧教室和智慧课堂中期研究领域较为雷同,两者有多个相同突现词,多是反映在学习、教学方面的探索和实践。但区别还是有的,“多媒体教室”和“高效课堂”可以反映两者研究的立足点是不同。图7中,智慧实验室的中期突现词从2018年开始,2016和2017年空白,可以看出智慧实验室领域的研究持续性不强,前文的文献总数量比智慧教室/课堂偏少也印证了这点。“物联”和“大数据技术”是智慧实验室领域中期研究的重点和关键。

最新研究前沿:智慧教室/课堂/实验室最新前沿突现时间分别为2020-2021/2019-2021/2020-2021。图中可以看出智慧教室和智慧课堂的研究趋势开始有了明显的区分:智慧教室领域向广域方向发展,智慧课堂向具象方向深入。图5中,新兴技术如“人工智能”脱颖而出,“学习空间”作为教学环境的研究重点凸显,智慧教室的发展应用也是“教学改革”重要的推动力量。图6中,智慧课堂开始探讨教学形式如“线上教学”、课程模式如“初中英语、体育教学”、课堂教学设计细节方面如“学习通”等。图7中,“安全管理”和“高校实验室”反映了智慧实验室近两年的研究方向。

[参 考 文 献]

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