鄭婭峰 王楊春曉 嚴(yán)曉梅 張志禎 鄭永和

【摘 要】? 智能教育裝備是智能時(shí)代教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)條件，直接作用于教育教學(xué)過(guò)程，對(duì)深化課程改革、提高教育質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)和實(shí)踐創(chuàng)新能力具有重要作用。教育裝備內(nèi)容陳舊、利用率低、適用性差、智能化程度低是現(xiàn)階段制約我國(guó)教育信息化深入推進(jìn)的重要瓶頸之一。在調(diào)研總結(jié)我國(guó)當(dāng)前教育裝備發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，界定了智能教育裝備的概念并提出智能教育裝備發(fā)展的必要性和新思路。從智能教育裝備體系構(gòu)建、研究重點(diǎn)和發(fā)展思路三個(gè)方面進(jìn)行深入闡述，為我國(guó)智能教育裝備的研究和發(fā)展提供有價(jià)值的參考。

【關(guān)鍵詞】? 智能教育裝備;人工智能教育;標(biāo)準(zhǔn)制定;智能教育環(huán)境;效果測(cè)評(píng);人機(jī)協(xié)同;學(xué)科裝備;智慧課堂

【中圖分類(lèi)號(hào)】? G434? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】? A? ? ? ?【文章編號(hào)】? 1009-458x（2020）11-0011-09

一、研究背景

人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入智能時(shí)代，科技創(chuàng)新已成為推進(jìn)教育教學(xué)模式變革的內(nèi)生動(dòng)力（陳麗， 2018）。智能時(shí)代人機(jī)協(xié)同、跨界融合和共創(chuàng)分享的特點(diǎn)將對(duì)傳統(tǒng)教育理念、教育體系和教學(xué)模式產(chǎn)生重大影響。智能教育裝備是智能時(shí)代教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)條件，直接作用于教育教學(xué)過(guò)程，對(duì)深化課程改革、提高教育質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)和實(shí)踐創(chuàng)新能力具有重要作用，是全面推進(jìn)素質(zhì)教育、促進(jìn)教育公平、實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)支撐。在新的時(shí)代背景下，如何應(yīng)用先進(jìn)的信息技術(shù)探索智能教育裝備發(fā)展的新思路，已成為當(dāng)前教育信息化發(fā)展面臨的重要研究問(wèn)題。

我國(guó)智能教育裝備研究起步較晚，但發(fā)展迅速。當(dāng)前，教育領(lǐng)域已經(jīng)基本完成了教育信息化的基礎(chǔ)設(shè)施配置，但智能化、前沿化教育基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)仍處在起步階段。近年來(lái)，國(guó)務(wù)院、教育部相繼發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》等文件，旨在深化科教融合推進(jìn)智能教育建設(shè)。《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》明確提出要依托各類(lèi)智能裝備和網(wǎng)絡(luò)，積極開(kāi)展智能化教學(xué)支持環(huán)境建設(shè)，加快智能教室、智能實(shí)驗(yàn)室和虛擬工程等智能教育裝備及設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)智能教育助手、教育機(jī)器人、智能學(xué)伴等關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用。《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提到，利用智能技術(shù)開(kāi)發(fā)智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系統(tǒng)。這些政策文件指明了教育智能化的發(fā)展方向，對(duì)我國(guó)智能教育裝備從研發(fā)、應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化都提出了更高要求，體現(xiàn)了教育裝備研究的迫切需求。

為此，本研究首先選取中國(guó)知網(wǎng)中教育裝備相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行分析，對(duì)教育裝備相關(guān)概念進(jìn)行溯源，厘清教育裝備的內(nèi)涵和概念界定。然后，在中國(guó)知網(wǎng)中以“教學(xué)儀器”“教育裝備”“教育技術(shù)裝備”“電教裝備”為主題進(jìn)行檢索，重點(diǎn)關(guān)注核心期刊文獻(xiàn)，總結(jié)當(dāng)前教育裝備領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。通過(guò)匯總當(dāng)前教育裝備的研究?jī)?nèi)容，結(jié)合智能時(shí)代教育裝備發(fā)展的新問(wèn)題和重要政策文件，提出了智能時(shí)代教育裝備重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容的體系框架。基于專(zhuān)家咨詢(xún)法，直接征詢(xún)高等學(xué)校、研究院、電教館等機(jī)構(gòu)在人機(jī)交互、學(xué)科教學(xué)、創(chuàng)客教育、VR教育、腦與認(rèn)知科學(xué)等研究領(lǐng)域6名專(zhuān)家的書(shū)面意見(jiàn)，將歸納、合并和總結(jié)匯總后的重點(diǎn)研究方向再次發(fā)送給6位專(zhuān)家直到形成共識(shí)，以期為我國(guó)智能教育裝備的發(fā)展提供建議和路徑指引。

二、教育裝備概念辨析

教育裝備最早被稱(chēng)為“教學(xué)儀器”（劉詩(shī)海， 2003）。我國(guó)在1978年頒布的《中學(xué)理科教學(xué)儀器配備目錄》和《小學(xué)數(shù)學(xué)自然教學(xué)儀器配備目錄》均使用這個(gè)術(shù)語(yǔ)。早期教學(xué)儀器僅關(guān)注學(xué)科工具和儀器，只能夠滿(mǎn)足基本的教學(xué)需要。伴隨著教學(xué)儀器的種類(lèi)越來(lái)越豐富，逐漸演變出“教育裝備”這一術(shù)語(yǔ)。2013年，教育部教學(xué)儀器研究所正式更名為“教育部教育裝備研究與發(fā)展中心”，標(biāo)志著教育裝備這一術(shù)語(yǔ)在教育教學(xué)發(fā)展和研究中的確定（教育部， 2013）。多年來(lái)，由于該研究領(lǐng)域更偏重產(chǎn)品和工程實(shí)踐，理論研究相對(duì)較少，因此對(duì)教育裝備還未有相對(duì)統(tǒng)一的概念界定。

我國(guó)學(xué)者在不同時(shí)期從不同角度對(duì)教育裝備進(jìn)行了概念界定。一些研究者將教育裝備定義為實(shí)施和保障教育教學(xué)活動(dòng)所需的儀器、器材、學(xué)具、設(shè)備和設(shè)施以及相關(guān)軟件的總稱(chēng)（趙錦紅， 等， 2005）。還有研究者將教育裝備定義為包含裝備、人員、環(huán)境、管理等的復(fù)雜系統(tǒng)，認(rèn)為教育裝備是指在教育領(lǐng)域中為實(shí)施和保障教育教學(xué)活動(dòng)而配備的各種資源的總和以及對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)配置、配備的行為與過(guò)程（殷常鴻， 等， 2005）。劉詩(shī)海（2014）則認(rèn)為教育裝備是指在學(xué)校教育教學(xué)活動(dòng)中產(chǎn)生作用的物資資源。這個(gè)物資資源包含了學(xué)習(xí)資源、教學(xué)儀器、教學(xué)設(shè)備、育人設(shè)備。該定義進(jìn)一步擴(kuò)大了教育裝備的外延，將辦公管理、服務(wù)設(shè)備等育人設(shè)備都納入到教育裝備的范疇。面對(duì)時(shí)代的變化，教育裝備的內(nèi)涵也重新被定義，研究者認(rèn)為現(xiàn)代教育裝備是指以計(jì)算機(jī)為代表的數(shù)字化教育教學(xué)工具（張倩， 等， 2019）。總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)研究者從教育裝備的作用、功能、特征等角度對(duì)教育裝備的概念進(jìn)行了不同層次的界定，并伴隨時(shí)代發(fā)展不斷完善和豐富。

在人工智能時(shí)代，教育裝備的內(nèi)涵與外延不斷擴(kuò)充。以物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）等為代表的新興技術(shù)促進(jìn)了教育裝備向智能化方向發(fā)展，演變出新一代智能教育裝備產(chǎn)品。智能教育裝備作為智能學(xué)習(xí)環(huán)境的重要基礎(chǔ)支撐，與教學(xué)過(guò)程緊密融合，在教學(xué)中的作用越來(lái)越突出。然而，學(xué)界對(duì)智能教育裝備還未有深入的探討和明確的定義。

本文通過(guò)對(duì)教育裝備概念進(jìn)行溯源，結(jié)合智能時(shí)代教育裝備的特點(diǎn)和需求對(duì)智能教育裝備做出概念界定。智能教育裝備是指運(yùn)用信息化與智能化技術(shù)手段，吸納前沿的科技創(chuàng)新成果，實(shí)施和保障教育教學(xué)活動(dòng)的先進(jìn)的教育教學(xué)儀器、設(shè)備、設(shè)施以及相關(guān)軟件的總稱(chēng)。更廣義的理解為，凡是一切運(yùn)用了信息化和智能化技術(shù)手段進(jìn)行自身的創(chuàng)新以及吸納前沿科技創(chuàng)新理念的融合創(chuàng)新，并在整個(gè)教育教學(xué)環(huán)節(jié)起到實(shí)施和保障作用的教育教學(xué)儀器、設(shè)備、設(shè)施及其相關(guān)軟件，都稱(chēng)為智能教育裝備。

三、智能教育裝備研究與發(fā)展現(xiàn)狀

（一）教育裝備研究現(xiàn)狀

已有研究將教育裝備領(lǐng)域分為裝備管理、測(cè)量評(píng)價(jià)、裝備標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和教育裝備的信息化與智能化五大研究課題（艾倫， 2019）。其中，裝備管理類(lèi)研究最多，而信息化與智能化研究相對(duì)較少。

教育裝備管理是傳統(tǒng)教育裝備中探索較為深入的一個(gè)方向。早期的裝備管理研究主要關(guān)注裝備的使用、登記、報(bào)廢等操作層面的研究。近年來(lái)出現(xiàn)了一些智慧管理和大數(shù)據(jù)等視角下教育裝備管理應(yīng)用的新觀點(diǎn)，包括依托大數(shù)據(jù)技術(shù)開(kāi)展宏觀管理和決策（陳京， 2019）、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)施智能化決策（邱峰， 等， 2018）以及基于云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)云端遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理及統(tǒng)計(jì)（殷常鴻， 等， 2018）等不同的技術(shù)支撐方法，以解決原有手工管理費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和誤差較多的問(wèn)題。

教育裝備測(cè)量評(píng)價(jià)是當(dāng)前教育裝備研究相對(duì)深入的另一個(gè)方向。研究者從不同的理論視角提出了不同的評(píng)價(jià)方法。早期教育裝備評(píng)價(jià)多基于軍事中的裝備效能理論，對(duì)裝備采用可用性、可信性和可靠性指標(biāo)進(jìn)行效能評(píng)估，如基于ADC模型效能評(píng)估方法（王曉迪， 等， 2012）。伴隨教育技術(shù)領(lǐng)域中績(jī)效技術(shù)理論的發(fā)展，一些研究從收益的角度考慮裝備性能、裝備效能和裝備成本等評(píng)價(jià)指標(biāo)，如DEA投入產(chǎn)出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（王艾艾， 2012）和基于均衡性指數(shù)的教育裝備績(jī)效評(píng)價(jià)（艾倫， 2016）。近年來(lái)，研究者意識(shí)到裝備作為教學(xué)產(chǎn)品的服務(wù)屬性，開(kāi)始從教學(xué)的適用性和滿(mǎn)意度等角度實(shí)施教育裝備的評(píng)價(jià)，如基于用戶(hù)體驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法（張倩， 等， 2019）、產(chǎn)品導(dǎo)向的教育裝備評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（任志明， 等， 2019）和創(chuàng)客教育裝備的教學(xué)適應(yīng)性評(píng)價(jià)（吳永和， 等， 2018）等。這些方法從教學(xué)裝備的適用性場(chǎng)景出發(fā)，驅(qū)動(dòng)教學(xué)裝備對(duì)教學(xué)環(huán)境更友好的支持。

教育裝備標(biāo)準(zhǔn)制定是教育裝備研究發(fā)展相對(duì)緩慢的一個(gè)方向。早期的教育裝備標(biāo)準(zhǔn)多為配備標(biāo)準(zhǔn)和性能標(biāo)準(zhǔn)（張忠偉， 2006），較少涉及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。2018年11月，教育部發(fā)布《關(guān)于完善教育標(biāo)準(zhǔn)化工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》，要求出臺(tái)教育裝備分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，加快完善教育裝備配備的標(biāo)準(zhǔn)研制。一些研究者意識(shí)到教育裝備的標(biāo)準(zhǔn)制定不同于一般工業(yè)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)、過(guò)程與服務(wù)要求，必須體現(xiàn)教育領(lǐng)域自身的特點(diǎn)，滿(mǎn)足教育領(lǐng)域的特殊要求。張倩等（2019）從教育產(chǎn)品適用性角度提出了教育裝備的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);張耀東（2017）從層次和應(yīng)用相結(jié)合的維度提出了加強(qiáng)教育裝備標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)策略。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究主要針對(duì)學(xué)科實(shí)驗(yàn)儀器裝備的相關(guān)研究。研究者從不同學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何與學(xué)科教育裝備進(jìn)行深度融合方面進(jìn)行探索，如生物教學(xué)裝備對(duì)生物學(xué)課程的教學(xué)改革（王健， 2019）、創(chuàng)客教育裝備促進(jìn)創(chuàng)新意識(shí)及批判性思維發(fā)展（許艷娟， 2019）等相關(guān)研究。在以STEAM創(chuàng)新教育引領(lǐng)的教學(xué)改革浪潮下，學(xué)科實(shí)驗(yàn)裝備的作用正在從教學(xué)輔助轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)支撐。

教育裝備的信息化與智能化是最近幾年出現(xiàn)的新的研究領(lǐng)域。有研究者指出，教育裝備應(yīng)在學(xué)校教育教學(xué)中表現(xiàn)為性能上的“渺無(wú)痕跡”和功能上的“智能涌現(xiàn)”（艾倫， 2018a），但并未對(duì)此做出更為詳細(xì)的論述。也有小部分研究者將不同領(lǐng)域的創(chuàng)新理念與教育裝備結(jié)合開(kāi)展初步的探索，如馬如宇（2019）提出了將多元智能理論應(yīng)用于學(xué)前教育裝備中的創(chuàng)新思路。

（二）教育裝備發(fā)展現(xiàn)狀與現(xiàn)存問(wèn)題

伴隨教育信息化的發(fā)展，教育裝備也呈現(xiàn)出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)。尤其是在新的教育教學(xué)形態(tài)下，智能教育裝備研究成為重要發(fā)展方向。智能教育裝備作為新興裝備支撐領(lǐng)域，其總體研究呈現(xiàn)起步階段，研究?jī)?nèi)容較為淺層，涉及領(lǐng)域相對(duì)較窄。《教育部關(guān)于新形勢(shì)下進(jìn)一步做好普通中小學(xué)裝備工作的意見(jiàn)》明確指出，在新形勢(shì)下教育裝備仍存在裝備標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、發(fā)展不平衡、不適應(yīng)教育教學(xué)的需要、適用性評(píng)價(jià)體系不健全等問(wèn)題。

從智能教育裝備當(dāng)前的研發(fā)技術(shù)來(lái)看，基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)的新型智能教育裝備生態(tài)體系尚未建立。有限的教學(xué)環(huán)境交互技術(shù)難以滿(mǎn)足教學(xué)交互設(shè)備沉浸式、體驗(yàn)式和人機(jī)協(xié)同發(fā)展的需求;科學(xué)領(lǐng)域最新技術(shù)成果還未融入智能學(xué)科教學(xué)裝備，形成技術(shù)生態(tài)和教學(xué)內(nèi)容生態(tài)的雙向融合;創(chuàng)客教育、STEAM教育、人工智能教育等創(chuàng)新型教育教學(xué)改革還缺乏具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能教學(xué)裝備的支撐。認(rèn)知科學(xué)和腦科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)還未轉(zhuǎn)化為面向?qū)W習(xí)障礙診斷和干預(yù)的教育裝備支持產(chǎn)品。

在測(cè)評(píng)體系方面，當(dāng)前裝備領(lǐng)域的評(píng)價(jià)大多借用軍事裝備的效能評(píng)價(jià)體系（王曉迪， 等， 2012），并不完全適用于教育裝備領(lǐng)域。在新的技術(shù)背景下，如何設(shè)計(jì)更科學(xué)、高效的數(shù)據(jù)采集方式、構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的采集與分析處理評(píng)價(jià)模型，是新時(shí)期教育裝備測(cè)評(píng)需要解決的重要問(wèn)題。在標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面，我國(guó)智能教育裝備可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、專(zhuān)利體系尚未建立，在國(guó)際教育裝備產(chǎn)業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面還未擁有話語(yǔ)權(quán)。盡管有少量研究者已經(jīng)意識(shí)到僅從功能制定標(biāo)準(zhǔn)的局限性，但當(dāng)前的研究仍更多地集中在功能與技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而忽視標(biāo)準(zhǔn)制定的系統(tǒng)性和拓展性（殷常鴻， 等， 2019）。在新課程標(biāo)準(zhǔn)下，教育裝備在教育活動(dòng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，加快教育裝備標(biāo)準(zhǔn)制定的廣度和深度，對(duì)于促進(jìn)教育公平和提高教育質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在科學(xué)管理方面，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的裝備管理和決策系統(tǒng)平臺(tái)還有待研究與部署。

總體來(lái)看，智能教育裝備理論體系、方法體系和技術(shù)體系都亟待深入研究?；诖?，本研究針對(duì)當(dāng)前智能教育裝備研究存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，結(jié)合新技術(shù)融入教育領(lǐng)域的現(xiàn)狀，對(duì)智能教育裝備研究的研究體系、重點(diǎn)研發(fā)方向和發(fā)展思路進(jìn)行梳理，以期為我國(guó)智能教育裝備的發(fā)展和實(shí)施方式提供新的思路。

四、智能教育裝備研究體系

作為與新興技術(shù)融合的交叉研究領(lǐng)域，智能教育裝備領(lǐng)域還沒(méi)有一個(gè)明確的研究模型。教育裝備服務(wù)于教育活動(dòng)，教育活動(dòng)包含教育者、受教育者和教育影響三大要素（全國(guó)十二所重點(diǎn)示范大學(xué)， 2014）。教育裝備學(xué)的研究對(duì)象正是教育裝備以及教育裝備與人和環(huán)境的關(guān)系（艾倫， 等， 2006），即對(duì)應(yīng)了教育活動(dòng)中的教育影響要素。教育影響又包含教育內(nèi)容和教育措施。教育措施指教育活動(dòng)中采取的方式和方法，以及開(kāi)展教育活動(dòng)所采取的一切物質(zhì)手段，其中最重要的是教學(xué)環(huán)境和教學(xué)手段。因此，本研究將教育裝備對(duì)教育內(nèi)容的深化、對(duì)教學(xué)環(huán)境的支撐和對(duì)教學(xué)手段的改造作為核心研究?jī)?nèi)容。

智能教育裝備是構(gòu)建智慧教育情境的基本載體（孫震， 等， 2019），是實(shí)施未來(lái)教育新型教學(xué)活動(dòng)的重要保證，應(yīng)始終服務(wù)于完整的教學(xué)環(huán)節(jié)。要理解教育裝備研究的關(guān)鍵要素，建立智能教育裝備研究模型，必須對(duì)未來(lái)教育教與學(xué)的本質(zhì)構(gòu)成進(jìn)行探究。無(wú)論是終身學(xué)習(xí)理論還是建構(gòu)主義理論，都強(qiáng)調(diào)以學(xué)生發(fā)展為中心，以新的形式改革教育內(nèi)容、教育方法和教育場(chǎng)所。未來(lái)教育環(huán)境應(yīng)提供個(gè)性化學(xué)習(xí)支持與分析，提供開(kāi)放共享的服務(wù)模式，提供自然簡(jiǎn)便的交互界面或接口（黃榮懷， 等， 2019），因此教育裝備支持教學(xué)過(guò)程也需滿(mǎn)足個(gè)性化、交互性和開(kāi)放性三個(gè)基本特征。更進(jìn)一步說(shuō)，教育裝備作為教育活動(dòng)的實(shí)施載體，其自身需要構(gòu)建管理、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)評(píng)機(jī)制，確保進(jìn)入教育教學(xué)互動(dòng)的有用性、可用性和適用性。

因此，將環(huán)境、內(nèi)容和手段作為教育裝備著力研究的三個(gè)核心要素，將個(gè)性化、交互性和開(kāi)放性作為三個(gè)基本特征，將管理、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)評(píng)作為三大支撐要素，共同構(gòu)建智能教育裝備的研究模型（如圖1所示）。

在圖1中，內(nèi)部灰色區(qū)域表征智能教育裝備需堅(jiān)持以學(xué)生發(fā)展為中心的總體原則，即智能教育裝備的發(fā)展應(yīng)該始終堅(jiān)持為育人服務(wù)，不能為裝備而裝備（顧明遠(yuǎn)， 2016）?；谶@一總體原則，智能教育裝備賦能三個(gè)基本元素。智能教育裝備賦能教學(xué)環(huán)境重點(diǎn)關(guān)注教育裝備對(duì)智能校園、智慧學(xué)校、智慧課堂等基礎(chǔ)環(huán)境建設(shè)的支持，智能教育裝備賦能教學(xué)內(nèi)容主要關(guān)注教育裝備依托的新型課堂教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)，智能教育裝備賦能教學(xué)手段主要關(guān)注教育裝備對(duì)創(chuàng)新教學(xué)手段的支持。同時(shí)，智能教育裝備還需滿(mǎn)足為每個(gè)學(xué)生提供不同內(nèi)容的個(gè)性化特征，滿(mǎn)足擴(kuò)大學(xué)習(xí)空間、豐富學(xué)習(xí)方式的交互性特征，滿(mǎn)足裝備資源可共享、可連接的開(kāi)放性特征。更進(jìn)一步說(shuō)，利用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)，全面掌握基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成教育裝備的過(guò)程化、動(dòng)態(tài)化管理，建立教育裝備現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)體系，達(dá)成智能教育裝備的評(píng)估機(jī)制，為教育宏觀決策提供可靠依據(jù)。

圍繞智能教育裝備研究模型中的各個(gè)要素及其關(guān)系分析，通過(guò)對(duì)當(dāng)前我國(guó)教育領(lǐng)域亟須解決和重點(diǎn)發(fā)展的研究方向進(jìn)行梳理，本文提出了我國(guó)智能教育裝備的研究框架（如圖2所示）。

該框架主要包含理論支撐層、關(guān)鍵要素層和教學(xué)服務(wù)層三個(gè)邏輯層次。在理論支撐層中，主要以當(dāng)前教育科學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域前沿成果為支撐，吸納各學(xué)科經(jīng)典及前沿理論，如沉浸式學(xué)習(xí)、以學(xué)生為中心的建構(gòu)主義理論、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)理論等，在智能教育裝備的創(chuàng)新發(fā)展中應(yīng)充分以這些理論為指導(dǎo)。關(guān)鍵要素層主要以當(dāng)前迫切需要解決的教育裝備技術(shù)發(fā)展問(wèn)題為主，涉及虛擬體驗(yàn)、實(shí)時(shí)仿真、自然交互、感知終端、研創(chuàng)環(huán)境、腦智測(cè)量、測(cè)量評(píng)價(jià)和管理分析等多個(gè)方面，如以虛擬體驗(yàn)為手段的各學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備和平臺(tái)、以機(jī)器嗅覺(jué)、機(jī)器觸覺(jué)和情緒理解為基礎(chǔ)的多模態(tài)感知終端等。教學(xué)服務(wù)層主要是依托智能教育裝備真實(shí)教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施，最終服務(wù)于教與學(xué)的過(guò)程，以全面創(chuàng)設(shè)和支持基于真實(shí)問(wèn)題情境的線上線下學(xué)習(xí)為重要目標(biāo)，支持教師、學(xué)生、環(huán)境、過(guò)程以及教學(xué)內(nèi)容的自然交互，促進(jìn)教學(xué)模式和教學(xué)手段的創(chuàng)新變革。

五、智能教育裝備重點(diǎn)研發(fā)方向

基于智能教育裝備研究框架，從亟待解決的教育裝備發(fā)展問(wèn)題出發(fā)，研究將關(guān)鍵要素層內(nèi)容歸并到智能教育環(huán)境裝備、智能學(xué)科教育裝備、創(chuàng)客/STEAM教育裝備、VR/AR教育裝備以及腦智科學(xué)裝備五個(gè)研究方向。其中，智能教育環(huán)境裝備是智慧學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)的重要基礎(chǔ)支撐;智能學(xué)科教育裝備是支撐智慧學(xué)習(xí)課堂教學(xué)的重要保障;創(chuàng)客/STEAM教育裝備研究服務(wù)于國(guó)家人工智能戰(zhàn)略，著力創(chuàng)新人才培養(yǎng);VR/AR教育裝備服務(wù)于智慧學(xué)習(xí)環(huán)境下的教學(xué)模式創(chuàng)新;腦智科學(xué)裝備服務(wù)于人的終身學(xué)習(xí)和發(fā)展，著力于培養(yǎng)心智健康的綜合素養(yǎng)人才。這五個(gè)方面的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容涵蓋了從環(huán)境—課堂—教學(xué)模式—?jiǎng)?chuàng)新人才培養(yǎng)—人的終身學(xué)習(xí)發(fā)展的整個(gè)教育環(huán)節(jié)。管理、測(cè)評(píng)和標(biāo)準(zhǔn)則作為三個(gè)重要保障服務(wù)各子研究方向。具體研究?jī)?nèi)容框架如圖3所示。

（一）智能教育環(huán)境裝備

沉浸體驗(yàn)、智能交互、軟硬件結(jié)合的裝備特征是當(dāng)前智能環(huán)境裝備的主要發(fā)展趨勢(shì)。這一特征在《文化部“十三五”時(shí)期文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《關(guān)于推動(dòng)數(shù)字文化產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》等規(guī)劃意見(jiàn)中都得以明確。在教育裝備領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)感知環(huán)境、追蹤學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)、自主做出分析和決策的能力的智能環(huán)境裝備，是構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的重要支撐。

為達(dá)成在自然人機(jī)交互的過(guò)程中自動(dòng)采集教與學(xué)過(guò)程的多模態(tài)數(shù)據(jù)，為個(gè)性化學(xué)習(xí)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)、智能教學(xué)干預(yù)提供數(shù)據(jù)保障，需要從交互、感知、終端、分析多維度進(jìn)行教育環(huán)境裝備的研發(fā)探索。該領(lǐng)域的未來(lái)研究應(yīng)聚焦于以學(xué)生為主體，符合人體工程學(xué)和認(rèn)知規(guī)律的智能教學(xué)互動(dòng)裝備、智能環(huán)境感知裝備、智能學(xué)習(xí)終端以及以大數(shù)據(jù)采集為支撐的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境分析系統(tǒng)的研究。

智能教學(xué)互動(dòng)設(shè)備研究應(yīng)以提升學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的沉浸感、促進(jìn)學(xué)生對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景系統(tǒng)的探索能力為目的，探索與教學(xué)場(chǎng)景的自然交互，改善原有“鍵盤(pán)鼠標(biāo)+屏幕”造成的感知通道單一的交互方式。

智能環(huán)境感知裝備應(yīng)能準(zhǔn)確感知教學(xué)環(huán)境與教學(xué)主體的特征，為智能教育裝備提供適應(yīng)性教與學(xué)支持和干預(yù)的基礎(chǔ)。智能感知裝備的研究應(yīng)在現(xiàn)有環(huán)境與個(gè)體生物、心理狀態(tài)感知技術(shù)與設(shè)備的基礎(chǔ)上，探索面向多樣化環(huán)境下的位置感知、情境感知、社會(huì)感知等情境感知功能設(shè)備，并驗(yàn)證特定感知技術(shù)對(duì)于教育場(chǎng)景的適用性。

智能學(xué)習(xí)終端主要實(shí)現(xiàn)在教育場(chǎng)景師生交互的互操作性、無(wú)縫連接和深度參與。終端需考慮學(xué)習(xí)和傳播理論，依據(jù)學(xué)習(xí)者需求進(jìn)行技術(shù)重構(gòu)，而非泛化的功能設(shè)計(jì)。終端可以?xún)?nèi)置多模態(tài)、多來(lái)源感知數(shù)據(jù)的整合模型，為進(jìn)一步探究環(huán)境及個(gè)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與學(xué)習(xí)行為、態(tài)度和績(jī)效的關(guān)系提供數(shù)據(jù)支撐。

智能學(xué)習(xí)環(huán)境分析系統(tǒng)則應(yīng)聚焦于教育數(shù)據(jù)采集、學(xué)習(xí)者建模和學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域的智能技術(shù)，建立學(xué)科知識(shí)本體庫(kù)、認(rèn)知模型庫(kù)以及推理引擎等核心基礎(chǔ)模塊，對(duì)采集的感知學(xué)習(xí)過(guò)程交互數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化分析，實(shí)現(xiàn)學(xué)科工具、學(xué)習(xí)活動(dòng)序列、社會(huì)知識(shí)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)等學(xué)習(xí)資源與學(xué)習(xí)服務(wù)個(gè)性化、適應(yīng)性推送，幫助深化智能教育裝備在探究教育教學(xué)規(guī)律和實(shí)施教育決策。

（五）腦智科學(xué)裝備

腦智發(fā)育是當(dāng)前國(guó)際腦與認(rèn)知科學(xué)最受關(guān)注的前沿領(lǐng)域（陶沙， 2019）。我國(guó)在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中就把“腦科學(xué)與認(rèn)知”列入基礎(chǔ)研究的科學(xué)前沿問(wèn)題之一。《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年（2016—2020年）規(guī)劃綱要》中將“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”作為15個(gè)“科技創(chuàng)新2030——重大項(xiàng)目”之一。腦智科學(xué)裝備的研發(fā)對(duì)于國(guó)家戰(zhàn)略具有重要意義。在教育領(lǐng)域，兒童和青少年的腦智提升是國(guó)家公共衛(wèi)生健康和教育發(fā)展領(lǐng)域的核心。

基于多樣本、多模態(tài)的腦智大數(shù)據(jù)為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)提供了全新的研究視角，促使最新的腦科學(xué)研究成果逐漸用于指導(dǎo)教育政策制定和一線課程教學(xué)改革實(shí)踐（左西年， 等， 2018）。腦智科學(xué)裝備的研究成為腦科學(xué)指導(dǎo)教育教學(xué)研究的重要載體。該方向重點(diǎn)關(guān)注多模態(tài)生物信息數(shù)據(jù)采集與分析裝備、學(xué)習(xí)障礙兒童的腦問(wèn)題診斷裝備、腦智測(cè)驗(yàn)裝備以及腦智提升工具四個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

多模態(tài)生物信息數(shù)據(jù)采集與分析裝備依據(jù)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和腦科學(xué)最新研究成果，構(gòu)建融合可穿戴腦電、心率、皮膚電、眼動(dòng)和坐姿分析等生物信息的腦認(rèn)知智能硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與分析。

腦問(wèn)題診斷裝備主要在采集正常學(xué)齡兒童的腦認(rèn)知和生理指標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立正常學(xué)齡兒童腦認(rèn)知和生理指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，推進(jìn)在兒童學(xué)習(xí)困難問(wèn)題識(shí)別、腦發(fā)育異常和情緒行為問(wèn)題預(yù)警、防治與康復(fù)體系等領(lǐng)域的裝備研發(fā)和技術(shù)突破。

腦智提升裝備應(yīng)結(jié)合腦科學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算建模、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿領(lǐng)域研究，依托腦智發(fā)育大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)個(gè)體化、標(biāo)準(zhǔn)化的多維度腦發(fā)育評(píng)估、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)與認(rèn)知測(cè)評(píng)、學(xué)習(xí)能力評(píng)估與發(fā)展預(yù)測(cè)以及基因—環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)測(cè)評(píng)等相關(guān)腦智測(cè)試。更進(jìn)一步說(shuō)，利用可穿戴近紅外腦功能成像系統(tǒng)和可穿戴腦電測(cè)量系統(tǒng)同步分析學(xué)習(xí)者腦功能結(jié)構(gòu)特征，研究學(xué)習(xí)者腦認(rèn)知加工機(jī)制，研發(fā)與應(yīng)用認(rèn)知康復(fù)與提升系統(tǒng)、神經(jīng)反饋訓(xùn)練技術(shù)與設(shè)備、智能化在線提升系統(tǒng)等腦智提升工具。

（六）裝備標(biāo)準(zhǔn)、管理與測(cè)評(píng)研究方向

智能教育裝備標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于保障裝備設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、管理和評(píng)價(jià)具有重要的支撐作用。同時(shí)，基于標(biāo)準(zhǔn)的裝備測(cè)評(píng)工具研發(fā)能夠優(yōu)化教育評(píng)價(jià)機(jī)制，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升。建立、制定與修訂教育裝備標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前教育裝備研究領(lǐng)域工作的重中之重（艾倫， 2018b）。2019年，《初中物理教學(xué)裝備配置標(biāo)準(zhǔn)》等六個(gè)學(xué)科教學(xué)裝備配置標(biāo)準(zhǔn)以及《義務(wù)教育綜合實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)裝備配置標(biāo)準(zhǔn)》相繼發(fā)布，從宏觀上對(duì)裝備質(zhì)量和配置進(jìn)行了規(guī)定，但在更為微觀的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及裝備管理和裝備應(yīng)用效果測(cè)評(píng)方面還缺乏大量的規(guī)范，用以確保智能教育裝備的良性發(fā)展。

智能教育裝備標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包含數(shù)據(jù)安全和隱私標(biāo)準(zhǔn)、軟硬件數(shù)據(jù)接口與元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等。通過(guò)研發(fā)面向教育裝備的數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、共享、公開(kāi)和安全管理等環(huán)節(jié)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，支持教育主管部門(mén)對(duì)教育數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌管理，可以提升大數(shù)據(jù)環(huán)境下的教育治理能力。更進(jìn)一步說(shuō)，為了推動(dòng)教育裝備產(chǎn)品的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享，該研究方向還需要研制開(kāi)發(fā)軟硬件數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，解決當(dāng)前教育裝備功能不關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)孤島、系統(tǒng)間難以互操作、信息與教育應(yīng)用相互脫節(jié)等問(wèn)題。

智能教育裝備管理應(yīng)在貫徹安全與隱私標(biāo)準(zhǔn)的前提下，依據(jù)大數(shù)據(jù)等新技術(shù)開(kāi)展教育過(guò)程監(jiān)測(cè)、學(xué)情分析、發(fā)展預(yù)測(cè)等研究，為宏觀決策提供參考和數(shù)據(jù)支撐。

測(cè)評(píng)與評(píng)價(jià)主要研究教育裝備適用性測(cè)評(píng)和應(yīng)用有效性測(cè)評(píng)。前者主要圍繞教學(xué)實(shí)際需求和教學(xué)環(huán)境條件分析與評(píng)價(jià)教學(xué)裝備質(zhì)量、性能和適用性，為裝備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)單位提供準(zhǔn)確高效的裝備測(cè)評(píng)工具;后者主要是教育裝備在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中應(yīng)用后的效果評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與量表研發(fā)測(cè)評(píng)工具對(duì)特定場(chǎng)景中的教育裝備應(yīng)用提供科學(xué)的測(cè)評(píng)服務(wù)。

六、面向未來(lái)的創(chuàng)新融合發(fā)展

智能教育裝備的發(fā)展是智能時(shí)代下教與學(xué)改革的必然訴求。當(dāng)前，具有產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力的智能教育裝備研發(fā)還面臨諸多挑戰(zhàn)：現(xiàn)有研究成果多數(shù)仍立足于工業(yè)時(shí)代以知識(shí)傳授為主的教學(xué)模式支持設(shè)計(jì)，缺乏智能時(shí)代核心素養(yǎng)為主導(dǎo)的創(chuàng)新教育理念的融入，無(wú)法滿(mǎn)足教學(xué)全過(guò)程下“數(shù)字化”“個(gè)性化”“智能化”教育教學(xué)需求，亟須通過(guò)創(chuàng)新融合為現(xiàn)代化智能教育裝備提供強(qiáng)力支撐。

智能教育裝備創(chuàng)新融合具有兩個(gè)層面的意義：

（一）基于內(nèi)在創(chuàng)新源的創(chuàng)新演變

智能教育裝備依托自身發(fā)展基礎(chǔ)，發(fā)揮內(nèi)容聯(lián)想機(jī)制，激發(fā)持續(xù)的創(chuàng)新內(nèi)容。如在創(chuàng)客教育領(lǐng)域，由最初的物聯(lián)網(wǎng)模塊、傳感模塊的持續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新，衍生出圖形化編程和開(kāi)源電子硬件結(jié)合的豐富的可編程創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)箱，繼而又衍生出面向人工智能的視覺(jué)感知、顏色感知等實(shí)驗(yàn)裝備及配套課程體系?？傮w而言，基于內(nèi)在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的裝備研發(fā)與轉(zhuǎn)化將改善我國(guó)智能教育裝備適切性不強(qiáng)、性能落后、利用率低下、集成性低等問(wèn)題，為教育裝備技術(shù)與學(xué)科深入融合提供有效途徑。

（二）基于外部創(chuàng)新源的創(chuàng)新融合

與內(nèi)部創(chuàng)新依賴(lài)原有知識(shí)和技術(shù)不同，外部創(chuàng)新融合需要打破原有知識(shí)框架和壁壘，鼓勵(lì)探尋和發(fā)現(xiàn)交叉創(chuàng)新。如腦認(rèn)知科學(xué)最新研究成果與VR/AR教學(xué)仿真結(jié)合研究學(xué)習(xí)者在虛擬三維環(huán)境中的行為表現(xiàn)和心理狀態(tài)，通過(guò)眼動(dòng)腦電等生物信號(hào)裝備實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者全模態(tài)測(cè)評(píng)，收集大量用戶(hù)在互動(dòng)過(guò)程中的過(guò)程數(shù)據(jù)和心理數(shù)據(jù)。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立基于學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境下的問(wèn)題解決模式的深度學(xué)習(xí)模型，構(gòu)建更為和諧的人機(jī)交互環(huán)境。科技創(chuàng)新成果向智能教育裝備的滲透將加快促進(jìn)教學(xué)環(huán)境、教學(xué)模式、教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)管理的創(chuàng)新與變革。

當(dāng)前，教育裝備已從單一教學(xué)工具發(fā)展到連接智慧教室、智慧校園的綜合工具，從簡(jiǎn)單的示意功能發(fā)展到多模態(tài)信息復(fù)合體，從支持課堂應(yīng)用發(fā)展到促進(jìn)終身學(xué)習(xí)與發(fā)展，不斷向智能化、創(chuàng)新化和專(zhuān)業(yè)化發(fā)展。全面認(rèn)識(shí)智能教育裝備的發(fā)展趨勢(shì)是智能教育裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)的前提。未來(lái)研究應(yīng)充分挖掘前沿和重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，將先進(jìn)技術(shù)理念和教育裝備設(shè)計(jì)研發(fā)相融合，探索基于新技術(shù)的智能教育裝備教學(xué)融合新模式，實(shí)現(xiàn)教育裝備從融合應(yīng)用向創(chuàng)新發(fā)展的高階演進(jìn)，助力傳統(tǒng)課堂教學(xué)向現(xiàn)代課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變。

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收稿日期：2019-11-04

定稿日期：2020-05-22

作者簡(jiǎn)介：鄭婭峰，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，創(chuàng)客教育實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院（450018）。

王楊春曉，在讀博士;嚴(yán)曉梅，博士后;張志禎，博士，講師。北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院（100089）。

鄭永和，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，本文通訊作者，北京師范大學(xué)科學(xué)教育研究院院長(zhǎng)（100089）。

責(zé)任編輯 韓世梅