华侨网 科技教育 数都上海|数据成为教育创新关键要素,难点在于模型构建

数都上海|数据成为教育创新关键要素,难点在于模型构建

上海市民办丽英小学英语“AI听说课堂”实时语音检测。

模拟运营现场作业的虚拟仿真平台。

模拟运营现场作业的虚拟仿真平台。

模拟运营现场作业的虚拟仿真平台。

上海市园南中学“数智作业”数学课堂学情数据实时反馈。

上海软X射线自由电子激光装置。

上海市娄山中学教师发展数据跟踪以生成群体及个人成长画像。

【编者按】数字化的出现,为人类社会带来了巨大的变革。城市数字化转型成为提升城市竞争力的重要手段。2020年12月,上海市委、市政府印发了《关于全面推进上海城市数字化转型的意见》,提出“到2025年,上海全面推进城市数字化转型取得显著成效,国际数字之都建设形成基本框架;到2035年,成为具有世界影响力的国际数字之都”。

当下,上海城市数字化转型进展如何?已经取得了哪些成果,又经历着怎样的挑战。在上海市城市数字化转型工作领导小组办公室的指导下,由上海市经济和信息化委员会组织,澎湃科技推出“数都上海:上海国际数字之都建设深度调研”系列报道,聚焦数字基建、数字制造、数字农业、数字医疗、数字金融、数字出行、数字教育等10大领域,全方位展现上海在城市生产、生活不同场景中的数字化转型。

上海市民办丽英小学英语“AI听说课堂”实时语音检测。

·“在教育信息化阶段,我们主要利用各种信息系统和信息化工具,作为管理的助手,这被我们称为‘工具理性’。然而,现在我们将数字视为一种重要的生产要素,它被用来推动教育领域的价值创新。”教育数字化转型的难点在哪里?就在于模型构建。”

·教育过程是人与人之间的互动。显然,我们无法在人身上装置各种传感器。目前的数据采集方式主要包括手环、摄像头和音频,但这些都只能获取外在的表现。至于人脑内部的运行机制,思考的规律,这些仍然是一个未解的谜题。

每到周末,上海市仙霞高级中学的高一学生李凡都会收到一份“个性化学习手册”,即基于他之前周考数据和知识点掌握情况所推送的个性化巩固习题。

“20年前的数字化校园主要集中在将模拟信号转换为数字信号,属于基础设施建设阶段;随着教育信息化概念的逐渐兴起,教育管理逐步实现信息化和数字化;如今,教育数字化转型的核心是通过数据应用的方式提升教育的质量。”上海外国语大学信息技术中心主任赵衍接受澎湃科技(www.thepaper.cn)采访时表示。

伴随技术进展,教育工作者的思路也在不断转变,上海的教育数字化转型为教师的因材施教和学生的个性化学习带来了可能。根据IDC最新统计数据显示,2023年中国教育学习场景市场规模达到1102亿美元,同比增长4.2%。预计2024年同比增长9.6%,到 2027年,市场规模将超过1500亿美元。在基础信息建设完成后,如何让收集到的海量数据真正服务于教育目标成为数字教育发展的下一个关键问题。

虚拟场景补齐教学短板

7月正值暑假,上海应用技术大学轨道交通学院铁道工程系主任李培刚带领学生来到中老铁路老挝段,展开了暑期研学之旅。在琅勃拉邦湄公河特大桥桥下,他通过虚实结合的方式,向学生解释模拟运营现场作业的虚拟仿真平台铁路线路工程养护维修系统的构成、工作原理和实际操作流程等知识。

模拟运营现场作业的虚拟仿真平台。

对于学习铁路工程技术的学生来说,由于校内综合实践基地缺乏完整的工务机械设备,学生只能利用暑假这样的时间前往实地学习。李培刚告诉澎湃科技(www.thepaper.cn)记者,高速铁路线路工程安全维护实验系统复杂、实习场景不足等问题一直是困扰他们教学中的一个问题。

模拟运营现场作业的虚拟仿真平台。

不过,借助虚拟现实技术(VR),上述教学难题正在得到有效改善。李培刚所在的上海应用技术大学充分利用校企合作资源、学校综合实践基地,结合虚拟仿真平台,推进线上线下和虚实结合教学。

据介绍,虚拟仿真平台可模拟高速动态检测列车检测过程、复兴号高速动车组车内线路检查仪巡检等;实验中所构建的虚拟场景,反映了真实的高速铁路线路实物部件、系统结构和养护维修特点,即便不能前往实习现场,学生也可以通过这一虚拟平台实现交互式操作和全方位观察,可以更加直观地体会到技术安全措施不到位、不规范操作等带来的严重后果;此外,学生还可以借助虚实场景进行趣味百科、安全科普和维护设计作品创作,充分激发了学生的学习热情和动手操作兴趣。

“虚拟仿真平台的使用,有效解决了高速动态综合检测列车等教学实验成本高、学生受众面小、前往现场实习危险性大、组织难度大等难题。”李培刚介绍说。

模拟运营现场作业的虚拟仿真平台。

数字技术的加持不仅使教学方式更加多样化,教学效果也显著改善。值得一提的是,李培刚此次带队前往研学的学生中还有来自老挝的留学生,他们是老挝首批本科学历的铁路工程技术人员。此前,上海应用技术大学与老挝苏发努冯大学在“一带一路”倡议下启动了国际教育合作,为中老铁路运行培养急需的本土化铁路技术人才。

数据指导使因材施教成为可能

在徐汇区的上海市园南中学,一项名为“数智作业”的纸笔课堂系统应用正在改变着高效课堂形态,通过笔尖采集学生书写轨迹、压力和时长等信息,经过数据分析来反映学生的学习品质和学情状态,让老师及时调整教学。而在上海市民办丽英小学的AI英语听说课堂上,学生人手一台智能语音答题器,它会精准采集学生在课堂活动中进行口语训练的语音信息,然后实时生成学情分析报告。

上海市园南中学“数智作业”数学课堂学情数据实时反馈。

“在教育信息化阶段,我们主要利用各种信息系统和信息化工具,作为教学的助手,现在我们将数据视为一种重要的生产要素,用来推动教育领域的价值创新。”赵衍说。

以教学中的“反转课堂”为例,在以往的教学方式中,老师会制作PPT,以信息化工具,帮助提高学生对知识的理解;而现在的反转课堂则会将所有的知识点事先提供给学生,让学生课前观看视频、在线测试来预习课程。在学生在线预习的同时,后台的数据也在不断累积:学生会反复观看哪一段内容?哪个知识点吸引了最多的学生?学生的测试成绩如何?教师在课前掌握了这些数据后,在授课时便更能有针对性地进行教学。

基于数据的个性化教学不仅被应用于学科学习,也被用于体育教学。上海交通大学信息化推进办公室副主任、网络信息中心副主任姜开达告诉澎湃科技(www.thepaper.cn)记者,目前该校的学生体测成绩已经完全信息化。学生的体育课程学习、课外锻炼、体质测试、教学考试成绩和体育赛事等相关数据会汇总形成学生体育画像,帮助学生了解个人体质健康情况,并根据体测数据向学生提供运动建议或是运动指南。同时,学校运用数据可视化分析平台,开发各类体育教学数据报表,帮助任课老师分析学情、精准施教。

“数据驱动深刻地改变了传统的教育教学模式,为教师的因材施教和学生的个性化学习提供了科学支撑,为教师深度参与个性化的应用研发提供了便利渠道,让技术更加贴合师生真实需求,更加有效赋能教育教学。”上海市长宁区教育工作党委副书记、教育局局长熊秋菊表示。

数字孪生赋能校园全域感知

数字化技术不仅应用在教学上,同样提升了校园管理的能力。

上海科技大学将视觉感知、公共服务、EHS管理、新一代直播教学、全域感知和消防指挥等功能集合到一起,融合成为一个时空一体数字孪生平台。站在屏幕前,900亩真实校园实景就在眼前,模型精度达到厘米级,地貌楼宇设施的全场景精确还原三维模型铺陈开来,系统甚至真实仿真校园四季天气变化及昼夜更替。想要看到校园内的某处实景就可以直接调取特定的摄像头,连摄像头的具体视角都可以简单控制。

据介绍,在人工智能算法的帮助下,整个平台构建起全域的感知能力,能实时反馈校园中人员密集度分布,人流动向,使管理人员和学生及时得到反馈信息,让决策更加科学。上海科技大学时空一体数字孪生平台项目负责人、叠境数字科技(上海)有限公司数字孪生事业部总监马文广向澎湃科技(www.thepaper.cn)介绍说,这一校园数字孪生平台为校园管理提供了实时依据,比如食堂的在线数据服务,其利用视觉感知系统及深度学习模型进行人肩检测,依据提前标注的位置信息,过滤检测结果中的噪声,最终将各窗口的人数发送至数据中台,显示各个食堂窗口的排队人数以及等待时间,从而,有效分流,使得师生减少排队等候时间;此外,系统运用机器视觉和机器学习感知三维世界信息,为进出校园车辆进行自对识别和轨迹跟踪,对危化品和安全防护能进行视觉监测和预警,为校园后勤管理释放人力,降低专业知识要求,同时提升精细化管理水平。

“虽然现在这一系统主要用于校园管理,但我们希望不止停留在这一阶段,未来可以服务于校园教育如智慧课堂的构建。”马文广说道。

实际上,目前在辅助科研方面,已可以看到其技术潜力。

上海软X射线自由电子激光装置。

2021年,上海科技大学与中科院上海高等研究院共同建设我国第一个自由电子激光装置,也是我国首台X射线自由电子激光装置——上海软X射线自由电子激光装置。当年的11月,项目正式进入试运行阶段。其包含生物成像、原子分子物理、超快物理和超快化学等实验站,简单理解,其主要功能就是给活体分子拍电影的“相机”。

“目前国际上,除了上海之外,在德国汉堡和意大利的里雅斯特,还各有一台软X射线自由电子激光装置。我们是最早实现‘水窗’波段全覆盖的。”上海软X射线自由电子激光装置项目常务副经理刘波当时说道。

在日常运行中,X射线自由电子激光装置对机械稳定性要求非常高,需要密切监控振动数据和周边环境的变化情况。

于是,上海科技大学与装置建设团队合作开发一个数字孪生系统,将活细胞与功能成像等线站工程(SBP)环境数据、视频与科学数据进行无缝衔接。据马文广介绍,“通过对实验大厅安全运行环境数据(振动、沉降、温湿度、电能质量、水流、水压、风速、监控视频等)进行远程传输与远端处理测试,就可以在上科大进行远程的观察和分析。”

目前,这个“X射线自由电子激光的数字化大脑”,即SBP数字孪生系统已经实现了光束线和实验站的三维全景感知、实验大厅的振动场和温度场等环境数据的管理与映射。“它不仅是装置稳定运营的默默守护者,而且是加速重大科研成果产出的数字大脑。”马文广说。

破除“数据孤岛”才能发挥数据价值

“数据治理已成为当前教育信息化建设的热点和难点,翻过这座山,又是一片新天地。数据作为所有业务流转和决策支持的基础,其标准化和交换共享利用应成为信息化建设的重点。基于数据的个性化教学、科学化评价、精细化管理、智能化决策、精准化科研等,将对提高教育质量、培养创新人才、提升管理效能具有潜在的巨大推动作用。”姜开达说。

在教育数字化转型过程中,即便是一个区县级范围内,也面临着学校信息化建设与发展不均衡、重复建设与数字孤岛、学校数据资产难沉淀价值难发挥的资源浪费、区域内校际数据应用的共享共建等难题。“由于客观条件差异,部分学校数字化转型基础薄弱,部分教师存在掉队落后的风险。”科大讯飞(上海)科技有限公司总经理丁瞳瞳告诉记者,科大讯飞是数字教育的技术提供商之一。“特别是一些规模较小的学校、幼儿园,其单独进行信息化建设投入大、周期长、效率低、效果差。”

“部分学校的网络和数字化基础设施比较薄弱,也影响了其教育信息化的发展进程。”作为上海外国语大学网络和数字化基础设施供应商,Aruba中国区总经理谢建国接受澎湃科技(www.thepaper.cn)采访时表示。

在上海市首个教育数字化转型实验区长宁区,为有效弥合数字鸿沟且避免产生新的差距,长宁区教育局在长宁教育数字基座上,引入免费应用,并增设了低代码开发功能,让学校教师和管理人员可以进行个性化的应用开发,满足一些日常使用需求。在接入教育数字基座前,长宁区内的建青实验学校每个学生从入园到高中全周期的运动偏好、阅读兴趣、选课出勤、健康数据都是独立的,难以实现跨学段、跨平台、跨学科调取,数据衔接断层现象时有发生,数据价值难以充分发挥。

“数字化转型的关键在于数据的整合,因为孤立的数据并无任何意义,只有在数据连接的过程中,它才能转化为信息,进而形成知识。这样,通过数据的结合,使得分散的数据在聚合之后,转变为有助于决策的信息。”赵衍解释道。

汪琼在教育数字化转型调研中也发现,数据中台(对海量数据进行采集、计算、存储、加工)是极其薄弱的一个方面。“有好几个地区都在做,但是都不理想。在静态数据对接方面,我觉得现在的关键问题是没有用数字化转型的思维来做数据中台的建设,仅是把已有的系统先汇集在一起,然后再去做透视表,这是不对的。数字化转型应该考虑驾驶舱是什么样的,应该是一个从上至下的递推关系。”

上海市娄山中学教师发展数据跟踪以生成群体及个人成长画像。

目前长宁区正在以区-校两级教育数字基座建设为核心,破除校际间数据孤岛。以教师专业发展为例,在娄山中学、天山二中、延安初中三校已建立试点,基于数字基座的底层能力对接采集多方系统数据,包括市级培训平台的研修数据、在线评教应用的阶段性评教数据、智慧教研平台的听评课数据等,实现过程性数据的自动流转存储。这样建立起的统一的教师成长数据仓库,只需要采集一次数据,后续在教师绩效、职称评聘、岗位晋级等评价场景中就可以快速复用。立足已有的成效,长宁正进一步加大数据治理与流转的建设力度,借助教育数字基座数据中心,以区级资产统一治理、校级资产试点推进的方式,更大范围更深层次的夯实数据的基底价值。

教育数字化转型应以需求应用为先导

“教育信息化发展到目前阶段,主要问题已经不是各类平台和技术能不能满足,而是缺乏需求应用为先导。”姜开达对澎湃科技表示。

应用的创新需要基于对已有数据的研究,而马文广对记者表示,“现在可能大家没有想清楚,在校园管理优化,教学质量提升等方面,收集回来的大量数据到底有什么价值。”

赵衍则从教育逻辑的角度提出了不同思路:“尽管目前已经建立了许多应用系统,但我觉得真正能对教学管理起到大的辅助作用的系统还是相对较少。当然,这并非技术本身的问题,我认为更多的是因为教育逻辑尚未明确。教育数字化转型的难点在哪里?就在于模型构建。我们都希望通过分析课堂中学生和老师的行为数据来了解教学行为,关键在于如何分析?我们需要哪种模型才能认定老师的教学优秀,学生的学习优秀?这是一个问题。反过来,如果没有模型,我们就不清楚需要采集什么样的数据。”

李培刚也表示,在探索线上线下、虚实结合教学过程中,初期最大的难题是专业教师对虚拟仿真的理解:虚拟仿真是什么,专业知识如何通过虚拟仿真体现,学生能力、素养培养如何结合虚拟仿真赋能?

目前学校在实践过程中,有尝试在教室安装摄像头,通过摄像头巡课,记录学生和老师的表情等。然而,赵衍认为,即使这些数据被采集了,目前还没有一个有效的模型来处理。目前的做法包括计算学生抬头的频率,判断学生的面部表情,但这些结果至今都未能令人完全信服。

在工业制造的数字化转型中,可以通过在机器内装置各种传感器来精确地感知每个点的压力、温度等参数。然而,“教育过程是人与人之间的互动。显然,我们无法在人身上装置各种传感器。目前的数据采集方式主要包括手环、摄像头和音频,但这些都只能获取外在的表现。至于人脑内部的运行机制,思考的规律,这些仍然是一个未解的谜题。”赵衍说。

实际上,教育领域的研究非常细分,有专门从事教育心理学、教育技术研究和教学法研究的专家,他们各自在自己的领域里可能有独特的研究成果,例如专注于互动教学的研究者可能有他们认为最好的教学模式。

赵衍表示,“对教学行为的研究到目前为止并未完全成熟。原因在于,人的个体差异非常大,很难找到一个普适的准则。再者,人的思维过程是难以见证,甚至无法衡量。因此,最终很难得出一个非常精确的模型。”

据教育部信息化专家组成员、华东师范大学教授顾小清的总结,当前教育教学创新应用的重点和难点在于,如何使智能分析决策服务超越教师的经验定式,通过数据智能分析帮助教师看到日常现象背后的教育教学规律;如何突破智能算法“黑箱”,构建具有可解释性、更切合各类教育场景和业务的教育分析决策模型;如何提供更加契合教育教学各类场景和个性化需求的服务,实现教师“人机协同”的教学模式创新,使教师向设计者与决策者身份转变。

在姜开达看来,高校有着得天独厚的智力资源,源源不断的产出信息化人才和网络安全人才,应该让最优秀的人才全面参与进教育信息化建设,避免“守着金山讨饭吃”。比如可通过培养信息化专业技术核心队伍、在业务部门设立信息化专员等多种形式,形成多元化的信息化人员队伍体系。也可结合创新创业,鼓励高校优秀信息化团队和网络安全团队先行先试,做大做强,能力辐射战线。抑或探索建立与市场环境相适应的信息化人才特殊薪酬待遇体系和职称评审体系,增强高校对高层次信息化人才的吸引力。

“新技术发展日新月异,而最新的技术往往意味着高成本、低成熟度,需要避免为了追求新技术而去创造伪应用,应该是为了满足应用的需求,业务部门主导,信息化部门技术配合,选择最合适、最稳健的技术来达到目标。”姜开达说。

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