区域教育数据大脑：内涵、功能与实施路径
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作者:方海光 孔新梅 杜斌 郑志宏
[摘 要] 国家智慧教育示范区是对教育现代化区域教育发展模式的探索，教育新基建鼓励区域建设数据中心共享超算资源和人工智能算力资源来创新智慧教育生态体系，而区域教育数据中心汇聚了海量教育数据、数据模型、算力、算法，因此，如何建设教育数据中心为基础的区域教育数据大脑是当前研究和应用的重要主题。文章基于相关研究和应用发展分析了区域教育数据大脑的内涵和特征，以人类大脑基本能力结构为基础，结合通用型分析算法和教育型分析模型的基本应用发展分类，提出区域教育数据大脑的基础功能、核心功能和专项功能分类，继而分析了区域教育数据大脑的功能建设框架，确定了图谱节点N和图谱关系R联结结构并得出十二类实施路径，从而为区域教育数据大脑功能建设和实施提供参考。最后，以两个区域教育数据大脑建设为例说明具体建设和应用情况。
[关键词] 教育数据大脑; 区域教育; 内涵特征; 功能结构; 建设框架
[中图分类号] G434 [文献标志码] A
[作者简介] 方海光（1975―），男，|宁沈阳人。教授，博士，主要从事教育大数据、人工智能教育、智慧教育研究。E-mail：fanghg2013@163.com。
一、引 言
人工智能、大数据、元宇宙等技术成为促进智慧教育发展的关键和驱动力，从而创新教育教学的模式、方法、决策、服务等。《教育信息化2.0行动计划》提出，智慧教育继续深入推进三通两平台建设以及构建一体化“互联网+教育”大平台[1]。中国教育现代化2035战略任务中指出加快信息时代教育变革，教育部在2019年和2020年先后共公布了18个国家级智慧教育示范区[2-3]。因此，教育场景精细需求驱动的区域教育数据平台建设成为国家智慧教育发展的技术和政策重点方向。
区域教育均衡发展以数据为基础可准确把握区域教育发展动态[4]。当前推进智慧教育示范区建设所面临的困境包括教育信息系统碎片化、统筹建设和分散建设两难、智能技术增大维护管理的复杂性、教育应用动态多变难开发等问题[5]。可以看出，数据的高效利用和安全保障、智能技术和教育的有效融合、集中与分散相结合的混合管理模式是解决这一问题的有效方法。国家教育现代化推进教育新型基础设施建设，鼓励构建新型数据中心，支持省级教育行政部门建设教育云并规划整合“低小散旧”数据中心，以构建高质量教育支撑体系[6]。因此，区域教育信息化通过建设区域教育数据大脑平台，将集存储、加工、管理等为一体，构建新的教育生态系统。本研究提出区域教育数据大脑的内涵特征和功能，并探讨区域教育数据大脑建设的实施路径，实现数据应用效能和支持教育教学治理创新。
二、区域教育数据大脑的基本内涵
（一）人类大脑的基本能力
人类大脑具备接受和处理信息、产生和控制运动、表征语言、加工情绪等能力，以支持理解、交互、情感、决策等高阶能力。从本质上讲，人类大脑的运行是基于外界信息感知，通过加工处理提供决策，再向外界输出的过程，即人类大脑的基本能力结构包括感知能力、认知能力和效应能力，如图1所示。
（二）区域教育数据大脑的内涵分析
20世纪后半叶以来，有研究开始模仿大脑的结构进行计算机制的研究[7]。近年来，诸多国家在各领域制定和开展类脑智能的研究，借助人工智能、大数据等新一代信息技术重构智能大脑的神经系统，对复杂问题作出推理、判断等决策。有研究指出，城市大脑基于人类大脑能力和大规模数据处理技术，能够实现多源异构数据收集、实时处理和智能计算，制定全局最优策略等功能[8]，即感知外在信息并及时处理分析，随之向外界输出内在规律和决策。
区域教育大数据的建设以构建立体化的区域教育数据网络为中心，形成全区数据动态实时采集、共享等完备机制，提供区域教育的全方位变革与创新发展支撑[9]。区域教育数据中心建设离不开教育大数据和人工智能技术，从而进一步发展区域教育数据“类脑”建设。人工智能教育大脑的实质是海量教育数据模型、深度学习算法、高度计算力等人工智能技术与算法的融合体[10]。美国教育系统从2011年开始，各州创建了覆盖K-12教育阶段的纵向教育数据系统[11]，教育数据具有纵深持续性、情境性和行动性特征[12]，集中管理并深度分析师、生、校等主体数据，促进教育教学改革。目前，国内诸多地区和学校也做了相关探索和实践：诸多省市级教育行政部门构建互通互联、协同一体化的区域教育数据中心;还有一些智慧教育示范区通过发挥“教育大脑”的引擎作用连通教育资源数据，借助人工智能技术为课堂教学、资源配置等构建中心系统和中枢，提升数据应用效能，服务于区域教育优质均衡发展[13];也有研究开发促进学生个性发展的教育公共服务平台，形成改进区域教育质量的解决方案[14];学校教育数据大脑无感沉淀学校教育教学行为活动，及时分析、监测、反馈以支持学生自我构建[15]。
综上所述，可以把区域教育数据大脑定义为：以区域教育数据为基础，借助技术实现数据感知，通过全流程数据传递，建立数据认知和数据模型体系的连接，从而支持教育控制和推理决策效能，挖掘和发挥数据内含价值。区域教育数据大脑服务于学生、教师、学校和区域多个主体，提供以个性化学习、精准教学支持和智能管理决策为中心的监测评价、合理干预和预警预测等功能，创新智慧教育新生态，实现区域教育均衡发展，具备横向联通性、纵向持续性、情境适配性、学习实时性和能力可塑性特征，具体含义见表1。
三、区域教育数据大脑的基本功能结构分析
区域教育数据大脑通常是在教育数据中心平台基础上构建的，将联通区域教学、学习、管理、评价等各类数据，通过建立规范统一的数据标准、确定数据流转机制等来活化数据价值。那么，区域教育数据大脑如何运行以及具备怎样的功能结构，才能满足干系人相关需求，以解决区域教育数据大脑功能建设需求层次问题是研究的关键。本研究以通用型分析算法和教育型分析模型基本应用发展分类为目标条件，以人类大脑基本能力结构及其“类脑”功能机制等相关研究为基础，基于外界数据的获取汇聚，通过内部核心通用算法，以解决特定教育问题，连同区域教育数据大脑的功能需求层次，提出区域教育数据大脑的基本功能结构，如图2所示。
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