基于普適計算的高校泛在學習環境研究

吳金紅

（武漢紡織大學 經濟管理學院，湖北 武漢 430073）

基于普適計算的高校泛在學習環境研究

吳金紅

（武漢紡織大學 經濟管理學院，湖北 武漢 430073）

泛在學習是普適計算環境下的一種無所不在的學習模式。在闡釋普適計算帶來的計算和信息服務模式變革的基礎上，提出泛在學習環境的參考概念模型并詳細描述了泛在學習環境的特征，針對泛在學習環境的基本要素，從硬件設施、學習資源和軟件平臺等三個方面就高校如何構建泛在學習環境做了深入的剖析。

泛在學習；普適計算；情境感知；高等教育

隨著計算機、網絡、傳感器等技術的發展，信息技術的硬件環境和軟件環境發生了巨大變化，網絡正在改變著人們的學習和生活方式，繼遠程學習、數字化學習(E-Learning)、移動學習(M-Learning) 之后，一種以學習者為中心、更為人性化的學習模式——泛在學習（U-Learning）正逐漸進入人們的視野。泛在學習的目標是讓學習者可以“隨時、隨地、隨身”地進行學習，從而實現真正的終身學習的夢想。為了實現這個目標，如何創造讓學生隨時隨地、利用任何終端進行學習的教育環境，便成為新型網絡環境下高教工作者亟待解決的問題。

一、普適計算與泛在學習

1991年，Mark Wiser針對計算機與計算任務本末倒置的顛倒關系，首次提出了普適計算的基本思想：強調把計算機嵌入到環境或日常工具中去，讓計算機本身從人們的視線中消失，讓人們注意的中心回歸到要完成的任務本身[1]。對于這項尚未開始應用的“未來”技術，不同的學者提出了描述不同但內涵一致的概念，如 1999年，IBM也提出普適計算(IBM稱之為pervasive computing)的概念，即為無所不在的，隨時隨地可以進行計算的一種方式；1999年歐洲研究團體 ISTAG提出了環境智能（Ambient Intelligence）的概念，將組網的智能設備組成的電子系統集成到人們的環境中，為人們提供隨時隨地所需的信息、通信、服務和娛樂等服務；清華大學徐光教授認為“普適計算是信息空間與物理空間的融合，在這個融合的空間中人們可以隨時隨地、透明地獲得數字化的服務”[2]。

由此可見，普適計算的本質就是力圖真正全面實現計算技術的“以人為本”，將計算與信息融人進人們的生活空間，從根本上改變了人們享用計算和信息的方式，在任何時間、任何場所，人們都能像呼吸一樣自如地訪問信息并得到計算服務。

普適計算所描述的未來信息服務模式，給教育領域帶來最深遠的影響就是教育的泛在化，催生了一種新型的學習模式——泛在學習（Ubiquitous Learning）。理想狀態下，人類學習的需求無處不在、學習的發生無處不在，相應地，學習資源也應該無所不在。然而，受到現實條件的限制，學習所需要的資源卻很難做到無處不在。普適計算技術將微計算設備嵌入到環境中，我們身邊的一切事物，如學校、圖書館、教室、博物館，都能主動發射自身的知識和信息，構建了一個信息空間與物理空間相融合的信息生態環境[3]。在這個環境中，人們可以通過手持設備、可穿戴設備或其他常規、非常規計算設備來無障礙地享用計算和學習資源。同時，泛在智能的終端設備以及傳感器網絡還能夠充分交互環境信息，如學習者的學習習慣，身體狀況、情緒，周圍環境的溫度、濕度等，形成對用戶學習意圖的理解，主動和高效地進行適配性知識推送，從而實現真正意義上的按需學習。這種構建在普適計算環境下無所不在的學習方式即為泛在學習。

二、泛在學習環境的內涵

有效泛在學習的發生依賴于泛在學習環境的創設，從學習環境的分類來看，泛在學習環境屬于深入層次較高、學習的移動性最高的一種學習環境。

（一）泛在學習環境的概念模型

構筑泛在學習環境的基本要素主要包括泛在通訊網絡、智能學習終端、學習資源網、學習服務等四個部分。如圖1所示。

圖1 泛在學習環境的概念模型

（1）泛在通訊網絡。泛在通訊網絡是泛在學習的信息化基礎設施，其功能是向學習者和智能學習主體提供無縫的信息通訊服務。泛在學習的無所不在，意味著作為泛在學習基礎設施的泛在通訊網絡必須具有高度的融合性，實現電信網、互聯網和廣電網之間，固定網、移動網和無線接入網之間，基礎通信網、應用網和射頻感應網之間的互聯互通，從而為學習者提供多種接入方式。在泛在學習環境中，網絡就如同空氣和水一樣，自然而深刻地融入了人們的日常生活及工作中，任何對象（人或設備等）無論何時、何地都能通過合適的方式獲得永久在線的寬帶服務，可以隨時隨地進行學習資源的傳遞、存取、學習導航以及學習伙伴的溝通。

（2）智能學習終端。智能學習終端是指能夠訪問學習資源、感知和處理學習者個性化需求的交互式工具。在泛在學習環境中的學習終端呈現多樣化，可以被學習者用來學習的工具并不僅限于計算機，還包括PDA、智能手機、Tablet PC、IPad等移動性極強的攜帶型終端機器，以及未來可能出現的智能型機器人、HD-TV等尖端設備。這些學習終端機器除了具有超強的網絡連接能力、大容量的存儲裝置、用戶友好的交互方式之外，還有一個獨特的特征，即具有環境感知的智能性。智能學習終端必須能夠感知學習者所處的物理情境與社會情境，比如學習者所處的位置、物理環境、學習者在學習共同體中的社會關系、聲望、地位等等。

（3）學習資源網絡。學習資源是指學習者智能學習終端開展泛在學習活動的各種數字化信息資源。泛在學習環境下的學習資源具有生成性、開放性、聯通性、內聚性、進化發展、智能性、微型化、自跟蹤等八大特征[4]。為實現無處不在的個性化學習，各學習資源結點相互關聯形成基于語義的可無限擴展的內容網絡，為泛在學習提供資源保障。

（4）學習服務。主要包括學習資源推薦服務、智能導學服務、學習社區服務等模式。學習資源推薦服務是指利用情境感知設備來感知和分析有關學習者或周圍環境的一些信息，并結合學習者的知識水平、學習風格等內部要素，為學習者主動推薦適應性和個性化的學習內容；智能導學服務是指根據學習者的學習能力和學習動機以及周圍所處的情境，自動地或者導向性的為學習者量身定制合適的學習目標，設計最佳學習路徑，尋找有互動意向的學習伙伴，為學習者自主學習提供最大的幫助服務；學習社區服務是指根據學習的內容，幫助學習者尋找或者創建討論群組進行協作學習，在交流中獲得有益的幫助，從而促進學習的深入。

（二）泛在學習環境的特征

泛在學習環境能夠真正實現在合適的時間、合適的地點以合適的方式呈現給學習者合適的信息，從而保證學習者實現真正無縫的個性化學習，其最為顯著的特征有以下幾個方面：

（1）泛在化。泛在是指學習行為、學習資源、學習服務的泛在化，如同空氣和水，人們很難察覺出它們的存在，但又確實存在。在普適計算建立的融合空間中，由于計算能力的無所不在，信息空間將與人們生活和工作的物理空間融為一體，人們可以“隨時隨地”和“透明”地獲得數字化的服務，任何人(Anyone)、在任何地方(Anywhere)、任何時間(Anytime)，利用隨手可得的學習設備(Any device)、以自己的方式( in Anyway)獲取自己所需學習信息(Any contents)與學習支持(Any learning support)[5]。

（2）技術隱匿性。泛在學習環境將計算“嵌入”到學習者的周圍環境和工具之中，每個設備和整個環境都需要保持對環境中每個用戶的非妨礙狀態，無需用戶分散精力進行干預。這樣，計算和信息傳遞將不再是一種工作或者技能，而成為我們學習中自然而然的一部分，學習者的注意力自然的集中到了學習任務本身，學習成為了一種自然的、積極的和主動的行為。

（3）以人為本。人們學習是為了解決生活中一個個的情境性問題，或是想要更好、更有效地開展一項日常事務。泛在學習尊重學習者的自然天性，每個設備都需要響應或預測用戶的各種需求，以學習者為中心，從學習者認知、元認知、動機與態度、社會因素、個別差異等多方面因素的考慮，為學習者提供合適的適配性的學習資源、學習導航支持。

（4）情境感知。泛在學習環境具有境脈感知(Context Aware)的特性，可以自動感知學習者的位置、所處的環境信息、正在進行的學習活動、學習者與環境或他人的交互情況等信息，并經過分析處理形成對學習者行為和需求的理解，據此來提供最高效能的使用環境[6]。

三、建設高校泛在學習環境的必要條件

由于技術發展的限制，泛在學習還處在研究和發展的早期，我們無法提出具體的建設方案，下面主要探討一下建設高校泛在學習環境需要解決的問題。

（一）硬件設施的建設

作為泛在學習平臺的泛在通訊網絡系統，可以看作是互聯網絡的自然延伸。在全球或全國范圍內完全實現泛在網絡所描述的無處不在、無時不在的網絡連接可能還需要一段時間，但在校園地理環境空間內實現無線覆蓋，構建基于移動校園網的泛在學習環境，還是具有一定的可行性的。因此，現階段應該著力加強移動校園網等信息基礎設施的建設，主要包括以下三個部分：智能學習終端、智能傳感器、無線網絡。

（1）智能學習終端主要功能是接收來自移動通信網絡的有關教育信息。目前，可用于泛在學習的移動學習設備主要為手機，絕大部分學生的手機具有上網功能，同時也具備了一定的情境感知能力，如手機借助藍牙和GPS可以定位用戶的位置，從而使學習者和教師能夠通過智能手機或其他手持設備隨時隨地訪問教學和學習資源。相信隨著微處理器的進步，手機的功能將更加智能，這為開展泛在學習提供了可能。

（2）智能傳感器。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節點不僅具有數據采集能力，而且具有濾波和信息處理能力。智能傳感器是建設泛在學習環境的細胞，每一個傳感器就是一個微型的信息處理設備和存儲設備。智能傳感器用來標識需要學習的對象，并且根據學生的學習行為記錄，調整學習內容，在空間上和交互環節上，通過實地考察和實踐，增強學生的體驗[7]。例如，可以將每類植物的信息寫入帶有傳感器的標簽中，學生在室外尋找到這些植物后，除了可以知道植物的名字，還可以用手機識別二維碼從教學平臺上獲得相關植物的擴展內容。當前，泛在網絡的基礎設施和管理機制尚不完備傳感器，如何布置、如何維護、如何管理、如何形成網絡、如何使用都是我們必須急需解決的問題。

（3）無線網絡。近幾年，隨著無線技術的發展和普及，無線局域網在校園網建設中所占的比重也越來越大。無線網絡是泛在學習資源的有效載體，是連接校園網教育資源平臺與智能傳感器網的紐帶。無線網絡將智能傳感器連接起來形成無線傳感網，使得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠交換信息、協調控制的有機結合體，實現物與物的互聯，把感知觸角深入到校園的各個角落。

（二）學習資源的建設

學習資源是網絡環境下個性化學習活動開展的重要環節，學習資源建設的好壞是泛在學習活動成敗的關鍵。應該有系統、有規劃地開發各類教學資源，以使得這些教學資源可以充分調動學習者學習的積極性，促進他們進行體系學習，真正實現學習的目標。我們認為，泛在學習環境下學習資源的建設應該遵循以下原則：

（1）多樣化。為滿足無所不在的學習需求，泛在學習資源呈現多樣化，除了傳統的文本、圖形圖像、音頻視頻資源之外，適用于不同智能學習終端的移動視頻資源、虛擬現實資源、移動3D資源、感性體驗資源等新型學習資源將成為重要的組成部分；同時，為滿足不同學習終端的要求，在表現形式上也應該多樣化，例如，用于臺式計算機的HTML網頁形式、用于手機設備的WML網頁形式，另外不同的設備所使用的圖像、音視頻等媒體格式也不同[8]。

（2）知識化。泛在學習強調學習的“情境化”，學習更多的是為了解決生活中一個個現實問題。學習者關心的是所獲得的信息能否解決所面臨的問題，而并不關心學習資源的格式是否正式、內容是否完整、存儲在什么設備上以及如何存儲的等相關因素。即使是一個知識片段，只要能夠幫助學習者構建實際問題的解決方案，就是受到學習者歡迎的資源。因此，在設計學習資源的時候，應該將原先按照課程為單元轉變成為知識點為單元的資源組織模式，以適應情境化問題求解的需要。

（3）微型化。用戶學習的過程實質上是根據自己的認知結構繪制某一主題的概念圖，然后按圖索驥將相關的零散知識節點串聯起來的過程，如同積木一樣，不同的組合形成不同的用戶體驗。知識節點的動態重組和語義聚合要求作為知識載體的學習資源具有微型化的特征。另外，移動設備屏幕相對較小、泛在網絡接入速度較慢以及信息處理能力有限等客觀因素，也要求學習資源的設計必須遵循微型化的原則。

（4）智能化。主要體現在兩個方面：一方面是通過對多媒體資源格式標準的確定，實現資源對學習終端的智能適應，能針對學習者使用的不同終端，能將資源轉換為適合的格式（例如視頻文件根據終端的不同轉換成不同的文件類型、碼率、解析度等等）；另一方面是能夠根據用戶知識水平、學習風格、認知能力、學習動機和自身興趣等自動構建知識概念圖譜，甚至創建新的知識，為學習資源的可持續發展奠定基礎。

（三）軟件支持系統的建設

軟件支持系統是泛在學習得以實現的關鍵。泛在學習環境下，設備的異質性、網絡的異構性、環境的動態性、學習的泛在性以及適配性等都對學習軟件系統提出了新的要求，這些都需要提供相應的解決方案。從目前的調查結果來看，這方面的研究都在實驗階段，尚未發現有普適的應用系統和解決方案。但總結起來，在建設學習軟件支持系統的時候，需要注意以下幾方面的問題：

（1）支持無縫的遷移。泛在學習環境下，用戶在不同的環境中移動是不可避免的，這種移動性不僅體現在用戶穿梭于住處和教室之間，還體現在用戶在不同計算設備上或提供不同類型服務的軟件環境之間。這種情況下，如果能夠不影響或很少影響學習者的使用和操作，則能夠極大地方便用戶學習，從而使他們的注意力集中到學習任務本身。所以軟件平臺應在此方向有所突破，使其盡可能地與普適環境相協調。

（2）支持情境感知。泛在學習環境最顯著的特征就是利用情境感知技術為學習者提供個性化與適應性的學習服務。所謂情境是指任何一種描述與用戶及其所處環境實體的信息，包括人物、地點、時間、物體等，而情境感知是系統具備依據用戶任務的需求，使用情境向用戶提供相關信息和服務的能力[9]。建立在支持上下文交互基礎上的系統平臺，通過對情境信息獲取、分析處理和利用，可以更詳細地、更準確地參照用戶過往的學習歷程，從而更好地提供個性化的學習服務，從而實現按需的學習服務。

（3）支持異構平臺和多語言要求。普適網絡是一個異構的全球網絡，它的全球性決定了網絡中的各種智能模塊必然在建立不同的語言或支撐平臺上，這就要求泛在學習的軟件平臺能夠支持多語言和異構模塊[10]。

四、結語

雖然目前的技術和環境還不能實現真正意義上的無所不在的學習，但是作為未來的一種學習模式，泛在學習正逐漸引起人們的重視。2009年，我國政府高屋建瓴地提出“泛在信息社會”國家戰略，昭示著泛在學習在不遠的將來即將走入我們的生活。基于此，本文在闡釋普適計算帶來的計算和信息服務模式變革的基礎上，詳細介紹了泛在學習環境的概念模型及其特征，并從硬件設施、學習資源和軟件平臺等三個方面，就高校如何構建泛在學習環境做了深入的剖析。期望筆者對于這種未來的學習模式的探索，對于我國高校泛在學習的研究和建設有所裨益。

[1] Weiser,M. The computer for the twenty-first century[J]. Scientific American,1991, (3): 94-100.

[2] 徐光，史元春，謝偉凱. 普適計算[J]. 計算機學報,2003,(9).

[3] 余勝泉. 從知識傳遞到認知建構、再到情境認知——三代移動學習的發展與展望[J]. 中國電化教育，2007, (6):7-18.

[4] 余勝泉，楊現民, 等, 泛在學習環境中的學習資源設計與共享——“學習元”的理念與結構[J]. 開放教育研究，2009, (1):47-53.[5] 李盧一，鄭燕林. 泛在學習的內涵與特征解構[J]. 現代遠距離教育,2009, (4):28-32.

[6] 張潔. 基于境脈感知的泛在學習環境模型構建[J]. 中國電化教育,2010, (2):16-20.

[7] 梁玉芬，高德云，等. 無線傳感器網絡應用系統綜述[J].電子技術應用, 2007,(9 ): 3-9.

[8] 張潔，王以寧，等. 普適計算支持下的泛在學習環境設計[J].現代遠距離教育,2009, (5):9-11.

[9] Dey A.K. Providing Architectural Support for Building Context-Aware Applications[D]. Georgia Institute of Technology, 2000.

[10] 魯松，楊云. 基于普適計算的智能圖書館系統的構建[J].情報雜志,2008,(9):37-39.

Study of Ubiquitous Learning Environment in University Based on Pervasive Computing

WU Jin-hong
(College of Economic and Management, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Ubiquitous learning is a future learning mode in future pervasive computing environment. A concept reference model of ubiquitous learning environment is constructed based on discussion on pervasive computing and its information services. And the characteristics of ubiquitous learning environment are also described in great details. Finally, some key factors, including hardware, learning resources and software platform, for building ubiquitous learning environment in university are analyzed deeply.

Pervasive Computing; Ubiquitous Learning; Context Awareness; Higher Education

G728

A

1009－5160(2011)02－0048－04

吳金紅（1974-），男，博士，講師，研究方向：知識發現與知識服務.