基于普適計算的泛在學習環境概念模型

汪國安 路爽

1 河南大學計算機與信息工程學院 河南開封 475004 2 河南大學網絡信息中心 河南開封 475004

1 引言

在這個信息時代，每一次信息通信技術變革都會對人們的工作、生活等各方面產生巨大影響。信息同時改變著世界，改變著各行各業，教育領域也不例外。遠程教育、數字化學習、移動學習相繼出現，一步步將教育與現代信息技術結合得更加緊密，推動著教育的現代化進程。普適計算的出現又帶動了教育的泛在化，這就為泛在學習的興起提供了技術支持。泛在學習將學習融入日常生活，使其更具人性化，體現了以學習者為中心的學習模式，符合現代社會學習者的需要和終身教育的理念，對構建學習型社會有很大的推動作用。

2 泛在學習與普適計算

普適計算又稱“泛在計算”，是一種通過先進的信息技術和廣泛存在的計算機實現的無處不在的、隨時隨地的計算模式，是信息空間和物理空間的融合。其基本思想是為用戶提供服務的普適計算技術將從用戶意識中徹底消失，即用戶和周圍環境（無數大大小小的計算設備）在潛意識上進行交互，用戶不會有意識地感覺到服務來自周圍何處[1]。它強調把計算機嵌入日常生活環境，計算機從人們的視線消失，以便把人的精力集中到任務本身而不是計算機及對其操作上，把“以計算機為中心”轉變為“以人為中心”。

泛在學習是指在普適計算環境中的學習，即任何人（Anyone）在任何地方（Anywhere）、任何時間（Anytime），利用隨手可得的任何設備（Any device），以自己的方式（in Anyway）獲取所需學習信息（Any contents）與學習支持（Any learning support）。泛在學習能實現學習本身應是泛在的這樣一個要求，滿足學習行為的發生不受物理條件限制，學習所需資源不受時空限制，學習過程可以得到不間斷支持，無處不在的學習能夠無處不在地產生相應效果，它將會突破現代遠程教育的局限，成為未來學習的一個發展方向。

泛在學習和普適計算是兩個相對獨立的概念，盡管普適計算的出現推動了泛在學習的興起，卻也不能說泛在學習是普適計算的產物或派生物，二者之間的關系是新技術與應用領域的關系。泛在學習的興起源于普適計算在教育領域的應用。普適計算技術的成熟將為教育教學活動提供新的認知環境，其重要體現就是泛在學習環境的構建。普適計算是泛在學習的技術支撐，它支持泛在學習環境無縫地融合信息空間和物理空間，使得任何學習者可以隨時隨地獲得學習支持，創新知識的獲取、創建、共享與運用模式，實現在正確的時間以正確的方式做正確事情的學習理念[2]。

3 泛在學習環境

泛在學習環境是一種支持泛在學習的整合的學習環境，在此環境中，學習者面對的是一個虛實結合的世界，學習是一種自然或自發的行為，學習者可以積極主動地學習并獲得隨時隨地的支持，也可以是潛在的學習，學習者未能覺察到學習過程的發生。泛在學習環境是傳統學習環境的延續，其目標就是創造讓學生隨時隨地利用任何終端進行學習的教育環境，實現更有效的學生中心教育。

從宏觀上講，一切支持“無所不在的學習”的外部環境——自然的、物理的、信息的、社會的都應該是泛在學習發生與實施的環境基礎。在普適計算滲透下的泛在學習時代，各種異構終端學習設備通過有線或無線網絡連接在一起，構成一種無縫的設備生態系統，信息空間和物理空間走向融合，信息技術變得“透明”和無處不在，泛在學習通過迅速發展的信息通訊技術，改變移動學習的局限性，欲創造出不受時空限制的、創意性的、高度自主的、以學習者為中心的嶄新的教育環境。學習者在這種新型學習環境中，透過各種學習設備的輔助，與真實環境的學習對象互動來實現自我組織建構知識[2]。

泛在學習環境具有泛在性、智能性、交互性、隱蔽性和適應性的特點。泛在學習環境最明顯的特征即學習的泛在性，包括泛在的學習行為、泛在的學習接口、泛在的學習支持服務[3]；智能性指泛在學習環境能在語義層面上分析學習者的需求，更加快速準確地挖掘學習者內心需求；交互性指泛在學習環境能夠提供給學習者多方位交互；隱蔽性指泛在學習環境將計算嵌入學習者周圍和工具中，學習者不易察覺技術的存在；適應性指泛在學習環境能用適應性的呈現方式為學習者提供合適的資源，并為學習者提供適應性的導航支持。除上述特征之外，泛在學習環境還具有境脈感知的特性。

4 泛在學習環境基本要素

泛在學習環境的基本要素主要包括泛在學習環境的技術支持、泛在學習資源和泛在學習服務三個部分，其概念模型如圖1所示。

4.1 泛在學習環境的技術支持

泛在學習技術的發展利于建立教育信息生態，克服人和技術的異化，更能體現以學習者為中心，實現學習者的個性化發展[4]。

1）智能終端設備。智能終端設備是學習者與泛在學習網絡的直接交互界面，學習者可以通過智能終端設備方便地獲取學習資源，感知和處理學習者個性化需求。它能對學習者進行多方面能力延伸，是實現泛在學習的中心環節。智能終端設備具有分散性、多樣性、連通性、簡單性和智能性等5個基本特性：分散性指學習設備分散于學習環境中，唾手可得；多樣性指學習設備的類型與形態多樣；連通性即各種分散的學習設備通過泛在網絡互為連通；簡單性指學習終端簡單適用，便于操作；智能性是智能終端設備最顯著的特征，它們不僅有超強的網絡連接能力、大容量存儲裝置、友好的交互方式，還具有環境感知能力。各智能終端設備都有特定的應用場景，無線手持設備處中心位置，連同桌面計算設備、嵌入式設備、傳感設備形成學習終端的集合，為學習者提供無縫的學習機會與可任意獲取的資源與交互[1]。智能終端設備的設計須遵循移動性、接入便利性、資源易獲取性、學習輔助性、可擴展性和低成本的原則[5]。

圖1 泛在學習環境概念模型

智能終端設備主要體現在普適計算的3種模式上：①可穿戴計算模式，即將計算資源和感知設備穿戴到人的身上進行直接持續的人機交互；②信息設備模式，即將計算資源和感知設備集成到學習者日常生活環境中的設備上，使其成為人機交互的接口；③智能交互空間模式，即將計算機視覺、語音識別、墻面投影等多種計算資源和感知設備嵌入學習者日常生活環境中，使設備隱匿于學習者的物理空間。

2）泛在學習網絡。廣義的泛在學習網絡即無處不在的網絡。狹義的泛在學習網絡即硬件、軟件、系統、終端和應用的融合，學習者隨時隨地使用任何學習終端都能上網，信息提供者所提供的教育資源通過任何網絡都能夠傳送[2]。它具有超強的環境感知、內容感知及智能性。本文所說的是狹義的泛在學習網絡。

泛在學習網絡是實現電信網、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。其中，WAP和3G或4G是泛在學習網絡中較重要的技術。WAP是在手機、互聯網、計算機之間進行通訊的開放全球標準，WAP技術可以將互聯網上的大量信息及各種業務引入各種無線手持設備中，是泛在學習與Internet之間的紐帶與橋梁。以3G為代表的移動互聯技術是結合衛星移動通信網與地面移動通信網形成的全球無縫覆蓋的立體通信網絡，解決了無線通信系統間的兼容性問題。移動互聯技術把網絡延伸到人們的生活學習空間，無線手持設備和嵌入式設備在移動互聯技術的支持下徹底打破桌面計算的束縛[1]。

構建泛在學習網絡的關鍵技術支撐包括RFID技術、自然人機交互和上下文感知計算。RFID技術即無線射頻識別技術，是一種非接觸式的自動識別技術，它實現了物理空間中物體與信息空間中對象的綁定，為構建普遍的智能物體提供切實可行的途徑，是構建泛在學習網絡的重要基礎技術。自然人機交互可以利用學習者的日常技能進行交互并具有意圖感知能力，使得人與計算環境的交互變得和人與人之間的交互一樣自然方便[5]。上下文感知計算即系統能發現并有效利用上下文信息進行計算，它能感知到學習者所處情景中與交互任務有關的上下文，并據此做出決策和自動提供服務。

3）云計算技術。云計算是一種利用大規模低成本運算單元通過互聯網提供各種計算和存儲服務的IT技術。云計算技術能使學習者不依賴某特定終端訪問和使用學習資源，達到無縫學習。只要接入網絡，學習者就能隨時隨地通過任何終端設備，同步和共享數據，這是傳統單點集中式數據存儲方式所無法比擬的。云計算技術將物理空間中分散的資源結點建立邏輯上的鏈接，存儲模式從物理上的分散到邏輯上的集中，對學習者而言，學習資源網絡空間變得無限大并可擴充[1]，學習者的所有數據都在云端進行，學習者在使用軟件的過程中不需對其進行手動維護，學習資源空間的使用成本就大大降低了。

4）軟件支撐系統。軟件支撐系統是泛在學習得以實施的關鍵，其目的就是對普適計算中大量聯網設備、物體、計算實體進行管理，為其數據交換、信息交互、服務發現、任務協調、任務遷移等提供系統級的支持[6]。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新的要求，這些都需要提供相應的解決方案。但從國內外研究者的項目來看，各研究項目不僅可以在虛擬世界和真實世界之間進行無縫連接，而且開始將目光轉向個性化適應與情境感知上，利用基于本體的語義網絡、網格技術、RFID和傳感器甚至泛在傳感網絡為學習者提供個性化服務[7]。建設軟件支撐系統時應注意對無縫遷移、情景感知、異構平臺和多語言的支持。

4.2 泛在學習資源

泛在學習資源指基于學習者的興趣、學習風格、學習習慣以及要求的分析，讓學習者隨時隨地按興趣和需要下載生動資源和多媒體信息的下一代智能型綜合信息資源[8]。學習資源是泛在學習生態系統的核心要素，在泛在學習環境中，泛在學習在以文本、圖形、圖像、音頻、視頻、動畫等多種形式的基礎上又添加了可感知的、可用以情景反思的實體場景。由于泛在學習環境使人際連通性得到巨大提升，教師、同行專家、同伴、智能的學習伙伴（如智能學習代理Agent和智能專家系統ITS）也被列入泛在學習資源的范疇[1]，因此，泛在學習環境的構建還需要人才資源的支持，即建立一支對泛在學習資源庫進行系統管理的專業人才隊伍[9]，建立專業的師資隊伍和專家體系。

泛在學習資源具有開放性、適應性、智能性和聯通性特點。開放性，指泛在學習資源具有動態生成、持續進化發展、結構開放的特性[8]；適應性，指未來學習資源應不斷進化以適應各種異構終端設備；智能性，指高度智能的教學資源可根據用戶學習記錄動態調整學習內容的呈現順序以及反饋信息等，還可通過服務接口自動搜集發現知識網絡中的相似知識點，并能夠根據用戶的不同需求實現學習內容的重組；聯通性，指每個學習資源作為資源網絡中的一個結點彼此按照某種規則建立聯結，此聯結的建立依賴于用戶的不同需求，從而構建極具個性的知識網絡。

學習資源的建設是泛在學習環境搭建過程中不可或缺的一部分。當前的泛在學習資源存在諸如無限學習群體的海量學習需求、資源獲得欠缺快捷性和有效性、資源組織非結構化、資源生長無序、資源關系孤立化等問題。為此，泛在學習資源的建設應注重視頻資源格式的多樣化、資源格式的跨平臺性，減小泛在學習資源的粒度，增強對資源的元數據描述等。

4.3 泛在學習服務

通過泛在學習系統所提供的教育服務可分為智能型學習服務、遠程教育服務、教育資源供給服務、教育綜合服務等領域[8]。

1）智能型學習服務是具備各種智能終端設備的學習環境，即通過學習輔助工具、智能化和尖端化設備來構建無紙教室。如智能空間就是一個嵌入了計算、信息設備和多通道傳感器的工作空間，在這個空間里，學習者可以方便地訪問信息并獲得服務，提高學習效率或實現協作性學習。境脈感知技術能為學習者提供個性化與適應性的學習服務，學習者在這樣的環境中可實現沉浸、連續并深入地學習，在學習環境改變時，學習服務也不會因此中斷[10]。智能導學服務根據學習者的學習能力與動機及周圍所處的情境，自動或導向性地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。學習社區服務根據學習內容，幫助學習者尋找或創建討論群組進行協作學習，在交流中獲得有益幫助，從而促進學習的深入。

2）遠程教育服務指應用基于多樣媒體和通訊網的因特網，提供能連接到電子教育資源的學習環境，并通過克服時空限制來擴大學習機會。清華大學所設計開發的面向遠程教育的智能教室就屬于遠程教育服務范疇。其他所有支持遠程教育的服務也都屬于這一范疇。

3）教育資源供給服務就是為學習者提供合適的學習資料的服務，如學習資源推薦服務。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。

4）教育綜合服務是指以教育機關、教室和學生為單位，提供各種服務的綜合概念的服務。包括各級學校信息、教育課程導向、學校日程信息導向、支持業務處理的各種系統性服務等內容。

5 結束語

目前，泛在學習正處于發展階段，泛在學習環境構建所需的技術還不夠完善，無處不在的學習還不能得以真正意義上實現。但作為未來學習的一種發展方向，泛在學習也在不斷探索中前進。泛在學習環境將隨著計算機技術、網絡技術以及通信技術的發展與進步而逐步趨于成熟，為學習者提供真正意義上的泛在學習服務，以滿足學習者無處不在的學習需求，提高學習者的學習活動效率。

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[9]張浩,汪楠.新時代下的學習新模式:泛在學習[J].計算機教育,2007(13):271-272.

[10]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.