可穿戴技術對智慧教學環境構建的啟示

劉海韜，尚 君，吳 旭

(1.中南大學 信息與網絡中心，湖南 長沙 410083； 2.中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

可穿戴技術對智慧教學環境構建的啟示

劉海韜1，尚 君1，吳 旭2

(1.中南大學 信息與網絡中心，湖南 長沙 410083； 2.中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

可穿戴市場前景廣闊，創新科技迎來智慧教育發展新契機。該文梳理了可穿戴技術的發展現狀，歸納了其主要技術特征，分析了可穿戴技術在智慧教育中的應用前景。圍繞設計原則，構建基于可穿戴技術的智慧教學環境，實現人、機、物的互聯和深度融合，不僅能高度整合教育資源、提高學習興趣，而且能增強教學針對性、培養學生創造力，實現“全時段、全方位、全領域”的個性化教學與學習互動。

可穿戴技術；智慧教育；教育云；個性化學習

2012年4月，谷歌公司發布了谷歌眼鏡再掀可穿戴設備熱潮。可穿戴設備市場蘊含的巨大商機令世界各國知名企業趨之若鶩，相繼推出智能腕表、iWatch、意念頭箍、智能手環等創新型智能產品，這些產品不僅具有最新的制造工藝，更是通過數據交互、云端交互以及軟件支持實現強大的功能。伴隨著可穿戴技術的飛速發展，這種新技術與教育深度融合指日可待。近年來，智慧教育就像不接“地氣”的空中樓閣，創新科技讓智慧教育落地生根。2016年由新媒體聯盟中國基礎教育技術展望《地平線項目區域報告》指出：2016-2020年期間，極有可能影響技術規劃和決策的18項議題中就包括可穿戴技術。地平線項目各專家組一致認可可穿戴技術在教育領域應用的顯著動力。構建基于可穿戴技術的智慧教學環境，是實現教與學方式變革的支撐條件，必將促進智慧教育科學發展。

一、可穿戴技術的發展及其主要特征

可穿戴技術并非新概念，谷歌眼鏡的問世標志著可穿戴設備正式邁入民用領域，滲透到人們的日常生活中。

(一)可穿戴技術的發展與研究現狀

20世紀60年代，美國麻省理工學院媒體實驗室Smith-Kettlewell研究所視覺科學院提出，“可穿戴技術，利用該技術可以把傳感器、多媒體和無線通信等技術嵌入人們的衣著中，可支持眼動操作和手勢等多種交互方式，具備超強計算和傳感能力”。到了20世紀70年代，發明家Alan打造了一款配有數碼相機功能的可穿戴式計算機，預測賭場輪盤的結果。1977年，Colin為盲人設計了一款背心，使圖像通過背心上的網格轉換成觸覺意象，讓盲人也能“看”得見。2013年，可穿戴設備風靡全球，智能手表、智能眼鏡和智能手環等高科技產品層出不窮，成為IT業界公認的智能終端的重要發展方向之一。國際IT巨頭搶占可穿戴技術發展制高點，紛紛涉足可穿戴領域，谷歌先是開發出Google Glass可穿戴硬件，而后推出AndroidWear操作系統，確保并健全可穿戴設備的開發體系。三星則搶占市場推出智能手表。蘋果智能手表雖未面世仍引起業內廣泛關注，英特爾則加大與終端企業的合作力度，推廣研發可穿戴設備核心處理器。中國是從20世紀后期開始研究可穿戴技術的，主要探索差異化細分市場需求，重點開發智能手環、智能手表等產品。“智能手表方面，優美通訊Omate手表、果殼電子GEAK手表、映趣科技inWatch、智器Z-Watch等產品相繼上市；智能手環方面，百度咕咚手環、小米手環、滕海視陽體記憶手環等快速搶占市場。但以上產品與國外同類產品相比而言創新功能少，面臨一定程度的同質化風險。相比之下，我國廠商在針對細分市場應用服務方面的嘗試則效果良好，寶寶樹智能手表、360兒童衛士等針對孕婦或兒童的產品一旦推出就引起市場關注，在滿足用戶個性化需求方面做出了有益探索”[1]。2013年11月，在成都成立了中國可穿戴計算機推進聯盟，并召開了相應會議討論了中國可穿戴技術的發展。2015年4月，“2015 OFweek中國可穿戴設備高峰論壇”以物聯網2.0時代下可穿戴產業爆點為主題，圍繞核心技術、云計算與云服務、軟件與算法、工業設計、產業資本等熱點議題，與IT業界共同探討可穿戴生態系統的構建。“2016年5月，根據國際數據公司(IDC)全球季度可穿戴式設備跟蹤數據統計，排名靠前的可穿戴設備生產廠商，總出貨量達到1970萬臺與去年同比增長67.2%”[2]。

在可穿戴技術的研究方面，全球比較有代表性的是四個實驗室：(1)歐洲的ACT實驗室，側重普適計算、可穿戴計算和移動技術，研究重點是模式識別、信號處理和數據分析技術、機器學習技術；(2)美國麻省理工學院媒體實驗室：注重可穿戴技術的研究開發和可穿戴硬件創新設計；(3)加拿大多倫多大學EPI實驗室：研究專注于個人成像、介導現實(MR)和可穿戴計算技術等領域，主要研究優勢為可穿戴式計算的硬件和開源介導現實軟件；(4)谷歌X實驗室：谷歌創立的創新實驗室，緊鑼密鼓地進行著“百大沖出星際計劃”，投入設計無人駕駛汽車、未來太空電梯、增強現實眼鏡等。

(二)可穿戴設備的分類及主要特征

近幾年來，隨著各種高新技術的發展，可穿戴設備的內涵、架構、形態和功能不斷延伸和完善。目前，比較市面上的可穿戴設備按應用方向大體可以可分為輔助通訊類、醫療健康類、游戲娛樂類、安全應用類等四類。可穿戴設備的主要特征概括起來主要有以下幾點：(1)便攜可穿戴。可穿戴設備集微型化、輕巧化、便攜化、簡約化于一體，可以像衣著服飾一樣穿戴在用戶身上，可以在日常活動中隨時隨地使用。(2)聚焦用戶。可穿戴設備的智能化集中表現在以用戶為中心，所有服務以滿足用戶需求為出發點，幫助用戶延伸人體的肢體和記憶功能，成為用戶生活的好助手。(3)智能交互。可穿戴設備在采集用戶實時數據的同時可以將云端資源推送給用戶，為用戶提供個性化服務，一些數據經處理后還能以可視化的形式向用戶呈現。(4)解放雙手。采用了大量現代化感知設備，可穿戴設備能夠通過語音、圖像、光電等多種方式進行數據傳輸和交換。這些新的數據獲取方式，能夠徹底解放人的雙手，實現更加智能化的操控。(5)高度集成。為最大限度地利用用戶空間，防止可穿戴設備過于臃腫，每個可穿戴設備由于采用了MEMS技術，將大量的微型器件進行了高度集成，能把無限的穿戴設備全部掛在有限的身體空間，實現多功能的高度融合。(6)增強現實。可穿戴設備能從環境、云端獲取虛擬信息數據并合成到真實的現實場景中，加強用戶對現實環境的感知能力[3]。

二、基于可穿戴技術的智慧教學環境設計原則

為實現可穿戴技術在智慧教學環境中的無縫接入和有效推廣，必須堅持以學習者為中心，以可穿戴技術為抓手，以實現全時段、全方位、全領域的個性化學習為最終目標，以創新創造為驅動力，建立智慧教育生態系統[4]。基于可穿戴技術的教學環境設計原則可以概括為以下幾點：

(一)堅持目標導向

進行設計之前，必須要明確設計目標。智慧教學環境的設計如果不能按預想的方式實現，也就失去了設計的現實意義，淪為一無是處的“爛尾樓”。因此利用可穿戴技術構建智慧教學環境設計要充分考慮教育者與學習者的實際需求，以追求教學效果為準繩，以實際應用為導向，制定系統設計量化規范和相應的環境評估方案。為確保設計導向鮮明，必須保持設計的整體統一性，只有讓各個功能模塊做到獨擋一面卻又相互依靠，才能形成整體合力，實現最終目標。在設計過程中，要不斷跟蹤現階段可能的應用效果，及時發現設計上可能存在的問題和短板，認真進行修正和完善，確保設計目標導向鮮明、設計思路清晰可行。

(二)依托技術引領

先進的可穿戴技術是教學環境智慧化的重要抓手，必須認真搞好技術和體系的結合滲透，做到“用前明其理、應用選其長、評估知其性”。目前市面上的可穿戴設備，已經實現或即將實現的功能主要有語音識別、人體傳感、數據處理、人機交互和增強現實等。語音識別技術能將人體活動產生的各種模擬信號轉換成相應的文本或命令，解放雙手，改變輸入方式，提高操作效率。人體傳感技術因為MEMS這項具有革命性的新技術獲得了巨大發展，時下的可穿戴設備由于多類型傳感器的高度集成、光電通信技術的有機融合相比傳統的傳感裝置更加智能化，具有如運動檢測、環境感知、壓力測試等眾多功能，可以滿足教學活動產生的各種信息的實時傳輸、存儲、處理和顯示等。數據處理技術借助高速互聯網的教育云資源，能將學習者產生的海量數據實時準確地通過可穿戴設備終端進行接收和推送。意念控制技術則可以通過實時監測學習者腦電波的活動，實現對具體操作行動的意念控制，讓每名學習者都具有了科幻電影中的“特異功能”。人機交互技術在幫助學習者獲取所需個人數據的同時，能將數據進行科學處理，并以圖形、聲音等方式反饋給學習者，方便人機互動。增強現實技術能將生活中獲取的各種信息合成的場景、虛擬畫面或系統提示信息疊加到真實場景中。如何合理地應用這些新技術，是進行環境設計必須考慮的重要方面。

(三)注重以人為本

學習者才是智慧教學環境的主體，設計中必須堅持思想理念、系統流程、信息交互都要服務于學習者。宏觀層面來說就是一切功能模塊都應該讓學習者便于理解、方便操作，不能出現過于復雜、難于理解的模塊。微觀層面來看就是要實現學習者與智能物理環境和智能社會環境的無縫聯通，即將不同的教育主體、教育場所和知識之間進行聯通，為教育者、學習者和管理者提供跨時段的隨機實時信息交流服務和跨空間的自由學習場所。從實現上來說就是設計的環境必須要具有“智慧”。教師能在基于可穿戴設備的智慧環境中邊教邊學，讓自身的教學智慧不斷提升和完善，當好學生獲取知識的“引路人”；學生在教師的幫助下，能借助基于可穿戴設備的智慧環境實現個性化學習，提升學習效率，提高學習效果；管理者能通過基于可穿戴設備的智慧環境監管所有教育學習活動，對教師的教學、學生的學習活動進行科學評估，提供教學資源的智能管理。因此，基于可穿戴設備的智慧教育環境設計必須要堅持以人為本，注重實現智慧能力培養和智慧行為生成，支持有意義的學習、教學和管理，從而促進智慧生成。

(四)著眼科學發展

基于可穿戴設備的智慧環境設計不能僅僅只是滿足當下的教育需求，其各種應用接口還應該具有很好的伸縮性，能夠著眼長遠適應技術更新和教學改革的發展，即搭建的環境必須具有強大的“生命力”。這種“生命力”表現為智慧環境設計方法的可集成性和可移植性。一旦基于可穿戴設備的智慧環境在某個地區搭建并取得成功后，不僅可以完全地搬遷到其他地區進行推廣，同時還能與其他智慧環境進行有機融合，組成新的更復雜的智慧教育環境。這就要求在設計基于可穿戴設備的智慧環境，必須對采用的體系結構、技術種類、通信協議、應用接口等進行合理選擇和科學設計，為下一步的更新升級、接口擴展和交互應用提供方便。

三、基于可穿戴技術的智慧教學環境設計

“技術的發展刺激了研究者和教育者去拓展學習的概念和學習環境的設計”[5]。從人工智能中發展而來的可穿戴技術在醫學、體育、科研等社會生活領域中取得的巨大成功，為智慧教學環境設計提供了有力借鑒。依托現有的教育云資源，構建基于可穿戴技術的智慧教學環境，可以實現信息與人的無縫聯通，讓教育更加智慧化、學習更加個性化、管理更加智能化，為創新型教學實踐活動提供有力的技術支撐。

(一)基于可穿戴技術的智慧教學環境框架構想

根據可穿戴設備的技術特征和其在智慧教育領域的應用前景分析，按照智慧教學環境設計的相關原則，考慮智慧教育環境因素，即促學者、學習者、設備、工具、教育資源和學習活動這六個維度[6]，以現有的教育云資源和主流的教學方式為平臺，融入創客、STEAM、慕課、微課堂、曬課等教學實踐，構建如下圖所示的基于可穿戴技術的智慧教育環境系統框架。通過引入可穿戴設備，實時獲取學習者的姿態動作、環境位置、個人喜好、文化背景和社交關系等信息，借助高速互聯網絡、云平臺和大數據并行處理、推薦系統算法等，實現學習者、教育云和智能物理、社會環境信息的無縫聯通。在該系統中，學習者能個性化地選擇自己的學習方式，隨時隨地參與到各種教學實踐活動中。學習助手實時監控學習者活動情況，搜集學習數據，進行學習分析，隨時準備為學習者提供資源調配、應用決策和遠程幫助等智慧化服務。

可穿戴技術構建智慧教學環境參考模型

(二)基于可穿戴技術的智慧教學環境

基于可穿戴技術的智慧教學環境主要由智慧數據獲取、智慧化監管和智慧教育實踐三大模塊構成。

1.智慧數據獲取模塊

智能可穿戴設備內置多種傳感器及交互技術，能自動實時感知獲取學習者的智能物理環境和智能社會環境，包括學習者的姿態動作、環境位置、社交關系、文化背景和個人喜好等數據，并將這些數據同步到教育云端進行云計算和大數據處理，進而利用這些信息數據可以方便快捷地推送個性化的教學資源和服務[7]。

2.智慧化監管模塊

智慧化監管模塊，又稱“學習助手”，類似于現有的教學管理人員，具有遠程監控、學習分析、資源調配、應用決策和遠程幫助等功能。(1)遠程監控。創建一個虛擬的在線交互環境，可以遠程監控跟蹤教師、學生和家長的各種活動，并根據學習者的需要提供實時數據和歷史數據。(2)學習分析。采用基于大數據的學習分析概念設計，對可穿戴設備獲取的個體學習者的大量細節數據、情感、知識處理和知識構建方面的多維數據進行科學分析，可以實時掌握學生的學習情況，追蹤學習進程，識別困難學生群體和評估影響學生學業和成功的因素，制定出效率最佳的個性化學習計劃，最大程度地優化學生的學習習慣。學習分析的結果以文字、圖表的方式，通過短信、郵件等傳遞給教師和家長，便于掌握學習進展，幫助教師改進教學方式，提醒家長跟進校外管理。(3)應用決策。根據可穿戴設備所提供的智能物理環境、智能社會環境信息和學習分析結果完成應用決策。例如，推送一次具體的學習任務，首先激活對應的服務，然后編輯提示信息，包括任務目標、任務對象、完成時限和任務更新等信息，任務提示一般采用語音的方式，人員可以通過語音和相關的應用進行交互。最后將決策知識提交給應用進行新的任務構建部，同時根據人員使用該應用時產生的交互信息和場景的實時變化，產生新的決策知識，以重新配置整個應用功能。(4)資源調配。基于云存儲構建屬于學習者的“個人云”資源中心，提供標準化的API接口，通過授權，可穿戴設備即可獲取和調用具有個人特色的教育教學資源。同時在學習分析、應用決策活動后，進行相關應用資源的更新配置。(5)遠程援助。接收到用戶求助信息、數據狀態異常或者設備發生故障時，通過接收混合現實數據，進行遠程的虛擬現場援助。這是一個擴展的知識管理模塊，主要通過可穿戴設備的人機交互功能和增強現實功能實現。

3.智慧教育實踐模塊

該模塊主要進行各種具體教育實踐活動的應用推薦和調用，由基于社交網絡的推薦系統和虛擬學習活動場景構成。虛擬學習活動場景集成了大量當前的主流學習平臺，包括創客、STEAM、慕課、微課堂、曬課等教學實踐活動在線平臺。

四、可穿戴技術在智慧教學中的應用展望

祝智庭認為：“智慧教育的真諦就是通過利用智能化技術(靈巧技術)構建智能化環境”[8]。“物聯網和可穿戴技術支持情景學習和無縫學習，因為有了可穿戴設備，物聯網就能從周邊的環境中向學習者推送各式各樣的學習資源”[9]。構建基于可穿戴技術的智慧教育環境，可帶來更高的教與學效率，使非正式學習和個性化學習成為教育的焦點。智慧教育將成為可穿戴技術發展空間最大和廣泛關注的應用領域，可穿戴技術與創客、慕課、STEAM、微課、翻轉課堂等不同教學方式的結合應用于教育中將成為主流，這將極有可能徹底改變課堂的教學方式及未來學習環境，為推進我國教育范式及學習方式的變革提供了有力支撐。

(一)可穿戴技術實現個性化學習

在我國的傳統應試教育中，“一考定人生”讓學習者倍感壓力。填鴨式的教學方式，雖然培養出了不少人才，但更多的學習者卻失去了個性，學無所成對社會的貢獻甚微。隨著國家大力推進素質教育，與“因材施教”逐步達成共識，發展開放、多樣、靈活、終身個性化的學習范式將成為可能。通過可穿戴設備將具有共同興趣愛好的學習者相互聯系形成學習社群，為同一學習社群的學習者提供類似的優質資源和個性化的學習方式，既能節約資源又能提升學習成效。同時由可穿戴設備聯系起來的社交網絡，還能及時掌握學習者學習狀態，有針對性地推送相關資源，組織學習討論，不斷激發學習者的學習興趣。因此，利用可穿戴技術構建個性化學習社群，是其在智慧教學中的重要應用之一。

(二)可穿戴技術推廣非正式學習

非正式學習有別于傳統的正式學習，它不是以課程、任務、研討會等形式展開的教學活動，可以通過會議、書籍、網站、交談等包括信息和內容在內的一切生活中的事物進行隨時隨地的學習。可穿戴技術因為實現了學習者與物理和社會環境的無縫聯通，為非正式學習的推廣提供了廣大舞臺。借助可穿戴設備，學習者可以通過零散時間對某一專業詞匯或某一具體知識點進行深入了解。近年來逐漸興起的“微課”就是典型的利用媒介進行學習的一種“微學習”方式。可穿戴設備集成了柔性顯示屏，讓學生利用這種“電子紙”隨時查閱和觀看學習內容，更好地融合了呈現形式與表達方式，讓學生在課堂之外隨心、便捷地進行“微學習”。

(三)利用可穿戴技術建立“個人云”資源中心

將可穿戴設備融入高速互聯網、物聯網、大數據中心，通過可穿戴設備開展數據挖掘和學習分析，收集學習者在學習過程中產生的各種數據信息，對信息進行處理、篩選、評估和反饋，構建學習者的“個人云”資源中心，可以向學習者推送泛在學習的個性化資源，輔助學習者制定個性化學習計劃，形成一個自我調控、管理的智能調控中心。“同時，在可穿戴設備的幫助下，中心能即時采集學習狀態、進度，查找學習規律，實現人機一體的高度融合式學習”[10]。

(四)可穿戴技術用于特殊專業教學

由于科學研究的需要，一些特殊專業的學習條件非常受限，如醫學、地質學、航空學等，在這些專業的教學中，學習者可能面臨不少未知危險，實驗的真實數據很難獲得。但是有了可穿戴技術的幫助，特殊專業的學習難度和危險將明顯降低。佩戴這種配置了可穿戴技術的手套，使用者就能夠間接感知并遙控對象物體而不必直接接觸物體。如果將可穿戴技術應用于病毒教學中，不僅讓學生真實體會病毒的巨大危害，而且避免學生接觸存在潛在危險的材料和操作。

(五)可穿戴技術用于特殊人群教學

全世界目前有7000多萬聾啞人，對于這些特殊人群的教學一直是棘手問題。由于受專業影響，普通教師看不懂肢體語言的話，很難和聾啞人進行交流，導致教學者來源較少。Colin的成功表明，各大廠商完全可以為這些聾啞人做一款可穿戴設備，在未來或許能夠打破聾啞人與看不懂肢體語言的人之間產生的交流障礙。在可穿戴設備安裝了追蹤聾啞人手勢運動的傳感器，就可以捕捉聾啞人在做肢體語言時肌肉產生的肌電圖(EMG)信號的傳感器，通過識別、分析這些信號，翻譯成普通教師能讀懂的“正常話”。

[1]耿怡,安暉,李揚等.可穿戴設備發展現狀和前景探析[J].電子科學技術, 2014,(2):238-245.

[2]IDC. Worldwide Wearables Market Increases 67.2%[DB/OL]. http://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS41284516,2016-06-21.

[3]Yang H, Yu J, Zo H, et al. User acceptance of wearable devices: An extended perspective of perceived value[J].Telematics & Informatics,2016, 33(2):256-269.

[4]詹青龍, 楊夢佳, 郭桂英. CIT:一種智慧學習環境的設計范式[J]. 中國電化教育, 2016,(6):49-57.

[5]Pirnay-Dummer, P., Ifenthaler, D., & Seel, N. M. Designing modelbased learning environments to support mental models for learning[A].D. H. Jonassen & S. Land (Eds.).Theoretical foundations of learning environments[C]. New York: Routledge,2012. 66-94.

[6]劉俊.智慧教育環境及其實現方式設計[J].中國電化教育,2013,(12):20-26.

[7]胡欽太,鄭凱,胡小勇等.智慧教育的體系技術解構與融合路徑研究[J].中國電化教育, 2016,(1):49-55.

[8]祝智庭,賀斌.智慧教育:教育信息化的新境界[J].電化教育研究,2012,(12):5-13.

[9]Zhi-Ting Zhu, Ming-Hua Yu, Peter Riezebos. A research framework of smart education[J].Smart Learning Environments, 2016, 3(1):1-17.

[10]劉曉琳,黃榮懷.從知識走向智慧:真實學習視域中的智慧教育[J].中國電化教育, 2016,(3):14-20.

The Enlightenment of Wearable Technology to Smart Teaching Environment Construction

Liu Haitao1, Shang Jun1, Wu Xu2
(1.Information and Networking Center of Central South University, Changsha Hunan 410083; 2. Information Science and Engineering of Central South University, Changsha Hunan 410083)

Wearable technology is considered to have vast market potentials. Innovative technology also brings new opportunities for the development of smart education. This article describes current development status quo of wearable technology, summarizes its characteristics and also analyzes its application prospect in the smart education. The smart education based on wearable technology which is built around design principles realizes interconnection and deeper integration among human beings, machine and materials.Not only can it highly integrate education resources and raise students’ interest in learning, but also enhance teaching relevance,cultivate students’ creativity to achieve an＂all-time, all- dimensional and all-fields＂interactive and personalized way of teaching and learning.

Wearable Technology; Smart Education; Education Cloud; Personalized Learning

G434

A

劉海韜：高級工程師，碩士生導師，研究方向為網絡教育技術和計算機應用(htliu@csu.edu.cn)。

尚君：碩士，研究方向為網絡教育技術和計算機應用(130712001@csu.edu.cn)。

吳旭：碩士，研究方向為計算機科學與技術(xuwu83@sohu.com)。

2016年7月20日

責任編輯：宋靈青

1006—9860(2016)10—0057—05