努米納項目：用手持計算機促進學生學習

許忠信

一、摘要

近年來計算機技術有了很大進步，但關于隨時隨地可以連接而且具有豐富資源共享的虛擬教室的愿望還遠未實現。為了滿足這方面的需求，努米納項目的研究人員開發了一個移動教學環境來促進學生之間和師生之間的合作。

廣泛部署的無線網絡和迅速普及的手持計算裝置使移動計算成為現實。現在在咖啡館、書店、機場、旅館和其他公共場所到處都有“熱點（Hotspots）”，與此同時許多高校校園也在變得“無線化”了。新的基礎設施讓我們得以開發全新一代的教育應用軟件以及引入全新的教育和教學理念與方法。

技術融合使小巧的計算平臺，如袖珍型的PC，具有支持電信服務、音視頻播放以及數學計算、字處理、電子表格和標準PDA功能的能力。包裝在一起的這種手持裝置可以替代傳統上學生放在背包里的那些電子硬件，如手機、MP3播放器和計算器。而筆記本電腦及平板電腦在校園也空前普及。

美國各地的高校學生總是隨身攜帶并越來越多地使用移動計算裝置。隨著這種技術的普及，學校將設法把其整合到教室環境。遺憾的是現在尚沒有什么適合手持設備的高質量教育軟件，尤其是在數學等科學領域。

若干美國高校，包括斯坦福、德斯莫因斯地區社區學院和加州大學蒙特里灣分校現在已經在若干課程中要求學生使用移動計算裝置，而其他上百所大學則在一些示范性項目中檢驗這樣做的可行性。77%以上的美國高校都在某種程度上使用了無線網絡，并在校園范圍內提供了無縫的接入。

1999年北卡羅來納州大學威明頓分校陸續建立起校園范圍內的無線網絡基礎設施。與此同時努米納項目開始進行課程教授過程中使用移動裝置的實驗。該校一個包括數學、計算機科學和化學方面的跨學科研究人員團隊在過去幾年主要在本科生教學上實驗了許多手持裝置和應用軟件。

我們大量的經驗表明，不管是使用市場上已有的軟件還是自行開發的軟件，利用手持裝置都可以更好地把學生吸引到教學活動中，而且能讓學生更好地理解數學和科學概念。另一方面我們也發現了手持裝置在技術上的不足之處。

為了克服這些不足，我們正在開發一個移動教學環境，目的是在一個虛擬社區培養學生之間和師生之間的合作。

二、項目背景

盡管北卡羅來納州大學威明頓分校廣泛使用教學技術已有近十五年歷史，但其在某些重要方面的影響仍十分有限，例如學生在課堂上的作用仍舊是被動的，考試還沒有添加多媒體的成分，而在大班教學時，仍無法利用計算機進行計算和建模。

我們認為手持裝置的移動性和通過觸摸屏進行人機交互的功能非常適于在教室和實驗室使用。而且當前一代的某些手持計算裝置已經有足夠的能力運行幾年以前還只能在超級計算機上運行的軟件，像分子建模和數值分析等。

努米納項目集中關注為大學的科學和數學方面的學生和教師進行開發、試驗和評估在手持計算裝置上的應用程序。表1列出了在整個項目歷史上用過的手持裝置，既包括用于大教室（125個聽課座位）的裝置，也包括用于小型實驗室的裝置。

在皮爾遜教育基金和北卡羅來納州大學威明頓分校的支持下，努米納項目的研究組首批采購了100個惠普公司的Jornada 690/720系列手持計算機并在化學、數學和計算機系館安裝了IEEE 802.11b無線網絡。1999年這種網絡剛剛推出，價格相當昂貴，例如單個思科Aironet340接口價格就達980美金。

研究組使用這些器件開發了各種新穎的應用項目，如基于Web的學生交互系統試用版、與袖珍Excel一起使用的做圖軟件和為了使用由Hypercube公司開發的一個手持裝置上的分子模擬程序而編制的指導材料。其他為學生開發的應用項目還有微軟的袖珍Word、袖珍Excel和IE瀏覽器、一本化學入門電子書籍和幾個DOS環境下的統計軟件。

2001年初，在掌上先鋒（Palm Pilot）快要取得成功時，袖珍PC（Pocket PC）開始取代手持PC（Handheld PC）。雖然較大的手持PC用于教學軟件比較方便，但我們很快認識到市場已經轉向袖珍PC，這是非常重要，不可忽視的趨勢。當年4月我們得到了國際的種子資金，購買了24個袖珍PC開始研究如何將其用于教學。圖1顯示了在北卡羅來納州大學威明頓分校科學實驗室用袖珍PC和數據采集裝置、鍵盤一起工作的情形。

三、手持應用系統

雖然在努米納項目進行過程中硬件有所變化，但除了有些軟件的升級以及某些個別教訓外，課堂的具體實現和應用軟件仍舊保持了連貫性。典型的場景是學生來到教室或實驗室，從一個充電車上領取一個機器。學生通常每人收到一個自己的裝置，但有時也會在一個組里共享一臺裝置。在完成課業后，離開教室或實驗室前學生把機器歸還到充電車。

1.學生響應系統

努米納項目最受歡迎的一個應用軟件是“學生響應系統（Student Response System，SRS）”。學生可以用手持計算機回答教師的提問，學生響應系統將這些響應存放在遠程數據庫并將之共同顯示在教室前面。學生響應系統是在服務器端的Web應用，以動態服務器主頁（Active Server Page，ASP）的形式實現。由于這一系統完全基于Web，因此在客戶端除了Web瀏覽器不需要任何其他軟件。

在應用此系統時教師提出一個多選擇、對錯選擇或是非選擇形式的問題，然后把學生導向一個網頁，在學生的計算機上生成一個Web表格，學生即可通過該表格遞交答卷（允許使用多個問答方式）。后端數據庫僅存儲學生對問題的響應，不存儲有關學生的信息，因此響應是匿名的。

與傳統教室通常只有2%～3%的學生回答教師提問成為鮮明對照，使用學生響應系統幾乎所有的學生都會回答教師的提問。這表明當看到大家都在同樣回答問題，而且回答是以匿名的形式時，學生會覺得更自在。

學生響應系統的另一個好處是教師可以馬上看到學生對剛講授內容的理解情況。這種實時反饋讓教師可以及時對教學內容作出決策，以更好適應學生需要。

與今天流行的紅外線或無線傳輸點擊技術不同，學生響應系統可以充分開拓袖珍PC運行Flash應用的能力。這使得學生響應系統得以提供更多交互方式和更有意思的響應類型。例如圖2顯示了一個Macromedia Flash的應用，讓學生可以在顯示的圖表上利用觸摸屏在特定區域標示若干點，系統可以把所有學生添加的點都顯示出來。

2.數學和科學應用

2002年努米納項目研究組開始研究在數學和科學課程教學過程中使用手持裝置的實踐。那時為手持機開發的這類應用鮮少，但近年來有若干這類應用開始在市場出現。最有用的是為以Windows為基礎的袖珍計算機設計的軟件，也有一些是為以PalmOS操作系統或以Linux操作系統為基礎的PDA軟件。圖3展示了在北卡羅來納州大學威明頓分校使用的裝置上數學和科學課程在屏幕上的顯示。

表2顯示出了數學課程的一些軟件，包括從計算器到電子表格到繪圖軟件，更詳細的資料可參閱網頁http://people.uncw.edu/hermanr/TechFiles/PPCMathSite.htm，但是其中許多應用所需的安裝經驗和編程要求超過了一般學生的能力，這樣的軟件沒有什么實際價值。

努米納項目成員還對在數學和科學課程中把手持裝置用于數據采集進行了實驗。例如一個研究項目要求學生用HP Jornada 720上的Data Harvest界面通過一個遠程探針收集和分析彈簧和梁柱震動的數據以求解一個控制微分方程（Governing differential equation）。

四、研究結果

努米納項目對在課堂上使用手持計算裝置作了大量研究。在校內進行的一個關于學生響應系統的研究表明除了在提問時達到幾乎百分之百的學生參與，系統還使課堂討論更加活躍，思想開小差的學生減少，并且設備分發和啟動所費時間甚少。

另一個校內研究檢驗了Pocket HyperChem的交互能力是否有助于學生學習。學生在化學課使用這一軟件建立分子的三維模型，優化其幾何形狀，測量化學鍵長度以及其他物理特性。我們發現那些在課堂上能在袖珍PC上旋轉分子的學生在相關測驗所得分數明顯高過那些只通過不具備旋轉功能的在線演示觀看分子模型的學生。我們還使用Pocket HyperChem設計了基于多媒體的關于分子建模的試題，要求學生在化學考試時完成準實時的計算。

2001年我們進行了一個關于在普通化學實驗室使用手持計算機和其他高技術工具的有效性的深入研究。學生使用袖珍PC版的Word通過一個文件傳輸協議(Scotty FTP)回答實驗前后的預習和總結問題，用一個較早版本的學生響應系統回答教師的提問。他們還可以使用其他袖珍PC的應用軟件，如Pocket Excel、GraphData、Pocket Internet Explorer、科學計算用計算器、Pocket HyperChem、電子版課本和一個交互式的元素周期表。

這一研究揭示了袖珍PC硬件的局限性，包括最低配置的輸入輸出、小屏幕和很短的電池持續時間，以及軟件的限制使得教室應用軟件成為其難以承擔的重負。例如學生難以可靠地將打印作業交付給本地網的打印機，在多個應用軟件之間移動時會遇到問題，不能將袖珍Excel的表格復制并粘貼到袖珍Word。數據采集軟件對學生可以采集和共享的數據也有諸多限制。

把學生應該完成的工作張貼到網上對教師也有些許麻煩，包括如何存儲、接入、打分以及把文件返還給學生。不僅如此，文件傳輸協議（FTP）還難以擴展到適應多教師、多助教和多教室的環境。

五、移動教學環境

這些研究結果促使努米納項目研究組成員尋求在教室和實驗室更為有效的手持計算裝置解決方案，以求最終在校園內任何時間、任何地點都可以實現移動計算。

1.集成化計算服務

為了支持真正的合作教學就需要一個軟件基礎設施把有線和無線的計算服務無縫地集成在一起。當前計算服務可以粗略地分為非聚合與聚合兩種。

非聚合服務包括專有的協議、入口或應用軟件如FTP、電子郵件、Web、聊天、短信息、遠程登錄（Telnet）以及Excel和Word。在這一層之上的是聚合服務——多業務協議，通常要求一個統一登錄系統（Common login，即用戶只需登錄一次即可無縫使用各個子系統），如Campus Pipeline、IBM Lotus Learning Space等。

我們建議在聚合服務之上再增加一個新的集成層以支持多路通信、團隊合作、增強型數據共享以及個性化應用層接入控制。沒有這一層就限制了把已有的教育軟件集成起來的能力。我們的初步研究表明這一增加的集成服務有巨大的潛力。

2.移動教學環境的目標

在集成服務概念的牽引下，努米納項目研究人員正在開發基于Web的移動教學環境，這將首次讓學生和教師可以在任何地方、任何時間進行合作，共同利用可以得到最有效的教育工具。

以這種方法，移動教學環境可以創造每周七天，每天二十四小時開放的虛擬教學社區。這個社區靈活、方便，可以進行各式各樣交流，如個人互動、報告、小組教學、研討會、小組研究以及講課等。

圖4表達了移動教學環境的體系結構，它有五個關鍵目標。

（1）支持多種設備和多種平臺。移動教學環境將為多種設備和平臺提供一個易用的環境。教師和學生可以訪問有線或無線網絡連接在一起的多種設備，包括平板電腦、掌上電腦、筆記本電腦、臺式計算機和智能手機，這些設備運行在MacOS、Linux或Windows平臺上。

（2）用戶Runtime模式。移動教學環境建基于一個更高效能和用途更為廣泛的用戶Runtime模式。現在我們日常使用的互聯網系統是建立在HTML的基礎上，具有大的局限性。Macromedia Flash MX和其他新一代的技術系統為我們提供了更理想的能力和可擴展性，去建立這個全新的模式。正如作為互聯網絡供應和互動工具開發的領軍企業Macromedia所估計，他們所開發的Flash Player有望能夠在估計因特網上98％的計算機上安裝。

（3）綜合組件集成。移動教學環境將為教學活動提供一個強大的、面向對象的模型，該模型集成了多渠道通信、個性化連接、協同學習和基于特點場合的服務，讓不同技能的教員能方便使用這一環境。這創造了一個現有商業軟件不可能實現的協同教學環境。

（4）豐富的資源共享。移動教學環境通過采用新一代Web服務加大數據交換力度，這些Web服務由可擴展標記語言(XML)、簡單對象訪問協議(SOAP)、Web服務描述語言(WSDL)以及通用描述挖掘集成協議(The universal description, discovery, and integration protocol)來創建。移動教學環境目前使用XML信息在Flash應用中獲取數據。服務器端應用邏輯是基于微軟標準IIS中的Web服務技術。服務器端應用由ASP創建，它能收發XML格式的信息給客戶端Flash應用。

（5）組件可重用性。最后，移動教學環境希望利用可重用組件來縮短開發周期，維護一個一致易用的界面，提高可靠性。

3.移動教學環境應用的實例

圖5顯示了在iPAQ PPC（HP公司推出的一種移動媒體伴侶）上實現的移動教學環境的幾個界面，其中包括登錄界面和兩個服務項目界面：人員查詢和課堂登錄名單列表。人員查詢可讓用戶確定無線網絡上另一用戶的位置，課堂登錄名單列表可讓同一門課程的師生彼此方便地聯系，表明了移動教學環境在大學生后端信息系統方面大有可為。

在屏幕下方是一排按鈕，可讓用戶激活根菜單并選擇服務。比如File transfer能夠把本機內的檔案傳送至其他人的計算機，甚至是遙控服務器的其他終端機。People能夠識別登入系統的用戶。Classroom and course提供各種通信選項，包括文本、音頻、視頻、白板等，并支持一對多，多對一以及一對一的通信；Services提供打印、場所感知、軟件升級、警報、用戶資料編輯以及移動學習環境版本和版權信息。

六、結論

盡管信息技術革命增強了接入和通信能力，虛擬教室還遠沒有實現。雖然許多教師將信息技術引入教學，但都主要集中在網上發布教學大綱、學習資料、網上討論區和電子郵件。軟硬件的不足仍然限制了更成熟的教育策略的實施，比如網上個性化補課、作業的電子評分等的使用。而且，也沒有多少老師嘗試綜合使用各類不同的信息技術進行教學。

現有教學系統未提供豐富的資源共享、場所感知服務，而多元化的交流往往也僅限于文本方式，并且系統存儲的信息不容易與教師計算機中的信息集成。最后，這些系統的設計本來就不是為移動設備而設計，可是要讓學生能夠做到真正隨時隨地學習，移動設備正是必不可少的有效工具。

努米納項目的移動學習環境旨在突破這些局限，提供一個更加熟的教學平臺。其中標準組件的部分主要依賴商業應用軟件，從而使移動學習環境無論在什么地方都容易推行。至于其他幾個附加的應用軟件仍然在開發階段；移動學習環境未來的目標是要更有效融合校園的核心數據庫和為已有的教學設備提供最大的增值。

七、致謝

本文工作在北卡羅萊納維爾明頓大學移動教學環境研究室完成，特別感謝該校信息系統部技術人員對本項目提供的支持和幫助。（Source: http://www.computer.org）