普適計算技術支持下的學習環境

【摘要】普適計算技術已在飛速發展，但它在教育和學習領域還涉足甚微，隨著技術的不斷進步和學習科學理論的發展，普適計算與教學環境相結合是不可抵擋的趨勢。文章從普適計算和有效學習的特點入手來分析普適計算技術的介入將使學習環境具有怎樣的特點，以及相對傳統的學習環境的優勢。

【關鍵詞】普適計算，學習環境，實習場，CSCL，績效

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097（2007）04—0015—04

一、普適計算環境概述

（一）普適計算的概念

普適計算（pervasive或ubiquitous computing）是經過主機計算（mainframe computing）、桌面計算（desktop computing）的發展階段出現的新的計算模式，它突破了用戶端坐在電腦前的限制，將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]。普適計算環境則是信息空間與物理空間的融合，從中人們可以隨時隨地、透明地獲得數字化服務[2]。通俗地講就是在人們沒有投入特別的注意力、非常自然的情況下，在學習或工作的現場、無需走到計算機前就能獲得相應的數字信息或服務。在普適計算環境中，每個設備都需要響應或預測用戶的各種需求，同時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，它依靠沉靜技術[3]，使計算和信息傳遞不再是一種工作或者技能，而成為我們生活中自然而然的一部分，這就是“普適計算”的理想境界[4]。

（二）普適計算技術支撐下的學習環境

多數學習理論的研究者認為，學習不是傳輸的過程，也不是接受的過程，而是需要意志的、有意圖的、積極的、自覺的、建構的實踐，包括互動的意圖—行動—反思活動[5]。學習環境則是支持學習者開展學習活動的一切活動、工具、規則、符號系統、關系等等。學習環境的主要功能是向學習者提供給養以影響他們的環境和意義的制定。一種學習環境會給養一種學習類型，養成一種類型的學習者。20世紀90年代學者研究的結果開放的學習環境、認知學徒制、建構主義學習環境、微觀世界、基于目標的場景、拋錨式教學、社會中介的傳播等教學模式被蘭德（Land）和漢納芬（Hannafin）概括為“以學習者為中心的學習環境” [6]。這種學習環境提供互動的、鼓勵性的活動，能滿足個人獨特的學習興趣和需求，在不同復雜程度下學習，支持個人在真實的活動中進行意義協商。布朗（Brown）和杜吉德（Duguid）的理想學習環境是：使學習者能以富有成效的方式，合法地、邊緣性地參與真實的社會實踐，然后逐漸成為實踐共同體中心的成員。

如今，技術（尤其是普適計算技術）已不再僅僅作為教學的媒體，只承擔信息載體的作用，而是分布式認知中的有機組成部分，在人與設備構成的學習環境中，認知活動在系統的各要素之間共享。普適計算嵌入在各種設備中，以無處不在的技術來維持并完善學習者與環境之間的平衡，其中每一個元素的參與由整個系統決定，成員的活動總是與其他的工具、符號或其他要素緊密相關，經驗鑲嵌在與環境的互動中，因為人類的心理是作為與環境互動的一個特殊的要素而產生和存在的，所以活動和學習是不可分割的，因此新舊知識的聯結從環境的給養和活動中得以生成和加強。學習者在這樣的環境中開展認知活動，獲取信息，解釋、組織并表達自己的知識，同時學習者在認知過程中還可能根據自己的需要對環境加以改造，使其不斷完善，學習者也通過對環境的改造而不斷進步，進而再對環境提出更高的要求，再對環境加以改善，如此循環，形成了學習者與學習環境之間的動態平衡，同時這種環境還可根據學習者的需要提供靈活自主的選擇。由此，在普適計算的支撐下，外部環境與學習者構成了一個開放的、多樣的、可持續的學習生態系統，其中的各個要素與環境相互作用，和諧共處，維持著動態的平衡。

二、普適計算學習環境的特點

普適計算借助其技術優勢，在完善學習環境方面有著突出的特點：

（一）自然真實的實習場

生態認知觀認為，所有的學習都是情境性的。如果學習了什么，學習的東西就會在某種途徑上對于該個體有意義[7]。認知靈活性理論(Cognitive Flexibility Theory)的主張者斯皮羅（Spiro）等人認為，學習必須是從多種角度的信息或多個案例來建立知識，這樣所學得的知識才能應用在多變且復雜的生活情境中，不會失去應用價值[8]。生態心理學主張學習產生于對源于環境的給養的互動性感知以及作用于環境的行動，學習活動必須拋錨在真實應用的情境中，活動必須是真實的，他們必須涵蓋學習者在真實世界中將遇到的大多數認知需求，并在共同體中廣泛地參與以發展自我。森杰（Senge）將這種學習活動環境稱為“實習場”[9]。

實習場能提供思維技能的指導和建模、提供給學習者反思的機會、學習者能在其中進行與專業領域相關的實踐、進行合作或協作性的工作等等。普適計算技術模擬出真實的或無法再現的場景，如視頻游戲一樣使學習者進入某一時空世界中，成為其中的一個角色，并參與到既熟悉又陌生的探索活動中[10]。學習者獲得沉浸感，從而將內心的信息帶入到真實的生活中，在復雜的、具有挑戰性的環境中重構信息。在賈斯珀項目中，若不是使用線性的錄像媒體，而是利用普適計算技術構造如同交互式3D電影的問題情境，效果可能更好：在“拯救受傷的鷹”項目中，讓學生自己利用身邊的設備來采集需要的數據（這種數據采集應是簡便易用的，無需專業知識），測風速、讀取飛機上剩余的油量等等，篩選出解決問題所需要的數據。實習場反映了真實的世界，但在時間、場景和活動上與校外情境是分開的，學習者雖不是合法的參與者，卻能夠實踐那些他們將在校外遇到的活動[11]。而且這樣的學習環境并沒有去簡化困境，而是給予學習者支持，使學習者在互動中建構了意義和身份，還被賦予了對困境的所有權和尋找解決方法的所有權，使他們感到對解決方法負有責任，因此不同的學習者會積極地根據自己已有的經驗發現所需的重要信息、尋找不同的解決方法。

（二）多維交互的智能環境

認知靈活理論指出，學習者在學習復雜和非良構領域的知識時，要通過多維表征、多角度的信息描述方式才能完成對知識意義的建構，才能夠達到對知識的全面理解，才能夠較好地超脫原有學習情境，遷移到其他領域[12]。研究表明，人們在學習的過程中，可以記住自己閱讀到的10%，聽到的20%，看到的30%，同時看到與聽到的50%，交談時自己所說的70%，即多種感官共同刺激產生的學習效果優于單一感官刺激學習，因此向學習者提供多感官的表征，以表達知識領域中固有的復雜性，使學習者以多種感覺通道來接觸環境，引導學習者的主動參與，是普適計算的另一優勢所在。

普適計算中一個非常重要的特征是覺察境脈的計算（context aware computing），利用它可以感知位置、身份、時間等境脈信息，無需用戶的注意。清華大學智能技術與系統國家重點實驗室的Smart Classroom中使用視覺跟蹤、姿態識別等方法來判斷目前教室中的境脈環境。歐盟的TEA(Technology for Embedded Awareness)計劃則是通過在日常器具，如咖啡杯、家具、手機等中嵌入傳感器來實現對物理空間的感知。隨著技術的進一步發展，還可實現無縫遷移：用戶或用戶的任務在移動過程中，與該任務相關的歷史狀態、境脈信息也同時隨著移動，而用戶周圍可用的計算環境和軟件資源也動態地發生著適應性的變化[13]。清華大學智能技術與系統國家重點實驗室的Smart Classroom 能夠自動判別課堂當前的焦點，自動地將合適鏡頭的視頻傳送給遠程的學生。遠程學生可以和教室中的學生一樣參與課堂教學，如發言和板書等。講課過程還可被自動記錄成為可檢索的復合多媒體文檔，作為現場課件使用[14]。教師的身份通過對人臉圖像和講話聲音的識別來實現。教師就像在普通教室中那樣通過語音和手勢就可進行教學，而無需坐在計算機面前。此外，在此智能空間中還引入了基于虛擬人像(avatar)技術的一個虛擬助理角色，由它代表智能空間來協助用戶與智能空間的交互。

（三）實時科學的監控環境

有意義學習的最佳心理狀態是要有安全感、放松感以及自我驅動，避免“換抵擋”（即感知范圍的縮小）[15]，學習者可利用環境中的工具來檢驗或調節自己的心理；施教者也才能改變教學的步調，使計劃適應學習者的變化。利用嵌入的計算設備科學且精確地監控學習者無意中表現的面部特征、肢體動作或其他生理指標，再通過儀器對數據的采集和分析，判斷學習者的心理和內化程度，以便于教學者或學習者自身調整計劃或狀態。一個人在有意義學習時，身體的某些機能如脈搏，會處于不同尋常的狀態，德西和瑞恩（Deci Ryan）就認為，真正學習的結果是歡樂和興奮，所以如果采集到學習者的某些項目的數值處于某個值域范圍，可能他已經體會到了成功的樂趣，他非常享受這次的學習經歷；相反如果在這個值域范圍之外，學習者可能是抵觸學習的、是低效的，沒有完全內化。英國伯明翰大學的傳感襯衫（SensVest）就能在使用者運動中對腿、胳膊、心率、體溫甚至心電圖的數據進行記錄[16]，從而分析其運動姿態是否科學或健康狀況是否良好。

這樣的監控既是科學的，又是高效的，尤其在遠程教育的環境中。傳統的遠程教育系統中的教師是面向計算機的屏幕，而不是學生，這阻礙了教師與學生之間的面對面的交流。在基于智能空間（smart space）的遠程教育系統中教師可面向學生進行教學，同時又可充分地享受信息訪問和交互的服務，使遠程教育更加人性化。英國伯明翰大學設計開發的I-CSCL（Intelligent CSCL）系統要求學生在交互開始之前考慮成功協作的標準，系統依據該準則在交互過程中監控學生的行為，并將監控的結果反饋給學生，以此促進學生對交互過程和效果的反思[17]。

（四）可感知的協作環境

情境認知理論強調知識必須在真實情境中呈現，同時，學習還需要社會性的交互作用和協作[18]。維果茨基則認為人類的智能來自于我們的社會或文化，個體的認知發展首先是通過人際間（人與社會環境之間）的交互實現的，而不是首先通過內在的過程（內化過程）實現的，其最近發展區觀點也認為，學習者的實際發展水平與潛在的發展之間的差距可以通過他人的指導或同伴的協作來彌補。

CSCL（Computer-Supported Collaborative Learning）計算機支持的協作學習，是利用計算機網絡建立協作學習的環境，使教師與學生、學生與學生在討論、協作與交流的基礎上進行協作學習，但這種協作在目前多數都是無法感知的。普適計算技術則為協作學習提供了更為便捷的平臺，使各種設備和虛擬環境、學習參與者共同構成一個高效的學習共同體，參與者還能感知同伴的存在。實時協同技術就允許多個用戶實時參與一個任務，例如允許多個用戶通過網絡同時參與一個共享數據對象(文字、圖形，媒體等)在任何位置的編輯和修改、保證用戶的行為不受限制，任何一個用戶在這個任務中做出的動作，都可以及時地被其它用戶感知[19]，學習者也不必知道這種感知是如何實現的，從而為協作學習的所有參與者提供一個全透明的教室和多樣的學習形式。MIT媒體實驗室開發的Chart Circles用可伸縮的彩色圓圈標識某個成員的在線聊天活動狀態，圓圈的顏色代表特定的成員，圓圈的大小表示成員的活躍指數，圓圈之間的距離表示成員之間的緊密關系，即聚在一起的圓圈代表這些成員正在圍繞一個話題開展實時交互。

三、普適計算學習環境對學習的促進

（一）績效的提升

我們不管從事什么工作，首要的目標就是尋找低成本、高效益和高效率的方法，并將焦點放在人類行為者的收益和系統價值上，學習也是如此。“績效”是指人們在工作場所完成任務的成就或結果。績效技術的目的是為了提高人類的資本（可以用時間和機會的產品來定義），技術是一套有序化的、理智的程序，它可以將人類的潛能轉化為資本；因此普適計算技術在學習環境的構造過程中也力求達到對績效的提升，主要目的是尋找并減少現實與目標的差異，它的工作流程如下：

實踐中一些教學技術專家認識到：教學自身并不足以促進長期的、杰出的人類績效的提高。在工作場所大約只有20％的績效問題是由于知識和技能的不足而引起（知識和技能的欠缺是可以通過教學能夠解決的），因此，學習環境的作用是教育或培訓無法替代的。普適計算技術在績效技術實施的評估、分析和設計環節都能發揮作用：幫助學習共同體成員對各種數據的實時收集和自動分析；在設計階段可以提供大量的輔助工具或模板，幫助學習者有針對性地改進學習方案，這些都是在學習者專心與學習活動的狀態下進行的，學習者主觀的學習效果不僅不受影響，而且使人的認知負荷得到釋放，學習效率相應提高；客觀的環境又是精確、高效和自動化的，在計算、模擬、數據分析等方面具有絕對的優勢。當個人的績效得到提升，組織的績效會得到更大程度的提高，畢竟整體是大于部分的總和的。因此普適計算的介入對學習的個體績效和組織績效都能起到提升的作用。

（二）對學習環境理論的發展

1、分布式認知

薩洛蒙（Salomon）等人的研究證實，一些人造制品在分布式認知學習環境中應用時能拓展和支持人的智能，人們可以將一些認知工作轉卸到設備上，設備在完成特定任務上比人更有效率；無論制品的設計是否幫助我們內化和發展認知技能，利用制品會產生認知留存[20]。

普適計算能將計算技術鑲嵌到更多的物品當中，使學習者能夠將認知鐫刻在更多的制品上，通過制品的記錄和表征內化到自己的思維之中，知識得以提煉并可遷移到以后的認知活動中，促成學習者的分布式認知活動，從而提高學習或工作的效率。因此，普適計算學習環境不僅是建立在分布式認知的理論上，并且拓寬了學習者的認知活動的范圍，增加了鐫刻系統的種類，延展了學習者的智慧，增強了學習者的信息加工能力。

2、活動理論

活動理論者認為，有意識的學習和活動完全是相互作用和相互依靠的，個體的所知是基于有意識的意義的形成和活動的互動[21]。因此學習活動在學習環境的構成上是不可或缺的關鍵一環，而學習活動系統同樣是包括主體、客體、工具、分工、共同體和規則在內的一個完整系統。普適計算的介入不僅豐富了活動理論，因為智能化的中介給養活動具有更強的交互性、活動內容更加多樣化，讓活動在學習的宏環境中倍顯重要，而更應強調的是它能提供反饋和反思的機會，使學習者更加關注活動的本質，進而讓學習成為生活中的習慣。

普適計算把信息和計算無聲地帶進我們的生活空間，改變著我們的生活、學習，甚至思維的方式，使學習的環境更加豐富和便捷。普適計算環境中的學習也隨之呈現出更多樣化、更遵循學習規律的趨勢。尤其目前學習者對技術的認知還普遍比較有限，普適計算環境不僅能促進學習者的有效學習，還能在日常的生活中提升廣大學習者的技術素養。隨著學習科學的進一步發展，以及與普適計算環境的磨和，還會產生對學習環境的更高要求。我們都希望普適計算技術也能不斷調整和創新，以更快的速度和更多樣的變化來改善人們的學習和生活。

參考文獻

[1] Weiser M. The computer for the twenty first century.

Scientific American，1991，265(3):94～104

[2] 徐光祐 史元春 謝偉凱 普適計算計算機學報 2003年9月第9期第26卷

[3] 或稱平靜技術：當人在使用計算機時，人依舊處于安定和控制之中、使人感覺平靜和舒適的技術，它使人能夠較好地控制注意力。平靜技術有三個特征。第一，注意中心和邊緣之間可以很容易移動。第二，通過把更多的細節放入邊緣，可以增強邊緣的延伸。第三，邊緣可以輕易地把我們與大量熟悉的細節相連接.

[4] 普適計算：無處不在的人性化服務 http://www.ybkj.gov.cn/news/print.asp?newsid=12302 2006-10-17

[5] 戴維#8226;H#8226;喬納森 主編 鄭太年 任友群 譯 學習環境的理論基礎 2002 P3

[6] 戴維#8226;H#8226;喬納森 主編 鄭太年 任友群 譯 學習環境的理論基礎 2002 P5

[7] 戴維#8226;H#8226;喬納森 主編 鄭太年 任友群 譯 學習環境的理論基礎 2002P136

[8]楊家興 在線教學的理論基礎與教學制度選擇http://www.edu.cn2006-07-28

[9] 戴維#8226;H#8226;喬納森 主編 鄭太年 任友群 譯 學習環境的理論基礎 2002 P29

[10] 雷鈉特#8226;N#8226;凱恩 杰弗里#8226;凱恩 著 呂林海 譯 創設聯結：教學與人腦 華東師范大學出版社 2004P98

[11] 戴維#8226;H#8226;喬納森 主編 鄭太年 任友群 譯 學習環境的理論基礎 2002 P29

[12] 黃榮懷CSCL的理論與方法Http://www.elec.bnu.edu.cn/ ~huangrh 2006-7-27

[13] 張德干 尹國成 史元春 徐光祐 曾廣平 普適計算中的無縫遷移策略控制與決策 2005年1月第20卷第1期

[14] 史元春 智能空間: 和諧的人機交互環境 計算機世界報 2006年09月18日 第36期 B13、B14、B15

[15] 列斯力#8226;哈特，1983 雷鈉特#8226;N#8226;凱恩 杰弗里#8226;凱恩 著 呂林海 譯 創設聯結：教學與人腦 華東師范大學出版社 2004 P58-59

[16] www.eee.bham.ac.uk/pcg/2006-10-22

[17] 劉黃玲子 黃榮懷 樊磊 宋彬彬 CSCL交互研究的理論模型 中國電化教育 2005年4月 總第219期

[18] 黃榮懷 CSCL的理論與方法http://www.elec.bnu.edu.cn/huangrh 2006-7-27

[19] 復旦大學協同信息與系統實驗室網頁 http://cscw.fudan.edu.cn/ _Cooperative.htm2006-10-21

[20] 戴維#8226;H#8226;喬納森 主編 鄭太年 任友群 譯 學習環境的理論基礎 2002 P120

[21] 戴維#8226;H#8226;喬納森 主編 鄭太年 任友群 譯 學習環境的理論基礎 2002 P97