泛在學習環(huán)境下個性化知識感知地圖系統(tǒng)的構(gòu)建

【摘要】3G通訊、微電子和網(wǎng)絡技術(shù)的高速發(fā)展，為泛在學習提供了廣闊的發(fā)展前景。本文在簡要介紹泛在計算概念的基礎上，闡述了泛在學習的內(nèi)涵和特點，并運用游戲中的動態(tài)地圖理念、移動GPS定位技術(shù)和RFID標簽探測技術(shù)，構(gòu)建泛在學習環(huán)境下的個性化知識感知地圖系統(tǒng)，使學習者能夠準確了解幫助者的信息和快速尋找到離自己位置最近的協(xié)作者，并對其組成要素、基本結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)支持及具體應用進行了分析和研究。

【關(guān)鍵詞】泛在計算；泛在學習；教育資源地圖；個性化知識感知地圖

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 04—0035—04

一 引言

隨著3G通訊技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)高速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、高性能計算機、大型數(shù)據(jù)庫、傳感器、具有移動計算功能的移動終端已經(jīng)融合成一個無處不在的網(wǎng)絡，這就是所謂的泛在網(wǎng)絡（Ubiquitous Network）(鄔賀銓， 2005) [1] 。這一網(wǎng)絡為學習者提供了可以隨時隨地進行泛在學習的環(huán)境。

然而，由于網(wǎng)絡資源的紛繁復雜，在泛在學習環(huán)境中，學習者要想在最短的時間內(nèi)獲取所需的信息，僅靠在網(wǎng)上與他人進行資源共享和交互是遠遠不夠的，還需要人與人之間現(xiàn)實交互作為補充。這就需要學習者清楚的知道所需資源的具體信息及所在位置，從而方便尋求所需的幫助者。就如同在玩復雜的大型游戲時，要有一個動態(tài)的地圖不斷給玩家提供清晰的導航指示。對于泛在學習環(huán)境中的學習者來說，如果能提供一個類似的個性化知識感知地圖，既能讓學習者清楚地了解不同幫助者的信息（如幫助者的個人的情況、技能、特長等）又能正確地定位資源的現(xiàn)實位置；這對學習者解決問題、尋求幫助有非常重要的導向作用。鑒于這種需求，本文在介紹泛在計算概念的基礎上，闡述了泛在學習的內(nèi)涵和泛在學習特點，并運用游戲中的動態(tài)地圖理念和移動GPS定位技術(shù)，構(gòu)建泛在學習環(huán)境下的個性化知識感知地圖系統(tǒng)模型，并對其應用作為簡要說明，以期對推動泛在學習的普及和應用做出有益的探討。

二 泛在學習概述

1 泛在計算和泛在學習

泛在學習是泛在計算技術(shù)支持下的一種新的學習方式。所謂泛在計算是指無所不在的，隨時隨地可以進行計算的一種方式[2]。它是通過廣泛存在的計算機實現(xiàn)的，泛在計算技術(shù)涉及到無線通信技術(shù)、人工智能、超微型計算機集成技術(shù)和軟件工程技術(shù)等。是由美國的馬克#8226;威士（Mark#8226;Weiser）提出的概念。他基本設想是把計算機微縮成各種大小嵌入到每件事物，通過無線通信悄無聲息地為人們服務。泛在計算的最高目標是使計算機廣泛存在而隱藏其可見性[3] 。

泛在學習是在數(shù)字化學習（e-leaming）的基礎上和泛在計算技術(shù)支持下發(fā)展起來的，運用移動設備可以隨時、隨地、隨身地進行學習[4]。在信息量日益劇增的現(xiàn)代社會里，泛在學習的靈活性滿足了學習者在新時代下對信息獲取的需求，真正實現(xiàn)了以學習者為中心的理念和愿望。

2 計算機支持下泛在學習的特點

信息技術(shù)的高速發(fā)展，使學習變得更加普遍，它不再局限于特定的時間與地點，學習者可以采用多種方式隨時隨地的學習自己感興趣的內(nèi)容，也就是所說的泛在學習。計算機支持的泛在學習的主要特征[5]（付道明，徐福蔭，2007）包括：

（1） 永久性（Permanency）：學習者可以將每天的學習進度記錄下來，在不刪除的情況下，學習者永遠也不會失去學習進度。

（2） 易獲取性（Accessibility）：整個學習過程是學生自主控制的，學習者可隨時隨地獲取文檔、數(shù)據(jù)或者視頻資源。

（3） 即時性（Immediacy）：無論學習者身處何地，他們都能即時獲取信息，這為學習者即時解決問題提供了便利。

（4） 交互性（Interactivity）：通過同步或異步的交流方式，學習者可以與專家、教師或者學習伙伴進行交互。

（5） 教學活動的真實性（Situating of instructional activities）：學習可以真實地融入我們的日常生活，我們面臨的問題或習得的知識是自然世界里真實可信的。

（6） 適應性（Adaptability）：學習者可以在合適的地點以合適的方式獲得正確的信息。

（7） 協(xié)作性（Collaborative）：學習者可以在計算機支持的泛在協(xié)作學習（Ubiquitous CSCL）環(huán)境中實現(xiàn)社會知識建構(gòu)和共享的社會認知過程。

三 實現(xiàn)個性化知識感知地圖的要素分析

計算機支持的泛在學習環(huán)境可依據(jù)學習者的需求和所處的位置來提供個性化的服務，是一種理想的協(xié)作學習環(huán)境。它主要運用RFID標簽（Radio Frequency Identification）來監(jiān)測學習者周圍的環(huán)境對象，并對每一個環(huán)境對象通過特定的關(guān)鍵字進行描述，也就是說，整個系統(tǒng)空間表征是由特定的關(guān)鍵字進行描述的，這些關(guān)鍵字分別定義了學習者的興趣、周圍環(huán)境的對象信息、以及教育資源內(nèi)容等。這種方法既方便管理，又有利于學習者有效的搜索。要實現(xiàn)這些功能，系統(tǒng)構(gòu)成應包含以下要素：

1 環(huán)境對象

它描述了學習者可利用的現(xiàn)實對象，如計算機、電子元件、學習資源等，并且每一個對象所對應的關(guān)鍵字都有詳細的功能介紹；另外，一個對象也可以和別的或者更多的對象共用一個或者更多的關(guān)鍵字。

2 學習者及其特征

學習者是這個學習系統(tǒng)的參與者，他們的相關(guān)資料可以從其個人信息庫里獲得，而個人信息庫主要由描述用戶特征的關(guān)鍵詞組成。不同的參與者都有自己的特征描述，他主要包括：學習者的首頁、進行的活動行為和已有的知識水平。首頁主要介紹學習者的個人信息和感興趣的主題，活動行為記錄著學習者利用這個系統(tǒng)進行的學習活動，而知識水平則記錄學習者已經(jīng)獲得的知識與技能。

3 學習者的位置和文件夾

學習者的位置在系統(tǒng)空間里以維度來表示，采用RFID標簽進行唯一的定位標識，來確定學習者的實際物理位置，不同位置的相對距離在系統(tǒng)中是預先確定的。學習者的文件夾主要用來存儲學習者已經(jīng)獲得或者將要獲得的教育資料。

4 環(huán)境目標地圖

環(huán)境目標地圖是給學習者提供實際空間虛擬化的目標導航圖，用來對每個目標及相關(guān)的信息進行準確地目標定位；從而方便了學習者搜索學習資源和尋求合適的幫助者，以及有利于個性化的學習和協(xié)作的進行。

5 教育資源地圖

教育資源是指與學習有關(guān)的教育資源，它包括書本、講稿、視頻、音頻等。每一個資源都有相應的標識關(guān)鍵字，一個資源可以和其他資源共用一個或者更多的關(guān)鍵字。教育資源地圖是利用二維空間地圖來描述資源具體情況，一維是描述學習者的請求與潛在資源之間相匹配的程度，另一維度是描述從學習者所處位置與資源所在位置的距離。

四 個性化知識感知地圖系統(tǒng)模型的構(gòu)建

1 個性化知識感知地圖系統(tǒng)模型的構(gòu)建

結(jié)合大型游戲地圖導航的理念和移動GPS定位技術(shù)思想，構(gòu)建的個性化知識感知地圖系統(tǒng)模型（如圖1）所示：

該系統(tǒng)模型由客戶端和服務器端兩部分組成?？蛻舳说膶W習者可以使用PDA等無線上網(wǎng)設備登陸到服務器。同時，客戶端的每個無線終端（如PDA）都有RF閱讀器，在系統(tǒng)中不同的學習資源利用RFID標簽進行唯一標識[6]。學習者可以隨時隨地的進入這個網(wǎng)絡系統(tǒng)，并很方便的讀取每位相連的學習者相關(guān)信息及其資源，同時系統(tǒng)能夠根據(jù)學習者的需求，搜索相關(guān)資源以及顯示合適的幫助者。根據(jù)系統(tǒng)的提示，學習者可以方便的查閱資源或者選擇恰當?shù)膮f(xié)作者，并依據(jù)自己的需要與不同幫助者傳遞需求信息，進行實時交互進而獲取最大的幫助。

服務器端主要是給學習者提供相應的學習支持服務，它主要由以下模塊組成：

（1） 學習者模型：主要是學習者個人信息，如姓名、年齡、性別、職業(yè)、興趣愛好以及過去的行動等。

（2） 對象模塊：是能被學習者利用的現(xiàn)實教育資源。

（3） 位置模塊：學習者所處的建筑物和房間等環(huán)境信息及相應的物理距離。

（4） 資源模塊：教育資源信息具體描述，如標題，作者、類型、關(guān)鍵字等。

（5） 信息系統(tǒng)：為學習者提供了信息交流的環(huán)境。

（6） 監(jiān)測管理者：它主要負責監(jiān)控學習者現(xiàn)實的位置和資源。

（7） 搜索引擎：為學習者提供有效的教育資源搜索和提示相應的幫助者。

（8） 地圖發(fā)生器：主要描述學習者周圍環(huán)境的對象、教育資源，以及能提供幫助的學習伙伴的信息。

（9） 可視化地圖：動態(tài)地顯示學習者的個性化知識感知地圖，方便學習者明晰所處的環(huán)境。

2 系統(tǒng)模型的軟件支持

在個性化知識感知地圖模型中，要考慮相應的硬件設備，包括CPU速度和PDA的容量，為了得到很好的效果，很多計算過程都要在服務器上進行處理，客戶端的PDA主要用來提交和接收數(shù)據(jù)。服務器端的數(shù)據(jù)庫主要采用SQL2000來存儲和管理所有學習者的特征、行為、信息和學習者周圍環(huán)境對象。相關(guān)支持主要體現(xiàn)在下面兩部分：

（1） 探測——標簽：它采用客戶機/服務器模式。客戶機程序可以利用C++語言開發(fā)，主要用來讀取RFID標識的目標信息與所在位置等數(shù)據(jù)，同時與服務器的數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交換和存儲；服務器部分程序功能可用VC進行編寫，主要用來偵聽來自客戶機的信息包，并接收客戶終端的信息交換，即時進行學習者信息的存儲。

（2） 搜索——協(xié)作：這是整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心功能。采用客戶機/服務器網(wǎng)絡運行模式；主要利用ASP.net和在C#語言進行開發(fā)。[7]學習者可以應用自己的ID和密碼登錄到系統(tǒng)中，隨時隨地的使用網(wǎng)絡瀏覽器，瀏覽自己的文件夾和搜索學習資源，查看個性化知識感知地圖，方便了學習者進行協(xié)作學習與信息交流。它主要用到地圖生成器模塊和可視化地圖模塊。地圖生成器模塊是用來生成個性化知識感知需求信息，形成個性化知識感知地圖信息；并把這些信息傳送到可視化地圖模塊，從而動態(tài)的顯示出來?？梢暬貓D模塊是把地圖生成器模塊生成的地圖信息，利用FLASH技術(shù)轉(zhuǎn)化為內(nèi)嵌式的可視化地圖，實現(xiàn)不同學習者的個性化信息動態(tài)的顯示，從而為泛在學習環(huán)境中的學習者提供清晰的導航。

3 個性化知識感知地圖的應用[8]~ [11]

客戶端成功登陸后，用戶頁面顯示（如圖2）信息，在這個頁面中，顯示出相連的不同學習者信息，新信息用不斷的閃現(xiàn)的圖標來提醒示用戶，學習者可以方便的隨時單擊這些信息進行閱讀；瀏覽過的信息，系統(tǒng)會自動保存，同時對已回復的信息也會被標記出來。學習者可以從自己的PDA界面中瀏覽任何資源，如同瀏覽網(wǎng)頁一樣的方便，所要查詢的資源會按照類型、關(guān)鍵字，位置等動態(tài)的顯示在屏幕上。

在學習者尋求幫助時，可以利用搜索按鈕，進入搜索頁面（如圖3），在搜索頁面里，學習者可以利用關(guān)鍵詞進行搜索，搜索的結(jié)果，系統(tǒng)自動顯示出相應的關(guān)鍵字，這些關(guān)鍵字分別代表著一系列相關(guān)的資源。通過訪問這些資源，能夠很方便的獲取相應的信息。

學習者利用目標地圖查看資源時，系統(tǒng)就會提供一個對象環(huán)境的地圖（如圖4），在這地圖中可以顯現(xiàn)出不同的實物圖標，學習者可以通過圖標類型進行方便查詢。當學習者把光標移動到某一圖標對象時，相應的信息就會顯示在下面的文本框內(nèi)，為學習者提供詳細的對象信息。以便學習者知道所瀏覽對象的功能，以及了解到有什么資源對自己有所幫助。

學習者采用幫助者地圖瀏覽信息時，系統(tǒng)就會先返回到主頁，然后打開幫助者地圖頁面（如圖5），在這個頁面內(nèi)，不同頭像代表著不同的用戶信息，把光標移動到每個頭像上，就會把學習者的名字、興趣愛好和所處的位置等相關(guān)信息用關(guān)鍵字顯示在下面的文本框內(nèi)，通過單擊學習者圖標，系統(tǒng)就會轉(zhuǎn)到他的資源頁面（如圖6）從而得到更多的學習者個性化的資源信息，這樣使用者就會根據(jù)自己了解的情況及其自己的需要選擇最合適的教育資源和幫助信息以及挑選合適的幫助者。

五 結(jié)束語

泛在計算技術(shù)是信息技術(shù)重要的發(fā)展方向，在推動教育信息化的過程中有著重要作用。而泛在計算技術(shù)支持下的泛在學習代表著未來學習的新方向，在發(fā)達國家（如美國、日本等）已做了大量的研究與實驗，我國的清華大學也在做相關(guān)的工作。[12]本文從泛在計算的概念出發(fā)，討論了泛在學習的內(nèi)涵及泛在學習特點，結(jié)合大型游戲中動態(tài)地圖理念、移動GPS定位技術(shù)和RFID標簽探測技術(shù)，對泛在學習環(huán)境中的個性化知識感知地圖系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)和簡單的應用方法進行了分析和研究。相信在不久的將來，泛在學習會深入到教育教學的各個領(lǐng)域，從而真正實現(xiàn)無處不在地個性化學習目標。

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