可穿戴技術的特點及教育應用

陳文峰 溫李懿貞 趙慧臣

（1.河南大學 教育科學學院，河南 開封 475000；2.北京大學 教育學院，北京 100871）

可穿戴技術的特點及教育應用

陳文峰1溫李懿貞2趙慧臣1

（1.河南大學 教育科學學院，河南 開封 475000；2.北京大學 教育學院，北京 100871）

本文詳細介紹了可穿戴技術及其特點，可穿戴技術的發展前景，密切關注新技術的發展動向，而且在了解新技術應用的同時，研究、探索其對高等教育根本性的轉變，并提出了可穿戴設備使用的探索。文章特別針對其在高校教學和探究活動中的應用進行了闡述和構想，這對推動當前教育技術的應用，重構當前的教育結構，拓展教學空間，促進教育改革有重要的意義。

可穿戴技術；高等教育；教育應用

一、引言

“新媒體聯盟（New Media Consortium，NMC）由將近300個來自不同國家和地區的高校、博物館、學習中心、基金會等領先學習機構和組織組成，致力于促使新信息技術在教育中的研究、開發和運用。[1]《地平線報告》2015（高等教育版）是在新媒體聯盟與美國高校教育信息化協會的合作支持下，由來自17個國家的56名專家的研究成果匯集而成的。該報告旨在考察新興技術對高等教育教與學及創造性探究所產生的潛在影響。報告放眼2016—2020年，確定了18項極有可能影響技術規劃和決策的議題，包括加快高等教育技術應用的六大趨勢、面臨的六大挑戰以及六大技術進展[2]。

可穿戴技術是《地平線報告》2013版推介的新技術，在2015版中，可穿戴技術的采用時間預計在兩到三年內，這意味著“后智能時代”將融入生活。可穿戴技術研究的意義是技術設備可以感知每位用戶的行為，對生活產生巨大影響。正如楊宗凱教授強調ICT(Information and Communication Technology，信息、通信、技術) 已經和我們的生活密不可分，它改變著我們的生活方式、工作節奏和學習形式[3]。在終身學習、全民學習的今天，穿戴的智能化、便捷性，拉近了不同群體和信息的聯系，實現了功能和技術“齊飛”。

二、可穿戴技術的概述

（一）可穿戴技術的概念

可穿戴技術是一種研究如何把科技功能整合到人們日常隨身物品里面，并進行智能化設計，開發出符合用戶要求和需求的穿戴設備的技術。20世紀70年代，可穿戴之父史蒂夫?曼恩(Steve Mann）教授稱，可穿戴計算機是計算機系統“用戶定義個人空間，能夠一直使用設備進行信息處理和通信”[4]。在下文中，可穿戴設備與可穿戴產品、可穿戴計算機都是一個概念，是可穿戴技術在不同領域的具體應用。

（二）可穿戴技術的發展

可穿戴技術并非新概念，自谷歌推出谷歌眼鏡之后，沉寂多年的可穿戴技術又一次讓全球矚目[5]。13世紀的第一款眼鏡，材料是水晶，1762年John Harrison發明懷表，這都是古代的可穿戴設備。20世紀80年代，可穿戴技術已應用在當時非常流行的計算器手表或手表相機中。20世紀后期中國也介入了這個研究領域。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中國可穿戴技術的發展。2015年4月28日，“OFweek 2015中國可穿戴設備高峰論壇”以物聯網2.0時代下的產業爆點為主題，圍繞核心技術、軟件與算法、云計算與云服務、產業資本、工業設計等熱點議題，與業界共同探討當下可穿戴生態系統的構建。

圖1 可穿戴技術設備

為在可穿戴設備市場占據一方，許多大公司開始做足了準備。蘋果、谷歌、微軟、亞馬遜以及臉譜這五大國際平臺和國內的百度、盛大等公司對穿戴設備（圖1）的開發和設計正如火如荼地進行著。

加拿大學者麥克盧漢20世紀60年代提出“媒介是人器官的延伸，媒介是內外世界符號傳播的一種表征方式”的觀點，今天的可穿戴設備實現著人的器官功能，并延長著每一個功能[6]。在可穿戴設備時代，楊孝宗教授認為，“我們要實現的就是，將人圍著計算機轉變為計算機圍著人轉”，幫助人們更加方便地從事日?；顒踊騾f助完成特定的任務，真正彰顯“用戶為王”[7]。

（三）可穿戴技術研究及應用狀況

全球許多著名大學實驗室和科研機構已對可穿戴計算技術做了很長時間的研究和技術突破。

1.ACT實驗室：ACT實驗室是歐洲相當先進的研究機構，在普適計算、可穿戴計算和移動技術方面尤為突出，他們的研究重點是信號處理、模式識別和機器學習技術、數據分析技術。

2.麻省理工學院媒體實驗室：其在可穿戴技術方面的研究和開發不可輕視，他們在硬件科學的成績具有創新性和前瞻性。20世紀末期他們投入這方面研究，研制出首款智能工作系統。

3.多倫多大學ePI實驗室：多倫多大學人文智能實驗室是ePI實驗室的前身，現在是計算機視覺和智能圖像處理研究實驗室，研究專注于個人成像、介導現實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。[8]

4.谷歌X實驗室：谷歌X實驗室是谷歌秘密創立的創新實驗室。谷歌X實驗室計劃中有“百大沖出星際計劃”，正在起步階段，會有未來太空電梯、無人駕駛汽車、增強現實眼鏡、物聯網技術的投入。[9]

艾媒咨詢（IMedia Research）數據顯示，2012年中國可穿戴設備出貨量為230萬部，預計2015年可出貨4000萬部。隨著全球可穿戴設備的興起，中國可穿戴設備出貨量也將高速增長。美國咨詢公司高德納（Gartner）預計，2016年可穿戴設備全球市場規模將達到100億美元，預計到2018年，這一領域的全球市場規模將突破120億美元。[10]

三、可穿戴核心技術與特點

可穿戴技術憑借其核心技術及自身的特點，使其應用前景十分廣闊。

（一）可穿戴設備的核心技術

可穿戴設備作為一種新的智能機器，所具備的功能是建立在新技術基礎上的，其核心技術如下：

1.片上系統（SoC）

片上系統（SoC）是一個微小型系統，如果中央處理器(CPU)是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學術界一般傾向將SoC定義為將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器集成在單一芯片上。

2.嵌入式操作系統技術

嵌入式系統誕生于微型計算機，是嵌入到對象體系中的專用計算機應用系統。由于可穿戴計算機系統的體積和存儲空間十分有限，操作系統應盡量壓縮到“專用”的程度，并提高實時性。這使得嵌入式操作系統成為必要，這類系統常常是實時的和微內核的，并具有極強的處理多外設能力。

3.無線自組網絡技術

可穿戴計算機系統要伴隨人的活動并作為一個移動節點隨時聯網，多個這樣的節點構成一個特殊的網絡，稱之為自組網。在任何時刻、任何地點，不需要現有信息基礎網絡設施的支持就能快速構建起一個移動通信網絡，它是一組帶有無線收發裝置的移動終端組成的多跳頻、臨時性自治系統。

4.數據庫存儲與分析挖掘技術

可穿戴計算機系統需要在移動中訪問數據庫，這類移動式的數據庫管理技術將有別于固定的數據庫管理。移動數據庫具備以下特性：支持多種連接協議、完備的嵌入式數據庫的管理功能、支持多種嵌入式操作系統。

5.人機交互技術

可穿戴計算機系統是一個人與計算機密不可分的集合體，因此人機交互技術是可穿戴計算機系統中的關鍵技術，它解決了人與計算機之間的交互問題，通過這種交互提高了對環境的感知能力。

6.無線連接技術

當多達幾十個模塊同時分布于人的身體時，它們之間的連接線路會變得相當笨重而需采用新的技術，將使以上問題迎刃而解，那就是采用藍牙近距離傳輸技術。

7.高效能源技術

可穿戴設備伴隨用戶使用，需要一種長久、連續、穩定的供電模式而使設備能夠正常地運行，將人體活動的運動能量（跑步時腳底的能量、跳躍能量、身體其他活動產生的能量）、熱能和光能轉化為電能形式。[11]

（二）可穿戴技術的特征

1.可穿戴

可穿戴設備是平臺微型化、輕巧化、便攜化、簡約化，穿在用戶身上，人與設備的物理和思維關系更緊密，特別是在荒漠、水下等嚴酷環境都能進行操作和使用。例如，智能紐扣照相機就能像一般紐扣一樣穿戴在衣服上。

2.移動性

伴隨著用戶的日?；顒?，用戶可隨時操作。例如，會說話的智能鞋子，安置于鞋身各個部位的傳感器可以收集鞋子的運動信息并發出俏皮的語音評論，與手機應用連接，你如果久坐不動，鞋子會告訴你：“好無聊的時間，你需要動起來。”

3.用戶為中心

可穿戴技術的智能化在物理空間上表現在以用戶訪問為中心，達到設備為用戶服務，成為用戶的輔助設備的功能，更能延伸人體的肢體和記憶功能。例如小米手環，根據用戶需要可設定鬧鈴和跑步記錄。

4.交互性

可穿戴設備在幫助用戶獲取所需手機數據的同時，將數據進行處理，并將數據結果以可視化的形式向用戶進行呈現。例如，蘋果iWatch可以撥打電話和收發信息，也可以播放音樂和Siri語音搜索。

5.釋放雙手

應用多種方式進行數據傳輸和交換，使得人們獲取數據的同時，能夠用雙手進行其他操作。例如，谷歌眼鏡的拍照功能，在人們享受愉悅時，不用單獨拿出攝像機就能記錄美好畫面。

6.集成性

用戶身上的佩戴空間是有限的，可穿戴設備的需求是無限的。你不能把無限的穿戴設備全部掛在有限的身體空間上，多合一、具有豐富功能是用戶的期待。加州大學圣地亞哥分校的研究人員創建了一次性的可嵌入傳感器，可以分析一個人的汗水和唾液，進而改善人們的健康。

7.增強現實

增強現實是將虛擬的信息數據應用到真實的顯示場景，將合成的虛擬畫面、場景或系統提示信息疊加到真實場景中，以實現對現實的增強[12]。例如，以色列智能眼鏡Lumus，戴上 Lumus眼鏡，用戶用手指在空中滑動，點擊圖標、查看信息的指令就能夠隔空完成。

（三）可穿戴技術應用的原則

可穿戴技術正在被逐步應用到我們的生活中，在運用技術時，也要堅持一些的原則。

1.與時俱進

可穿戴設備是社會發展的產物，并隨著社交關系和學習資源社會化的發展，會逐漸“飛入尋常百姓家”，但是在這個過程中要遵守社會的準則，注意保護個人隱私和信息安全。

2.美觀實用

可穿戴設備要盡量做到“微”而“美”，不引起刻意的關注。利用可穿戴提升和增強用戶的感知與體驗能力，做到藝術和性能同等設計。

3.以人為本

以用戶需求為起點和落腳點是其設計原則。可穿戴設計不僅是一種文化內涵，更具有人文關懷，它要求把用戶的需求放在第一位，以系統化的思維推動用戶多元思考。如小米手環的應用軟件，用戶可以設定來電提醒振動、監測睡眠質量和睡眠深淺狀態。

4.互聯互通

用戶的時間都被網絡碎片化，可穿戴設備可用來搜集并處理碎片化的時間。它能將個人的記錄和感知進行存儲，例如，它能夠上傳看到的照片，接收信息和上網沖浪并支持多系統平臺?？纱┐髟O備和存儲設備通過云端實現更深廣的連通性和交互性。[13]

四、可穿戴技術在教育中應用的構想

（一）可穿戴設備在教育中的探究和發現

互聯網的發展為數字教育成長提供了廣闊空間，教育活動中的探究、記憶都需使用便捷的認知和增強現實的工具，來支持教育活動按照教育教學、學習理論進行，遵循學習者的內在學習過程而進行。

可穿戴技術在高等教育中很受熱捧，高效率是它的重要因素。谷歌公司的眼鏡產品能夠以免提形式顯示信息，能通過語音命令進行通訊，還能播放和記錄學生的培訓活動。這增強了醫學院的領導將谷歌眼鏡整合到學位課程中的信心，醫學院的學生則既可以從教師的角度學習醫療程序，也可以從病人的視角對病痛感同身受。例如，加利福尼亞大學歐文醫學院將谷歌眼鏡納入其學位課程中，涉及從第一、二學年的解剖學課程到第三、四學年的醫院實習輪換。

一些大學在繼續試驗可穿戴設備并將其納入正式的教育活動中，另一些大學的研究部門則進行了推進未來可穿戴技術設備的基礎性研究。賽瑞大學和奧爾登堡大學的研究人員利用可穿戴技術，實現在真實世界事件發生過程中實時收集大腦的行為數據。被測者佩戴一種新的腦電圖系統，在非傳統實驗室環境下進行日?；顒?，研究人員希望通過這種方式來了解大腦的結構、功能和過程。[14]

（二）可穿戴技術在教育活動中的應用價值

越來越多的高校開展有關“增強感應”的研發，如特制的手套，戴上它實施模擬手術或與某些科技裝備互動時能增強相應的各種感覺。麻省理工學院媒體實驗室對這一研究做了更大的努力，他們正在研發一種叫作“第六感裝置”的設備[15]，用戶把任何物體的表面變成各種交互界面，當攝像頭辨認并追蹤到用戶的手指運動軌跡的時候，這個吊墜狀的可穿戴設備就會在任何物體的表面上投影出相關資訊和信息。

柔性顯示屏是可穿戴技術發展的技術瓶頸。它具有低耗能、可視化的柔性平面，有耐磨損，可變化形狀的特性，電子紙就是其一。三星、LG等公司研制能彎曲的發光二極管（LED）顯示屏，Erogear 公司還研發出了一種可以被集成到各種衣服上的顯示屏。另外，亞利桑那州州立大學柔性顯示器中心(FDC)宣布突破性的柔性顯示器技術在可繞式、無玻璃的基板開發出世界首個觸摸屏主動矩陣顯示器，引人關注。[16]

（三）可穿戴技術在教育中的應用

社會的高速發展，教育范式及學習方式發生多樣化的變革。利用基于技術的建模工具，是諸多基于計算機的有意義學習的方法之一[17]。媒體設備作為思維與技術的物化產物，在教育技術的發展中產生非常大的影響，可帶來更高的教學和學習效率,使非正式學習和個性化學習環境再度成為教育的焦點。教育是可穿戴技術發展空間最大和最值得關注的領域，可穿戴技術與不同學習方式的結合將成為主流而應用于教育中，這將有可能徹底改變課堂的教學方式及學習環境，促進高等教育的智能化發展。

1.將可穿戴技術用于非正式學習

聯通主義理論有助于非正式學習的開展，可穿戴技術為聯通主義的實現提供橋梁作用。教育中的媒體，結合學習者的特性，考慮兩者之間的相互作用，“微課”就是典型的利用媒介的“微學習”，學習者可以通過零碎時間對某一具體知識點或某一專業詞匯進行深入了解，可穿戴設備為此提供了附著點，以利于開展混合學習。

柔性顯示屏技術使“微學習”更便利。比起平板電腦和手機，柔性顯示屏更加輕便，將來隨著技術的不斷發展，它的價格可能會比平板電腦和手機更加便宜，對于學習者來說更易得。在今后的高等教育實踐中，將柔性顯示屏引入高校，讓學生利用“電子紙”隨時觀看和查閱學習內容，將“微課”中的內容嵌入柔性顯示屏提供給學生，將呈現形式與表達方式更好地融合，讓學生在課堂之外便捷、隨心地進行“微學習”。

2.將可穿戴技術用于個性化學習社群的建立

在我國高等教育中，學習者無中考、高考的應試壓力，個性化學習存在的空間和可能性更大，因而學習者更能控制自己的學習策略和節奏。中國目前提倡的素質教育也強調對學生要“因材施教”，發展靈活、多樣、開放、終身個性化的學習范式便有可能，可穿戴技術應用于個性化學習就有了價值。

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，并發現相關學習社群。擁有者可以從中聚集信息，并根據一定劃分標準形成不同類型的信息庫，例如可以根據使用者的不同喜好、傾向對用戶分類。意大利牛仔品牌Replay生產出配有藍牙的牛仔褲，能更新Facebook當前狀態。其功能還能隨時擴大，支持用戶更新各種社交媒體的狀態，在用戶更新狀態的同時，Replay從中進行信息收集，并根據用戶的不同需求和愛好等對用戶進行分類，再將與用戶同組中的其他用戶推薦給該用戶，如此形成社群，在此社群創客（Maker）引導下，帶領群體產生創意，激發創新,探究學習。

3.將可穿戴技術用于特殊專業教學

對于一些特殊的專業，比如醫學、地質學、航空學等，在這些專業的教學中，如果能引入可穿戴技術，那么學習的難度和危險將明顯降低，而且在模擬真實情境中進行有效教學的機會將大幅增加。

佩戴配置了可穿戴技術的手套，使用者就能夠在不直接接觸物體的情況下感知并遙控對象物體?？紤]將此技術應用在醫學教學中，尤其是在醫學實習階段，不僅可以讓學生真實體會手術中的感覺，而且不會增加病人和學生的風險和負擔。都柏林城市大學的一個傳感器網絡技術中心，研究設備能檢測出有害氣體然后能迅速發出警報。如果將這種技術應用于化學、地質學、考古學這一類專業的教學中，師生的安全便多了一重保障。

4.將可穿戴技術用于輔助建立“個人云”資源中心

利用現在無處不在的互聯網絡世界和便捷的物聯網、大數據技術，支持數據、信息收集，同時制定和設置通過可穿戴設備實施學習分析技術和數據挖掘技術，將學生數據和智能化數據收集起來，對信息進行篩選、處理、評估和反饋，為學習者精心傳送需要的泛在學習的個性化資源，指導學習者的學習計劃，形成一個自我管理、調控的智能調控中心。這個中心能記錄學習規律和狀態，實現人機一體的有機結合。學習者可以在智慧教育的環境下利用學習資源進行反復學習與構建，進行深度學習。

五、反思與展望

國家在落實、推進《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020 年）》和《教育信息化十年發展規劃（2011—2020 年）》的形勢背景下，需注重國際教育技術領域理論研究和實踐應用相結合，關注其前沿發展動態。[18]為構建利用信息化手段擴大優質數字教育資源全覆蓋提供保障。

在為學習者實現隨時隨地學習需求提供全方位支持的同時，可穿戴技術也顯現出很多弊端，如信息安全問題亟待解決，為技術而技術在教學中缺少社交情感交流等。我們應持理性、客觀的態度看待可穿戴技術變革著傳統的教學環境和教學模式，使可穿戴技術更好地應用于教育信息化的進程推進。

參考文獻

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[17]Jonassen,D.H.Modeling with technology mindtools for conceptual Change [M].Pearson Education.2008.25.

[18]教育信息化十年發展規劃（2011—2020年.[EB/OL].http:// www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/ s3342/201203/xxgk_133322.html,2012-3-13/2014-12-13.

(責任編輯 杜丹丹)

Characteristics and Application of Wearable Technology in Education

CHEN Wenfeng1,WEN-LI Yizhen2,ZHAO Huichen1
(1.College of Education Science,Henan University,Kaifeng,Henan,China 475000); 2.Education Institute of Peking University,Beijing,China 100871)

This article introduces in details about the characteristics of wearable technology,its developmental prospects and focus on new technology trend.In respect of understanding new technology application,at the mean time exploring and studying its fundamental shift of the higher education,this article puts forward an exploration of wearable-device application.It specifically expounds and visualizes higher education with explorational activities that has a significant importance to drive current education technology in application,reconstruct the current education structure,expand the teaching space and promote the education reform.

wearable technology;higher education;education application

G434

A

2096-0069（2015）02-0034-06

2014-12-12

陳文峰（1989— ），男，河南周口人，河南大學教育科學學院教育技術學碩士，研究方向為傳播新技術應用；溫李懿貞（1990— ），女，河南南陽人，北京大學教育學院教育技術學碩士，研究方向為學習體驗；趙慧臣（1982— ），男，河南永城人，河南大學教育科學學院副教授、博士，研究方向為教育信息化和知識可視化。