“技術賦能學習”視域下新興技術在教育APP中的應用前瞻分析

張國云 楊文正 趙梅

摘要：“技術賦能學習”強調以學習者為中心，技術為學習者的學習提供支持。教育APP是技術與學習融合的產物，其開發(fā)與應用必然隨著技術的發(fā)展而不斷改進。該文從“技術賦能學習”視角分析了以物聯網、云計算、大數據、三維計算和人工智能為代表的新興技術在教育APP中的應用概況，深度闡述了5種新興技術在教育APP中的應用前景，旨在從技術變化視角來預判教育APP的發(fā)展趨勢。分析得出：（1）以射頻識別為主的物聯網技術將促進教育APP對學習情境信息的自動感知，實現根據學習情境的動態(tài)變化為用戶提供智能化的學習支持服務；（2）云計算技術將促進教育APP向開源化、微云化和增效功能方向發(fā)展，為用戶提供按需自助的學習服務；（3）大數據技術可以增強教育APP對用戶學習行為的動態(tài)反饋和預測功能，為用戶的個性化學習提供精準服務；（4）以虛擬/增強現實為主的三維計算技術可以為教育APP用戶構建立體化學習場景，增強用戶的學習臨場感和沉浸式學習體驗；（5）人工智能技術將增強教育APP對學習者情緒的感知能力和“自然”交互體驗，使教育APP具有“智能導師”和“擬人類意識化”的功能，促使其向智慧型教育APP方向發(fā)展。

關鍵詞：技術賦能學習；教育APP；物聯網；云計算；大數據；三維計算；人工智能

一、“技術賦能學習”的內涵

“技術賦能學習”的觀點源自2010年美國聯邦教育部教育技術辦公室頒布的《國家教育技術規(guī)劃》（National Educational Technology Plan，NETP）。NETP2010的主題為“變革美國教育：以技術賦能學習”（Transforming American Education：Learning Powered by Technology），其愿景旨在強調以學習者為中心，技術為學習者的學習提供支持。NETP2010首次提出了一個“技術賦能的學習”模型，該模型突出了在以技術為支撐的時代，教育必須以學習者為中心，將學習者作為分析和設計整個學習生態(tài)系統(tǒng)的“邏輯起點”，技術應成為學習生態(tài)系統(tǒng)的組成部分而非作為教育應用中的孤立技能而存在，所有的教育技術都將緊緊圍繞學習者的學習活動而展開。作為“技術賦能學習”觀點的延伸，NETP2016（主題為“為未來做準備的學習：重塑技術在教育中的角色”（Future Readv Learning：Reimagining the Role of Technology in Education））進yi 步指出：“技術是推動學習變革的強大動力，它能夠幫助重建和提升師生關系，重塑學習和協(xié)作方式，能夠提供適應性學習體驗以滿足學習者的學習需求”。“技術賦能學習”體現了技術在教育領域應用從“技術為主”的導向到“學習者學習”導向的轉變，體現了人們對技術價值的理解從最初強調學習者“學會使用技術”到“應用技術學習”，再到“利用技術變革學習”的轉變過程。

語義層面，“技術賦能學習”泛指技術為人類學習賦予某種能力或能量，以更好地實現個體的學習目的；特指采用合適的技術支持學習者解決學習問題的能力，其目的在于改善學習者的學習績效（學習的效率、效果和效益）。例如，技術改變了人類學習的時空結構，使“人人能學、時時能學、處處能學”成為可能；技術豐富了信息表現/知識表征的形式，改變了學習資源的分布形態(tài)，為學習主體提供個性化的學習支持服務；技術支持師生和數據、內容、資源之間的無縫連接，有助于學習者與教師、資源、內容和學習伙伴之間進行全向互動；技術能為學習者構建逼真的體驗式學習情景和智能化學習環(huán)境；技術促使人們對“有效學習”及其影響因素的理解更加透徹等。“技術賦能的學習”特別聚焦于使用技術變革學習體驗和支持學習者進行個性化學習，通過個性化體驗幫助學習者更多地參與學習活動，讓學習者更好地實現個性化學習，有效促進學習者的個性化成長。

“技術賦能學習”的理論觀點是各種新興技術的逐漸成熟以及教育領域強調以學習者為中心價值取向相結合的產物，其凸顯了以學習者為中心，以新興技術為支撐的當代教育變革取向。作為國際教育信息化發(fā)展方向標的美國《地平線報告（高等教育版）》最新預測顯示：物聯網、云計算、大數據、三維計算、人工智能5種新興技術對教育發(fā)展具有持久和深刻的影響，引領技術變革教育的總趨勢。技術變革教育的根本核心在于“利用技術變革學習”，方興未艾的新興技術必然會引起學習者認知方式、學習方式和學習生態(tài)發(fā)生意義深遠的改變。5種新興技術賦能學習關系模型如圖1所示。

新興技術的持續(xù)發(fā)展給“技術賦能學習”增添新的內容，不斷豐富其內涵。例如，物聯網是互聯網的延伸，其主要功能是實現物與物之間連接，通過嵌入式感知技術進行信息和數據的收集。基于物聯網技術的感知能力主動獲取學習情境信息，根據學習情景的動態(tài)變化，為學習者提供智能化的學習服務，促使其進行隋景式的學習；云計算作為互聯網“云腦”的中樞神經系統(tǒng)，通過強大的計算能力對物聯網產生的海量數據，進行集中存儲和協(xié)同處理。云計算技術能為學習者提供按需自助的學習服務，促使其主動承擔自身的學習責任，學會按照自己意愿積極、主動、創(chuàng)造性地尋求知識，而非被動學習；大數據技術對存儲在云平臺上的數據（特別是非結構性復雜數據）進行實時分析，以挖掘數據背后隱藏的規(guī)律和價值。利用數據挖掘和學習分析技術，從學習行為軌跡、學習狀態(tài)數據中尋找學習者的學習困難和瓶頸位置，為其提供有針對性的學習干預和個性化學習支持服務；人工智能（ArtificialIntelligence，AI）基于海量數據的收集和挖掘之上進行深度學習，從而讓計算機做出類似人的判斷與決策。人工智能與三維計算技術的結合，讓人類的大腦產生“錯覺”，將視覺、聽覺、嗅覺等感覺器官與計算機系統(tǒng)發(fā)生相互作用，有效增強人機交互性能，使人們在其中獲得真實感和交互體驗。基于虛擬/±曾強現實（virtual Reality/Augmented Reality，AR/VR）和人工智能技術構建具有體驗式、交互性和智能化的學習環(huán)境，能夠極大地激發(fā)學習者的學習興趣和學習動機，給予學習者在現實世界中難以獲得的學習體驗，有效促進學習者高階思維、問題解決和創(chuàng)造能力的提升。

教育APP是“技術賦能學習”的典型應用，其整合了各種技術的優(yōu)勢，使學習變得移動化、社交化、游戲化、個性化和智能化，在潛移默化中逐漸改變著學習者的學習方式。作為移動計算技術和數字化學習相結合的產物，教育APP具有移動性、便利性、易用性、交互性和情境化的特征優(yōu)勢。目前普遍認為，教育APP是指“運行于智能移動終端的，能實現某些特定功能并能為學習者提供支持與服務的第三方應用程序”。新技術為教育APP提供了新的支持，新的交互方式；教育APP的功能、交互界面及其提供的學習支持服務必然隨著新技術的發(fā)展而不斷改進。為了深入理解新興技術與教育APP融合帶來的變化，本文從“技術賦能學習”視角對5種新興技術在教育APP中的應用概況作詳細分析，深度闡述5種新興技術在教育APP中的應用前景，藉此對教育APP的開發(fā)與應用實踐提供參考。

二、物聯網技術：促進教育APP對學習情境的智能化感知

（一）物聯網技術及其在教育APP中的應用概況

國際電信聯盟（International TelecommunicationUnion，ITU）將物聯網定義為：通過二維碼識讀、無線射頻識別（Radio Frequencv Identification，RFID）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯網通過各類傳感設備與互聯網連接，達到物與物之間的聯系，實現物與物之間的信息交換和通信。物聯網具有感知、傳輸、處理、應用、業(yè)務5個層次的網絡結構。其中，感知層是物聯網最主要的部分，能夠洞察最細微的信息活動，是實現智能化感知的關鍵。自動識別技術使物聯網具有超越人類常規(guī)視覺、嗅覺和觸覺范圍的高靈敏度感知能力，從而實現對所處環(huán)境信息的全面與主動感知；傳輸層將感知層收集的實時信息進行分類管理，通過有線、無線等不同方式將信息準確、可靠、有指向性地傳輸給信息處理設備，達到信息的完整傳遞；處理層對收集到的海量信息進行協(xié)同處理，實現信息的多視角分析；物聯網為人類提供更具靈敏、智能的服務，其最終目標是適應不同的應用需求，實現智能化服務。

物聯網中的自動識別技術已廣泛應用于移動教育領域，在教育信息獲取、傳輸、處理等方面具有較強的優(yōu)勢。自動識別技術是一種高度自動化的信息采集技術，它賦予了物體智能，實現人與物體以及物體與物體之間的溝通和對話。自動識別技術通過對字符、影像、條碼等記錄數據的載體進行機器自動識別，自動地獲取被識別物品的相關信息，實現信息的全面感知。根據應用領域和具體特征，自動識別技術可分為條碼識別、圖像識別、語音識別等具體的實現方式。例如，“掃描全能王”（CamScanner，CS）APP可以利用移動智能終端的攝像頭對紙質文檔進行拍照，生成高清晰的JPEG圖片或PDF文件，實現數字掃描。“掃描全能王”APP還可利用圖像識別技術對圖片中的文字進行識別，并快速將其轉換為準確率高的電子文檔，用戶還可對識別的文檔進行編輯和校正。“題卡掃描閱卷王”APP利用條碼識別技術，通過掃描學生答題卡，實現試卷批改的數字化、高效化。自動識別技術融入教育APP符合移動學習的泛在性和移動性等內在需求。

（二）物聯網技術在教育APP中的應用前景

基于物聯網技術的感知能力對移動學習情景信息獲取具有重要意義，為教育APP的智能化學習服務提供技術支撐。當前多數教育APP的信息獲取主要通過調用移動智能終端攝像頭的功能，進行二維碼或圖像掃描識別來實現信息的采集，往往受制于移動智能終端的硬件性能，從而難以獲得學習情境的全方位信息。未來教育APP應以RFID技術為主，融合藍牙、無線傳感網絡等技術對學習情境進行智能化感知，主動地獲取學習情境的信息。以此，教育APP可以根據學習情境的動態(tài)變化，為學習者提供即時、連續(xù)、有效的個性化學習資源，以及智能化的學習支持服務。

1.學習情境信息的全方位自動感知與主動獲取

位置（Location）、身份（Identity）、時間（Time）與活動（Activity）是移動學習情境的四個關鍵要素。在移動學習中，學習者周圍環(huán)境和學習行為狀態(tài)不可能是靜態(tài)不變的，而是一個動態(tài)變化的連續(xù)過程。通過對位置和身份信息不同時刻的屬性進行串接和組合表征，從而實現學習情境信息獲取的連續(xù)性和動態(tài)性。如果要對學習情境做出相應的重配置，為普適計算的上層應用提供透明、自適應的服務，則需要準確、實時地感知學習者的位置和身份信息。目前教育APP中所運用的條碼識別，圖像識別，生物識別等技術不具有位置定位和身份信息識別的綜合能力。物聯網的核心技術（RFID）兼具身份識別和位置信息獲取能力，并且具有高速運動物體識別，多目標識別和非接觸識別的功能優(yōu)勢。未來教育APP應基于RFID技術，融合傳感器、二維碼識別等相關技術，實現隨時隨地感知、主動獲取物體的位置、狀態(tài)等信息，為學習者動態(tài)定制適合學習情境的學習方式。

2.基于學習情境的個性化學習資源智能實時推送

移動學習環(huán)境是一個動態(tài)變化的過程，只有實時感知與追蹤不斷變化的學習情境，為學習者提供情境化的學習資源，才能實現移動學習的連續(xù)性與生成性，提高學習成效。目前的教育APP主要通過移動智能終端的GPS、加速計、陀螺儀、重力感應器、位移傳感器、光線感應器功能實現學習情境的感知，移動學習情境信息的感知與獲取不全面。在物聯網技術中，RFID兼具對物體的定位與辨識功能，并有快速、實時、準確的信息采集與處理的技術性能。未來教育APP應基于RFID技術，使一定區(qū)域的服務器能感知移動終端信息的變化，從而為學習者主動推送更符合其學習需求的個性化資源。

3.基于學習情境的多向信息交互

當前教育APP的信息交互主要基于移動智能終端的單一通訊方式，學習資源獲取和學習者之間的交流相對較少。物聯網則實現了“物與物、物與人、人與人”之間的多維度、多層面上的連接，增強了信息交互的多向性和流暢性，為學習資源共享和協(xié)同學習提供了支持。通過RFID、藍牙技術將移動智能終端與連接點、基站連接，構建高度智能化泛在學習空間，為學習者社會性交互提供信息化平臺與工具。學習者通過移動智能終端的教育APP獲取資源，并根據自己的學習需求尋求協(xié)同學習伙伴，進行協(xié)作討論，有助于學習者之間形成強烈的對話與互動，從而提升學習者的認知準確度和加深對知識的理解。

三、云計算技術：促進教育APP為學習者提供按需自助的學習服務

（一）云計算技術及其在教育APP中的應用概況

云計算是分布式計算、并行計算、網格計算等技術的發(fā)展。美國國家標準與技術研究院（NationalInstitute of Standards and Technology，NIST）將云計算定義為：云計算是一種資源利用的模式，它能以方便、友好、按需訪問的方式配置計算機資源池（服務器、網絡、存儲、應用等服務），用戶只需投入較少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互，這些資源就能夠被快速提供。云計算具有強大的存儲能力和運算能力，主要以基礎設施、軟件和平臺等形式對用戶提供“按需即用，即需即用”的服務，從而滿足了用戶的個性化需求，為其提供按需自助的服務。移動云計算是基于移動智能終端的云服務，是云計算在移動互聯網中的應用拓展。基于移動云計算的教育APP能以按需、易拓展的方式，獲取來自云端的基礎設施、軟件、平臺等服務，使教育APP更具移動便捷性和靈活學習的優(yōu)勢。首先，基于IaaS（Infrastructure as a Service，基礎設施即服務）將教育APP的運算任務和數據存儲放在云端，降低了應用程序對終端設備的硬件要求，使學習者不受學習設備的限制開展移動學習；其次，移動云擺脫了時間和地點的限制，云存儲帶來的大量學習資源，使學習者根據自己的時間通過教育APP自主地選擇學習資源進行學習；最后，基于SaaS（Softwareas a Service，軟件即服務）對教育APP進行應用服務接入，有助于教育APP的功能完善與個性化設計。

例如，“藍墨云班課”是一款基于云平臺的助教、助學APP。基于云計算技術，教師可將課件、微視頻、圖片、音頻、文檔等大量教學資源轉移到云服務平臺，并推送到學生的移動智能終端上，學習者可以享受到云計算技術帶來的資源共享服務。藍墨云班課APP將學習者在線學習的時間、學習內容、查看資源、簽到等學習行為軌跡詳細記錄在云端，形成學習者個體的過程性學習記錄，并最終以可視化形式呈現給學習者，如圖2所示。學生學習行為的實時記錄，為教師提供高質量的教育大數據，實現對學生學習的過程性考核。學習者可根據記錄隋況對自己學習狀態(tài)進行調整，使學習結果變得更可預測。

（二）云計算技術在教育APP中的應用前景

云計算徹底改變了移動智能終端的計算與存儲方式：應用程序運行在互聯網上的大規(guī)模服務器集群中，而不是運行在移動智能終端設備上，用戶所處理的數據存儲在互聯網上的數據中心而非本地。移動云計算使移動智能終端獲得云提供的彈性資源，云計算的虛擬化技術，分布式存儲與計算，以及“軟件即服務”功能將在教育APP中得到應用，促使教育APP開發(fā)向開源化、微云化和增效功能方向發(fā)展。

1.教育APP開源化

云計算技術的發(fā)展，為開源軟件的應用提供了新的契機。云計算提供的“軟件即服務”與開源軟件所提倡的“軟件免費、以服務形式付費”的理念不謀而合。這都促使教育APP向著開源化方向發(fā)展，以實現教育APP具有更強的可擴展性和靈活性。不具開源性的教育APP無法讓用戶在原有APP功能基礎上，根據學習需要進行二次開發(fā)，用戶只能通過連網下載學習資源到終端，且為教育APP軟件的不斷升級、更新來支付較大的費用，使用成本較高。基于云服務平臺的教育APP可充分實現軟件的開源化，APP架構具有易收縮性，學習者可以自由設計虛擬學習環(huán)境、構建虛擬學習社區(qū)。教育APP將所有資源和應用程序整合在“云”端，為用戶提供“按需而用，即需即用”的服務，極大地增強了教育APP的靈活性和敏捷性。并且，通過具有開源性的教育APP軟件構建虛擬學習社區(qū)，為學習者提供一個開放的學習環(huán)境”，通過尋找與之學習目標相同的學習伙伴，進行協(xié)作學習，從而實現學習成員之間的知識分享與互助合作。

2.教育APP微云化

從技術層面講，云計算主要取決于數據的存儲能力和計算能力兩個關鍵功能。存儲云就是在“云”上提供大量服務器供用戶使用，利用分布式存儲的方式保證數據的可靠性；計算云主要通過資源虛擬化和并行計算，對“云”中的資源進行快速優(yōu)化配置，讓用戶用較少的資源來完成更多的計算任務。當前運行于移動智能終端的教育APP主要受到終端設備信息處理能力低、存儲空間較小，只能訪問基于WAP協(xié)議的網站和多媒體功能體現不足等因素的限制。教育APP的微云化就是將教育APP作為一個虛擬的移動云，成為移動學習云服務的一部分，從而為學習者提供方便、可靠的學習資源或服務。微云化的教育APP可以將移動智能終端整合，構建成一個私有APP云環(huán)境，通過數據的分布式存儲和處理實現信息的融合，服務的共享。基于移動智能終端搭建的移動虛擬云，教育APP可以通過調用移動智能終端的底層硬件功能（如GPS、攝像頭、麥克風、藍牙等）記錄學習過程中的觀察內容和體驗素材。學習者只需在教育APP中輸入關鍵詞，即可以獲取來自“云”端的大量學習資源，自由地選擇學習內容。同時，用戶還可以在學習過程，通過終端開展討論，在既定規(guī)則下對已有的學習內容進行修改和補充，以實現教育APP學習資源的自主完善。

3.增效教育APP功能

目前多數教育APP需要將學習資源下載到本地的方式來供用戶使用，計算處理任務仍在終端來完成。不同功能類型的教育APP對移動智能終端具有選擇性，對硬件條件要求各異。對于具有增強現實、游戲化、智能化等類型的教育APP，其對移動智能終端的硬件條件要求較高，需要終端設備提供較高的運算速度和較大的存儲空間，來保證教育APP的正常運行。這些教育APP由于受到終端設備性能的限制，導致應用程序運算處理時間過長，網絡傳輸速率慢，存儲空間有限等，難以保證用戶教育APP的流暢運行，從而影響了用戶的良好學習體驗。未來教育APP應充分利用云計算的虛擬化技術，實現教育APP的軟件和硬件分離，用戶只需要在虛擬層運行軟件，不需要考慮后臺硬件資源，實現教育APP向真正意義上的B/C結構轉變，大幅降低教育APP的運行對移動終端終端的依賴程度。基于云計算提供的PaaS服務，將教育APP的數據存儲和計算任務完全轉移到“云”端，減輕了教育APP運行的終端負擔，提高教育APP運行的流暢性，增強用戶的學習體驗。

四、大數據技術：促進教育APP為學習者的個性化學習提供精準服務

（一）大數據技術及其在教育APP中的應用概況

大數據技術是指一系列數據收集、存儲、管理、處理、分析、共享和可視化技術的集合，其目的是對大量的、多元的非結構化數據進行實時分析，并從中發(fā)現價值。大數據具有海量的數據規(guī)模（volume）、快速的數據流轉（velocity）、多樣的數據類型（variety）和巨大的數據價值（value）特性。教育大數據則主要指學習者的學習行為數據，即通過對學習行為和過程進行量化處理，并對學習者產生的海量數據進行分析，從而實現對學習者進行科學的個性化指導。教育大數據的關鍵技術是數據挖掘（Educational Data Mining，EDM）和學習分析（Learning Analysis，LA）。教育數據挖掘和學習分析技術在教育APP中的應用主要體現在分析學習行為數據，提供各種學習資源和個性化自適應學習三個方面。通過分析學習者的學習數據，及時掌握他們的學習狀況，為其提供更有效的學習支持服務；通過記錄、分析學習者的學習偏好、學習興趣、學習特點和學習條件等數據，可以有效地指導開發(fā)各種適合學習者高效學習的資源；通過學習分析技術，將所收集到的學習數據進行分析，為不同學習者建立學習模型，描繪出學習者“肖像”和學習路徑“輪廓”，依照個性化的學習軌跡進行學習資源等內容的動態(tài)呈現，為其提供有針對性的學習指導。

“斬托福”是一款基于大數據技術的英語學習APP。基于EDM對每個學習者在學習過程中產生的學習行為數據進行“細粒度”的挖掘分析，APP自動搭建學習者模型對用戶個體進行學習分析，從而為其定制個性化的學習服務，并針對學習狀態(tài)實時提出動態(tài)調整建議。“斬托福”APP為學習者提供了階段性的學習測試功能，并將測試結果以可視化的形式及時呈現測試者，如下頁圖3所示。學習者就能很輕易地了解自身在英語閱讀、聽力、寫作、口語等模塊的學習狀況，并根據軟件提供的建議來制定符合自己學習特點的計劃來開展連續(xù)性的學習。同樣，“猿題庫”也是一款基于大數據技術的教育APP，它將學習者答題的全過程進行詳細記錄，為每個學習者建立“個性化+自適應”的測試模型，對答題過程進行學習分析后，將分析結果可視化呈現給學習者的同時，還為其提供針對性較強的變式練習題目。

（二）大數據技術在教育APP中的應用前景

借助技術將學習者的全部學習行為轉化為數據，運用教育數據挖掘和學習分析技術對其學習過程狀態(tài)進行精細分析、有效評估和結果預測，實現數據驅動的個性化自適應學習。這些教育大數據是在學習者正常學習情況下通過軟件自動記錄的，有效避免了傳統(tǒng)學習行為數據采集中的不連續(xù)、不全面和主觀性較強的不足。基于大數據技術的教育APP在獲取學習者的學習需求和特定行為意向方面更具有優(yōu)勢，更能從多個層面為學習者提供與其學習特征相吻合的學習服務。大數據技術的應用可以增強教育APP的定制功能，為用戶定制專屬于自己的教育APP，可以增強教育APP對用戶學習行為的動態(tài)反饋和預測服務，還可以通過數據分析為學習者尋找具有相似學習特征的學習伙伴，實現基于教育APP的社會性學習，消除學習孤獨感。

1.增強教育APP的定制功能

基于教育數據挖掘和學習分析技術，教育APP通過全方位收集、分析學習者在學習過程中產生的各種數據，全面洞悉用戶的學習需求，精細刻畫學習者特征，為其提供精準化和個性化的學習指導。首先，教育APP采集和存儲用戶的學習日志、路徑、成果等多層面信息，形成學習行為數據庫，并對其進行連貫、全面和自然的深度數據挖掘，全面掌握學習者特征和學習狀況；其次，基于學習分析結果，建立能夠反映學習需求、學習風格、知識基礎和認知特點的用戶特征模型；基于用戶特征模型的描述，教育APP將采用自動或用戶設置方式調整應用模式，以適應個體學習者，定制成為學習者的專屬APP。教育APP的私人定制是一個漸近過程，隨著學習行為產生的數據量不斷增大，學習者在教育APP中的“學習肖像”逐漸清晰化，教育APP的私人定制化程度也在不斷加深。通過教育APP的定制化過程，學習者對自己的學習狀態(tài)了解得更加深入和清晰，促使其對學習過程進行反思，從而更好地調整和規(guī)劃后續(xù)學習。

2.增強教育APP的學習預測服務

相對于傳統(tǒng)基于樣本數據的靜態(tài)學習推理分析，教育大數據則強調對學習過程中的所有數據，從多個維度對全樣本數據進行動態(tài)性分析，學習分析結果更具有科學性，教育決策更精準。大數據信息具有客觀性、關聯性、預測性的特點，教育APP通過對學習者的學習行為數據進行全方位收集、處理和分析，建立學習模型發(fā)現學習結果、學習內容、學習資源等變量之間的相互關系，進而預測學習者未來的學習趨勢。教育APP通過分析學習者學習參與、學習表現、學習過程的相關數據，運用不同的分析方法和模型來解釋這些數據，根據解釋結果探究學習過程與情境，為其提供可視化的學習反饋，進而促進有效學習。基于大數據技術的教育APP可以從學習時間、學習空間和學習內容等維度對學習過程和學習行為進行立體化學習圖景的勾勒，挖掘出大量豐富的學習數據背后隱藏的規(guī)律，為學習者提供動態(tài)適時的學習反饋。通過對學習者的學習行為進行全面細粒度的記錄、實時跟蹤，監(jiān)測其學習狀況，掌握學習特點，預測學習結果，及時發(fā)現學習過程中潛在的學習問題并給予有效干預。

3.基于教育APP進行社會性學習

利用教育大數據技術可以深層次地揭示社會性學習中學習者之間、學習者與學習資源之間的關聯特性。教育APP可以根據學習需求、偏好和特征為其推薦學習資源、學習伙伴、指導專家和學習社區(qū)。教育APP通過構建學習者個人學習檔案，對其學習特征進行深度分析，并以可視化的形式呈現具有相同學習需求、相似學習特征和相近學習偏好的關聯用戶，學習者通過教育APP就能輕易地尋找到有著共同興趣、愛好的學習伙伴。對教育APP學習情境的社會屬性，學習過程行為記錄數據進行挖掘和分析，抽取出學習者感興趣的社會化資源和學習伙伴的特征，構建以學習者為中心的社會關系模型，為用戶自動推薦多性化的學習支持服務。基于教育APP進行的社會性學習有助于拓展學習者的人際關系，對學習者之間的有效交流有積極的促進作用，消除學習孤獨感。

五、三維計算技術：增強教育APP用戶的沉浸式學習體驗

（一）三維計算技術及其在教育APP中的應用概況

三維計算技術通過生成具有視覺、聽覺、運動等多重感官刺激，且可進行交互的逼真場景，讓用戶有一種身臨其境的真實沉浸體驗。它是一種可以讓學習者大腦產生“幻覺”的技術，主要包括虛擬現實和增強現實等技術。VR采用采用三維圖形、音頻及特殊的外圍設備，利用計算機生成交互式虛擬環(huán)境，用戶在虛擬環(huán)境中獲得較高的沉浸感和參與度。AR是在VR基礎上發(fā)展起來的，它將計算機生成的虛擬信息疊加到真實場景上，并借助感知和顯示設備將虛擬信息和真實場景融為一體，擴張或補充真實世界，最終呈現給使用者一個感官效果逼真的新環(huán)境，從而強化用戶對現實的感觀和認知。隨著移動智能終端硬件性能的提升，VR和AR在教育APP中的應用逐漸增多。教育APP將充分利用VR具有的沉浸性、交互性和想象性技術特性，將那些抽象的知識點重新進行組織與設計，以直觀、真實、具有多感官刺激的虛擬場景再現給學習者，從而降低學習者的認知障礙，提高學習積極性和創(chuàng)新性；借助移動互聯網，教育APP將充分發(fā)揮AR的虛實結合、實時交互和三維配準技術特性，還原知識應用的真實感，以及與現實世界的緊密感，為學習者提供符合特定情境的，適恰性高的泛在學習資源，促進學習者的有效學習。

例如，中國數字科技館的“VR天文秀”就是基于虛擬現實技術開發(fā)的教育APP。學習者通過佩戴虛擬眼鏡，就能在智能手機上身臨其境地觀看月球表面，體驗火星晝夜，漫游太陽系和探索宇宙奧秘等。“VR天文秀”基于虛擬現實技術搭建交互式天文場景，為學習者呈現生動形象、視覺豐富、畫面流暢的天文景象，讓其近距離、超細微地觀察星球表面，實現交互式、沉浸式的體驗學習；“小伴龍魔法世界”是一款基于增強現實的兒童啟蒙教育APP。“小伴龍魔法世界”APP通過AR及三維實時渲染技術，將虛擬動畫和實景空間融合。終端屏幕中的3D動物卡片可以在橫向上做360度旋轉和在縱向上做90度翻轉，給兒童帶來真實的學習體驗（如圖4所示）。同時，在兒童認識動物過程中伴有中英文解說來介紹動物，加深幼兒對動物的認知程度。

（二）三維計算技術在教育APP中的應用前景

用戶體驗是教育APP設計與開發(fā)過程中最為關注的概念。自蘋果公司推出iPhone智能手機以來，移動智能終端的人機交互技術從圖形化用戶界面（Graphic User Interface，GUI）向自然用戶界面（Natural User Interface，NUI）進化。基于NUI開發(fā)的教育APP能通過眼動、語言、手勢等一系列人的日常行為實現人機交互，讓用戶體驗感更加真切和愉悅。三維計算技術在移動智能終端的應用，促使教育APP開發(fā)向著更加自然化、人性化和有機化界面的方向發(fā)展。基于三維計算技術的“新媒體”特征，教育APP可以搭建VR學習場景，增強用戶的學習臨場感，提高學習參與度；基于AR獲取的三維增強信息，對教育APP中的學習內容進行增強顯示，巧妙表達知識情景，使學習者更容易理解；教育APP中融入游戲化元素，提高學習內容的趣味性，保持學習者的學習動機。

1.構建立體化學習場景

目前多數教育APP中的知識呈現一般采用文本、圖片、音頻、視頻等媒體形式，用戶只能通過對移動智能終端屏幕的點擊、拖拽來完成簡單的交互，還未實現通過與學習環(huán)境的交互來獲取即時的學習反饋信息的功能。三維計算技術與移動技術的發(fā)展提升了移動智能終端的情境感知能力，實現對學習環(huán)境信息的動態(tài)感知與獲取，為教育APP基于VR和AR構建無縫整合、虛擬結合、無處不在的移動學習空間提供保障。基于VR技術構建立體化逼真學習場景，對學習知識進行情景性和直觀性的呈現，學習者通過可穿戴設備（WearableTechnology，WT）與場景交互并實時地獲取學習反饋，可以加深學習者對知識的認知與理解，提高學習參與度。AR與移動智能終端的結合，可以讓教育APP具有構建虛實融合的學習場景的能力。例如，可以通過移動智能終端的高清攝像頭進行圖像、二維碼、文字標志物的識別，對現實中某些物體或環(huán)境進行3D圖像的增強顯示，讓學習者在虛擬環(huán)境下能接觸并操作仿真的“實物”。VR和AR有助于將教育APP中一些抽象知識以逼真、生動的三維立體形象呈現，并能提供實時互動的三維空間場景。基于VR和AR技術的教育APP構建的立體化學習場景為學習者提供更多主動探索和互動的機會，三維計算技術帶來的技術沉浸體驗，讓學習者完全投入到學習活動中，提升了學習者的學習滿足感。

2.增強教育APP的知識呈現力

三維計算技術擅長將一些抽象難懂的知識內容，從多個角度以更加直接、易懂、形象和富有藝術的表現形式呈現，使其產生的教學效果高于原有知識的價值效果。基于VR的體驗特性和AR的疊加定位特性，將教學問題轉化為學習者對空間的體驗，把邏輯問題進行空間化和虛擬化描述，可以實現學習者通過體驗完成空間學習的目標。具有三維技術的教育APP能以一種精妙、細微、貼切、恰到好處的方式來描述或處理自然科學知識，增強了教育APP的知識呈現力。教育APP可以通過VR與AR技術構建可視化與可交互的知識結構模型，以此揭示知識內容的實質，相互之間的關系及其存在的規(guī)律，引發(fā)學習者對當前所學知識內容的深層次理解，產生新的想法，促進更有意義的學習。游戲化元素與VR/AR的融合，使教育APP知識內容的呈現形式不再單一，而是具有多樣化的形式，增強教育APP知識的趣味性，并且可以讓用戶在個性化的三維學習環(huán)境中體驗學習樂趣，從而提高學習者的內部學習動機。

3.增強教育APP的學習臨場感

移動學習過程中，學習者易受外界環(huán)境的干擾，注意力往往處于分散狀態(tài)，導致學習參與性低。創(chuàng)設一個讓學習者能夠高度集中且注意力持續(xù)保持的學習環(huán)境是運用教育APP進行有效學習的前提。未來教育APP應注重將三維計算技術應用于解決實際學習問題，根據學習者的位置、終端設備、學習環(huán)境，為其提供一個“真實”的立體化交互學習情境。教育APP使用VR/AR技術為學習者搭建仿真學習環(huán)境，WT將學習者的聽覺、視覺等感官與外界環(huán)境進行相對隔離，促使其與虛擬場景進行深度交互，讓學習者完全投入到學習中去，產生較強的學習臨場感。學習者可以運用教育APP，在VR/AR構建的沉浸式學習環(huán)境中體驗學習交互的樂趣，并獲得即時的學習反饋，提升用戶的學習滿足感。教育APP的深度沉浸學習體驗在于使學習者持續(xù)地參與以及提升學習體驗的質量，沉浸所帶來的內在愉悅和學習獲得感會驅使學習者去挑戰(zhàn)更高水平的學習任務，產生更佳的學習效果。

六、人工智能技術：使教育APP更“聰明”

（一）人工智能技術以及在教育APP中的應用概況

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是通過程序使計算機能進行一些思維推理，使其具備一定的環(huán)境適應、自動學習、自動決策等類似于人類的高級智能。感知智能、計算智能和認知智能是人工智能的主要體現：感知智能是指機器能夠通過“聽覺、視覺、觸覺、嗅覺”等感官感知外部世界，具有如同人類的“聽、說、看、認”的能力；計算智能即機器智能化存儲和運算的能力，機器不僅能記憶存儲感知到的外部信息，還可以對已有的信息進行分析、計算、比較、判斷、聯想等；認知智能是指機器具有學習能力、自適應能力和“理解、思考”的能力。人工智能與學習科學的結合并應用于教育領域即稱之為教育人工智能（Educational ArtificialIntelligence，EAI），EAI重在通過人工智能技術更深入、更微觀地窺視、理解學習是如何發(fā)生，是如何受到外界各種因素的影響，進而為學習者高效地學習創(chuàng)造條件。具有人工智能的教育APP應具備“能聽、能看、能說”且能理解和適應學習者情緒或心情，使用戶以語言、文字、圖像、手勢、表情等自然方式與軟件進行交互。人工智能中的知識表示方法、深度學習技術、自然語言處理、智能代理和情感計算技術在教育APP開發(fā)中已有初步應用。

例如，“訊飛語記”是一款具有人工智能特點的APP。“訊飛語記”APP的“語音聽寫”功能，能把自然語音轉換成對應的文本，讓機器能夠“聽懂”人類語言，相當于給移動智能終端安裝上“耳朵”，使其具備“能聽”的功能；“在線語音合成”能將文本信息轉化為音頻，相當于給移動智能終端配上“嘴巴”，讓機器像人一樣開口說話，特別是其合成的音頻在音色、自然度等方面均接近甚至超過人聲；基于深度全序列卷積神經網絡的“語音轉寫”功能，將長段音頻數據轉換成文本數據，為信息處理和數據挖掘提供基礎。同樣，“彩云小譯”也是一款基于人工智能技術的同聲傳譯、實時翻譯APP。“彩云小譯”APP摒棄以往翻譯軟件采用的統(tǒng)計機器翻譯技術，采用人工智能中的“深度神經網絡序列到序列映射”的技術，將翻譯語句轉換為一個意義空間的向量，再將這個向量投射為其他的語言文字。“彩云小譯”APP將科大訊飛的語音識別技術和文本預處理技術（由斯坦福大學自然語言處理開發(fā)小組研發(fā)）結合，基于“譯言網”的大量對照語料，實現在自然停頓的地方自動斷句，進行逐句翻譯功能。在交傳模式下，通過移動智能終端的話筒采集用戶的自然聲音，經過自動識別語種，就能實現用戶之間多種語言的實時交流。

（二）人工智能技術在教育APP中的應用前景

國務院最新頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“智能教育”的概念，強調基于人工智能技術“開發(fā)智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系統(tǒng)；建立以學習者為中心的教育環(huán)境，提供精準推送的教育服務”。隨著人工智能中的知識表示方法、深度學習技術、自然語言處理、智能代理和情感計算技術的發(fā)展與應用，基于AI技術的教育APP可以及時捕捉與分析學習者的學習狀態(tài)，重塑知識的表征形式和對學習過程實施智能化的改造，使教育APP在各方面具有“智能”。基于人工智能的情感計算技術，實現教育APP對學習者的情緒感知；自然語言處理和自然用戶界面技術的成熟可以增強教育APP用戶的“自然”交互體驗；人工智能使教育APP具有“智能導師”的功能，實現對學習者的個性化教與學；具有強人工智能的教育APP可以具備“擬人類意識化”功能，促使其向智慧型教育APP方向發(fā)展。

1.增強教育APP對學習者的情緒感知能力

情感作為人類特有的主觀體驗，以語調、姿態(tài)和面部表情進行表達。消極的情感狀態(tài)會阻礙學習者的思考過程，而積極的情感狀態(tài)則為學習者的問題解決和創(chuàng)新思維提供有利的條件，學習態(tài)度和效率很大程度上取決于學習者的情感狀態(tài)。目前，基于智能終端的移動學習普遍處于情感缺失的狀態(tài)，移動智能終端未能有效地獲取用戶情緒變化的數據，還未實現根據用戶情緒狀態(tài)變化提供實時干預和人機情感交互。基于人工智能的模式識別和情感計算技術，未來教育APP可以通過移動智能終端的前置攝像頭捕捉學習者的情緒狀態(tài)，借助大數據分析和深度學習技術，精確分析和理解用戶在學習過程中的情緒狀態(tài)，依靠學習者情緒特征模型，對其學習情緒變化意圖形成預判，并激活用戶隋緒干預策略數據庫，主動選擇時機為用戶給予合適的激勵和適切的情感幫助。通過開發(fā)具有人臉識別和情感計算功能的教育APP，可以對學習者的情緒進行識別、理解、處理和模擬，全面刻畫學習者的“情緒肖像”，營造良好的人機情感交互氛圍，幫助學習者樹立積極的情感態(tài)度。

2.增強教育APP用戶的“自然”交互體驗

自然語言處理（Natural Language Proeessing，NLP）是人工智能模擬人類智能的核心部分，它主要是對人類自然語言進行分析、理解、生成、翻譯，讓計算機理解人類的自然語言，以實現“自然”的人機對話。NLP通過模仿人類的語言處理機制，對人類大腦產生的復雜語言符號（這些語言符號蘊含了人類的認知、意識、意志等內在的思維元素）進行加工處理，實現人與機器的自然語言交互。基于NLP的教育APP利用深度學習算法對大量語料進行訓練，就能了解用戶的語言思維邏輯，有效避免用戶學習復雜的機器語言，只需要使用日常最習慣的語言便可進行人機交互。同樣，移動應用開發(fā)中的自然用戶界面技術只需用戶以自然的交互行為（如語言、手勢、表情、運動等）就能實現更加自然、直觀和人性化的人機交互和無縫的用戶體驗。基于NUI技術的教育APP不僅降低了用戶的學習成本，減輕用戶的認知負擔，而且還拓寬了人類與程序的信息輸入通道，為用戶提供愉悅的使用體驗。NLP技術可以促進教育APP具有智能問答、人機多模態(tài)交流等智能化功能，NUI技術則增強了教育APP交互方式的自然性和直覺化，極大地增強了教育APP用戶的“自然”交互體驗。

3.使教育APP具有“智能導師”功能

智能導師系統(tǒng)（Intelligent Tutoring System，ITS）利用人工智能技術模仿人類教師在教學中所承擔的角色，為學習者提供“一對一”的個性化學習指導和全面詳細的教學反饋，幫助不同學習需求和特征的學習者獲得知識和技能。具有“智能導師”功能的教育APP通過構建領域知識庫、學生模型、教學策略和推理模型，可以全面地表示學習者的知識獲取過程、診斷學習者的學習活動、實現自動產生問題求解方案、為學習者選擇合適的學習內容和及時的學習反饋。基于AI技術的教育APP依靠構建精細化學習者特征模型，輔助學習者學習，監(jiān)測、分析學習心理和行為，達到對學習者的全面認識；基于領域知識庫，將學習領域的基本概念、規(guī)則和問題解決策略，以層次結構、語義網絡、本體和產生式規(guī)則的形式表示，完成知識計算和推理；基于教學策略和推理模型，可以根據學習者當前的知識技能水平，做出適應性決策，向學習者提供合適的學習活動和教學策略。隨著ITS技術的發(fā)展，未來教育APP可以實現清晰刻畫學習者的學習風格、興趣特長等個性特征，滿足學習者的個性化需求，向其提供個性化學習路徑、學習資源和學習伙伴等服務。

4.使教育APP具有“擬人類意識化”功能

意識是人腦的一切活動及其結果，是人的自覺性思維和精神活動的體現。根據模擬人類意識的水平，人工智能可以分為弱人工智能和強人工智能。弱人工智能主要讓計算機模仿人類的簡單行為，但計算機不會產生自主意識，不具有真正意義上的智能；強人工智能技術則使計算機具有自行推理和解決問題的能力，使其具有類人的知覺和自我意識，它是人工智能的終極發(fā)展目標。隨著弱人工智能向強人工智能的發(fā)展，以及移動智能終端硬件性能和計算能力的增強，基于強人工智能的教育APP可以對學習者的心理、情感、意識等一些生物性的活動做出處理，進而呈現出像人類意識所特有的主觀能動性和創(chuàng)新性活動。教育APP的“擬人類意識化”代表軟件能夠理解外部事物并自發(fā)做出決策，能夠在沒有人的干預情況下，主動為用戶完成相應的任務，其表現就像“人”一樣，甚至在特定條件下很可能比人的反應更精準、更可靠和更靈活。強人工智能技術促使教育APP的“擬人類意識化”水平的提升，讓教育APP更加“聰明”，成為真正意義上的智慧型教育APP，使其成為用戶的真正學習伙伴和導師。

七、結束語

教育APP開發(fā)中不斷融入新興技術，可以促使其向個性化、智能化的智慧型教育APP方向發(fā)展。物聯網技術有助于教育APP對學習情境進行智能化感知，高度整合移動學習環(huán)境中的學習資源、學習伙伴等要素，實現各類學習因素之間的深層互動；云計算技術有助于教育APP為學習者提供自助式的按需學習服務；基于教育大數據的數據挖掘和學習分析技術有助于教育APP為學習者提供個性化學習反饋與服務，促進學習者對學習活動的反思；虛擬現實、增強現實等三維計算技術可將學習內容和學習活動過程以更加直觀、真實的方式呈現，有助于教育APP為學習者提供深度沉浸的學習交互體驗，提升學習者的想象力與創(chuàng)造力；人工智能、深度學習和自然用戶界面等技術使教育APP更加“聰明”，為學習者提供智慧式的學習體驗。新興技術給教育APP帶來三個明顯的發(fā)展方向，即自然、智能和體驗。自然方向代表著技術中介在感知層面的弱化或消失，用戶可以通過語音、手勢、動作和表情等自然方式與教育APP進行交互；智能方向代表著教育APP的智慧水平不斷提升，接近甚至超過人的智慧水平；體驗方向代表著教育APP的對新興技術的終極需求，即讓學生接觸現實世界問題和真實學習情境的體驗，在體驗過程中真切感受到教育APP帶來的學習樂趣。

技術對人類的生存和學習方式的影響是勢不可當且不可逆的，各種新興技術正逐漸重構著人類的學習生態(tài)系統(tǒng)。新興技術與人類學習的關系呈現從交匯到交融，從相互適應到共生發(fā)展的態(tài)勢。“技術賦能學習”的最終目標是推動學習者主動使用技術學習，引導學習者利用技術變革學習，以此促進學習者的有效學習。然而，要真正實現“技術改善學習績效”“技術變革學習”的愿景，一方面取決于技術的驅動力量，另一方面還需要學習者具備技術豐富環(huán)境下的學習能力（如技術駕馭能力、信息加工能力、自主學習能力、合作學習能力、自我管理能力、學習反思能力和創(chuàng)新能力等），只有當技術最終消融在個體常態(tài)化學習行為之時，技術賦予學習的最大能量才會真正顯現。除“技術賦能學習”外，還有“技術賦能教學”“技術賦能教師”“技術賦能評價”“技術賦能教育公平”等“技術賦能”相關主題，這些將成為教育技術研究領域的焦點。本文僅從新興技術在教育APP中的應用前景預判角度詮釋了“技術賦能學習”的理念，后續(xù)研究將從系統(tǒng)生態(tài)學和技術場域論視角對“技術賦能學習”理念進行深度闡釋。