基于普适计算的泛在学习环境概念模型

汪国安 路爽

1 河南大学计算机与信息工程学院 河南开封 475004 2 河南大学网络信息中心 河南开封 475004

1 引言

在这个信息时代，每一次信息通信技术变革都会对人们的工作、生活等各方面产生巨大影响。信息同时改变着世界，改变着各行各业，教育领域也不例外。远程教育、数字化学习、移动学习相继出现，一步步将教育与现代信息技术结合得更加紧密，推动着教育的现代化进程。普适计算的出现又带动了教育的泛在化，这就为泛在学习的兴起提供了技术支持。泛在学习将学习融入日常生活，使其更具人性化，体现了以学习者为中心的学习模式，符合现代社会学习者的需要和终身教育的理念，对构建学习型社会有很大的推动作用。

2 泛在学习与普适计算

普适计算又称“泛在计算”，是一种通过先进的信息技术和广泛存在的计算机实现的无处不在的、随时随地的计算模式，是信息空间和物理空间的融合。其基本思想是为用户提供服务的普适计算技术将从用户意识中彻底消失，即用户和周围环境（无数大大小小的计算设备）在潜意识上进行交互，用户不会有意识地感觉到服务来自周围何处[1]。它强调把计算机嵌入日常生活环境，计算机从人们的视线消失，以便把人的精力集中到任务本身而不是计算机及对其操作上，把“以计算机为中心”转变为“以人为中心”。

泛在学习是指在普适计算环境中的学习，即任何人（Anyone）在任何地方（Anywhere）、任何时间（Anytime），利用随手可得的任何设备（Any device），以自己的方式（in Anyway）获取所需学习信息（Any contents）与学习支持（Any learning support）。泛在学习能实现学习本身应是泛在的这样一个要求，满足学习行为的发生不受物理条件限制，学习所需资源不受时空限制，学习过程可以得到不间断支持，无处不在的学习能够无处不在地产生相应效果，它将会突破现代远程教育的局限，成为未来学习的一个发展方向。

泛在学习和普适计算是两个相对独立的概念，尽管普适计算的出现推动了泛在学习的兴起，却也不能说泛在学习是普适计算的产物或派生物，二者之间的关系是新技术与应用领域的关系。泛在学习的兴起源于普适计算在教育领域的应用。普适计算技术的成熟将为教育教学活动提供新的认知环境，其重要体现就是泛在学习环境的构建。普适计算是泛在学习的技术支撑，它支持泛在学习环境无缝地融合信息空间和物理空间，使得任何学习者可以随时随地获得学习支持，创新知识的获取、创建、共享与运用模式，实现在正确的时间以正确的方式做正确事情的学习理念[2]。

3 泛在学习环境

泛在学习环境是一种支持泛在学习的整合的学习环境，在此环境中，学习者面对的是一个虚实结合的世界，学习是一种自然或自发的行为，学习者可以积极主动地学习并获得随时随地的支持，也可以是潜在的学习，学习者未能觉察到学习过程的发生。泛在学习环境是传统学习环境的延续，其目标就是创造让学生随时随地利用任何终端进行学习的教育环境，实现更有效的学生中心教育。

从宏观上讲，一切支持“无所不在的学习”的外部环境——自然的、物理的、信息的、社会的都应该是泛在学习发生与实施的环境基础。在普适计算渗透下的泛在学习时代，各种异构终端学习设备通过有线或无线网络连接在一起，构成一种无缝的设备生态系统，信息空间和物理空间走向融合，信息技术变得“透明”和无处不在，泛在学习通过迅速发展的信息通讯技术，改变移动学习的局限性，欲创造出不受时空限制的、创意性的、高度自主的、以学习者为中心的崭新的教育环境。学习者在这种新型学习环境中，透过各种学习设备的辅助，与真实环境的学习对象互动来实现自我组织建构知识[2]。

泛在学习环境具有泛在性、智能性、交互性、隐蔽性和适应性的特点。泛在学习环境最明显的特征即学习的泛在性，包括泛在的学习行为、泛在的学习接口、泛在的学习支持服务[3]；智能性指泛在学习环境能在语义层面上分析学习者的需求，更加快速准确地挖掘学习者内心需求；交互性指泛在学习环境能够提供给学习者多方位交互；隐蔽性指泛在学习环境将计算嵌入学习者周围和工具中，学习者不易察觉技术的存在；适应性指泛在学习环境能用适应性的呈现方式为学习者提供合适的资源，并为学习者提供适应性的导航支持。除上述特征之外，泛在学习环境还具有境脉感知的特性。

4 泛在学习环境基本要素

泛在学习环境的基本要素主要包括泛在学习环境的技术支持、泛在学习资源和泛在学习服务三个部分，其概念模型如图1所示。

4.1 泛在学习环境的技术支持

泛在学习技术的发展利于建立教育信息生态，克服人和技术的异化，更能体现以学习者为中心，实现学习者的个性化发展[4]。

1）智能终端设备。智能终端设备是学习者与泛在学习网络的直接交互界面，学习者可以通过智能终端设备方便地获取学习资源，感知和处理学习者个性化需求。它能对学习者进行多方面能力延伸，是实现泛在学习的中心环节。智能终端设备具有分散性、多样性、连通性、简单性和智能性等5个基本特性：分散性指学习设备分散于学习环境中，唾手可得；多样性指学习设备的类型与形态多样；连通性即各种分散的学习设备通过泛在网络互为连通；简单性指学习终端简单适用，便于操作；智能性是智能终端设备最显著的特征，它们不仅有超强的网络连接能力、大容量存储装置、友好的交互方式，还具有环境感知能力。各智能终端设备都有特定的应用场景，无线手持设备处中心位置，连同桌面计算设备、嵌入式设备、传感设备形成学习终端的集合，为学习者提供无缝的学习机会与可任意获取的资源与交互[1]。智能终端设备的设计须遵循移动性、接入便利性、资源易获取性、学习辅助性、可扩展性和低成本的原则[5]。

图1 泛在学习环境概念模型

智能终端设备主要体现在普适计算的3种模式上：①可穿戴计算模式，即将计算资源和感知设备穿戴到人的身上进行直接持续的人机交互；②信息设备模式，即将计算资源和感知设备集成到学习者日常生活环境中的设备上，使其成为人机交互的接口；③智能交互空间模式，即将计算机视觉、语音识别、墙面投影等多种计算资源和感知设备嵌入学习者日常生活环境中，使设备隐匿于学习者的物理空间。

2）泛在学习网络。广义的泛在学习网络即无处不在的网络。狭义的泛在学习网络即硬件、软件、系统、终端和应用的融合，学习者随时随地使用任何学习终端都能上网，信息提供者所提供的教育资源通过任何网络都能够传送[2]。它具有超强的环境感知、内容感知及智能性。本文所说的是狭义的泛在学习网络。

泛在学习网络是实现电信网、互联网和广电网之间，固定网、移动网和无线接入网之间，基础通信网、应用网和射频感应网之间的互联互通。其中，WAP和3G或4G是泛在学习网络中较重要的技术。WAP是在手机、互联网、计算机之间进行通讯的开放全球标准，WAP技术可以将互联网上的大量信息及各种业务引入各种无线手持设备中，是泛在学习与Internet之间的纽带与桥梁。以3G为代表的移动互联技术是结合卫星移动通信网与地面移动通信网形成的全球无缝覆盖的立体通信网络，解决了无线通信系统间的兼容性问题。移动互联技术把网络延伸到人们的生活学习空间，无线手持设备和嵌入式设备在移动互联技术的支持下彻底打破桌面计算的束缚[1]。

构建泛在学习网络的关键技术支撑包括RFID技术、自然人机交互和上下文感知计算。RFID技术即无线射频识别技术，是一种非接触式的自动识别技术，它实现了物理空间中物体与信息空间中对象的绑定，为构建普遍的智能物体提供切实可行的途径，是构建泛在学习网络的重要基础技术。自然人机交互可以利用学习者的日常技能进行交互并具有意图感知能力，使得人与计算环境的交互变得和人与人之间的交互一样自然方便[5]。上下文感知计算即系统能发现并有效利用上下文信息进行计算，它能感知到学习者所处情景中与交互任务有关的上下文，并据此做出决策和自动提供服务。

3）云计算技术。云计算是一种利用大规模低成本运算单元通过互联网提供各种计算和存储服务的IT技术。云计算技术能使学习者不依赖某特定终端访问和使用学习资源，达到无缝学习。只要接入网络，学习者就能随时随地通过任何终端设备，同步和共享数据，这是传统单点集中式数据存储方式所无法比拟的。云计算技术将物理空间中分散的资源结点建立逻辑上的链接，存储模式从物理上的分散到逻辑上的集中，对学习者而言，学习资源网络空间变得无限大并可扩充[1]，学习者的所有数据都在云端进行，学习者在使用软件的过程中不需对其进行手动维护，学习资源空间的使用成本就大大降低了。

4）软件支撑系统。软件支撑系统是泛在学习得以实施的关键，其目的就是对普适计算中大量联网设备、物体、计算实体进行管理，为其数据交换、信息交互、服务发现、任务协调、任务迁移等提供系统级的支持[6]。泛在学习环境下，设备的异质性、网络的异构性、环境的动态性、学习的泛在性以及适配性等都对学习软件系统提出新的要求，这些都需要提供相应的解决方案。但从国内外研究者的项目来看，各研究项目不仅可以在虚拟世界和真实世界之间进行无缝连接，而且开始将目光转向个性化适应与情境感知上，利用基于本体的语义网络、网格技术、RFID和传感器甚至泛在传感网络为学习者提供个性化服务[7]。建设软件支撑系统时应注意对无缝迁移、情景感知、异构平台和多语言的支持。

4.2 泛在学习资源

泛在学习资源指基于学习者的兴趣、学习风格、学习习惯以及要求的分析，让学习者随时随地按兴趣和需要下载生动资源和多媒体信息的下一代智能型综合信息资源[8]。学习资源是泛在学习生态系统的核心要素，在泛在学习环境中，泛在学习在以文本、图形、图像、音频、视频、动画等多种形式的基础上又添加了可感知的、可用以情景反思的实体场景。由于泛在学习环境使人际连通性得到巨大提升，教师、同行专家、同伴、智能的学习伙伴（如智能学习代理Agent和智能专家系统ITS）也被列入泛在学习资源的范畴[1]，因此，泛在学习环境的构建还需要人才资源的支持，即建立一支对泛在学习资源库进行系统管理的专业人才队伍[9]，建立专业的师资队伍和专家体系。

泛在学习资源具有开放性、适应性、智能性和联通性特点。开放性，指泛在学习资源具有动态生成、持续进化发展、结构开放的特性[8]；适应性，指未来学习资源应不断进化以适应各种异构终端设备；智能性，指高度智能的教学资源可根据用户学习记录动态调整学习内容的呈现顺序以及反馈信息等，还可通过服务接口自动搜集发现知识网络中的相似知识点，并能够根据用户的不同需求实现学习内容的重组；联通性，指每个学习资源作为资源网络中的一个结点彼此按照某种规则建立联结，此联结的建立依赖于用户的不同需求，从而构建极具个性的知识网络。

学习资源的建设是泛在学习环境搭建过程中不可或缺的一部分。当前的泛在学习资源存在诸如无限学习群体的海量学习需求、资源获得欠缺快捷性和有效性、资源组织非结构化、资源生长无序、资源关系孤立化等问题。为此，泛在学习资源的建设应注重视频资源格式的多样化、资源格式的跨平台性，减小泛在学习资源的粒度，增强对资源的元数据描述等。

4.3 泛在学习服务

通过泛在学习系统所提供的教育服务可分为智能型学习服务、远程教育服务、教育资源供给服务、教育综合服务等领域[8]。

1）智能型学习服务是具备各种智能终端设备的学习环境，即通过学习辅助工具、智能化和尖端化设备来构建无纸教室。如智能空间就是一个嵌入了计算、信息设备和多通道传感器的工作空间，在这个空间里，学习者可以方便地访问信息并获得服务，提高学习效率或实现协作性学习。境脉感知技术能为学习者提供个性化与适应性的学习服务，学习者在这样的环境中可实现沉浸、连续并深入地学习，在学习环境改变时，学习服务也不会因此中断[10]。智能导学服务根据学习者的学习能力与动机及周围所处的情境，自动或导向性地为学习者量身定制合适的学习目标，设计最佳学习路径，寻找有互动意向的学习伙伴，为学习者自主学习提供最大的帮助服务。学习社区服务根据学习内容，帮助学习者寻找或创建讨论群组进行协作学习，在交流中获得有益帮助，从而促进学习的深入。

2）远程教育服务指应用基于多样媒体和通讯网的因特网，提供能连接到电子教育资源的学习环境，并通过克服时空限制来扩大学习机会。清华大学所设计开发的面向远程教育的智能教室就属于远程教育服务范畴。其他所有支持远程教育的服务也都属于这一范畴。

3）教育资源供给服务就是为学习者提供合适的学习资料的服务，如学习资源推荐服务。学习资源推荐服务是指利用情境感知设备来感知和分析有关学习者或周围环境的一些信息，并结合学习者的知识水平、学习风格等内部要素，为学习者主动推荐适应性和个性化的学习内容。

4）教育综合服务是指以教育机关、教室和学生为单位，提供各种服务的综合概念的服务。包括各级学校信息、教育课程导向、学校日程信息导向、支持业务处理的各种系统性服务等内容。

5 结束语

目前，泛在学习正处于发展阶段，泛在学习环境构建所需的技术还不够完善，无处不在的学习还不能得以真正意义上实现。但作为未来学习的一种发展方向，泛在学习也在不断探索中前进。泛在学习环境将随着计算机技术、网络技术以及通信技术的发展与进步而逐步趋于成熟，为学习者提供真正意义上的泛在学习服务，以满足学习者无处不在的学习需求，提高学习者的学习活动效率。

[1]陈凯泉,张凯.融合学习科学与普适计算:构建大学生泛在学习环境的路径选择[J].远程教育杂志,2011(5):50-57.

[2]黄国祯,等.认知风格对情境感知泛在学习成效的影响:以国小蝴蝶生态教学为例[J].现代教育技术,2011(5):18-23.

[3]张洁,王以宁.普适计算支持下的泛在学习环境设计[J].现代远距离教育,2009(5):9-11.

[4]陈维维.应然的泛在学习技术[J].中国电化教育,2007(7):99-103.

[5]张倩,杨玉平.我国泛在学习模式的技术实现途径研究[J].中国校外教育,2011(6):34-35.

[6]赵海兰.支持泛在学习（u-Learning）环境的关键技术分析[J].中国电化教育,2007(7):99-103.

[7]付海东.泛在学习网络环境中的技术支持[J].长春大学学报,2010(2):11-13.

[8]杨现民,余胜泉.泛在学习环境下的学习资源进化模型构建[J].中国电化教育,2001(9):81-86.

[9]张浩,汪楠.新时代下的学习新模式:泛在学习[J].计算机教育,2007(13):271-272.

[10]张洁.基于境脉感知的泛在学习环境模型构建[J].中国电化教育,2010(2):16-20.