基于普适计算的高校泛在学习环境研究

吴金红

（武汉纺织大学 经济管理学院，湖北 武汉 430073）

基于普适计算的高校泛在学习环境研究

吴金红

（武汉纺织大学 经济管理学院，湖北 武汉 430073）

泛在学习是普适计算环境下的一种无所不在的学习模式。在阐释普适计算带来的计算和信息服务模式变革的基础上，提出泛在学习环境的参考概念模型并详细描述了泛在学习环境的特征，针对泛在学习环境的基本要素，从硬件设施、学习资源和软件平台等三个方面就高校如何构建泛在学习环境做了深入的剖析。

泛在学习；普适计算；情境感知；高等教育

随着计算机、网络、传感器等技术的发展，信息技术的硬件环境和软件环境发生了巨大变化，网络正在改变着人们的学习和生活方式，继远程学习、数字化学习(E-Learning)、移动学习(M-Learning) 之后，一种以学习者为中心、更为人性化的学习模式——泛在学习（U-Learning）正逐渐进入人们的视野。泛在学习的目标是让学习者可以“随时、随地、随身”地进行学习，从而实现真正的终身学习的梦想。为了实现这个目标，如何创造让学生随时随地、利用任何终端进行学习的教育环境，便成为新型网络环境下高教工作者亟待解决的问题。

一、普适计算与泛在学习

1991年，Mark Wiser针对计算机与计算任务本末倒置的颠倒关系，首次提出了普适计算的基本思想：强调把计算机嵌入到环境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，让人们注意的中心回归到要完成的任务本身[1]。对于这项尚未开始应用的“未来”技术，不同的学者提出了描述不同但内涵一致的概念，如 1999年，IBM也提出普适计算(IBM称之为pervasive computing)的概念，即为无所不在的，随时随地可以进行计算的一种方式；1999年欧洲研究团体 ISTAG提出了环境智能（Ambient Intelligence）的概念，将组网的智能设备组成的电子系统集成到人们的环境中，为人们提供随时随地所需的信息、通信、服务和娱乐等服务；清华大学徐光教授认为“普适计算是信息空间与物理空间的融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化的服务”[2]。

由此可见，普适计算的本质就是力图真正全面实现计算技术的“以人为本”，将计算与信息融人进人们的生活空间，从根本上改变了人们享用计算和信息的方式，在任何时间、任何场所，人们都能像呼吸一样自如地访问信息并得到计算服务。

普适计算所描述的未来信息服务模式，给教育领域带来最深远的影响就是教育的泛在化，催生了一种新型的学习模式——泛在学习（Ubiquitous Learning）。理想状态下，人类学习的需求无处不在、学习的发生无处不在，相应地，学习资源也应该无所不在。然而，受到现实条件的限制，学习所需要的资源却很难做到无处不在。普适计算技术将微计算设备嵌入到环境中，我们身边的一切事物，如学校、图书馆、教室、博物馆，都能主动发射自身的知识和信息，构建了一个信息空间与物理空间相融合的信息生态环境[3]。在这个环境中，人们可以通过手持设备、可穿戴设备或其他常规、非常规计算设备来无障碍地享用计算和学习资源。同时，泛在智能的终端设备以及传感器网络还能够充分交互环境信息，如学习者的学习习惯，身体状况、情绪，周围环境的温度、湿度等，形成对用户学习意图的理解，主动和高效地进行适配性知识推送，从而实现真正意义上的按需学习。这种构建在普适计算环境下无所不在的学习方式即为泛在学习。

二、泛在学习环境的内涵

有效泛在学习的发生依赖于泛在学习环境的创设，从学习环境的分类来看，泛在学习环境属于深入层次较高、学习的移动性最高的一种学习环境。

（一）泛在学习环境的概念模型

构筑泛在学习环境的基本要素主要包括泛在通讯网络、智能学习终端、学习资源网、学习服务等四个部分。如图1所示。

图1 泛在学习环境的概念模型

（1）泛在通讯网络。泛在通讯网络是泛在学习的信息化基础设施，其功能是向学习者和智能学习主体提供无缝的信息通讯服务。泛在学习的无所不在，意味着作为泛在学习基础设施的泛在通讯网络必须具有高度的融合性，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，从而为学习者提供多种接入方式。在泛在学习环境中，网络就如同空气和水一样，自然而深刻地融入了人们的日常生活及工作中，任何对象（人或设备等）无论何时、何地都能通过合适的方式获得永久在线的宽带服务，可以随时随地进行学习资源的传递、存取、学习导航以及学习伙伴的沟通。

（2）智能学习终端。智能学习终端是指能够访问学习资源、感知和处理学习者个性化需求的交互式工具。在泛在学习环境中的学习终端呈现多样化，可以被学习者用来学习的工具并不仅限于计算机，还包括PDA、智能手机、Tablet PC、IPad等移动性极强的携带型终端机器，以及未来可能出现的智能型机器人、HD-TV等尖端设备。这些学习终端机器除了具有超强的网络连接能力、大容量的存储装置、用户友好的交互方式之外，还有一个独特的特征，即具有环境感知的智能性。智能学习终端必须能够感知学习者所处的物理情境与社会情境，比如学习者所处的位置、物理环境、学习者在学习共同体中的社会关系、声望、地位等等。

（3）学习资源网络。学习资源是指学习者智能学习终端开展泛在学习活动的各种数字化信息资源。泛在学习环境下的学习资源具有生成性、开放性、联通性、内聚性、进化发展、智能性、微型化、自跟踪等八大特征[4]。为实现无处不在的个性化学习，各学习资源结点相互关联形成基于语义的可无限扩展的内容网络，为泛在学习提供资源保障。

（4）学习服务。主要包括学习资源推荐服务、智能导学服务、学习社区服务等模式。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；智能导学服务是指根据学习者的学习能力和学习动机以及周围所处的情境，自动地或者导向性的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；学习社区服务是指根据学习的内容，帮助学习者寻找或者创建讨论群组进行协作学习，在交流中获得有益的帮助，从而促进学习的深入。

（二）泛在学习环境的特征

泛在学习环境能够真正实现在合适的时间、合适的地点以合适的方式呈现给学习者合适的信息，从而保证学习者实现真正无缝的个性化学习，其最为显著的特征有以下几个方面：

（1）泛在化。泛在是指学习行为、学习资源、学习服务的泛在化，如同空气和水，人们很难察觉出它们的存在，但又确实存在。在普适计算建立的融合空间中，由于计算能力的无所不在，信息空间将与人们生活和工作的物理空间融为一体，人们可以“随时随地”和“透明”地获得数字化的服务，任何人(Anyone)、在任何地方(Anywhere)、任何时间(Anytime)，利用随手可得的学习设备(Any device)、以自己的方式( in Anyway)获取自己所需学习信息(Any contents)与学习支持(Any learning support)[5]。

（2）技术隐匿性。泛在学习环境将计算“嵌入”到学习者的周围环境和工具之中，每个设备和整个环境都需要保持对环境中每个用户的非妨碍状态，无需用户分散精力进行干预。这样，计算和信息传递将不再是一种工作或者技能，而成为我们学习中自然而然的一部分，学习者的注意力自然的集中到了学习任务本身，学习成为了一种自然的、积极的和主动的行为。

（3）以人为本。人们学习是为了解决生活中一个个的情境性问题，或是想要更好、更有效地开展一项日常事务。泛在学习尊重学习者的自然天性，每个设备都需要响应或预测用户的各种需求，以学习者为中心，从学习者认知、元认知、动机与态度、社会因素、个别差异等多方面因素的考虑，为学习者提供合适的适配性的学习资源、学习导航支持。

（4）情境感知。泛在学习环境具有境脉感知(Context Aware)的特性，可以自动感知学习者的位置、所处的环境信息、正在进行的学习活动、学习者与环境或他人的交互情况等信息，并经过分析处理形成对学习者行为和需求的理解，据此来提供最高效能的使用环境[6]。

三、建设高校泛在学习环境的必要条件

由于技术发展的限制，泛在学习还处在研究和发展的早期，我们无法提出具体的建设方案，下面主要探讨一下建设高校泛在学习环境需要解决的问题。

（一）硬件设施的建设

作为泛在学习平台的泛在通讯网络系统，可以看作是互联网络的自然延伸。在全球或全国范围内完全实现泛在网络所描述的无处不在、无时不在的网络连接可能还需要一段时间，但在校园地理环境空间内实现无线覆盖，构建基于移动校园网的泛在学习环境，还是具有一定的可行性的。因此，现阶段应该着力加强移动校园网等信息基础设施的建设，主要包括以下三个部分：智能学习终端、智能传感器、无线网络。

（1）智能学习终端主要功能是接收来自移动通信网络的有关教育信息。目前，可用于泛在学习的移动学习设备主要为手机，绝大部分学生的手机具有上网功能，同时也具备了一定的情境感知能力，如手机借助蓝牙和GPS可以定位用户的位置，从而使学习者和教师能够通过智能手机或其他手持设备随时随地访问教学和学习资源。相信随着微处理器的进步，手机的功能将更加智能，这为开展泛在学习提供了可能。

（2）智能传感器。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力。智能传感器是建设泛在学习环境的细胞，每一个传感器就是一个微型的信息处理设备和存储设备。智能传感器用来标识需要学习的对象，并且根据学生的学习行为记录，调整学习内容，在空间上和交互环节上，通过实地考察和实践，增强学生的体验[7]。例如，可以将每类植物的信息写入带有传感器的标签中，学生在室外寻找到这些植物后，除了可以知道植物的名字，还可以用手机识别二维码从教学平台上获得相关植物的扩展内容。当前，泛在网络的基础设施和管理机制尚不完备传感器，如何布置、如何维护、如何管理、如何形成网络、如何使用都是我们必须急需解决的问题。

（3）无线网络。近几年，随着无线技术的发展和普及，无线局域网在校园网建设中所占的比重也越来越大。无线网络是泛在学习资源的有效载体，是连接校园网教育资源平台与智能传感器网的纽带。无线网络将智能传感器连接起来形成无线传感网，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入到校园的各个角落。

（二）学习资源的建设

学习资源是网络环境下个性化学习活动开展的重要环节，学习资源建设的好坏是泛在学习活动成败的关键。应该有系统、有规划地开发各类教学资源，以使得这些教学资源可以充分调动学习者学习的积极性，促进他们进行体系学习，真正实现学习的目标。我们认为，泛在学习环境下学习资源的建设应该遵循以下原则：

（1）多样化。为满足无所不在的学习需求，泛在学习资源呈现多样化，除了传统的文本、图形图像、音频视频资源之外，适用于不同智能学习终端的移动视频资源、虚拟现实资源、移动3D资源、感性体验资源等新型学习资源将成为重要的组成部分；同时，为满足不同学习终端的要求，在表现形式上也应该多样化，例如，用于台式计算机的HTML网页形式、用于手机设备的WML网页形式，另外不同的设备所使用的图像、音视频等媒体格式也不同[8]。

（2）知识化。泛在学习强调学习的“情境化”，学习更多的是为了解决生活中一个个现实问题。学习者关心的是所获得的信息能否解决所面临的问题，而并不关心学习资源的格式是否正式、内容是否完整、存储在什么设备上以及如何存储的等相关因素。即使是一个知识片段，只要能够帮助学习者构建实际问题的解决方案，就是受到学习者欢迎的资源。因此，在设计学习资源的时候，应该将原先按照课程为单元转变成为知识点为单元的资源组织模式，以适应情境化问题求解的需要。

（3）微型化。用户学习的过程实质上是根据自己的认知结构绘制某一主题的概念图，然后按图索骥将相关的零散知识节点串联起来的过程，如同积木一样，不同的组合形成不同的用户体验。知识节点的动态重组和语义聚合要求作为知识载体的学习资源具有微型化的特征。另外，移动设备屏幕相对较小、泛在网络接入速度较慢以及信息处理能力有限等客观因素，也要求学习资源的设计必须遵循微型化的原则。

（4）智能化。主要体现在两个方面：一方面是通过对多媒体资源格式标准的确定，实现资源对学习终端的智能适应，能针对学习者使用的不同终端，能将资源转换为适合的格式（例如视频文件根据终端的不同转换成不同的文件类型、码率、解析度等等）；另一方面是能够根据用户知识水平、学习风格、认知能力、学习动机和自身兴趣等自动构建知识概念图谱，甚至创建新的知识，为学习资源的可持续发展奠定基础。

（三）软件支持系统的建设

软件支持系统是泛在学习得以实现的关键。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了新的要求，这些都需要提供相应的解决方案。从目前的调查结果来看，这方面的研究都在实验阶段，尚未发现有普适的应用系统和解决方案。但总结起来，在建设学习软件支持系统的时候，需要注意以下几方面的问题：

（1）支持无缝的迁移。泛在学习环境下，用户在不同的环境中移动是不可避免的，这种移动性不仅体现在用户穿梭于住处和教室之间，还体现在用户在不同计算设备上或提供不同类型服务的软件环境之间。这种情况下，如果能够不影响或很少影响学习者的使用和操作，则能够极大地方便用户学习，从而使他们的注意力集中到学习任务本身。所以软件平台应在此方向有所突破，使其尽可能地与普适环境相协调。

（2）支持情境感知。泛在学习环境最显著的特征就是利用情境感知技术为学习者提供个性化与适应性的学习服务。所谓情境是指任何一种描述与用户及其所处环境实体的信息，包括人物、地点、时间、物体等，而情境感知是系统具备依据用户任务的需求，使用情境向用户提供相关信息和服务的能力[9]。建立在支持上下文交互基础上的系统平台，通过对情境信息获取、分析处理和利用，可以更详细地、更准确地参照用户过往的学习历程，从而更好地提供个性化的学习服务，从而实现按需的学习服务。

（3）支持异构平台和多语言要求。普适网络是一个异构的全球网络，它的全球性决定了网络中的各种智能模块必然在建立不同的语言或支撑平台上，这就要求泛在学习的软件平台能够支持多语言和异构模块[10]。

四、结语

虽然目前的技术和环境还不能实现真正意义上的无所不在的学习，但是作为未来的一种学习模式，泛在学习正逐渐引起人们的重视。2009年，我国政府高屋建瓴地提出“泛在信息社会”国家战略，昭示着泛在学习在不远的将来即将走入我们的生活。基于此，本文在阐释普适计算带来的计算和信息服务模式变革的基础上，详细介绍了泛在学习环境的概念模型及其特征，并从硬件设施、学习资源和软件平台等三个方面，就高校如何构建泛在学习环境做了深入的剖析。期望笔者对于这种未来的学习模式的探索，对于我国高校泛在学习的研究和建设有所裨益。

[1] Weiser,M. The computer for the twenty-first century[J]. Scientific American,1991, (3): 94-100.

[2] 徐光，史元春，谢伟凯. 普适计算[J]. 计算机学报,2003,(9).

[3] 余胜泉. 从知识传递到认知建构、再到情境认知——三代移动学习的发展与展望[J]. 中国电化教育，2007, (6):7-18.

[4] 余胜泉，杨现民, 等, 泛在学习环境中的学习资源设计与共享——“学习元”的理念与结构[J]. 开放教育研究，2009, (1):47-53.[5] 李卢一，郑燕林. 泛在学习的内涵与特征解构[J]. 现代远距离教育,2009, (4):28-32.

[6] 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.

[7] 梁玉芬，高德云，等. 无线传感器网络应用系统综述[J].电子技术应用, 2007,(9 ): 3-9.

[8] 张洁，王以宁，等. 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.

[9] Dey A.K. Providing Architectural Support for Building Context-Aware Applications[D]. Georgia Institute of Technology, 2000.

[10] 鲁松，杨云. 基于普适计算的智能图书馆系统的构建[J].情报杂志,2008,(9):37-39.

Study of Ubiquitous Learning Environment in University Based on Pervasive Computing

WU Jin-hong
(College of Economic and Management, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Ubiquitous learning is a future learning mode in future pervasive computing environment. A concept reference model of ubiquitous learning environment is constructed based on discussion on pervasive computing and its information services. And the characteristics of ubiquitous learning environment are also described in great details. Finally, some key factors, including hardware, learning resources and software platform, for building ubiquitous learning environment in university are analyzed deeply.

Pervasive Computing; Ubiquitous Learning; Context Awareness; Higher Education

G728

A

1009－5160(2011)02－0048－04

吴金红（1974-），男，博士，讲师，研究方向：知识发现与知识服务.