余胜泉：泛在学习环境的基本结构及其关键技术

泛在学习环境的基本结构及其关键技术2012年11月于北京北京师范大学教育技术学院余胜泉教授ysqetc@163.com目录一、泛在学习及其空间模型二、泛在学习资源设计与共享一、泛在学习及其空间模型交互获得全球关注移动廉价电脑从奢侈品变成消费品技术嵌入日常环境，越来越生活化WearableComputersUniversityofOregonSource:无处不在的通讯网络云技术汇聚智能，产生聚变三元融合的世界——From中科院信息技术发展白皮书大趋势：虚实融合的世界虚拟世界真实世界虚实融合的世界云、端、网融合可提供无处不在的网络和以及无处不在的计算空间IBM的网格远景：现在的计算机未来：因特网是计算机!信息生态观：生活就是计算机！考察环境技术无处不在，学习将无所不在野外环境休闲环境无线网络教室环境非正式交流环境Themostprofoundformsoflearningarethosethatdisappear.Theyweavethemselvesintothefabricofeverydaylifeuntiltheyareindistinguishablefromit.泛在学习泛在学习泛在性情境性社会性非正式性适应性连接性学习的情境性情境是整个学习中的重要而有意义的组成部分，学习受到具体的情境特征的影响，情境不同，所产生的学习也不同

。学习者只有在有意义的情境中学习，才能真正掌握知识。高级的学习要获得将知识进行情境化应用的能力，同时能够理解和辨识不同情境的知识表现，也就是能够根据知识所处背景信息联系上下文辨识问题本质并灵活解决问题。情境感知（ContextSensitivity）随着技术的进步，移动设备的情境感知（ContextSensitivity）能力将越来越强大，它将集成更多的传感器、探测器、采集器，通过这些电子化的微型感知设备，捕获用户、设备、场所、问题、应对策略方法等真实世界的信息，以及将我们所处生活环境中各种人类感官不能直接感受到的信息，采集到方寸之间的移动设备中，进入到数字化的虚拟世界中，经过计算、处理，变成我们人类学习、决策的参考的知识，在一定程度上连通虚拟世界和现实世界，通过虚拟世界的知识学习来增强人对现实的理解和驾驭能力。示例：SkyScout比如美国Celestron公司的SkyScout(天空探索家)，它是一个具有情境感知能力的天文望远镜，将SkyScout指向某一颗星体，它会在存储的6000多星体天文数据库中对照，识别出这是哪颗星，再向你用文本或声音介绍它的基本情况，还时常会穿插一些背景故事，神话传闻。该产品能够在天文观测过程中，帮天文爱好者和初学者讲解和寻找星体目标，实在是最大化的满足了发烧友们，老师们的需求，是一种典型的情境学习的移动设备。SkyScout采用了GPS全球卫星定位技术，无论使用者把它带到哪里，它都能通过与定位卫星的校正，测出当地的经纬度，标出正确的位置。通过三轴感应器，能随时随地测量重力和磁场，经过计算，得出SkyScout相对于地球的实际方位。有了这几条，SkyScout可以做到定位星体，检索星体数据库中的知识。SkyScout还自带一个天文数据库，记录超过6000个肉眼能观察到的各种天体的资料，行星、恒星、彗星，应有尽有；轨道、距离、速度、方位、亮度、色彩，一应俱全。星图APP学习的非正式性相对正规学校教育或继续教育，泛在学习具有非正式的特性，是在工作、生活或社交等非正式学习时间和地点联接或内化知识的学习形式，这种非正式学习广泛存在，达到个体工作中学习需要的80%左右。它是基于学习者自身的需求的，使人们能获得很多能立即应用到实践当中去的知识和技能，它是因时、因地、随需而发生的，是一种自我导向的过程，是一个适量学习（justinenough）的过程，在学习者最需要的时候为他们提供知识信息，而不论他们处在什么样的场所。学习的社会性学习不仅是在个体大脑中发生的，学习者个体与学习内容互动的同时，社会、社区和其他学习者对学习有重大作用。社会性成为学习的一种内在和本质属性，学习是个体参与实践共同体的过程，学习是与群体相互合作与互动的过程，个体与环境的相互作用是形成能力以及社会化的必经途径。构建社会认知网络不止是一种辅助学习的手段或工具，而成为学习的重要目的之一学习的适应性学习将是我需要什么，就能获得什么，而且是以最合适的组织方式、表现方式、服务方式来获得，是一种按需学习（justincase）。泛在学习面向社会的全体公民，每个学习者的生活背景、知识技能、兴趣偏好、认知风格等都各不相同，智能学习环境能依据学习者的学习记录信息准确分析出学习者的个性化学习模型，然后根据这些模型适应性的推送学习内容及服务，能够向不同的学习者提供个性化的学习服务。学习的连接性学习是共享和构建个体认知网络和社会认知网络的过程。个人的知识组成了内部的认知网络，学习空间中的情境问题与其他学习者构成社会认知网络，学习者在情境交互过程中，完善和改进自己个人认知网络，同时也构成社会认知网络的一部分，分享和构建了社会认知网络。泛在学习空间模型无缝学习空间就是指普适计算技术支持所汇聚的各种学习情境，在无缝学习空间中探索学习，可以将受时间/空间限制的正式学习延伸到非正式学习，将学习从课堂延伸到实际工作和生活场所。在居室、家庭、餐厅、运动场、医院、博物馆、图书馆、教室、办公室、超市、厨房、街道、汽车、工厂生产线等等，利用普适计算设备，在人们生活、工作和学习的空间中，构建了一个个的可以主动发射的学习热点，从而构成一个无所不在的学习空间，在这个空间中，学习者在实际工作或生活中，利用具有情境感知能力的移动计算设备，可实现随时随地的学习。(1)泛在通讯网络在无缝学习空间中，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。网络不再被动地满足用户需求，而是主动感知用户场景的变化并进行信息交互，通过分析人的个性化需求主动提供服务。泛在通讯网络是多种接入方式、多种承载方式融合在一起的，实现无缝接入；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，可以随时随地存取所需信息。泛在通讯网络具有对称性、融合性，用户不是被动地接受服务，而可以主动地创造服务；网络作为基础设施，向学习者和智能学习主体提供无缝的信息通讯服务。(2)普适计算设备表现形式突破电脑惯性思维，更多与人们学习和生存环境相融合，体现出信息生态的协调和适应性。可自然交互：可用人们习惯的、自然的交流方式与这些设备交互和互动，比如语音交流、触摸交互等。具有环境感知的智能性，无缝学习空间的学习载体都具有智能性，是一个个独立的知识发布主体，它可以向与其交互操作的学习主体主动发布学习信息，学习者接受后实现学习并进行行为决策。具有快速无线通讯的功能：智能学习主体可以快速的、无缝的与学习者或其它主体交换和传递信息，能够实现与他人的知识共享，通讯功能内嵌到每一个智能学习主体中。增强性虚拟现实：普适计算技术不仅是来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。各种可嵌入到我们生活中各种物品和空间的交互式技术，比如电子像框、电子显示屏、微控制器等，这些技术共同核心的特点是：(3)教育云计算中心教育云服务学习资源学习模型学习服务典型案例无线网络农作物病虫害数据库农业技术员认知网络模型要实现学习的情境化，很重要一点是智能学习空间要根据学生的能力特征和认知特征提供最适合学生需求的教学，因此，智能学习空间必须了解当前的教学对象，这就要求把学生的各方面信息用适当的数据结构记录下来，并提供各种推理、决策、分析的模型作为智能学习空间进行教学决策（选择教学内容和教学方法）的依据，这种用于记录学生个别情况的数据结构及依据此数据结构存储的数据称之为认知网络模型。认知网络模型需要记录每个学生原有的知识水平、认知能力和认知特点。模型依据学生和系统之间的交互作用及应答历史而形成，并可以根据每个学生的学习进步情况动态的修改。这样，系统可以随时了解每个学生的情况，有的放矢进行适应性的教学。认知网络模型首先能向学生提供直观的视图（可视化的内部状态），使得学生能够自己发现和理解有关概念或隐藏在状态之中的规律及因果关系；其次是可以作为学习者的模拟，记录学习者的各方面数据，可以用来对学生做形成性评价；第三可以在协作型学习策略中作为计算机化的学习伙伴；第四它是一种学习者评价工具，更是帮助学习者反思、促进学习者交流、有助学习者专业成长的工具。建立认知模型需要解决的核心问题是学生的知识水平、认知能力、认知特点的表征问题。学生认知模型是情境感知适应学习的必要前提，是智能学习空间中的必要组成部分。感知模型感知技术学习与分享设计在可进化的学习资源基础上，围绕所确定的教学内容及目标设计学习活动过程与学习交互，激发学习者的信息搜索、分析和综合等高水平思维活动，设计具体的协作任务，引发学习者的合作性的问题解决活动，鼓励学习者之间的交流和协作活动，并对学习过程进行监控调节。学习者通过情境感知设备采集到学习信息后，同时参照学习活动建议与学习对象交互，或者通过网络与他人交互，在体验学习活动中实现学习，内化知识，提升能力。分享设计还要考虑到促使学习者积极主动参与进来，共享知识和创造性，学习者在参与学习活动的时候，要有多条途径满足他们人际互动、协作交流的需要，以使成员的协作更加顺畅，交流更加充分；要提供多种自主学习的活动与手段，比如自测和评估等，促进学习者知识内化或意义联结；要提供协同创作的环境与工具，使得每个学习者的智慧得以在学习内容的进化历程中得以体现；要提供问题解决活动、案例和指导，以便学习者能够通过学习解决所遇到的情境性问题。二、泛在学习资源设计与共享泛在学习对学习资源的新需求学习资源是任何ULE（UbiquitousLearningEnvironment）的核心要素（Jones,V.&Jo,J.H.,2004;Tan-HsuTan,etc.,2007）泛在学习需要结构开放、动态生成、持续进化发展的学习资源满足各种个性化需求的学习资源在各种设备上适应性递送和呈现的学习资源及时解决现实问题的富情境性的学习资源连接人际网络的资源，共享学习过程中的人际网络和社会认知网络，满足社会化学习的需要封闭的资源库不适应时代发展系统是封闭的，资源只能简单的上传下载，不能与被管理的资源交换信息资源是孤独的，没有与其他资源以及学习者之间产生有机的联系资源是固化的，不能在使用的过程中吸收有价值的信息资源表现形态是单一的，无法适应多终端访问与显示信息量超载，但有效内化不够，没有学习活动设计学习元的提出学习元泛在学习环境下的资源组织模型及关键技术学习资源技术的发展轨迹积件SCORM学习对象IMSLD学习活动提出简单学习内容共享的思想为学习内容共享提供了工程化的方法与技术标准实现了教学策略与学习设计的共享未来之路？如何共享在学习过程中生成的信息？如何实现学习内容的进化？以适应在共享中各种个性化的需求？如果共享资源在使用过程中的社会认知网络如何共享交互性的学习工具？如何实现基于语义的自然聚合？如何支持学习过程的连接？“学习元”的概念（LearningCell）“元”的隐喻的含义取“元件”之意，即学习元可以成为更高级别的学习资源的基本组成部分取“元始”之意，表示学习元具有由小到大、由弱到强的进化功能类似于“神经元”，能够相互联结并具有一定的智能性

学习元的实质是具有可重用特性支持学习过程信息采集和学习认知网络共享，可实现自我进化发展的微型化、智能性的数字化学习资源，具有开放性、生成性、进化发展、联通性、内聚性、智能性，适应性、社会性等基本特征。可动态重组的基本单元描述标准化特性“元”是基本组件设计理念可多元重用的基本知识学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元学习元知识群：相关主题的资源集合学习元：单个资源知识云：知识群的集合学习社区：用户群体学习环境个人空间：个人学习环境学习元元数据、聚合模型本体内容方案诗文总结活动讨论反思答疑评价多元格式生成性信息知识群知识群知识群知识群提供动态学习活动库描述参与性特性“元”是交互的设计理念内容与活动整合性设计学习内容与学习活动整合学习内容学习活动

2023/9/2247内容与活动整合设计学习活动库集成外部网站的开放服务描述联通性特性“元”是开放的设计理念可作为组件嵌入外部网站利用开放服务实现信息联通学习元是开放的结构，可以与外部应用程序通讯共享内部要素的信息跨组织、跨系统的资源共享Gadagets嵌入页面采用基于语义技术的动态元数据描述描述内聚性特性“元”是连接的设计理念根据内容意义关联形成动态知识网络基于语义的聚合方式从资源组织到知识组织；从线性、树状组织到网状关联内容的聚合通过语义基因控制的、可有序成长的萌发性资源描述生成性特性“元”是进化的设计理念吸收用户使用过程中生成的资源，沉淀集体智慧学习资源的进化与成长体现资源的可进化特性，进化和生长具有结构性特征，和学习元内部的知识结构模型密切相关，是聚合性的生长而不是漫无目的的生长体现资源的生成性在结构中设计用于保存用户在使用学习资源的过程中产生的信息，如讨论时的发帖、练习的反馈、评价的结果等学习元中持续着保存学习元使用过程中的生成性信息，包括用户的基本信息、交互过程中产生的信息、对学习元历次更新的信息等等NotPresetting,ButGenerating!学习元的理念——知识的成长将人视为学习内容的重要内容，聚合集体智慧描述社会性特性“元”是智慧的设计理念以知识为中心形成知识社会关系网络（KNS）学习元创建者协作