影响未来教育的技术

二、影响未来教育的技术

信息技术是一个飞速发展的领域，不断有新技术、新产品出现，其中许多技术和产品将会应用于教育和教学领域。下面罗列的一些技术，有些已经广泛应用于教育领域，有些仅仅初露端倪，但是具有潜在的应用价值。

（一）电子书

区别于以纸张为载体的传统出版物，电子书是利用计算机技术将一定的文字、图片、声音、影像等信息，通过数码方式记录在以光、电、磁为介质的设备中，借助于特定的设备来读取、复制和传输。

1.电子书的构成和特点

电子书由三部分构成：

（1）电子书的内容。它是以特殊的格式制作而成的，可以在有线或无线网络上传播的电子文件。

（2）电子书的阅读器。电子书既可以在一般的电脑上阅读，也可以通过专门的电子阅读器阅读。电子阅读器可以从互联网上购买数字化的图书，有些采用传统的液晶显示方式，有些则采用电子油墨技术的显示屏，让人可以舒适地长时间阅读图书，如亚马逊的Kindle。

（3）电子书的阅读软件，如Adobe公司的Acrobat Reader，微软的Microsoft Reader，3G门户的66 Book等。

与传统的纸质书相比，电子书具有以下几个特点：

（1）获取与携带方便，节省存储空间。通过网络可随时随地方便地下载资料，很小的电子设备就能存储大量的信息。

（2）易于检索。互动电子书可全文检索，作者与读者能通过网络进行互动。

（3）支持个人订制。读者可根据需要订制电子书，个人出版成为可能。

（4）实现多元化、多媒体化。可供阅读的平台越来越多元化，电子书内容可以多媒体影音的方式呈现。

（5）采用电子油墨技术的电子书，不仅无背光不伤眼，而且只在显示内容转换时才耗电，续航时间长。

2.电子书的功能

电子书能够在完成传统阅读的基础上，扩展阅读的功能和形式。电子书的主要功能有以下几点：

（1）完成传统阅读功能。电子书是传统的印刷书籍的电子版本，它允许进行类似纸质书的操作，读者可以在某页做书签、记笔记、变更字体和样式，或保存所选的内容。

（2）实时上网。可随时通过WiFi或者3G模块把网上的电子图书下载到电子阅读器，亦可使用电脑下载书籍文档并传输至阅读器存储、阅读。

（3）完成电子订阅。可以订阅众多电子期刊、图书、文档甚至博客，可查阅维基百科，并通过搜索、注释和超链接等增强阅读体验。

（4）多媒体阅读。电子书支持很多格式，如PDF、CHM、UMD、PDG、PDB、TXT等。有的移动阅读器还支持音视频播放，通过扬声器或耳机边阅读边欣赏音乐，在课堂、会议中进行语音录制。

电子书在教育领域最大的用途是电子书包。目前，许多国家都在研究电子书包，它的出现将会掀起教育行业的变革，不超过500克的质量和不超过1厘米的厚度，孩子们无须再背负沉重的书包上学，因为所有的课本内容和教学辅导材料在开学之初就已全部装入电子书包中了。

未来的电子书将朝任意折叠柔性纸、双面显示、多屏重叠阅读等方向发展。随着电子书技术的发展，在不远的将来，我们会在许多课堂中见到这个小巧的设备。

（二）虚拟现实技术

虚拟现实技术融合了数字图像处理、多媒体技术、计算机图形学、传感器技术等多方面信息技术。具体来讲，虚拟现实技术就是以计算机技术生成逼真的视、听、触觉一体化的特定的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生等同于亲临真实环境的感受和体验。

虚拟现实技术主要有以下几个特征：①强烈的临场感，用户在模拟环境中，能够感到虚拟世界是真实存在的；②友好的交互性，交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。例如，用户用手直接抓取环境中的物体时，手里会有握着东西的感觉，并可以感觉到物体的重量，视场中的物体也随着手的移动而移动；③多感知性，除了具有一般计算机的视觉感知外，还具备听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等；④虚拟现实世界的自主性，也就是说虚拟环境中的物体会依据物理定律进行动作。

1.常见的虚拟现实技术

虚拟现实技术的交互能力主要依靠立体显示技术和传感器技术。用户通过传感装置可以直接对虚拟环境进行操作，并得到实时的三维显示和反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。大部分硬件设备都是随着虚拟现实技术的发展而专门研制的，如各类虚拟现实立体显示器、各种位置跟踪器、触觉反馈装置等。其中目前较为常见的虚拟现实技术和设备有以下几种：

（1）增强现实技术。

增强现实（Augmented Reality，简称AR）是在虚拟现实技术基础上发展起来的一种计算机应用和人机交互技术。它将计算机生成的虚拟环境与用户周围的真实场景相融合，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实场景的组成部分。增强现实技术主要是在已有的真实世界的基础上，为使用者提供一种全新的感官复合的视觉效果，以扩展人类认知、感知世界的能力。

增强现实技术在国内外有不少的应用案例，例如，日本红十字会用增强现实技术号召大家献血；美国斯坦福大学的研究人员发明了一种增强现实设备来帮助医生进行诊断等。在国内，增强现实技术在旅游业、古物复原、展览展示以及电影业、餐饮业等领域应用较多，例如，通过户外增强现实系统来进行圆明园数字重建，使游客能在园区内的不同景区以多种形式感受圆明园的魅力。

（2）触觉反馈技术。

触觉反馈是指在人机交互过程中，计算机对操作者的输入做出响应，并通过触觉反馈设备作用于操作者的过程。触觉反馈设备的主要功能是利用传感器感知操作者的运动和位置，将数据实时、准确地输入主控计算机，并且将虚拟环境中生成的力感和触感反馈给操作者，使操作者产生身临其境的沉浸感。

鉴于手是人体中感觉神经最密集的部位，因此，国内外对触觉反馈的研究主要集中在与手有关的反馈技术和设备，并且在医疗、机械制造、生活娱乐方面已有较成功的应用。

（3）数据手套。

数据手套（图1-1-2-1）是虚拟现实中最常用的交互工具。它是一种通用的人机接口，其直接目的在于实时获取人手的动作姿态，把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者，使操作者以直接、自然、有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感。

数据手套实现的关键在于对手掌、手指及手腕的各个有效部位的弯曲、外展等状态数据的测量，它需要通过对人体手部姿态进行建模，来确定传感器测量数据和手部各关节运动姿态的对应关系。许多公司在数据手套的研制开发方面已经做了大量的工作，推出了一些采用不同传感器的数据手套产品，并得到较成功的应用。

图1-1-2-1　数据手套

（4）头部显示器。

头部显示器（图1-1-2-2）是虚拟现实应用中的图形显示与观察设备，可单独与主机相连以接受来自主机的图形信号。使用方式为头戴式，辅以三个自由度的空间跟踪定位器，可进行虚拟现实输出效果观察，同时观察者可做空间上的自由移动，如自由行走、旋转等。

头部显示器按照是否与现实隔离，可以分为封闭式头部显示器和通透式头部显示器。封闭式头部显示设备通常都比较小和轻，其最显著优点是其显示范围可以覆盖观察者的整个视野。通透式头部显示器主要用于增强现实的应用，用户需要看到“增强”后的现实世界。通透式头部显示器包括封闭式头部显示器的所有部件，再加上通过光学或视频方法捕获真实世界的设备，以及用于校准虚拟世界与现实世界连接的设备。

图1-1-2-2　头部显示器

2.虚拟现实技术的教育应用

虚拟现实技术能将三维空间清楚地表示出来，并产生视觉、听觉、触觉、嗅觉等各种感观的刺激信息；同时，它使学习者能直接、自然地与虚拟环境中的对象进行交互作用，以各种形式参与到事件的发展变化过程中去，从而获得最大的控制和操作整个环境的自由度。这种呈现多维度信息的虚拟学习和培训环境，为参与者以最直观、最有效的方式学习新知识、新技能提供了前所未有的途径。因此，该项技术可应用于虚拟科学实验室、立体观念教学、生态教育、交通规则教育、专业领域训练等领域。

（1）多种专业训练。

借助于增强现实技术的各项成果，人们将能对危险的、难以提供真实演练的操作反复地进行逼真的练习。目前最为普遍的应用就是训练飞机驾驶员的训练模拟器，它是由高性能计算机、三维图形产生器、立体声音响器、各种传感器，以及产生运动感的运动系统组成的。当受训者坐进驾驶舱模拟器时，将看到与真实飞机一模一样的仪表盘、操纵杆。当受训者在这个模拟器内操纵飞机时，作为系统中枢的计算机系统将负责管理计算飞行的运动、控制仪表、指示灯等信号。这些信息经过分析和处理后，将被传输给各个子系统（视觉系统、听觉系统、运动系统等），用来实时生成相应的反馈效果。

（2）虚拟实验。

可以模拟显现那些在现实中存在的，但在课堂教学环境下很难做到或者要花费很大的代价才能显现的各种事物，供学生学习和探索。例如，中国科技大学将虚拟现实技术运用在物理实验方面，已经形成了比较成熟的产品，有“基于本地的大学物理仿真实验软件”、“几何光学设计实验平台”、“大学物理虚拟实验远程教学系统”等。

（3）虚拟校园。

虚拟校园是虚拟现实技术在教育中最早的具体应用之一。随着宽带技术的大规模应用，国内一些高校已经开始逐步开发虚拟校园，先后有北京大学、浙江大学、上海交通大学、西南交通大学等高校，采用虚拟现实技术建设了虚拟校园。随着技术的不断发展，人们已经不满足于对校园环境的浏览，基于教学、管理、校园生活的三维可视化虚拟校园也正在研究开发过程中。人们需要一个完整的虚拟校园体系，真实、互动、情节化的特点是虚拟现实技术独特的魅力所在。

（4）特殊教育。

在虚拟现实技术的帮助下，残疾人能够通过自己的形体动作与他人进行交流，甚至可以用脚的动作与他人进行交谈。例如，残疾人带上数据手套后，就能将自己的手势翻译成讲话的声音；配上目光跟踪装置后，就能将眼睛的动作翻译成手势、命令或讲话的声音。通过专门教弱智儿童掌握手势语言的三维虚拟图像的理解和训练系统，可以帮助这些孩子进行练习和训练，使他们能很快地熟悉符号、字和手势语言的含义。

（5）虚拟教师。

通过虚拟现实技术呈现的虚拟教师可以出现在未来课堂中，它可以担当“导航”和“解惑”的重任，指导和帮助学生获取所需要的学习资源，防止出现“信息过滤”和“资源迷向”，并回答学生有关的问题。虚拟教师的出现有利于增加教学的趣味性和人性化色彩，从而改善教学效果。

虽然目前用于教育和培训的虚拟现实应用系统仍然较少，且在性能上还需逐步改进，但可以肯定，虚拟现实技术将使21世纪的教育培训设施发生重大的变化。在不久的将来，学生在“虚拟教室”里上天文学课时，可以遨游宇宙，可以目睹诸星系在太空中是如何形成的；上化学课时，可以“钻入一个分子内部”仔细地观察分子的结构；上生理学课时，可以在人体内“实地考察”每一个器官。与此同时，更多的应用还会扩展至各行各业，如应用于驾驶学校、医务学校、体育学校等，以便为学员设置超难度及宽领域的训练课程。这些新型的增强现实系统不仅减少了训练的费用，还能为受训者设定各种复杂的情况。到那时，驾驶学校和医务学校的学员可以重演应对紧急情况的措施，保安人员可以重演营救人质，消防队员可以重演扑灭火灾，每个人都可以在这种虚拟环境中反复重演高危险性、低概率的事件，并试验各种应对方案，即使闯下“大祸”，也不会引起任何“恶果”，从而在安全的虚拟环境中取得实际经验。

（三）物联网技术

物联网（The Internet of Things）的概念最初由美国麻省理工学院的凯文·阿什顿1999年提出，它的定义很简单：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。在此后的十年时间里，物联网受到了越来越多的关注，其概念也在不断发生变化。欧洲信息社会与媒体委员会在其2008年发布的《2020年的物联网：未来之路》中，将“物联网”定义为由一些“具有身份标识与虚拟的个性化特征，可以利用智能化接口在智能空间进行相关操作，并可以与社会的、环境的、用户的上下文相互连接并进行有效沟通”的物体构成的网络。

物联网使得人们所处的物质世界得以极大程度地数字化、网络化，使得世界中的物体不仅以传感方式，还以智能化方式关联起来，网络服务也得以智能化。物联网具有智能化感知性，它可以感知人们所处的环境，最大限度地支持人们更好地洞察、利用各种环境资源以便做出正确的判断。

近年来，物联网受到了来自各种研究机构与团体的越来越多的关注，并取得了一些令人瞩目的研究成果，其中较具影响力的包括国际电信联盟发布的《ITU互联网报告2005：物联网》、欧洲信息社会与媒体委员会发布的《2020年的物联网：未来之路》、IBM的“智慧地球”项目。物联网的研究也受到了各国政府的重视，比如，日本与韩国2006年开始相继实施U-Japan计划与U-Korea计划，我国在国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020）中也提出要重视传感网的开发与利用，2009年12月国家传感网创新示范区研发中心与产业园在无锡落成，而这些计划中都重点关注物联网的发展与应用。

虽然物联网技术目前在教育中还没有得到广泛应用，但是无论是课堂教学、教学环境建设、教学管理、学生活动，物联网技术都有很大的用武之地。

1.基于物联网的智能教学环境

通过物联网，不但使得现实世界的物品互为连通，而且实现了现实世界（物理空间）与虚拟世界（数字化信息空间）的互联，能够有效地支持人机交互、人与物品之间的交互、人与人之间的社会性交互。物联网的引入使得物理教学环境的每个物件都具有数字化、网络化、智能化特性，可以与虚拟学习环境进行无缝整合，可以即时地捕捉、分析师生的教与学的需求信息，并进行相应的调整，为师生提供智能化的教学环境与教学资源。

2.利用物联网丰富实验教学

物联网的介入可以为实验教学提供一个安全的、共享的、智能化的实验教学环境，例如，每一种实验器材都有数字化属性与使用帮助信息，当实验器材使用不当时会自动启动报警系统；实验者可以远程控制异地接入物联网的实验器材；实验过程数据可以被实时采集并以适当的方式提供给实验者，实现实验教学的数字化、网络化与智能化。

3.利用物联网支持教学管理

物联网可以用于学校考勤管理、学校图书管理、教学仪器设备管理、学校教育安全管理。比如，我国台湾地区于2008年成立了校园安全应用RFID技术协助学生安全建置计划，逢甲大学和台中特殊教育学校配合进行了实践。在实验学校的教室、走廊、大楼入口处、地下室及顶楼等地点架设约30个点RFID读取器，每个学生佩戴RFID标签。实验系统会自动感测RFID信息，统计学生出勤情况，老师可通过网络查询学生出勤情况及目前所在位置或行进路线。系统提供的腕带式标签可以自动感测学生体温，当学生体温异常时，系统将发出警报信息通知相关人员，做出即时健康管理及处置措施。

4.利用物联网拓展课外教学活动

我国香港、台湾、北京、广州等地区开展了基于物联网的“数字化微型气象站”在科学教育中的应用实践，将先进的测量技术、传感技术与现代教学理念相结合，支持学生的正式学习、非正式学习与合作学习等。

（四）动作识别技术

信息技术的应用离不开人与计算机之间的交互。因此，计算机的发展史不仅是计算机本身处理速度和存储容量飞速提高的历史，而且也是人机交互不断改进的历史。在计算机出现的半个世纪里，人机交互技术经历了巨大的变化。人机交互刚刚走过基于字符方式（键盘）的命令语言式界面，目前正处于图形用户界面时代。当前语音识别技术和计算机联机手写识别技术的商业成功让人们看到了自然人机交互的曙光，而动作识别是计算机通过某种方式识别操作者的动作，并做相应反应的一种交互方式，它是未来人机交互技术的发展趋势。作为一种新型人机交互形式，动作识别比以前任何人机交互形式都能更好地实现“以人为中心”的人机界面。

计算机视觉动作分析早在20世纪90年代就开始了，目前该技术已经在许多领域得到应用。2004年，日本索尼公司推出第一款大型摄像头游戏，它通过摄像头拍摄，以人的动作代替手柄进行操作，并以其简单鲜明的特点在世界各地引起巨大反响。目前该技术主要用于游戏领域（图1-1-2-3），它在教育中的应用也开始得到重视。

图1-1-2-3　动作识别游戏

根据动作进行交互有许多种形式。例如，根据鼠标划过的路径，来判断用户想要执行的操作；在触摸屏上，通过多点滑动的轨迹和速度，识别操作者的动作和意图；利用重力感应识别控制器（如手机）的位置、方向，从而识别人的动作和意图。目前动作识别的主要研究领域，则是计算机视觉动作识别——运用成像设备检测、识别、跟踪人体动作，并对其行为进行理解和描述。

可以设想，动作识别技术，尤其是手势识别和手语识别技术成熟以后，将对教学产生重要的影响，以下是几种典型的应用。

（1）实验教学。许多实验需要学生规范操作，然而教师在有限的时间里难以发现和纠正所有学生的不规范动作。利用计算机视觉动作识别技术，可以及时发现每个学生的不规范动作，并通过声光系统发出警告，要求学生改进直至规范。

（2）体育教学。利用计算机视觉动作识别技术，可以提高学生运动动作的准确性和教学效率。

（3）艺术教学。将视觉动作识别技术应用于艺术教学，如舞蹈的教学，可以自动匹配练习者的动作与标准动作的差距，并耐心要求练习者纠正。

除此之外，还有许多新的信息技术也将对未来的教学产生影响，如无线网络技术、3D显示技术、人工智能技术、云计算、智能楼宇技术等。这些技术在教育信息基础设施建设、信息化管理、教育信息资源开发、信息技术的应用、教学模式的革新、网络文化发展、教育的决策支持等方面都将起到重要的作用。