可穿戴教育前景与展望

三、可穿戴3.1可穿戴技术概况3.1.1可穿戴的定义可穿戴技术是指可以穿戴在用户身上的基于计算的设备，一般采用配饰的形式如手表、手链甚至可以是纽扣以及鞋子等真实物件。可穿戴技术可以很方便地集成睡眠监测，心率测量，运动历程记录，地理定位，社交互动以及虚拟现实等工具，融入用户的日常学习和生活中。而基于可穿戴技术的智能可穿戴设备，则不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互或云端交互来实现用户体验。3.1.2可穿戴关键技术可穿戴设备产业所涉及的技术领域范围较广，其包括传感技术、显示技术、芯片技术、操作系统、通信技术、数据处理技术、提高续航技术以及数据交互技术等，在众多技术中，最关键的有四项技术：传感技术、硬件平台技术、操作系统技术、人机交互技术。1）传感技术传感器是可穿戴设备的核心器件，是人类感官的延伸，随着物联网社会的不断普及，检测和输出无限接近人类的感觉和动作等信息的技术显得愈发重要，在手表、腕带或相关配饰中嵌入传感器或摄像元件等MEMS器件，通过互联网连接传感器检测到各种信息。在可穿戴设备中，传感器根据功能可大致分为运动传感器、生物传感器、环境传感器三类。运动传感器包括加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器等，主要实现运动探测、导航、娱乐、人机交互功能等。生物传感器包括血糖传感器、血压传感器、心电传感器、肌电传感器、体温传感器、脑电波传感器等，主要实现健康和医疗监控等功能。环境传感器包括温湿度传感器、气体传感器、紫外线传感器、环境光传感器、颗粒物传感器、气压传感器等，主要实现环境监测、天气预报等功能。2）硬件平台技术同电脑、手机一样，硬件平台是可穿戴设备的灵魂。由于可穿戴设备受限于体积及重量等因素的限制，其处理器所需元件的规格与普通移动装置不尽相同。众多芯片开发商针对可穿戴设备的处理器，提出了新一代低功耗、高整合的解决方案。硬件研发的重点是性能和功耗的平衡，通常有两种基础架构：以已有手机应用处理器即AP为核心的硬件通用平台和应用于工控领域的低功耗控制器即MCU。随着可穿戴设备的发展，一些知名厂商研发出另一类专门适用于可穿戴设备的专用处理芯片。3）操作系统技术在可穿戴设备创新过程中，操作系统等软件起着承上启下的作用，其促进整个产业生态链的整合，并在创新中发挥核心作用，目前可穿戴设备操作系统通常有如下几种不同的技术路线。一种是面向功能相对简单的基于传感器应用的可穿戴设备，通常采用嵌入式软件技术或成熟的实时操作系统（RTOS），在单一领域完成固定的单一任务，如智能手环、腕带等。另一种是基于已有智能手机操作系统进行裁剪，如谷歌研发的AndroidWear系统和苹果公司针对AppleWatch研发的IOS系统等。4）人机交互技术人机交互技术包括语音控制、人脸识别、手势识别、增强现实、眼球追踪等技术。语音控制技术的应用发展较早，目前市场上绝大多数智能手机和智能电视都具备语音系统，如苹果iphone上的Siri语音助手等，在近期发布的三星gear手表与苹果公司的AppleWatch智能手表上也配备了相应的语音控制系统。增强现实技术也是时下流行的人机交互技术，其通过佩戴相应的智能眼镜，可模拟现实场景，不仅是在娱乐方面，还是教育方面，都有其丰富的应用前景。3.2可穿戴产业概况3.2.1可穿戴产业链结构可穿戴终端产业链涉及的环节较多，从产业分工维度看可分为上游关键器件、中游交互解决方案、下游产品服务三个环节。上游关键器件环节包括芯片、传感器、柔性元件、屏幕、电池等；中游交互解决方案包括语音识别、眼球识别以及图像识别的等重要技术；下游产品服务环节主要为成品、服务与渠道。在这三层结构中，操作系统和应用贯穿产业链上下游。产业链结构如下图：服务渠道产品APMCU芯片无线通信模块传感器运动生物环境屏幕电路电池柔性元件无线通信模块操作系统语音手势图像眼球交互解决方案操作系统应用3.2.2可穿戴产业发展现状与趋势按照主要功能的不同，可穿戴产品可划分为如下几类：运动健康类、体感交互类、医疗健康类和综合功能类等。每类产品针对不同的市场和消费人群。运动和医疗健康类的设备有运动、体侧腕带及智能手环，主要消费人群为大众消费者。体感控制和综合功能类的设备有智能眼镜等，消费人群主要瞄准年轻人。以下是近两年来市场关注度较高的可穿戴产品：功能类型特点消费人群代表产品运动健身类手环计步、超长待机大众小米手环运动健身类手环运动追踪大众Jawbone手环运动健康类手环心率检测、GPS定位商务人士Fitbit运动健康类手表定位、心率检测、上网大众Geakwatch运动健康类手表来电提醒、心率检测商务人士samsungGear2运动健身类手表通话、上网大众Inwatch-z体感交互类腕带肌肉控制、手势识别商务人士Myo腕带图2近两年来可穿戴热门产品根据IMS报告研究，可穿戴设备的市场有望在2016年达到1.71亿的出货量，而在2011年出货量仅为0.14亿。据ABI最近的预计，2018年智能穿戴设备的年出货量将达到4.85亿。这其中，智能手表将成为可穿戴设备的先行者，出货量年增长率将大235%，在出货量中的比重将逐步上升。到2018年，全球智能手表市场规模将达到92亿美元（约合人民币567亿元），届时智能手表销量将达到9160万块。在全球智能可穿戴设备市场方兴未艾的同时，中国国内市场也风起云涌，国内厂商纷纷试水智能可穿戴领域，在已经开发出的智能手表以及手环的基础上，不断探索差异化细分市场，满足用户个性化需求。2014年，中国智能穿戴市场保持着稳步发展态势，来自易观国际的数据显示，2014年，中国智能穿戴市场整体销量均在11000万部以上，而智能穿戴设备的销量则均超1亿部，同时智能穿戴设备的销量占比在整体智能穿戴市场中第二季度已经达到91.9%，创造了新的高度。图3中国智能穿戴市场规模走势及预测3.3可穿戴在智慧教育环境中的应用3.3.1未来教室未来教室是当前高科技迅猛发展背景下，针对未来教育提出的一种融合众多科技设备，并面向教育教学的课堂教育模式，其将取代以往传统的教学方式，以科技信息化为指引，全面深入师生教学，增强师生互动和提高课堂效率。而随着物联网的发展，基于物联网技术的智能家居也逐步兴起，将智能家居的理念运用于未来教室中，可实现自动调节室内灯光、气温等环境，同时可更方便的操控各项数字化教学工具。下图是基于物联网技术的未来教室的概念设计：201220132014201520162017交易规模5922135.6228298.3增长率80%144%51.60%68%31%5922135.6228298.380%144%51.60%68%31%0%20%40%60%80%100%120%140%160%050100150200250300350增长率交易规模亿元;人民币2012-2017年中国可穿戴设备市场规模走势及预测未来教室智控室温桌椅布局湿度自适智能照明教务管理网络教学图4未来教室概念设计以物联网为基础的未来教室是一个庞大的网络系统，通过传感器技术以及网络互联等技术，可实时中央调控多项教室参数，使学生在更适宜的环境下学习，同时通过强大的云存储技术，可进行远程教学、网络教学等，使学生更方便的使用教学资源，并提高教学课堂效率。1）桌椅布局在某些课堂所特需的教学环境中，例如小组讨论、小组协作等，可通过物联网中控系统调节学生位置，使常规的课桌布局随课堂环境变换，有利于学生合作学习。2）智控室温通过物联网中控系统或自感应系统，可实时调节室温。将室温控制在23-26摄氏度之间为最佳，为师生提供舒服的教学环境。3）湿度自适未来教室中可种植小盆景、盆栽来实现绿色教师的先进理念，不仅净化空气，同时也可缓解学生疲劳的学习情绪。教室的物联网中控系统应自动调节湿度，促进教室内植物的生长。4）网络教学网络教学是时下正兴的教学模式，通过教师传授、网络助教等模式，可加速学生理解教学中的重点、难点，同时通过网络资源中丰富的动态效果，能加深学生的记忆，提高学习效率。良好的学习方法是提高成绩的关键，通过课下的网络资源的获取，也能使学生举一反三，温故知新。5）教务管理在教学方面，可融合智能可穿戴产品于教学中，通过物联网，教师可向学生发布课堂作业、上课提醒、考试成绩等信息。更重要的是，在上课教学过程中，如果某位同学上课注意力不集中，教师可指定发送信息到该同学佩戴的智能产品上，提醒该学生注意力集中。同时，如智能手表、腕表等产品，可监测到学生的心率、体温等生理数据，如在课堂过程中，学生出现不良情况，可通过佩戴的产品向教师发出警报，提醒教师应急处理。而可穿戴产品中的虚拟现实头盔能够引导学生产生一种身在虚拟环境的感觉，即能创设一个虚拟教室环境，和虚拟的学习者互动、在虚拟语言环境中学习、模拟演讲场景等，同时，运用虚拟场景可真实还原周边环境，实现任何时间完成任何形式的教学。6）智能照明当教室灯光较暗时，照明系统应自动调亮灯光，使学生学习正常，也可有效的保护眼睛，而室外光线过强而导致眼睛不适时，也可通过照明系统选择性的降低室内照明效果。3.3.2未来学校可穿戴设备的兴起，使智能手机的发展瓶颈得以缓解，给人们生活带来便利的同时，智能校园、未来校园、智慧校园等新名词也频繁出现在人们的视野。从早期的计算机技术的普及到网络互连的发展，未来校园的建设从未停止脚步，而随着教育信息化、数字化理念的进一步深入，国家对未来校园、未来教育的发展愈加重视，其投入的硬件资源比例逐年提高。近年来，高校的教学发生了翻天覆地的变化，传统的教学方式已逐渐被取代，物联网系统的嵌入使获取教学资源更加便捷。将智能可穿戴设备应用于未来学校的教学、管理、安全等方面是当下研究的前沿。考虑到可穿戴设备的便携性与易用性，与其拥有的心率监测、体温监测、GPS定位、2G\3G\4G移动通信等功能可与未来学校建设严密结合，优化原有的校园教育与管理方案。未来学校的建设大致可分为如下几个方面：1）学生状态分析学生健康是学生赖以学习生活的首要元素，一个健康的体格对学习效率的提升至关重要。在状态分析方面，健康状态的监测以心率和体温的监测来反映学生的基本状态。同时状态分析还应具备位置监测以及运动轨迹监测等，如下图所示：学生状态分析系统学生健康监测学生位置监测学生运动监测图5学生状态分析功能结构图对于心率及体温的监测可对应如下流程图：心率监测模块阈值阈值高于低于正常正常统计低于高于单次阈值阈值情绪反应：紧张健康状态预防疾病情绪反应：平静情绪反应：放松运动过后学生手动系统自动图6心率监测流程图体温监测模块阈值阈值高于低于系统自动学生手动发烧感冒其他疾病图7体温监测流程图对于位置监测，时下中小学生以及大学生失踪案频发，破获该类案件线索又相对有限，若采用GPS定位的可穿戴设备，不仅能反映学生的位置信息，同时也能记录该学生位置运动的轨迹，可有利的监督学生的安全。而运动监测则可帮助学生实现运动计步、计划制定和查看卡路里等功能，从而使学生更有效的安排运动的时间，维持运动与学习的平衡。2）智能一卡通服务“校园一卡通”是未来校园中的重要组成部分，它主要具有综合消费类、身份识别类、金融服务类、公共信息服务类等功能。尽管集诸多功能于一身的一卡通的确方便了学生的使用，但纤薄的卡片以及每日不离身的携带则使丢失率大大提高，在大学校园里，几乎每日都有校园卡丢失的情况发生，同时因为卡的诸多功能，重新办理一张卡，又带来了很多不必要的烦恼。一卡通用户查询自己的卡内余额，消费记录等十分不方便。经常出现消费时才发现卡内余额不足的情况，造成了使用不便。如果可以设定当卡内余额低于多少的时候自动提醒功能的话，将会大大减少类似情况发生。下图是一卡通的功能结构图：校园一卡通服务系统余额提醒功能一卡通功能余额记录等查询图8一卡通功能结构图本系统旨在将一卡通服务集成到可穿戴设备中，代替一卡通完成身份识别，校内消费等功能，方便而且不易丢失。智能手表APP还可提供消费账单查询，卡内余额查询等功能。学生可进行个性化设置，当余额不足一定数额时，APP自动提醒。同时我们可以获取到学生的消费信息、借书信息、出入校园某个场所等信息。为学校的各项