普适计算环境中的泛在学习

普适计算环境中的泛在学习－研究综述与个案分析Pervasive/UbiquitousComputing付道明•研究背景•概念界定与研究综述•普适计算和泛在学习的实现•个案分析：泛在语言学习与智能教室•结论汇报内容•研究背景•概念界定与研究综述•普适计算和泛在学习的实现•个案分析：泛在语言学习与智能教室•结论汇报内容当前计算机技术发展的特点•计算、通信和数字媒体技术的互相渗透和结合，其集中的体现就是互联网的发展；•计算机在计算能力和存储容量提高的同时体积也越来越小，其发展趋势是把计算能力嵌入到各种设备中去，而且这些设备可联网使用。计算模式的发展•计算模式（ComputingParadigm）在20世纪80年代经历了从主机计算(MainframeComputing)到桌面计算(DesktopComputing)的革新。•90年代以来计算技术的飞速发展蕴育了新的计算模式。传统的计算模式•以计算机为中心的计算：1.计算机的使用方法不符合人类的习惯；2.为了完成一项任务，需要与计算机进行的对话过于烦琐；•基于桌面的使用模式：1.用户要使用计算机，就需要坐在计算机面前；2.本质上说是一种私有模式，难以适应一个用户可能在不同地点和环境，甚至在移动过程中使用多台计算设备进行工作的情况。全新的计算模式提出•计算机技术进一步发展迫切地需要全新的计算模式，这就是普适计算(Pervasive/UbiquitousComputing)。•普适计算的思想最早是1991年MarkWeiser在《ScientificAmerican》的“TheComputerforthe21stCentury”中提出的。计算模式的发展趋势普适计算思想的发展•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•Weiser的思想在90年代后期开始在国际上得到广泛关注和接受，目前已经成为一个极具活力和影响力的研究领域。•重要标志：1999年开始的Ubicomp国际会议、2000年开始的PervasiveComputing国际会议、2002年IEEEPervasiveComputing期刊的创刊。•研究背景•概念界定与研究综述•普适计算和泛在学习的实现•个案分析：泛在语言学习与智能教室•结论汇报内容普适计算的定义•目前尚未有明确定义，但目标都是“要建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融合在一起”。•“普适计算2007国际会议”官方网站指出，普适计算是指人们可以在任何时间（anytime）任何地点（anywhere）通过我们日常生活中的物体和环境中的某一联网的动态设备，而不仅仅是计算机设备进行随时随地的交流和协作。•清华大学徐光祐教授等的定义是:“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。”“随时随地”和“透明”•“随时随地”指人们可以在工作、生活的现场就可以获得服务,而不需离开这个现场而去端坐在一个专门的计算机面前，即像空气一样无所不在；•“透明”指获得这种服务时不需要花费很多注意力，即这种服务的访问方式是十分自然的甚至是用户本身注意不到的，即所谓蕴涵式的交互（ImplicitInteraction）。普适计算的本质要求•相对“随时随地”的特性,“透明”是普适计算更本质的要求，是其与桌面计算模式最本质的区。•Themostprofoundtechnologiesarethosethatdisappear.Theyweavethemselvesintothefabricofeverydaylifeuntiltheyareindistinguishablefromit.•“最具有深远意义的是那些从人们注意力中消失的技术，这些技术已经渗透到人们的日常生活中以致与生活难以区分”。目前的主要研究计划1.DonNorman的“InvisibleComputer”；2.CMU的Aura计划；3.欧盟的“DisappearingComputer”计划；4.MIT的Oxygen计划；5.MERL实验室的InteractiveTable计划；6.MITMediaLab的ThingsThatThink项目；7.HP的CoolTown计划；8.清华大学的SmartClassroom等。普适计算研究动力Satyanarayanan认为：从分布式计算、移动计算到普适计算的发展历程来看，研究普适计算的动力在于四个方面：智能空间的有效运用（effectiveuseofsmartspaces）、不可见性（invisibility）、本地或局部可伸缩性（localizedscalability）和屏蔽非均衡条件（maskingunevenconditioning）。通过将计算基础结构嵌入到建筑结构中，一个智能空间（SmartSpace）可以将两个脱节的世界（指移动和固定）联系在一起。普适计算实现的条件从技术上，实现普适计算必须做到满足三个条件，首先，市场上大量出现可供购买的尺寸大小不一、种类繁多的显示设备和廉价、低能耗计算设备；其次，存在将所有计算设备（如嵌入式计算设备、辅助设备）联接在一起的网络；最后，研制出用于实现普适计算应用系统的软件支撑系统。泛在学习的定义•泛在学习的概念其实并不是一个新名词，从广义上看，学习本身是无处不在的。然而，无处不在的学习并不一定能无处不在地得到学习支持。无处不在的学习并不一定能无处不在地产生相应的学习效果。•普适计算环境的泛在学习是指在信息空间与物理空间相融合的空间里，学习的发生、学习的需求以及学习资源无处不在，学习者可以得到普适计算环境的随时、随地的支持。学习环境的分类从学习环境的分类来看，泛在学习环境是属于深入层次较高、学习的移动性最高的一种学习环境。一个泛在学习环境是一种整合的学习环境,它整合了物理的、社会的、信息的和技术的多个层面和维度。在一个泛在学习环境中,各种教育机构(EducationalInstitutions)、工作坊(Workspace)、社区(Community)和家庭(Home)将会被有机地整合在一起。高基于桌面计算环境的学习移动学习普适学习泛在学习深入的层次移动的层次高低低泛在学习的主要特征•永久性（Permanency）：学习者可以将每天的学习进度记录下来，在不删除的情况下，学习者永远也不会失去学习进度；•易于获取（Accessibility）：整个学习过程是学生自主控制的，学习者可以随时随地获取文档、数据或者视频资源；•即时性（Immediacy）：无论学习者身处何地，他们都能即时获取信息，这为学习者即时解决问题提供便利；•交互性（Interactivity）：通过同步或异步的交流方式，学习者可以与专家、教师或者学习伙伴进行交互；•教学活动的真实性（Situatingofinstructionalactivities）：学习可以真实地融入我们的日常生活。我们面临的问题或习得的知识是自然世界里真实可信的；•适应性（Adaptability）：学习者可以在合适的地点以合适的方式获得正确的信息；•协作性（Collaborative）：学习者可以在计算机支持的泛在协作学习（UbiquitousCSCL）环境中实现社会知识建构和共享的社会认知过程。•研究背景•概念界定与研究综述•普适计算和泛在学习的实现•个案分析：泛在语言学习与智能教室•结论汇报内容信息空间和物理空间的融合信息空间：存在于计算机和网络中的数字化的信息、服务、计算和通信物理空间：真实存在的物理世界普适计算融合2、自发的交互1、绑定绑定和自发的交互•绑定：信息空间中的对象与物理空间中的物体建立相互的对应，使这个物体成为访问信息空间中服务的直接入口。•自发的交互：物理空间和信息空间之间无需人的干预的交互，即其中任一个空间状态的改变可以引起另一个空间的状态的相应改变。两种途径实现绑定•直接在物体上（内）嵌入一定的感知、计算、通信能力，使其同时具有物理空间和信息空间中的用途。•例子：1.MERL实验室研究的InteractiveTable；2.清华大学研究的SmartClassroom；3.MITMediaLab的ThingsThatThink项目。两种途径实现绑定•为每个物体添加可以被计算机自动识别的标签，标签可以是基于条码、红外和RFID的。•例子：•HP的CoolTown计划，通过在所有物理世界中的物体上附着一个编码有URL信息的条形码来建立物体与其Web上的表示之间的对应，从而建立一个数字化的城市。从两个相对方向看自发的交互•信息空间的状态改变映射到物理空间中，其最主要形式是数字化信息可以无缝地叠加在物理空间中/上。•例子：•已经广泛采用的各种电器上的显示屏；•E-Ink公司正在研究的电子纸；•IBM研究院的EverywhereDisplay；•信息空间也可以自动地觉察物理空间中状态的改变，从而改变相应对象的状态或触发某些事件。•这种特性称为觉察上下文的计算，是普适计算的重要特征；•当你抵达一个场所……•当你拿起一个公用设备……•信息空间对人的行为甚至表情的自动理解——主动的计算或者蕴涵式的人机交互从两个相对方向看自发的交互蕴涵式人机交互的实现途径•实现途径有两类•通过传感器：欧盟的TEA计划，在日常器具如咖啡杯、家具、手机等中嵌入传感器；•通过多模态感知接口：清华大学的SmartClassroom，用视觉跟踪、姿态识别等方法来判断目前教室中的上下文。桌面计算模式与普适计算模式•桌面计算模式下，信息空间和物理空间是隔离的：1.绑定是稀疏的，唯一的绑定点是计算机；2.它们之间的交互是由人驱动的，人先察觉物理空间的改变然后用一定的方式输入到信息空间。•隔离正是桌面计算模式各种不足的根源！•研究背景•概念界定与研究综述•普适计算和泛在学习的实现•个案分析：泛在语言学习与智能教室•结论汇报内容普适计算技术支持的语言学习案例日本Tokushima大学工程学院的HiroakiOgata和YoneoYano教授领导的研究小组专门针对该校海外留学生学习日语和日本本国学生学习英语开发了泛在语言学习系统（Computersupportedubiquitouslearning，缩写为CSUL，又可以称为CLUE系统）。学习者需要利用PDA（PersonalDigitalAssistant）储存和分享信息。系统通过PDA为学习者提供不同学习环境中的正确表达（其界面如图所示）。CLUE系统结构•学习者模型：该模型包括了学习者个人的一些信息，如姓名、年龄、性别、职业、兴趣爱好以及各级各类的表达形式等等。•环境模型：该模型包含了地图中的物体、房间、建筑物以及物体与句子表达形式关联的数据。•教育模型：该模型作为学习材料和工具词典管理着表达句子。•传播支持模块：此服务器充当了即时收发器的作用，管理这BBS和聊天工具。•定位管理模块：该模块储存了每个学习者的位置信息。•适应引擎模块：该模块向学习者推荐合适的表达句子和知识知觉地图。•传播客户端：该客户端是BBS和聊天客户端。•位置传感器：该模块向学习者自动传送接收自GPS的其所处位置的信息。CLUE系统结构学习者模块环境模块教育模块传播服务器意义数据管理适应引擎学习者信息交流日志真实世界数据学习材料传播客户端传感器（GPS,RFID…）学习环境Q&A聊天/BBS学习材料知识知觉地图PDA客户端服务器端CLUE系统子系统及其功能介绍该系统包括三个支持泛在语言学习的子系统构成，分别是：句子学习系统、礼貌用语学习系统和词汇学习系统。1、句子学习系统学习者可以将有用的表达短语存储在CLUE系统中，也可以在平时有疑问时向系统提问。日本学生负责界定表达短语或者回答留学生们的提问。当学生们处于移动状态中时，CLUE系统可以随时随地地为他们提供足够的表达短语和问题。在初始状态，一些基本的句子首先被储存在相应的数据库中。CLUE系统子系统及其功能介绍1、句子学习系统A窗口显示的是学习者当前所处的位置。位置指示主要通过全球卫星定位系统（GPS）实现。