努米纳项目：用手持计算机促进学生学习

许忠信

一、摘要

近年来计算机技术有了很大进步，但关于随时随地可以连接而且具有丰富资源共享的虚拟教室的愿望还远未实现。为了满足这方面的需求，努米纳项目的研究人员开发了一个移动教学环境来促进学生之间和师生之间的合作。

广泛部署的无线网络和迅速普及的手持计算装置使移动计算成为现实。现在在咖啡馆、书店、机场、旅馆和其他公共场所到处都有“热点（Hotspots）”，与此同时许多高校校园也在变得“无线化”了。新的基础设施让我们得以开发全新一代的教育应用软件以及引入全新的教育和教学理念与方法。

技术融合使小巧的计算平台，如袖珍型的PC，具有支持电信服务、音视频播放以及数学计算、字处理、电子表格和标准PDA功能的能力。包装在一起的这种手持装置可以替代传统上学生放在背包里的那些电子硬件，如手机、MP3播放器和计算器。而笔记本电脑及平板电脑在校园也空前普及。

美国各地的高校学生总是随身携带并越来越多地使用移动计算装置。随着这种技术的普及，学校将设法把其整合到教室环境。遗憾的是现在尚没有什么适合手持设备的高质量教育软件，尤其是在数学等科学领域。

若干美国高校，包括斯坦福、德斯莫因斯地区社区学院和加州大学蒙特里湾分校现在已经在若干课程中要求学生使用移动计算装置，而其他上百所大学则在一些示范性项目中检验这样做的可行性。77%以上的美国高校都在某种程度上使用了无线网络，并在校园范围内提供了无缝的接入。

1999年北卡罗来纳州大学威明顿分校陆续建立起校园范围内的无线网络基础设施。与此同时努米纳项目开始进行课程教授过程中使用移动装置的实验。该校一个包括数学、计算机科学和化学方面的跨学科研究人员团队在过去几年主要在本科生教学上实验了许多手持装置和应用软件。

我们大量的经验表明，不管是使用市场上已有的软件还是自行开发的软件，利用手持装置都可以更好地把学生吸引到教学活动中，而且能让学生更好地理解数学和科学概念。另一方面我们也发现了手持装置在技术上的不足之处。

为了克服这些不足，我们正在开发一个移动教学环境，目的是在一个虚拟社区培养学生之间和师生之间的合作。

二、项目背景

尽管北卡罗来纳州大学威明顿分校广泛使用教学技术已有近十五年历史，但其在某些重要方面的影响仍十分有限，例如学生在课堂上的作用仍旧是被动的，考试还没有添加多媒体的成分，而在大班教学时，仍无法利用计算机进行计算和建模。

我们认为手持装置的移动性和通过触摸屏进行人机交互的功能非常适于在教室和实验室使用。而且当前一代的某些手持计算装置已经有足够的能力运行几年以前还只能在超级计算机上运行的软件，像分子建模和数值分析等。

努米纳项目集中关注为大学的科学和数学方面的学生和教师进行开发、试验和评估在手持计算装置上的应用程序。表1列出了在整个项目历史上用过的手持装置，既包括用于大教室（125个听课座位）的装置，也包括用于小型实验室的装置。

在皮尔逊教育基金和北卡罗来纳州大学威明顿分校的支持下，努米纳项目的研究组首批采购了100个惠普公司的Jornada 690/720系列手持计算机并在化学、数学和计算机系馆安装了IEEE 802.11b无线网络。1999年这种网络刚刚推出，价格相当昂贵，例如单个思科Aironet340接口价格就达980美金。

研究组使用这些器件开发了各种新颖的应用项目，如基于Web的学生交互系统试用版、与袖珍Excel一起使用的做图软件和为了使用由Hypercube公司开发的一个手持装置上的分子模拟程序而编制的指导材料。其他为学生开发的应用项目还有微软的袖珍Word、袖珍Excel和IE浏览器、一本化学入门电子书籍和几个DOS环境下的统计软件。

2001年初，在掌上先锋（Palm Pilot）快要取得成功时，袖珍PC（Pocket PC）开始取代手持PC（Handheld PC）。虽然较大的手持PC用于教学软件比较方便，但我们很快认识到市场已经转向袖珍PC，这是非常重要，不可忽视的趋势。当年4月我们得到了国际的种子资金，购买了24个袖珍PC开始研究如何将其用于教学。图1显示了在北卡罗来纳州大学威明顿分校科学实验室用袖珍PC和数据采集装置、键盘一起工作的情形。

三、手持应用系统

虽然在努米纳项目进行过程中硬件有所变化，但除了有些软件的升级以及某些个别教训外，课堂的具体实现和应用软件仍旧保持了连贯性。典型的场景是学生来到教室或实验室，从一个充电车上领取一个机器。学生通常每人收到一个自己的装置，但有时也会在一个组里共享一台装置。在完成课业后，离开教室或实验室前学生把机器归还到充电车。

1.学生响应系统

努米纳项目最受欢迎的一个应用软件是“学生响应系统（Student Response System，SRS）”。学生可以用手持计算机回答教师的提问，学生响应系统将这些响应存放在远程数据库并将之共同显示在教室前面。学生响应系统是在服务器端的Web应用，以动态服务器主页（Active Server Page，ASP）的形式实现。由于这一系统完全基于Web，因此在客户端除了Web浏览器不需要任何其他软件。

在应用此系统时教师提出一个多选择、对错选择或是非选择形式的问题，然后把学生导向一个网页，在学生的计算机上生成一个Web表格，学生即可通过该表格递交答卷（允许使用多个问答方式）。后端数据库仅存储学生对问题的响应，不存储有关学生的信息，因此响应是匿名的。

与传统教室通常只有2%～3%的学生回答教师提问成为鲜明对照，使用学生响应系统几乎所有的学生都会回答教师的提问。这表明当看到大家都在同样回答问题，而且回答是以匿名的形式时，学生会觉得更自在。

学生响应系统的另一个好处是教师可以马上看到学生对刚讲授内容的理解情况。这种实时反馈让教师可以及时对教学内容作出决策，以更好适应学生需要。

与今天流行的红外线或无线传输点击技术不同，学生响应系统可以充分开拓袖珍PC运行Flash应用的能力。这使得学生响应系统得以提供更多交互方式和更有意思的响应类型。例如图2显示了一个Macromedia Flash的应用，让学生可以在显示的图表上利用触摸屏在特定区域标示若干点，系统可以把所有学生添加的点都显示出来。

2.数学和科学应用

2002年努米纳项目研究组开始研究在数学和科学课程教学过程中使用手持装置的实践。那时为手持机开发的这类应用鲜少，但近年来有若干这类应用开始在市场出现。最有用的是为以Windows为基础的袖珍计算机设计的软件，也有一些是为以PalmOS操作系统或以Linux操作系统为基础的PDA软件。图3展示了在北卡罗来纳州大学威明顿分校使用的装置上数学和科学课程在屏幕上的显示。

表2显示出了数学课程的一些软件，包括从计算器到电子表格到绘图软件，更详细的资料可参阅网页http://people.uncw.edu/hermanr/TechFiles/PPCMathSite.htm，但是其中许多应用所需的安装经验和编程要求超过了一般学生的能力，这样的软件没有什么实际价值。

努米纳项目成员还对在数学和科学课程中把手持装置用于数据采集进行了实验。例如一个研究项目要求学生用HP Jornada 720上的Data Harvest界面通过一个远程探针收集和分析弹簧和梁柱震动的数据以求解一个控制微分方程（Governing differential equation）。

四、研究结果

努米纳项目对在课堂上使用手持计算装置作了大量研究。在校内进行的一个关于学生响应系统的研究表明除了在提问时达到几乎百分之百的学生参与，系统还使课堂讨论更加活跃，思想开小差的学生减少，并且设备分发和启动所费时间甚少。

另一个校内研究检验了Pocket HyperChem的交互能力是否有助于学生学习。学生在化学课使用这一软件建立分子的三维模型，优化其几何形状，测量化学键长度以及其他物理特性。我们发现那些在课堂上能在袖珍PC上旋转分子的学生在相关测验所得分数明显高过那些只通过不具备旋转功能的在线演示观看分子模型的学生。我们还使用Pocket HyperChem设计了基于多媒体的关于分子建模的试题，要求学生在化学考试时完成准实时的计算。

2001年我们进行了一个关于在普通化学实验室使用手持计算机和其他高技术工具的有效性的深入研究。学生使用袖珍PC版的Word通过一个文件传输协议(Scotty FTP)回答实验前后的预习和总结问题，用一个较早版本的学生响应系统回答教师的提问。他们还可以使用其他袖珍PC的应用软件，如Pocket Excel、GraphData、Pocket Internet Explorer、科学计算用计算器、Pocket HyperChem、电子版课本和一个交互式的元素周期表。

这一研究揭示了袖珍PC硬件的局限性，包括最低配置的输入输出、小屏幕和很短的电池持续时间，以及软件的限制使得教室应用软件成为其难以承担的重负。例如学生难以可靠地将打印作业交付给本地网的打印机，在多个应用软件之间移动时会遇到问题，不能将袖珍Excel的表格复制并粘贴到袖珍Word。数据采集软件对学生可以采集和共享的数据也有诸多限制。

把学生应该完成的工作张贴到网上对教师也有些许麻烦，包括如何存储、接入、打分以及把文件返还给学生。不仅如此，文件传输协议（FTP）还难以扩展到适应多教师、多助教和多教室的环境。

五、移动教学环境

这些研究结果促使努米纳项目研究组成员寻求在教室和实验室更为有效的手持计算装置解决方案，以求最终在校园内任何时间、任何地点都可以实现移动计算。

1.集成化计算服务

为了支持真正的合作教学就需要一个软件基础设施把有线和无线的计算服务无缝地集成在一起。当前计算服务可以粗略地分为非聚合与聚合两种。

非聚合服务包括专有的协议、入口或应用软件如FTP、电子邮件、Web、聊天、短信息、远程登录（Telnet）以及Excel和Word。在这一层之上的是聚合服务——多业务协议，通常要求一个统一登录系统（Common login，即用户只需登录一次即可无缝使用各个子系统），如Campus Pipeline、IBM Lotus Learning Space等。

我们建议在聚合服务之上再增加一个新的集成层以支持多路通信、团队合作、增强型数据共享以及个性化应用层接入控制。没有这一层就限制了把已有的教育软件集成起来的能力。我们的初步研究表明这一增加的集成服务有巨大的潜力。

2.移动教学环境的目标

在集成服务概念的牵引下，努米纳项目研究人员正在开发基于Web的移动教学环境，这将首次让学生和教师可以在任何地方、任何时间进行合作，共同利用可以得到最有效的教育工具。

以这种方法，移动教学环境可以创造每周七天，每天二十四小时开放的虚拟教学社区。这个社区灵活、方便，可以进行各式各样交流，如个人互动、报告、小组教学、研讨会、小组研究以及讲课等。

图4表达了移动教学环境的体系结构，它有五个关键目标。

（1）支持多种设备和多种平台。移动教学环境将为多种设备和平台提供一个易用的环境。教师和学生可以访问有线或无线网络连接在一起的多种设备，包括平板电脑、掌上电脑、笔记本电脑、台式计算机和智能手机，这些设备运行在MacOS、Linux或Windows平台上。

（2）用户Runtime模式。移动教学环境建基于一个更高效能和用途更为广泛的用户Runtime模式。现在我们日常使用的互联网系统是建立在HTML的基础上，具有大的局限性。Macromedia Flash MX和其他新一代的技术系统为我们提供了更理想的能力和可扩展性，去建立这个全新的模式。正如作为互联网络供应和互动工具开发的领军企业Macromedia所估计，他们所开发的Flash Player有望能够在估计因特网上98％的计算机上安装。

（3）综合组件集成。移动教学环境将为教学活动提供一个强大的、面向对象的模型，该模型集成了多渠道通信、个性化连接、协同学习和基于特点场合的服务，让不同技能的教员能方便使用这一环境。这创造了一个现有商业软件不可能实现的协同教学环境。

（4）丰富的资源共享。移动教学环境通过采用新一代Web服务加大数据交换力度，这些Web服务由可扩展标记语言(XML)、简单对象访问协议(SOAP)、Web服务描述语言(WSDL)以及通用描述挖掘集成协议(The universal description, discovery, and integration protocol)来创建。移动教学环境目前使用XML信息在Flash应用中获取数据。服务器端应用逻辑是基于微软标准IIS中的Web服务技术。服务器端应用由ASP创建，它能收发XML格式的信息给客户端Flash应用。

（5）组件可重用性。最后，移动教学环境希望利用可重用组件来缩短开发周期，维护一个一致易用的界面，提高可靠性。

3.移动教学环境应用的实例

图5显示了在iPAQ PPC（HP公司推出的一种移动媒体伴侣）上实现的移动教学环境的几个界面，其中包括登录界面和两个服务项目界面：人员查询和课堂登录名单列表。人员查询可让用户确定无线网络上另一用户的位置，课堂登录名单列表可让同一门课程的师生彼此方便地联系，表明了移动教学环境在大学生后端信息系统方面大有可为。

在屏幕下方是一排按钮，可让用户激活根菜单并选择服务。比如File transfer能够把本机内的档案传送至其他人的计算机，甚至是遥控服务器的其他终端机。People能够识别登入系统的用户。Classroom and course提供各种通信选项，包括文本、音频、视频、白板等，并支持一对多，多对一以及一对一的通信；Services提供打印、场所感知、软件升级、警报、用户资料编辑以及移动学习环境版本和版权信息。

六、结论

尽管信息技术革命增强了接入和通信能力，虚拟教室还远没有实现。虽然许多教师将信息技术引入教学，但都主要集中在网上发布教学大纲、学习资料、网上讨论区和电子邮件。软硬件的不足仍然限制了更成熟的教育策略的实施，比如网上个性化补课、作业的电子评分等的使用。而且，也没有多少老师尝试综合使用各类不同的信息技术进行教学。

现有教学系统未提供丰富的资源共享、场所感知服务，而多元化的交流往往也仅限于文本方式，并且系统存储的信息不容易与教师计算机中的信息集成。最后，这些系统的设计本来就不是为移动设备而设计，可是要让学生能够做到真正随时随地学习，移动设备正是必不可少的有效工具。

努米纳项目的移动学习环境旨在突破这些局限，提供一个更加熟的教学平台。其中标准组件的部分主要依赖商业应用软件，从而使移动学习环境无论在什么地方都容易推行。至于其他几个附加的应用软件仍然在开发阶段；移动学习环境未来的目标是要更有效融合校园的核心数据库和为已有的教学设备提供最大的增值。

七、致谢

本文工作在北卡罗莱纳维尔明顿大学移动教学环境研究室完成，特别感谢该校信息系统部技术人员对本项目提供的支持和帮助。（Source: http://www.computer.org）