可穿戴技术对智慧教学环境构建的启示

刘海韬，尚 君，吴 旭

(1.中南大学 信息与网络中心，湖南 长沙 410083； 2.中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

可穿戴技术对智慧教学环境构建的启示

刘海韬1，尚 君1，吴 旭2

(1.中南大学 信息与网络中心，湖南 长沙 410083； 2.中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

可穿戴市场前景广阔，创新科技迎来智慧教育发展新契机。该文梳理了可穿戴技术的发展现状，归纳了其主要技术特征，分析了可穿戴技术在智慧教育中的应用前景。围绕设计原则，构建基于可穿戴技术的智慧教学环境，实现人、机、物的互联和深度融合，不仅能高度整合教育资源、提高学习兴趣，而且能增强教学针对性、培养学生创造力，实现“全时段、全方位、全领域”的个性化教学与学习互动。

可穿戴技术；智慧教育；教育云；个性化学习

2012年4月，谷歌公司发布了谷歌眼镜再掀可穿戴设备热潮。可穿戴设备市场蕴含的巨大商机令世界各国知名企业趋之若鹜，相继推出智能腕表、iWatch、意念头箍、智能手环等创新型智能产品，这些产品不仅具有最新的制造工艺，更是通过数据交互、云端交互以及软件支持实现强大的功能。伴随着可穿戴技术的飞速发展，这种新技术与教育深度融合指日可待。近年来，智慧教育就像不接“地气”的空中楼阁，创新科技让智慧教育落地生根。2016年由新媒体联盟中国基础教育技术展望《地平线项目区域报告》指出：2016-2020年期间，极有可能影响技术规划和决策的18项议题中就包括可穿戴技术。地平线项目各专家组一致认可可穿戴技术在教育领域应用的显著动力。构建基于可穿戴技术的智慧教学环境，是实现教与学方式变革的支撑条件，必将促进智慧教育科学发展。

一、可穿戴技术的发展及其主要特征

可穿戴技术并非新概念，谷歌眼镜的问世标志着可穿戴设备正式迈入民用领域，渗透到人们的日常生活中。

(一)可穿戴技术的发展与研究现状

20世纪60年代，美国麻省理工学院媒体实验室Smith-Kettlewell研究所视觉科学院提出，“可穿戴技术，利用该技术可以把传感器、多媒体和无线通信等技术嵌入人们的衣着中，可支持眼动操作和手势等多种交互方式，具备超强计算和传感能力”。到了20世纪70年代，发明家Alan打造了一款配有数码相机功能的可穿戴式计算机，预测赌场轮盘的结果。1977年，Colin为盲人设计了一款背心，使图像通过背心上的网格转换成触觉意象，让盲人也能“看”得见。2013年，可穿戴设备风靡全球，智能手表、智能眼镜和智能手环等高科技产品层出不穷，成为IT业界公认的智能终端的重要发展方向之一。国际IT巨头抢占可穿戴技术发展制高点，纷纷涉足可穿戴领域，谷歌先是开发出Google Glass可穿戴硬件，而后推出AndroidWear操作系统，确保并健全可穿戴设备的开发体系。三星则抢占市场推出智能手表。苹果智能手表虽未面世仍引起业内广泛关注，英特尔则加大与终端企业的合作力度，推广研发可穿戴设备核心处理器。中国是从20世纪后期开始研究可穿戴技术的，主要探索差异化细分市场需求，重点开发智能手环、智能手表等产品。“智能手表方面，优美通讯Omate手表、果壳电子GEAK手表、映趣科技inWatch、智器Z-Watch等产品相继上市；智能手环方面，百度咕咚手环、小米手环、滕海视阳体记忆手环等快速抢占市场。但以上产品与国外同类产品相比而言创新功能少，面临一定程度的同质化风险。相比之下，我国厂商在针对细分市场应用服务方面的尝试则效果良好，宝宝树智能手表、360儿童卫士等针对孕妇或儿童的产品一旦推出就引起市场关注，在满足用户个性化需求方面做出了有益探索”[1]。2013年11月，在成都成立了中国可穿戴计算机推进联盟，并召开了相应会议讨论了中国可穿戴技术的发展。2015年4月，“2015 OFweek中国可穿戴设备高峰论坛”以物联网2.0时代下可穿戴产业爆点为主题，围绕核心技术、云计算与云服务、软件与算法、工业设计、产业资本等热点议题，与IT业界共同探讨可穿戴生态系统的构建。“2016年5月，根据国际数据公司(IDC)全球季度可穿戴式设备跟踪数据统计，排名靠前的可穿戴设备生产厂商，总出货量达到1970万台与去年同比增长67.2%”[2]。

在可穿戴技术的研究方面，全球比较有代表性的是四个实验室：(1)欧洲的ACT实验室，侧重普适计算、可穿戴计算和移动技术，研究重点是模式识别、信号处理和数据分析技术、机器学习技术；(2)美国麻省理工学院媒体实验室：注重可穿戴技术的研究开发和可穿戴硬件创新设计；(3)加拿大多伦多大学EPI实验室：研究专注于个人成像、介导现实(MR)和可穿戴计算技术等领域，主要研究优势为可穿戴式计算的硬件和开源介导现实软件；(4)谷歌X实验室：谷歌创立的创新实验室，紧锣密鼓地进行着“百大冲出星际计划”，投入设计无人驾驶汽车、未来太空电梯、增强现实眼镜等。

(二)可穿戴设备的分类及主要特征

近几年来，随着各种高新技术的发展，可穿戴设备的内涵、架构、形态和功能不断延伸和完善。目前，比较市面上的可穿戴设备按应用方向大体可以可分为辅助通讯类、医疗健康类、游戏娱乐类、安全应用类等四类。可穿戴设备的主要特征概括起来主要有以下几点：(1)便携可穿戴。可穿戴设备集微型化、轻巧化、便携化、简约化于一体，可以像衣着服饰一样穿戴在用户身上，可以在日常活动中随时随地使用。(2)聚焦用户。可穿戴设备的智能化集中表现在以用户为中心，所有服务以满足用户需求为出发点，帮助用户延伸人体的肢体和记忆功能，成为用户生活的好助手。(3)智能交互。可穿戴设备在采集用户实时数据的同时可以将云端资源推送给用户，为用户提供个性化服务，一些数据经处理后还能以可视化的形式向用户呈现。(4)解放双手。采用了大量现代化感知设备，可穿戴设备能够通过语音、图像、光电等多种方式进行数据传输和交换。这些新的数据获取方式，能够彻底解放人的双手，实现更加智能化的操控。(5)高度集成。为最大限度地利用用户空间，防止可穿戴设备过于臃肿，每个可穿戴设备由于采用了MEMS技术，将大量的微型器件进行了高度集成，能把无限的穿戴设备全部挂在有限的身体空间，实现多功能的高度融合。(6)增强现实。可穿戴设备能从环境、云端获取虚拟信息数据并合成到真实的现实场景中，加强用户对现实环境的感知能力[3]。

二、基于可穿戴技术的智慧教学环境设计原则

为实现可穿戴技术在智慧教学环境中的无缝接入和有效推广，必须坚持以学习者为中心，以可穿戴技术为抓手，以实现全时段、全方位、全领域的个性化学习为最终目标，以创新创造为驱动力，建立智慧教育生态系统[4]。基于可穿戴技术的教学环境设计原则可以概括为以下几点：

(一)坚持目标导向

进行设计之前，必须要明确设计目标。智慧教学环境的设计如果不能按预想的方式实现，也就失去了设计的现实意义，沦为一无是处的“烂尾楼”。因此利用可穿戴技术构建智慧教学环境设计要充分考虑教育者与学习者的实际需求，以追求教学效果为准绳，以实际应用为导向，制定系统设计量化规范和相应的环境评估方案。为确保设计导向鲜明，必须保持设计的整体统一性，只有让各个功能模块做到独挡一面却又相互依靠，才能形成整体合力，实现最终目标。在设计过程中，要不断跟踪现阶段可能的应用效果，及时发现设计上可能存在的问题和短板，认真进行修正和完善，确保设计目标导向鲜明、设计思路清晰可行。

(二)依托技术引领

先进的可穿戴技术是教学环境智慧化的重要抓手，必须认真搞好技术和体系的结合渗透，做到“用前明其理、应用选其长、评估知其性”。目前市面上的可穿戴设备，已经实现或即将实现的功能主要有语音识别、人体传感、数据处理、人机交互和增强现实等。语音识别技术能将人体活动产生的各种模拟信号转换成相应的文本或命令，解放双手，改变输入方式，提高操作效率。人体传感技术因为MEMS这项具有革命性的新技术获得了巨大发展，时下的可穿戴设备由于多类型传感器的高度集成、光电通信技术的有机融合相比传统的传感装置更加智能化，具有如运动检测、环境感知、压力测试等众多功能，可以满足教学活动产生的各种信息的实时传输、存储、处理和显示等。数据处理技术借助高速互联网的教育云资源，能将学习者产生的海量数据实时准确地通过可穿戴设备终端进行接收和推送。意念控制技术则可以通过实时监测学习者脑电波的活动，实现对具体操作行动的意念控制，让每名学习者都具有了科幻电影中的“特异功能”。人机交互技术在帮助学习者获取所需个人数据的同时，能将数据进行科学处理，并以图形、声音等方式反馈给学习者，方便人机互动。增强现实技术能将生活中获取的各种信息合成的场景、虚拟画面或系统提示信息叠加到真实场景中。如何合理地应用这些新技术，是进行环境设计必须考虑的重要方面。

(三)注重以人为本

学习者才是智慧教学环境的主体，设计中必须坚持思想理念、系统流程、信息交互都要服务于学习者。宏观层面来说就是一切功能模块都应该让学习者便于理解、方便操作，不能出现过于复杂、难于理解的模块。微观层面来看就是要实现学习者与智能物理环境和智能社会环境的无缝联通，即将不同的教育主体、教育场所和知识之间进行联通，为教育者、学习者和管理者提供跨时段的随机实时信息交流服务和跨空间的自由学习场所。从实现上来说就是设计的环境必须要具有“智慧”。教师能在基于可穿戴设备的智慧环境中边教边学，让自身的教学智慧不断提升和完善，当好学生获取知识的“引路人”；学生在教师的帮助下，能借助基于可穿戴设备的智慧环境实现个性化学习，提升学习效率，提高学习效果；管理者能通过基于可穿戴设备的智慧环境监管所有教育学习活动，对教师的教学、学生的学习活动进行科学评估，提供教学资源的智能管理。因此，基于可穿戴设备的智慧教育环境设计必须要坚持以人为本，注重实现智慧能力培养和智慧行为生成，支持有意义的学习、教学和管理，从而促进智慧生成。

(四)着眼科学发展

基于可穿戴设备的智慧环境设计不能仅仅只是满足当下的教育需求，其各种应用接口还应该具有很好的伸缩性，能够着眼长远适应技术更新和教学改革的发展，即搭建的环境必须具有强大的“生命力”。这种“生命力”表现为智慧环境设计方法的可集成性和可移植性。一旦基于可穿戴设备的智慧环境在某个地区搭建并取得成功后，不仅可以完全地搬迁到其他地区进行推广，同时还能与其他智慧环境进行有机融合，组成新的更复杂的智慧教育环境。这就要求在设计基于可穿戴设备的智慧环境，必须对采用的体系结构、技术种类、通信协议、应用接口等进行合理选择和科学设计，为下一步的更新升级、接口扩展和交互应用提供方便。

三、基于可穿戴技术的智慧教学环境设计

“技术的发展刺激了研究者和教育者去拓展学习的概念和学习环境的设计”[5]。从人工智能中发展而来的可穿戴技术在医学、体育、科研等社会生活领域中取得的巨大成功，为智慧教学环境设计提供了有力借鉴。依托现有的教育云资源，构建基于可穿戴技术的智慧教学环境，可以实现信息与人的无缝联通，让教育更加智慧化、学习更加个性化、管理更加智能化，为创新型教学实践活动提供有力的技术支撑。

(一)基于可穿戴技术的智慧教学环境框架构想

根据可穿戴设备的技术特征和其在智慧教育领域的应用前景分析，按照智慧教学环境设计的相关原则，考虑智慧教育环境因素，即促学者、学习者、设备、工具、教育资源和学习活动这六个维度[6]，以现有的教育云资源和主流的教学方式为平台，融入创客、STEAM、慕课、微课堂、晒课等教学实践，构建如下图所示的基于可穿戴技术的智慧教育环境系统框架。通过引入可穿戴设备，实时获取学习者的姿态动作、环境位置、个人喜好、文化背景和社交关系等信息，借助高速互联网络、云平台和大数据并行处理、推荐系统算法等，实现学习者、教育云和智能物理、社会环境信息的无缝联通。在该系统中，学习者能个性化地选择自己的学习方式，随时随地参与到各种教学实践活动中。学习助手实时监控学习者活动情况，搜集学习数据，进行学习分析，随时准备为学习者提供资源调配、应用决策和远程帮助等智慧化服务。

可穿戴技术构建智慧教学环境参考模型

(二)基于可穿戴技术的智慧教学环境

基于可穿戴技术的智慧教学环境主要由智慧数据获取、智慧化监管和智慧教育实践三大模块构成。

1.智慧数据获取模块

智能可穿戴设备内置多种传感器及交互技术，能自动实时感知获取学习者的智能物理环境和智能社会环境，包括学习者的姿态动作、环境位置、社交关系、文化背景和个人喜好等数据，并将这些数据同步到教育云端进行云计算和大数据处理，进而利用这些信息数据可以方便快捷地推送个性化的教学资源和服务[7]。

2.智慧化监管模块

智慧化监管模块，又称“学习助手”，类似于现有的教学管理人员，具有远程监控、学习分析、资源调配、应用决策和远程帮助等功能。(1)远程监控。创建一个虚拟的在线交互环境，可以远程监控跟踪教师、学生和家长的各种活动，并根据学习者的需要提供实时数据和历史数据。(2)学习分析。采用基于大数据的学习分析概念设计，对可穿戴设备获取的个体学习者的大量细节数据、情感、知识处理和知识构建方面的多维数据进行科学分析，可以实时掌握学生的学习情况，追踪学习进程，识别困难学生群体和评估影响学生学业和成功的因素，制定出效率最佳的个性化学习计划，最大程度地优化学生的学习习惯。学习分析的结果以文字、图表的方式，通过短信、邮件等传递给教师和家长，便于掌握学习进展，帮助教师改进教学方式，提醒家长跟进校外管理。(3)应用决策。根据可穿戴设备所提供的智能物理环境、智能社会环境信息和学习分析结果完成应用决策。例如，推送一次具体的学习任务，首先激活对应的服务，然后编辑提示信息，包括任务目标、任务对象、完成时限和任务更新等信息，任务提示一般采用语音的方式，人员可以通过语音和相关的应用进行交互。最后将决策知识提交给应用进行新的任务构建部，同时根据人员使用该应用时产生的交互信息和场景的实时变化，产生新的决策知识，以重新配置整个应用功能。(4)资源调配。基于云存储构建属于学习者的“个人云”资源中心，提供标准化的API接口，通过授权，可穿戴设备即可获取和调用具有个人特色的教育教学资源。同时在学习分析、应用决策活动后，进行相关应用资源的更新配置。(5)远程援助。接收到用户求助信息、数据状态异常或者设备发生故障时，通过接收混合现实数据，进行远程的虚拟现场援助。这是一个扩展的知识管理模块，主要通过可穿戴设备的人机交互功能和增强现实功能实现。

3.智慧教育实践模块

该模块主要进行各种具体教育实践活动的应用推荐和调用，由基于社交网络的推荐系统和虚拟学习活动场景构成。虚拟学习活动场景集成了大量当前的主流学习平台，包括创客、STEAM、慕课、微课堂、晒课等教学实践活动在线平台。

四、可穿戴技术在智慧教学中的应用展望

祝智庭认为：“智慧教育的真谛就是通过利用智能化技术(灵巧技术)构建智能化环境”[8]。“物联网和可穿戴技术支持情景学习和无缝学习，因为有了可穿戴设备，物联网就能从周边的环境中向学习者推送各式各样的学习资源”[9]。构建基于可穿戴技术的智慧教育环境，可带来更高的教与学效率，使非正式学习和个性化学习成为教育的焦点。智慧教育将成为可穿戴技术发展空间最大和广泛关注的应用领域，可穿戴技术与创客、慕课、STEAM、微课、翻转课堂等不同教学方式的结合应用于教育中将成为主流，这将极有可能彻底改变课堂的教学方式及未来学习环境，为推进我国教育范式及学习方式的变革提供了有力支撑。

(一)可穿戴技术实现个性化学习

在我国的传统应试教育中，“一考定人生”让学习者倍感压力。填鸭式的教学方式，虽然培养出了不少人才，但更多的学习者却失去了个性，学无所成对社会的贡献甚微。随着国家大力推进素质教育，与“因材施教”逐步达成共识，发展开放、多样、灵活、终身个性化的学习范式将成为可能。通过可穿戴设备将具有共同兴趣爱好的学习者相互联系形成学习社群，为同一学习社群的学习者提供类似的优质资源和个性化的学习方式，既能节约资源又能提升学习成效。同时由可穿戴设备联系起来的社交网络，还能及时掌握学习者学习状态，有针对性地推送相关资源，组织学习讨论，不断激发学习者的学习兴趣。因此，利用可穿戴技术构建个性化学习社群，是其在智慧教学中的重要应用之一。

(二)可穿戴技术推广非正式学习

非正式学习有别于传统的正式学习，它不是以课程、任务、研讨会等形式展开的教学活动，可以通过会议、书籍、网站、交谈等包括信息和内容在内的一切生活中的事物进行随时随地的学习。可穿戴技术因为实现了学习者与物理和社会环境的无缝联通，为非正式学习的推广提供了广大舞台。借助可穿戴设备，学习者可以通过零散时间对某一专业词汇或某一具体知识点进行深入了解。近年来逐渐兴起的“微课”就是典型的利用媒介进行学习的一种“微学习”方式。可穿戴设备集成了柔性显示屏，让学生利用这种“电子纸”随时查阅和观看学习内容，更好地融合了呈现形式与表达方式，让学生在课堂之外随心、便捷地进行“微学习”。

(三)利用可穿戴技术建立“个人云”资源中心

将可穿戴设备融入高速互联网、物联网、大数据中心，通过可穿戴设备开展数据挖掘和学习分析，收集学习者在学习过程中产生的各种数据信息，对信息进行处理、筛选、评估和反馈，构建学习者的“个人云”资源中心，可以向学习者推送泛在学习的个性化资源，辅助学习者制定个性化学习计划，形成一个自我调控、管理的智能调控中心。“同时，在可穿戴设备的帮助下，中心能即时采集学习状态、进度，查找学习规律，实现人机一体的高度融合式学习”[10]。

(四)可穿戴技术用于特殊专业教学

由于科学研究的需要，一些特殊专业的学习条件非常受限，如医学、地质学、航空学等，在这些专业的教学中，学习者可能面临不少未知危险，实验的真实数据很难获得。但是有了可穿戴技术的帮助，特殊专业的学习难度和危险将明显降低。佩戴这种配置了可穿戴技术的手套，使用者就能够间接感知并遥控对象物体而不必直接接触物体。如果将可穿戴技术应用于病毒教学中，不仅让学生真实体会病毒的巨大危害，而且避免学生接触存在潜在危险的材料和操作。

(五)可穿戴技术用于特殊人群教学

全世界目前有7000多万聋哑人，对于这些特殊人群的教学一直是棘手问题。由于受专业影响，普通教师看不懂肢体语言的话，很难和聋哑人进行交流，导致教学者来源较少。Colin的成功表明，各大厂商完全可以为这些聋哑人做一款可穿戴设备，在未来或许能够打破聋哑人与看不懂肢体语言的人之间产生的交流障碍。在可穿戴设备安装了追踪聋哑人手势运动的传感器，就可以捕捉聋哑人在做肢体语言时肌肉产生的肌电图(EMG)信号的传感器，通过识别、分析这些信号，翻译成普通教师能读懂的“正常话”。

[1]耿怡,安晖,李扬等.可穿戴设备发展现状和前景探析[J].电子科学技术, 2014,(2):238-245.

[2]IDC. Worldwide Wearables Market Increases 67.2%[DB/OL]. http://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS41284516,2016-06-21.

[3]Yang H, Yu J, Zo H, et al. User acceptance of wearable devices: An extended perspective of perceived value[J].Telematics & Informatics,2016, 33(2):256-269.

[4]詹青龙, 杨梦佳, 郭桂英. CIT:一种智慧学习环境的设计范式[J]. 中国电化教育, 2016,(6):49-57.

[5]Pirnay-Dummer, P., Ifenthaler, D., & Seel, N. M. Designing modelbased learning environments to support mental models for learning[A].D. H. Jonassen & S. Land (Eds.).Theoretical foundations of learning environments[C]. New York: Routledge,2012. 66-94.

[6]刘俊.智慧教育环境及其实现方式设计[J].中国电化教育,2013,(12):20-26.

[7]胡钦太,郑凯,胡小勇等.智慧教育的体系技术解构与融合路径研究[J].中国电化教育, 2016,(1):49-55.

[8]祝智庭,贺斌.智慧教育:教育信息化的新境界[J].电化教育研究,2012,(12):5-13.

[9]Zhi-Ting Zhu, Ming-Hua Yu, Peter Riezebos. A research framework of smart education[J].Smart Learning Environments, 2016, 3(1):1-17.

[10]刘晓琳,黄荣怀.从知识走向智慧:真实学习视域中的智慧教育[J].中国电化教育, 2016,(3):14-20.

The Enlightenment of Wearable Technology to Smart Teaching Environment Construction

Liu Haitao1, Shang Jun1, Wu Xu2
(1.Information and Networking Center of Central South University, Changsha Hunan 410083; 2. Information Science and Engineering of Central South University, Changsha Hunan 410083)

Wearable technology is considered to have vast market potentials. Innovative technology also brings new opportunities for the development of smart education. This article describes current development status quo of wearable technology, summarizes its characteristics and also analyzes its application prospect in the smart education. The smart education based on wearable technology which is built around design principles realizes interconnection and deeper integration among human beings, machine and materials.Not only can it highly integrate education resources and raise students’ interest in learning, but also enhance teaching relevance,cultivate students’ creativity to achieve an＂all-time, all- dimensional and all-fields＂interactive and personalized way of teaching and learning.

Wearable Technology; Smart Education; Education Cloud; Personalized Learning

G434

A

刘海韬：高级工程师，硕士生导师，研究方向为网络教育技术和计算机应用(htliu@csu.edu.cn)。

尚君：硕士，研究方向为网络教育技术和计算机应用(130712001@csu.edu.cn)。

吴旭：硕士，研究方向为计算机科学与技术(xuwu83@sohu.com)。

2016年7月20日

责任编辑：宋灵青

1006—9860(2016)10—0057—05