普适计算环境中的泛在学习
－研究综述与个案分析
Pervasive/Ubiquitous Computing
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（Computing Paradigm）
在20世纪80年代经历了从主机计算
(Mainframe Computing)到桌面计
算(Desktop Computing)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/Ubiquitous Computing)。
•普适计算的思想最早是1991年Mark
Weiser在《Scientific American》的
“The Computer for the 21st
Century”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 1999年开始的年开始的UbicompUbicomp国际会议、国际会议、
2000 2000年开始的年开始的Pervasive ComputingPervasive Computing国际会议、国际会议、
2002 2002年年IEEE Pervasive ComputingIEEE Pervasive Computing期刊的创刊。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”。
• ““普适计算普适计算20072007国际会议国际会议””官方网站指出，普适计官方网站指出，普适计
算是指人们可以在任何时间（算是指人们可以在任何时间（anytimeanytime）任何地点）任何地点
（（anywhereanywhere）通过我们日常生活中的物体和环境中）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（Implicit
Interaction）。
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。
• The most profound technologies are those
that disappear. They weave themselves
into the fabric of everyday life until
they are indistinguishable from it.
•“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. Don Norman的“Invisible Computer”；
2. CMU的Aura计划；
3. 欧盟的“Disappearing Computer”计划；
4. MIT的Oxygen计划；
5. MERL实验室的Interactive Table计划；
6. MIT Media Lab的Things That Think项目；
7. HP的Cool Town计划；
8. 清华大学的Smart Classroom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
（effective use of smart spaces）、不可见性
（invisibility）、本地或局部可伸缩性
（localized scalability）和屏蔽非均衡条件
（masking uneven conditioning）。通过将计
算基础结构嵌入到建筑结构中，一个智能空间
（Smart Space）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、学习环境是属于深入层次较高、
学习的移动性最高的一种学习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环境。一个泛在学习环境是一
种整合的学习环境种整合的学习环境, , 它整合了它整合了
物理的、社会的、信息的和技物理的、社会的、信息的和技
术的多个层面和维度。在一个术的多个层面和维度。在一个
泛在学习环境中泛在学习环境中, , 各种教育机各种教育机
构构( Educational Institutions) ( Educational Institutions)
、工作坊、工作坊(Workspace) (Workspace) 、社区、社区
(Community) (Community) 和家庭和家庭(Home) (Home)
将会被有机地整合在一起。将会被有机地整合在一起。
高高
基于桌面基于桌面
计算环境计算环境
的学习的学习
移动学习移动学习
普适学习普适学习 泛在学习泛在学习
深入的深入的
层次层次
移动的移动的
层次层次
高高
低低
低低
泛在学习的主要特征
• 永久性（永久性（PermanencyPermanency）：）：学习者可以将每天的学习进度记录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；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（易于获取（AccessibilityAccessibility）：）：整个学习过程是学生自主控制的，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；学习者可以随时随地获取文档、数据或者视频资源；
• 即时性（即时性（ImmediacyImmediacy）：）：无论学习者身处何地，他们都能即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；时获取信息，这为学习者即时解决问题提供便利；
• 交互性（交互性（InteractivityInteractivity）：）：通过同步或异步的交流方式，学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；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（教学活动的真实性（Situating of instructional Situating of instructional
activitiesactivities）：）：学习可以真实地融入我们的日常生活。我们面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；临的问题或习得的知识是自然世界里真实可信的；
• 适应性（适应性（AdaptabilityAdaptability）：）：学习者可以在合适的地点以合适的学习者可以在合适的地点以合适的
方式获得正确的信息；方式获得正确的信息；
• 协作性（协作性（CollaborativeCollaborative）：）：学习者可以在计算机支持的泛在学习者可以在计算机支持的泛在
协作学习（协作学习（Ubiquitous CSCLUbiquitous CSCL）环境中实现社会知识建构和共享）环境中实现社会知识建构和共享
的社会认知过程。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：信息空间：
存在于计算机和网络中的存在于计算机和网络中的
数字化的信息、服务、数字化的信息、服务、
计算和通信计算和通信
物理空间：物理空间：
真实存在的物理世界真实存在的物理世界
普适计算普适计算
融融 合合
22、自发的交互、自发的交互
11、绑定、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Interactive Table；
2. 清华大学研究的Smart Classroom；
3. MIT Media Lab的Things That Think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Cool Town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Everywhere Display；
•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Smart Classroom，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Hiroaki Ogata和
Yoneo Yano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（Computer supported
ubiquitous learning，缩写为CSUL，又可以称为
CLUE系统）。学习者需要利用PDA（Personal
Digital Assistant）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：学习者模型：该模型包括了学习者个人的一些信息，如姓名、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。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：环境模型：该模型包含了地图中的物体、房间、建筑物以及物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。体与句子表达形式关联的数据。
•教育模型：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。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：传播支持模块：此服务器充当了即时收发器的作用，管理这此服务器充当了即时收发器的作用，管理这
BBSBBS和聊天工具。和聊天工具。
•定位管理模块：定位管理模块：该模块储存了每个学习者的位置信息。该模块储存了每个学习者的位置信息。
•适应引擎模块：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该模块向学习者推荐合适的表达句子和知识知
觉地图。觉地图。
•传播客户端：传播客户端：该客户端是该客户端是BBSBBS和聊天客户端。和聊天客户端。
•位置传感器：位置传感器：该模块向学习者自动传送接收自该模块向学习者自动传送接收自GPSGPS的其所处位的其所处位
置的信息。置的信息。
CLUE系统结构
学习者模块学习者模块 环境模块环境模块 教育模块教育模块
传播服务器传播服务器 意义数据管理意义数据管理 适应引擎适应引擎
学习者信息学习者信息 交流日志交流日志 真实世界数据真实世界数据 学习材料学习材料
传播客户端传播客户端 传感器（传感器（GPS,RFID…GPS,RFID…）） 学习环境学习环境
Q&AQ&A 聊天聊天/BBS/BBS 学习材料学习材料 知识知觉地图知识知觉地图
PDAPDA客户端客户端
服务器端服务器端
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
11、句子学习系统、句子学习系统
• AA窗口显示的是学习者当前窗口显示的是学习者当前
所处的位置。位置指示主要所处的位置。位置指示主要
通过全球卫星定位系统通过全球卫星定位系统
（（GPSGPS）实现。）实现。
•当学习者进入一个新的环境，当学习者进入一个新的环境，
窗口窗口BB就会出现，该窗口是用就会出现，该窗口是用
英语描述的一些有用的表达英语描述的一些有用的表达
形式。形式。
•如果学习者遇到了表达上的如果学习者遇到了表达上的
问题，窗口问题，窗口CC就会显示。该窗就会显示。该窗
口显示了句子表达形式与其口显示了句子表达形式与其
他学习者之间的关联关系。他学习者之间的关联关系。
CLUE系统子系统及其功能介绍
2、礼貌用语学习系统
日语的礼貌用语可以分为
敬语和谦语。在实际生活
会话场景中（如图所示），
学习者只要在CLUE系统
的PDA设备中输入相关的
信息，比如姓名、年级和
年龄等，当画面中的X先
生跟Z先生对话时，系统
就会告诉X先生正确的礼
貌用语表达形式。
CLUE系统子系统及其功能介绍
3、词汇学习系统
在初级语言学习班级中，
为了提醒学习者，系统设
计者在每个物体上都贴上
改物体相应的名称词汇。
词汇学习子系统的设计思
想是将词汇与其出现频率
联系起来。
清华大学面向远程教育的智能教室
清华大学计算机系徐光祐、清华大学计算机系徐光祐、
史元春教授等领导的团队设史元春教授等领导的团队设
计开发了基于智能空间计开发了基于智能空间
（（Smart spaceSmart space）的面向远程）的面向远程
教育的智能教室（教育的智能教室（Smart Smart
RoomRoom）。该智能教室是为了）。该智能教室是为了
解决远程教育中由于基于桌解决远程教育中由于基于桌
面计算、以课件下载和浏览面计算、以课件下载和浏览
为主要形态等带来的种种问为主要形态等带来的种种问
题而设计开发的（其设计思题而设计开发的（其设计思
路如图所示）。路如图所示）。
•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
结论
普适计算环境中的泛在学习
• 把计算和信息融入人们的生活空间；
• 人们生活其中可随时、随地得到计算服务
和泛在学习支持；
• 是对数字化学习的革新，维极大地活跃了
学术思想，推动了对新型计算模式下泛在
学习的研究。
参考文献
谢谢！
