新技术催“活”科技教育

作者： 北京开放大学地平线项目组

2013.12.27 来源： 中国教育报   

　　12月3日，经济合作与发展组织（OECD）发布了《2012国际学生评估项目（PISA）测评结果报告》，其中数学和科学排名引发世界各国的关切和热议，特别是美国教育部部长邓肯忧虑地称“美国呈现出教育停滞”。数学和科学教育关系着一个国家未来的核心竞争力。近日，《应用新技术改进科学、技术、工程和数学教学展望报告（2013-2018）》（以下简称《2013技术展望》）正式发布，旨在展望今后5年新技术对科技教育的教与学方式将产生的影响与挑战。为此，本报特邀新媒体联盟合作伙伴——北京开放大学进行解读，以期帮助国内教育界及时了解国际社会应用新技术开展科技教育的发展趋势。——编者

　　近期发展阶段（12个月内），学习分析、移动学习和在线学习将盛行；

　　中期发展阶段（2到3年内），3D打印技术、游戏与游戏化、沉浸式学习环境和可穿戴技术将得到广泛应用；

　　远期发展阶段（4到5年内），柔性显示、物联网、机器学习、虚拟助手将闪亮登场。

　　科技教育涵盖科学、技术、工程和数学教育（STEM），而“开展科学、技术、工程和数学综合教育”，最早出于美国国家科学委员会在1986年发布的《大学本科阶段的科学、数学和工程教育》建议中。于是，科学、技术、工程和数学教育便由此发端。之后，各个国家相继启动了科学、技术、工程和数学教育计划。美国新媒体联盟从2012年起每年定期发布科技教育技术展望，其中《2013技术展望》由美国新媒体联盟、西班牙远程高等教育中心、西班牙远距离大学电气工程系、美国电子工程师教育社会研究所合作完成。报告全面介绍了未来5年哪些技术可以用来改进科学、技术、工程和数学教育，探究新技术对教学、学习以及创新的影响和挑战。

　　驱动因素：科普项目为在校学生和成人提供更多科技教育机会

　　《2013技术展望》所呈现的12类新技术，都注重回应时代发展的需求。为了深入理解新技术在科技等领域的教学应用，专家咨询委员会围绕大量备选技术在教学、学习以及创造性探究等方面所具有的积极影响及其关键要素进行了排序。报告指出：

　　各种科普项目为在校学生和成人提供了越来越多的接受科学、技术、工程和数学教育的机会。学校教育与现实情境中的体验式学习，将成为开展全民科学的可行途径。基于网络学习的全民科学教育实践探索近年来不断涌现，目前正在进行的项目如“在线自然科学家”、“北方旅行家”、野生动物观察和日本奈尔大学鸟类学实验室项目。其中，学习者深入现场参与收集真实观察数据并做出分析。

　　如今信息化发展已经进入大众生活，高等学校必须考虑每个人对信息世界的独特价值。在信息世界中，人们基于信息交流的意义建构以及评价信息可靠性的能力将日益重要。当现代大学于14世纪问世之初，其主要任务是辅导和帮助学生适应他们所生存的世界。如今，这个任务又重新占据了首要位置。

　　而且，越来越多的学生希望使用个人技术工具开展学习，利用特定设备开展学习已经变得非常个人化。例如，仅凭一个人选择使用苹果手机（iPhone）或安卓手机（Android）就可以反映出其个性特点。借助各种工具做演讲或展示其学习与研究成果，会让人感到赏心悦目。从个人层面上说，人们应用工具的技能将会越来越熟练和有效。随着手持通讯技术设备的大规模生产，其价格优势也日益凸显，于是学生在其个人生活中应用先进设备就变得更容易。

　　当今社会，人类的生活越来越繁忙。学习者必须平衡好家庭、工作和学习之间的关系，学生的社会流动性也越来越大，他们不得不面对协调多项事务的挑战。人们需要轻松、及时地访问网络上的信息，同时还需要及时获取支持性的工具、信息资源以及最新的分析和评论。这些需求以及越来越必要的社交媒体和网络，提高了大家的学习预期。在现代社会中，非正式学习的机会充足而多元，大大拓展了先前的教学概念，例如“即时学习”或“发现学习”。

　　未来五年：柔性显示、物联网、机器学习、虚拟助手将闪亮登场

　　《2013技术展望》显示，未来5年有12项技术将陆续进入科技教育的教学、学习和创造性探究的主流应用中。其中，近期发展是指12个月内进入学校的主流应用；中期发展在2到3年内；远期发展则在4到5年内。

　　近期发展阶段，学习分析、移动学习和在线学习将盛行。学习分析技术是对“大数据”的教育应用，而移动学习技术正在成为科技教育必不可少的一部分。英国埃克塞特大学设计了一个增强现实技术的应用，将校园变成一个实验室，这样学生可以搜索他们周边的科学数据。

　　在线学习已经不再是新鲜话题，其范畴包括基于网络平台进行的任何学习形式。由于近期对于互联网大规模开放网络课程(MOOCs)的关注而使在线学习重现生机。当前人们对在线学习的重新审视已经给评价、学习支持、如何确保大规模教育的质量等方面带来了新观点。美国佛罗伦斯达林顿技术学院正在创建一个在线物理课程来讲授核能源，让学生和原子能专业人士进行连线交流。

　　中期发展阶段，3D打印技术、游戏与游戏化、沉浸式学习环境和可穿戴技术将得到广泛应用。其中，沉浸式学习环境是一种通过模拟现实情境来训练个体并为他们提供练习技能的机会，让学生参与其中仿佛就是在现实世界中学习知识。沉浸式学习环境应用到许多全新的信息技术，包括仿真和三维虚拟世界。来自美国国立医学图书馆的一项研究显示，沉浸式学习环境有益于支持学生快速获取知识和技能。医学系学生可以在真实环境中运用技能之前就有机会在虚拟实验中反复练习高危任务，例如做手术和验尸。实践表明，在模拟的安全环境下获得经验可以减少在现实世界致命错误带来的风险。

　　远期发展阶段，柔性显示、物联网、机器学习、虚拟助手将闪亮登场。当有机发光二极管显示器（OLED）技术在2004年进入大众市场时，消费者发现这种新的屏幕更加轻薄、明亮并且更节约能源。对比于传统的基于玻璃的液晶显示器，这些新型显示器可以用轻薄而柔韧的塑料来加工生产，从而产生了“柔性显示器”这一术语。世界上最薄的有机发光二极管显示屏由三星公司于2008年推出。三星、飞利浦及其他电子行业参与者在2013年大规模生产柔性显示器。最近，苹果公司已申请了自己的柔性显示器专利。随着柔性显示器在消费市场获得收益，研究人员、发明家和开发人员正在开展教与学应用的实验。在教育领域柔性有机发光二极管显示器为电子文本、电子阅读、平板电脑带来机会。无论这些物体或家具的形状如何，柔性显示器可以轻松地附到这些东西上，甚至还可以被穿戴起来——这使得它们在科学实验方面的适应性和便携性比标准的计算机屏幕和移动设备强了许多。

　　物联网传播“网络感知对象”（network aware objects）所交流的信息，它们通过网络连接物理世界与信息世界。连到一个物体上的嵌入式芯片、传感器或者微型处理器可以通过互联网传送此物有用信息，例如价格、寿命、温度、颜色、压力或者湿度等。这一简单连接允许远距离管理、状态监控、追踪和被附物体在产生损坏或变质风险时发出警示。药丸形状的微型照相机已经被用于医学诊断和教学中，将其放入人体消化系统中，它能发回上千张用于定位病源的图片，可以在样品失效情况下向科学家和研究人员发出警示。

　　机器学习指的是计算机在无需清楚编程情况下就可以行动和做出反应。为了做到这一点，机器必须能够进行总结，即在通过一个不同的学习数据训练之后，准确地对新的实例进行处理。例如一款名为“Xapagy”的软件能够开展即兴对话并且描绘由用户输入故事的情节。我们可以采用机器学习技术来检测纸质文字作品、讲话和其他动作模型的软件，以更好地适应学生的学习方式和需求。机器学习在教育方面的潜力是巨大的，促使整个智能技术既有计算机的准确性，又有最聪明人类的适应能力。

　　虚拟助手（Virtual Assistants）是利用自然用户界面实现可靠的工作外延。目前首个实例已经进入市场。随着语音识别和基于手势技术的发展以及它们之间的融合，我们正在快速改变借助鼠标和键盘与设备互动的思路。苹果手机名为“Siri”的语音控制功能和安卓系统“果冻豆”（Jellybean）操作系统是近期基于移动的例子。用户使用虚拟助手控制手机的所有功能，参与到和虚拟助手的仿真对话中。虚拟助手可以从电子邮件账户、个人日历和学习管理系统（LMS）中获取信息，帮助学生和教师更好地管理时间，并协调他们的工作。

　　主要挑战：科学概念的教学应该是让学生之间不断探究

　　任何有关技术应用都必须考虑所面临的主要障碍和挑战。专家咨询委员会推测并指出科技教育中采用新技术过程中所面临的主要挑战。

　　当今社会越来越需要教育回应每个学生的独特需求，这也是新技术发展的驱动力。然而，个性化学习最大的障碍在于科学的、基于数据的促进个性化学习的有效方法才刚刚起步，成功经验还不多。例如，学习分析技术在高等教育领域中的实施和采纳仍然处于初期阶段。而且，大多数研究者尚未在教与学中应用新兴技术，也未进行过相关研究。许多研究者并未接受过基本的、数字化支持的教学技能培训，也未获得专业发展机会。一些教育工作者简单地理解新技术应用，或者认为技术阻碍了学习。然而，通过采用渐进教学法，新兴技术应用才能成为可能。

　　同时，在我们讲授科学、技术、工程和数学知识之前还有很多事情要做，不应仅仅讲授事实，而更应注重讲授求知的方法。我们往往采用传统方式讲解科学、技术、工程和数学知识，学生只是被动地记住事实。借助新技术学习科技知识，提供给我们一个创造性地解释主题材料的机会。科学概念作为发现的新证据不断地变化着，简单地记忆事实并不利于激发学生的好奇心，科学概念的教学应该是让学生之间不断探究。

　　新技术应用案例

　　沉浸式学习环境

　　美国宾州谢勒地区小学将一间教室改造成名为“IKS Titan”的科学、技术、工程和数学沉浸式学习环境，学生通过使用平板电脑（iPad）、电子交互白板或者其他技术参与基于任务的模拟活动。

　　柔性显示器

　　加拿大皇后大学、塑料逻辑（Plastic Logic）公司、英特尔实验室共同研发出一款如纸般轻薄、可弯曲、可堆叠的平板电脑。

　　物联网

　　美国华盛顿大学的工程师们发现了一种新的方法，能把现有的无线信号变为既是电力来源又是通信媒介，智能对象勿需电池便可互相连接。

　　虚拟助手

　　由英国剑桥大学设计的名为“Zoe”的虚拟助手形象，它可以表现出一系列连贯情绪表情。最近研究工作集中在探究应用这一技术，帮助患有孤独症和耳聋的儿童进行学习。

　　（执笔人：张铁道、吴亚婕、王俊颖、唐嘉怿、任航）