第四節(jié) 新技術(shù)在教育中的應(yīng)用
一、人工智能技術(shù)
（一）人工智能技術(shù)
人工智能 (Artificial Intelligence, AI) 是 20 世紀(jì) 50 年代中期興起的一門新興邊緣科學(xué)，它既是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，又是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、語言學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)、哲學(xué)等多種學(xué)科相互滲透而發(fā)展起來的綜合性學(xué)科。
人工智能又稱為智能模擬，是用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模仿人類的感知、思維、推理等思維活動(dòng)。它研究和應(yīng)用的領(lǐng)域包括模式識(shí)別、自然語言理解與生成、專家系統(tǒng)、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、定理證明、聯(lián)想與思維的機(jī)理、數(shù)據(jù)智能檢索等。例如，用計(jì)算機(jī)模擬人腦的部分功能進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和決策；模擬醫(yī)生給病人診病的醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)；機(jī)械手與機(jī)器人的研究和應(yīng)用等。
（二）人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用
1970 年美國卡博奈爾開發(fā)的 SCHOLAR 系統(tǒng)，是世界上第一個(gè) AI 與 CAI 結(jié)合的案例。這是一個(gè)用于南美洲地理課程的教學(xué)系統(tǒng)， SCHOLAR 系統(tǒng)以大量的信息單元和描寫事實(shí)組成數(shù)據(jù)庫，并按照這些信息單元的含義及其相互關(guān)系構(gòu)成語義網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可以根據(jù)這些網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成教學(xué)信息，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自然語言理解能力和邏輯推理能力，學(xué)生與該教學(xué)系統(tǒng)可以進(jìn)行較為自由的交互，系統(tǒng)在一定程度上理解并回答學(xué)生的提問。
1. 智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)
智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng) (Intelligent Computer Aided Instruction, ICAI) 以認(rèn)知學(xué)為理論基礎(chǔ)，將 AI 技術(shù)應(yīng)用于 CAI ，是智能化的 CAI 。在 ICAI 系統(tǒng)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)可以借助于智能化計(jì)算機(jī)對(duì)大量知識(shí)進(jìn)行選擇、判斷、處理，使學(xué)習(xí)內(nèi)容更有針對(duì)性，從而提高學(xué)習(xí)效果。
2. 智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的功能
一個(gè)智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)一般應(yīng)具備如下功能：①能自動(dòng)生成各種問題與練習(xí)；②根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平與學(xué)習(xí)情況選擇與調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和進(jìn)度；③在了解教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上自動(dòng)解決問題，生成解答；④具有自然語言生成與理解能力，以便實(shí)現(xiàn)比較自由的教學(xué)問答系統(tǒng)，提高人機(jī)交互的主動(dòng)性；⑤對(duì)教學(xué)內(nèi)容有解釋咨詢能力；⑥能診斷學(xué)生錯(cuò)誤，分析原因并采取糾正措施；⑦能評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為；⑧能評(píng)價(jià)教師的教學(xué)行為。
3. 智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的組成
一般地，只要具備上述一個(gè)或幾個(gè)功能的 CAI 系統(tǒng)就可以稱為智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)。大多數(shù) ICAI 系統(tǒng)一般由專家模塊、學(xué)生模塊、教學(xué)模塊、界面模塊和智能接口模塊組成。
在智能 CAI 中，教學(xué)思想、方法、學(xué)習(xí)內(nèi)容可用知識(shí)形式表示，如何解決知識(shí)的形式化表示以及知識(shí)的訪問與調(diào)用問題，是 AI 的核心技術(shù)之一，也是將 AI 引入教育技術(shù)領(lǐng)域中所要面臨的一個(gè)問題。知識(shí)庫是實(shí)現(xiàn)知識(shí)推理與專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可以用知識(shí)庫作為智能 CAI 的構(gòu)建環(huán)境，在知識(shí)庫中，教學(xué)內(nèi)容等的有關(guān)知識(shí)可以用事實(shí)與規(guī)則表示，并存儲(chǔ)于知識(shí)庫內(nèi)。教學(xué)與學(xué)習(xí)過程即是對(duì)知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行推理，并最終得出所需結(jié)果的過程。由于專家系統(tǒng)主要是由知識(shí)庫與推理機(jī)組成的，因此，它也是智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)的核心技術(shù)。
智能 CAI 倡導(dǎo)“以人為本”，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的主體性，實(shí)現(xiàn)以“教”為中心向以“學(xué)”為中心的轉(zhuǎn)變。教師和學(xué)校不再是知識(shí)的傳授者、灌輸者和控制者，而成為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者、幫助者和促進(jìn)者，其任務(wù)除了對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行組織調(diào)控、對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)施引導(dǎo)和幫助外，更重要的是為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供必要的環(huán)境和條件。
二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述
1. 虛擬現(xiàn)實(shí)
虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality ，簡稱 VR）是一種計(jì)算機(jī)界面技術(shù)。從本質(zhì)上講，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過給用戶同時(shí)提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，最大限度地方便用戶操作，從而減輕用戶的負(fù)擔(dān)，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。 VR 的作用可以表現(xiàn)為不同的形式，例如將某種概念設(shè)計(jì)或構(gòu)思可視化和可操作化；實(shí)現(xiàn)逼真的遙現(xiàn)場效果；達(dá)到任意復(fù)雜環(huán)境下的廉價(jià)模擬訓(xùn)練目的等。
虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境（如飛機(jī)駕駛艙、操作現(xiàn)場等），通過多種傳感設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)。這里所謂的模擬環(huán)境就是利用計(jì)算機(jī)生成的具有表面色彩的立體圖形，它可以是某一特定現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)體現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。傳感設(shè)備包括立體頭盔（Head Mounted Display）、數(shù)據(jù)手套（Data Glove）、數(shù)據(jù)衣（DataSuit）等穿戴于用戶身上的裝置和設(shè)置于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的傳感裝置（不直接帶在身上）。自然交互是指用日常使用的方式對(duì)環(huán)境內(nèi)的物體進(jìn)行操作（如用手拿東西、行走等）并得到實(shí)時(shí)反饋。
與 VR 相類似的一個(gè)概念是人工現(xiàn)實(shí)（ArtificialReality ，簡稱 AR），它是可以更方便地與用可視化技術(shù)建立的三維空間中的物體進(jìn)行交互的技術(shù)。這個(gè)空間是人造的，但是物體的控制方法就像物體在現(xiàn)實(shí)空間中一樣，所以就稱為人工現(xiàn)實(shí)。例如，可用 AR 技術(shù)來漫游用可視化技術(shù)建立的大腦結(jié)構(gòu)。
2. 虛擬現(xiàn)實(shí)的重要特征
虛擬現(xiàn)實(shí)可以定義為對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行五維時(shí)空的仿真，即除了對(duì)三維空間和一維時(shí)間的仿真外，還包含對(duì)自然交互方式的仿真。一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包含一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境和符合人們自然交互習(xí)慣的人—機(jī)交互界面，分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還要包含用于共享信息的人—人交互界面。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)于計(jì)算機(jī)、傳感與測量、仿真、微電子等技術(shù)的綜合集成技術(shù)，它具有以下四個(gè)重要特征：
（1）多感知性（Multi-Sensory）
所謂多感知就是說除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。
理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中是通過眼睛、耳朵、手指等器官來實(shí)現(xiàn)視覺、聽覺、觸覺等功能的。人們可以通過視覺觀察到色彩斑斕的外部環(huán)境，通過聽覺感知豐富多彩的音響世界，通過觸覺了解物體的形狀和特性。總之，人們通過多種渠道，與客觀世界進(jìn)行交互作用，并沉浸在客觀世界中。
理想的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境應(yīng)該包含對(duì)人自然交互方式的模擬，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能提供給用戶以視覺、聽覺、觸覺、嗅覺甚至味覺等多感知通道。由于技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)等幾種，從感知范圍到感知的精確程度都還無法與真實(shí)環(huán)境相比擬。
（2）存在感（Presence）又稱為臨場感（Immersion）
它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度（例如可視場景應(yīng)隨著視點(diǎn)的變化而變化），如實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)實(shí)更理想化的照明和音響效果等。
對(duì)于一般的模擬系統(tǒng)而言，用戶只是系統(tǒng)的觀察者，而在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，用戶能感到自己成為了一個(gè)“發(fā)現(xiàn)者和行動(dòng)者”。發(fā)現(xiàn)者和行動(dòng)者利用他的視覺、觸覺和操作來尋找數(shù)據(jù)的重要特性，并不是通過嚴(yán)密的思考來分析數(shù)據(jù)。通常思考可能既慢且吃力，而感覺則幾乎可以無意識(shí)地、立即地表達(dá)結(jié)果。這更加符合人們的自然思維習(xí)慣。
（3）交互性（Interaction）
它是指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中的物體，這時(shí)手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量（其實(shí)這時(shí)手里并沒有實(shí)物），視場中被抓的物體也立刻隨著手的移動(dòng)而移動(dòng)。
（4）自主性（Autonomy）
它是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。例如，當(dāng)受到力的推動(dòng)時(shí)，物體會(huì)沿力的方向移動(dòng)、或翻倒、或從桌面落到地面等。
用戶可以沉浸在一種人工的虛擬環(huán)境里，通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件及其有關(guān)外部設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行充分的交互，進(jìn)行構(gòu)思，完成所希望的任務(wù)。
（二）虛擬現(xiàn)實(shí)的組成
根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)的概念及其上述四個(gè)特征可知，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在眾多的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它包括計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識(shí)別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感器技術(shù)、語音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。
虛擬現(xiàn)實(shí)作為一項(xiàng)綜合技術(shù)，集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體、人工智能、多傳感器、網(wǎng)絡(luò)、并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，為我們創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界提供了有力的支持。由于它生成的視覺環(huán)境是立體的，音效是立體的，人機(jī)交互是和諧友好的，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將一改人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀，使人們陶醉在計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的工作環(huán)境之中。
虛擬現(xiàn)實(shí)一般用于構(gòu)造當(dāng)前不存在的環(huán)境、人類不可能到達(dá)的環(huán)境和代替耗資巨大的現(xiàn)實(shí)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)是要達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的目的，即用虛擬物體來豐富、增強(qiáng)真實(shí)的環(huán)境，而不是用它來代替真實(shí)的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)的成果是給用戶一個(gè)將現(xiàn)實(shí)世界和計(jì)算機(jī)中的虛擬模型結(jié)合起來的工作環(huán)境。
（三）虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用
教育培訓(xùn)是每個(gè)人生活中的重要部分，其中很重要的一個(gè)過程就是呈獻(xiàn)知識(shí)信息。一些培訓(xùn)可從學(xué)校或書本上獲得，但這代替不了利用實(shí)物的培訓(xùn)。而虛擬環(huán)境在呈獻(xiàn)知識(shí)信息方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，它可以在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的 VR 體驗(yàn)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程。例如，核電站或霧中著陸等危險(xiǎn)環(huán)境可在對(duì)受訓(xùn)者毫無威脅的情況下進(jìn)行精確模擬。模擬器的容錯(cuò)特點(diǎn)使受訓(xùn)者能親身體驗(yàn)到在現(xiàn)實(shí)生活中體驗(yàn)不到的經(jīng)歷。飛行模擬器、駕駛模擬器是培訓(xùn)飛行員和汽車駕駛員的一種非常有用的工具。由于不需要特殊的硬件和附屬設(shè)備，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中將得到廣泛的應(yīng)用。
用于建筑工程學(xué)：可交互性地參觀還未完工的辦公大樓，尋覓裝飾的構(gòu)思；或者參觀房屋模型，學(xué)習(xí)建筑原理。參觀世界各地的經(jīng)典建筑，尋找建筑設(shè)計(jì)的靈感。
用于考古學(xué)：可參觀世界上你不可能到達(dá)的博物館，研究考古發(fā)掘物品，或研究從未對(duì)公眾開放過的私人收藏的繪畫或雕塑。
用于醫(yī)學(xué)教育：學(xué)生可以通過解剖一具虛擬的尸體來學(xué)習(xí)解剖學(xué)，也可以觀看血細(xì)胞通過心臟的全過程。醫(yī)生用從實(shí)際病人身上收集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，對(duì)手術(shù)或其他過程進(jìn)行周密地規(guī)劃，如觀看胃鏡的過程，了解病變組織的特征。
用于導(dǎo)游培訓(xùn)：讓學(xué)生參觀世界各地虛擬的風(fēng)景名勝，并學(xué)習(xí)這些名勝的歷史、特點(diǎn)、文化內(nèi)涵等等。
用于生物教育：學(xué)生可以操縱分子模型，觀察不同藥物的立體結(jié)構(gòu)圖像；或者沿著叢林小溪來研究海貍的習(xí)性。
用于歷史教育：可進(jìn)入以前的世紀(jì)，如參觀商代的集市，或參加唐代的盛典。
用于化學(xué)和物理教育：介紹與展示昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器，參觀你不可能進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)空間，如核反應(yīng)堆、粒子對(duì)撞空間等等。
用于社會(huì)科學(xué)：讓學(xué)生參觀世界各地的社會(huì)風(fēng)情，了解各地的生活型態(tài)和習(xí)性。
思考與練習(xí)
1. 什么是媒體？教學(xué)媒體？現(xiàn)代教學(xué)媒體？
2. 現(xiàn)代教學(xué)媒體的基本特性有哪些？功能有哪些？
3. 舉例說明視覺、聽覺、視聽媒體的主要特點(diǎn)。
4. 幻燈機(jī)在操作使用中應(yīng)該注意什么問題？
5. 投影器的光學(xué)部分由哪些部件組成？每個(gè)部件各起什么作用？
6. 數(shù)碼照相機(jī)在操作使用中應(yīng)該注意什么問題？
7. 錄音機(jī)在操作使用中應(yīng)該注意什么問題？
8. MP3 播放器在操作使用中應(yīng)該注意什么問題？
9. 攝像機(jī)主要有哪些組成部分？在操作使用中應(yīng)該注意什么問題？
10. DVD 在操作使用中應(yīng)該注意什么問題？
11. 舉例說明視聽媒體的在教學(xué)中的應(yīng)用。
12. 簡述數(shù)字衛(wèi)星廣播的特點(diǎn)。
13. 簡述人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用。
14. 簡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用。
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