有形技术支持的学习新进展

有形技术支持的学习新进展[摘要]通过分析目前有形技术使用中活动形式与呈现形式的性能，作者尝试对有形技术提供的交互性能进行概述。

同时作者也对不断发展的心理学领域与教育领域中的一些相关研究进行综述，从而为有形技术支持的学习之研究汲取理论基础。

在此基础上，作者提供了有形技术教育应用的一些案例。

最后，对这些研究对未来研究、应用与实践的启示进行了简要论述。

［关键词］有形计算；泛在计算；扩增现实一、引言在本综述中，笔者并不对有形技术是否优于其他目前已经接受的、支持学习的ICT应用进行辩论，只希望读者能够了解技术促进学习与教学的一些新的可能性。

在这些可能性中，一些可以通过相对简单、低廉的技术达到，而另一些依旧处于开发的早期阶段，涉及复杂的基于视频的图像分析或机器人技术的应用等。

当然，提及这一点并不是为了说明技术的复杂性，而是为了说明技术交互的创新形式——它们能够给学习提供新的可能性。

通过分析目前有形技术使用中活动形式及呈现形式的性能，笔者尝试对有形技术提供的交互性能进行概述。

同时也对不断发展的心理学领域与教育领域中的一些相关研究进行综述，从而为有形技术支持的学习研究汲取理论基础。

尽管在本综述中提供的诸多教育案例只涉及儿童的使用，但一些也涉及中学生的使用。

一般来说，交互性与教育性原则适合于各年龄段群体与情境的学习。

现在，几乎没有人不同意这一观点：信息通信技术（ICT）对学习和教学来说是非常重要的，不管该观点是职业的（对年轻人来说，为应付学校外生活，在ICT方面更加熟练和有较高的信息素养是非常重要的）还是技术幻想的（ICT提供了其他方式不能轻易提供的强健的学习经历）。

毫无疑问，最近一些年，无论在正规的学校环境还是非正规的家庭环境，ICT的接受与使用都取得了巨大进步，并且ICT对儿童学习产生了诸多积极影响（Cox等，2004a，2004b；Harrison 等，2002）。

然而，ICT在学校应用的发展似乎落后于其在生活领域的发展（像工厂、家庭）。

现在，技术正不断地融入我们的日常生活：例如，当我们去购物时，超市会用条形码来计算我们购买商品的价值；置入我们信用卡的微晶片及忠诚卡的磁条，被超市及银行用来从我们银行的帐户取钱、存量管理控制及预测我们的消费模式等等；公共场所的传感器用于记录我们的活动；我们通过移动手机通讯，使我们所在的位置可以被精确地定位；我们使用远程控制设备来控制娱乐系统、车库门及其他门的开关；在洗衣机、报警装置、加热装置方面，我们的家庭被微型计算机控制着。

据调查发现，每个有孩子的中等收入家庭平均拥有3.5个移动电话（UKclubculture，2004）。

在英国，大部分学校都拥有ICT配置相当好的教室和实验室，但它们却几乎没有可能成为教授和学习核心课程的主角。

现在很多学校开始采用便携式电脑、交互白板或灵敏板，一些学校甚至正在试验PDA的使用等，技术的角色正在逐渐发生变化。

然而，尽管技术发生了很大变化，但教学和学习实践的组织形式却几乎没有发生变化。

然而，在校外技术却有一个日益增长的趋势，它们逐渐摆脱了台式计算机的传统形式。

在人机交互（HCI）领域，传统的桌面隐喻逐渐被真实物理环境与数字世界之间不同关系的研究所取代。

在校外，开始看到逐渐被人们所熟知的“有形”接口的发展。

1.有形技术：从图形用户接口（GUIs）到有形用户接口（TUIs）首先介绍一下“有形”这一术语的短暂历史。

简单的输入设备（像键盘、鼠标等）用来控制和操作着数字空间，同时它们也用于控制和操作输出设备（像监视器、白板等）上显示的事物。

有形接口试图消除输入——输出的区别，并努力开启新的交互（这些交互将物理世界与数字世界混合在一起）可能性（Ullmer & Lshii，2000）。

当回顾TUIs的背景时，大部分人趋向于提及1997年发表，由MIT媒体实验室的Hiroshi Ishii和Brygg Ullmer所写的论文，他们创造了“有形小片”这一术语：通过使数字信息有形，弥合赛博空间和物理环境间隙的尝试（Ishii & Ullmer，1997，p235）在使用“小块”这一术语时，他们故意使用了一个双关语——我们使用“小块”这一术语既指物理物体，也指计算机中的数字物体（像二进制数字）。

因此，有形小块这一术语以同样的方式考虑数字物体与物理物体。

有形接口在输入和输出两方面都强调触感和肉体性。

通常，有形接口同实际物体的物理表现密切相关。

应用从复原[例如，有形技术能够使个体实践通过轻抚来制作热饮料（Edmans等，2004）]到造访共享分布式空间的基于物体的接口——创造了用户与共享实际物体交互的错觉（Brave等，1998）。

典型台式计算机系统与有形计算之间的区别是：在典型台式计算机系统中（即所谓的图形用户接口或GUIs），物理设备操作与输出设备上数字显示之间的映射是相对间接与松散联系的，显示器上显示的动作与用户所作的动作是完全不同的。

例如，用鼠标在字符处理器中选择一个菜单选项或为控制屏幕上的图形定位时，物理操作是在二维水平面上移动鼠标等；输入是物理的，但输出是数字的。

就台式计算机来说，这一点非常明显——输入与输出之间的映射是毫无联系的，比如输出一个垂直二维飞机，我们必须在一个水平表面上的二维空间移动鼠标。

然而，即使我们在触摸屏（像平板电脑或PDA）上使用尖笔，输入和输出之间仍旧存在不相关感。

因为输出以一种不同的显示形式对输入做出反馈——例如输入是物理的，而输出是数字的。

相反，有形用户接口（TUIs）在物理和数字之间提供了更加相关的联系——输入与输出之间的区别达到几近模糊的程度。

例如当使用算盘时，输入信息与输出表示之间是没有差别的——这种类型的混合就是有形计算所设想的。

2.核心概念的界定：有形计算，泛在计算与扩增现实“有形计算”是“泛在计算”这一更宽泛概念的一个子集。

通常我们认为泛在计算由Mark Weiser提出，之后归属于Xerox PARC（Palo Alto 研究中心）。

Weiser 提出了未来计算的远景（Weiser,1991），论述了物理世界与虚拟世界相混合的远景，该远景是如此深入地融入到我们的观念中，以至于我们察觉不到。

他用印刷文本做了一个类比，印刷文本是符号表征的形式之一，在我们的物理环境中，它是完全泛在与无处不在的（例如商店橱窗中的广告牌、符号等），只要我们是文本的熟练使用者，我们就能好不费力的扫描环境和处理信息，文本消失在背景中，而我们只是好不费力的同它表示的内容进行交互。

泛在计算就是计算机如此无缝地融入我们的世界，以至于我们感觉不到它，它似乎消失了。

今天，在某种程度上计算机已经做到了这一点，计算机被置入汽车、电灯开关、电话、手表中等。

Weiser认为泛在计算就是宁静技术（calm technology）（Weiser & Brown,1996），即与占有用户所有时间的注意相反，技术以无缝的方式融入我们的生活，它占据了我们注意的周围和中心空间，而我们却没有意识到。

Ishii和Ullmer（1997）也对用户注意的前景、中心与用户注意的背景、周围之间的泛在计算进行了区别。

他们讨论了我们既需要能够使用户通过实际物体，来理解和控制前景数字信息，也需要给用户提供在周围环境中可用的信息的外围意识。

第一种情况目前大部分人称作泛在计算，而第二种情况一般被称作环境媒体（ambient media）。

这两种情况都是泛在计算，但本综述主要关注第一种情况。

在有形计算中，第三个相关的概念是扩增现实（AR）。

在虚拟现实（VR）中，其目标是使用户沉浸于计算世界，而在扩增现实中，物理世界被数字信息扩充与拓展。

Paul Milgram创造了“混合现实”这一术语来描述真实世界与虚拟现实之间的区域（Milgram & Kishino，1994）。

在AR中，真实场景的视频图片被三维图形覆盖，而在扩增虚拟中，三维虚拟世界的展示被现实世界中的视频覆盖。

混合现实如图1所示：正如我们所看到的，所谓有形计算的很多案例都使用了AR技术，并产生了一些有意思的教育应用。

一般说来，泛在计算、有形技术、扩增现实及环境媒体之间的区别是非常模糊或至少说它们重叠的部分非常多。

例如，Dourish(2000)将以上几个概念统称泛在计算。

泛在计算最早的案例之一就是“方块”，一个由Fitzmaurice、Ishii和Buxton提出的可控用户接口（Fitzmaurice等，1995），它由很多方块组成，这些方块能够被附在虚拟的物体上，因此使得虚拟物体可以被物理控制。

Fitzmaurice等列出了可控用户接口的如下特征：①允许用户更多的并行输入，因而提高了计算机的表达和通信性能；②利用了空间推理及为实际物体操作开发的良好、日常和外围技能；③使传统的内部计算机表征具体化；④提供多用户、协作应用。

3.为什么有形技术对学习是有益的？历史上，儿童已经玩过很多动手项目（像玩积木、七巧板等），无论是自己玩还是和同伴一块玩。

Montessori（1912）研究发现，儿童对感知器具极感兴趣，他们本能、独立、重复地使用这些设备，并且注意力非常集中。

她相信，儿童在与实物玩耍的过程中，能使自己沉浸于自我引导、有目的的活动。

因而，她提倡孩子与实物玩耍，进而促进他们的发展。

Resnick将有形接口拓展为教育领域中的“数字操控”（Resnick等，1998），定义为熟悉的、旨在促进学习的、带有计算能力的动手活动。

在这里，我们讨论一下物理接口与有形接口:物理交互是基于运动的，而有形在于物体能够被感知和抓住。

图2和图3展示了有形技术教育应用最近的两个案例。

图2是魔幻行星，在该案例中，实际的桌子被致力于精确实际定位的多个相互重叠的三维动画所扩充，这些三维动画提供儿童与所展示的活动交互时，符合其交互姿势意义的视觉图像。

与观察已配置好的动画，或使用鼠标直接控制动画相反，儿童的实际姿势控制着要显示的动作。

该案例是新西兰人性化界面技术实验室的renMark Billinghurst及团队所开发的AR应用之一（Billinghurst，2002）。

目前，在英国教室中，支持学习的这种技术的应用由Adrian Woolard及同事（工作于新媒体与技术单位的BBC创造性R&D）进行研究（Woolard，2004）。

图3介绍的是有形技术输入/输出刷子（I/O Brush），由麻省理工学院媒体实验室有形媒体团队成员Kimiko、Ryokai、Stefan Marti和Hiroshi Ishii所开发（Ryokai等，2004），作为Futurelab的创新展品，陈列在BETT2005橱柜中。

由于新颖的交互、发现方式及将玩乐融入学习的性能，有形技术被认为拥有为儿童学习和玩耍提供创新形式的潜力（Price等，2003）。