互动科普

数字技术改变教育

多种新兴技术正在走进课堂，

带来了创新性的教育手段。

通过它们，能否培养出具有创造力的下一代？

本刊记者 李冀

不过，梁潆当初“转行”做教练，其实源于一个偶然的机会。

2003年，全国的中小学校都开始摸索素质教育之道，北京理工大学附属小学是其中的先行者。当时，该校的一位老师提出，希望引进乐高教育机器人，成立兴趣小组，培养学生的探索和创造能力。本来担任计算机教师的梁潆，因为“年轻，并且计算机和机器人多少有点关系，”被同事和学校认为是兴趣小组的最佳教练人选——尽管梁潆此前也从没接触过乐高教育机器人。

于是，梁潆开始和兴趣小组的学生一起“玩”乐高机器人：组装、编程、让机器人执行特定任务……几个月后，梁潆就带领这个兴趣小组参加了北京市组织的一项机器人比赛。令人惊喜的是，本来抱着交流、学习目的参赛的他们，却有了意外的收获：学生们的表现非常出色，让他们第一次参加比赛就获得了一个奖项。梁潆的“金牌教练”之路，也由此开始。

随后10年，北京理工大学附属小学的机器人小组参加了很多比赛，获得过北京市机器人竞赛第一名、全国冠军、国际机器人大赛金奖以及FLL机器人世界冠军赛的冠军。

但这10年中，令梁潆印象最深的，却并非某一次获奖，也不是“金牌教练”这个称呼给他带来的荣誉，而是发生在一个学生身上的变化。

这个孩子生长在单亲家庭，或许因为家庭的缘故，不喜欢说话，在家里、在班上，都与他人少有交流，表现自闭倾向。家长为此十分担忧想过很多办法，但成效都不显著。直到有一天，家长把孩子送到了机器人小组。每次活动中，他都很积极地与其他孩子配合，共同组装机器人，想办法解决问题。后来，他还多次参加机器人比赛，取得了不错的成绩，自闭倾向也有了很大程度的好转。如今，这个孩子已经进入大学学习，他的专业也与机器人有关——自动化。

这个学生的变化，让梁潆颇为感慨：“这种新的教育方式，让我看到了孩子们的那种投入感和创造力，而这些，是在传统教育模式下很难见到的。”正是看到了孩子们的改变，北京理工大学附属小学从几年前起，就开始在多门课程中使用乐高教育机器人，让更多孩子的好奇心、探索欲望、创造力得到保留和强化。

实际上，在今天这个信息化时代，包括机器人在内，很多新兴技术都有可能走进课堂，成为全新的教育工具，下面就让我们一起盘点一下，数字技术带给传统教育的变化和影响。

云计算：帮学生卸下包袱

云计算可能是各类信息技术中，在教育领域走得最远的，比如很多人知道的网络远程授课、共享计算资源等，都是云计算在教育领域的尝试。

不过，这些都只是云计算最基本的应用。正如北京大学教育学院副院长尚俊杰所说，“作为一项综合性技术，云计算在教育领域的应用不是孤立的，与其他新技术结合使用，会为信息时代的教育提供多种潜在的新模式”。

云计算与虚拟技术的结合，就被认为是一种非常有前途的教育模式，尤其在是那些需要实际操作课程中，比如临床医学、飞机驾驶等。亚马逊的“云服务个体化医疗室”就是一个很好的例子。目前，哈佛大学医学院已经在使用这种虚拟医疗室，研究人员可以根据医院中的病人特征，创造出不同基因的虚拟患者，学生或研究人员可以在任何时间、任意地点，通过访问虚拟医疗室来对仿真病人进行分析，这样不仅可以增加学生实际接触各种真实病例的几率，也为未来的临床诊断带来了新的可能。

云书包是另一个颇具前景的教育工具。它是云计算与移动互联网终端（平板电脑、手机等）相结合的产物。简单来讲，云书包就是一种便携式的电子工具，不仅具有计算机的运算和通信功能，还可以储存和传输数字资料，并支持使用者随时随地进行各种有效学习。

广东惠州是中国最早推动采用云书包的城市之一。从去年开始，惠州就在仲恺高新区选择了部分小学和中学为试点，给小学三到五年级、初一和初二年级的学生配备云书包。老师会给每个学生配备一个云终端，让学生带着云终端去上学。学生打开云终端，就可以通过云平台获取课程信息、课本内容；放学回家后，也可以通过这个平台交作业。这意味着，学生至少可以在身体层面卸下沉重的包袱了。

除了中国，美国、英国、日本、新加坡和澳大利亚等国都开展了云书包项目的研究与实践。

韩国政府甚至计划在2015年之前，对国内所有学生的课本进行数字化改革，采用云计算网络教育模式，研发并采购云计算教学辅助系统。另外，全球各大IT巨头也纷纷推出自己的云书包计划。

不过，质疑的声音也从没停止过。一些批评者认为，过度使用电子设备会让未成年人的视力下降，网络上的海量信息剥夺了孩子提高记忆和理解能力的机会，过多的网络交流降低了孩子的社交能力等。其实，在信息化时代出生的孩子，网络和电子产品就是他们与生俱来需要掌握的工具，也是他们未来进入社会的基本技能。用成年人的眼光去看待他们，也许是我们多虑了。

如果说上述问题还是见仁见智的话，那么资金和内容，则是云计算走向教育的过程中不可回避的问题。尤其是像中国、印度这样的发展中大国，数百美元一台的终端设备、终端里的教学资源以及相应的网络服务都需要大量的前期资金投入，尤其是在那些边远贫困地区，这些问题会更加突出，极有可能加剧信息化时代的教育不均衡。

而在眼花缭乱的产品背后，除了缺乏统一的行业标准之外，有价值的课件和相关教学资源的匮乏，也是目前云书包面临的大难题。

学习分析技术：带来个性化教育

麻省理工学院的埃里克·布林约尔森（Erik Brynjolfsson）教授曾这么形容大数据：“大数据的影响，好比几个世纪前人类发明显微镜。”确实，大数据技术为科学家带来了全新的研究方式，为企业带来了全新的商业机会，如今大数据又开始走向教育——除了海量的信息和知识可以极大地拓展人们的学习渠道外，最大的变革力量来自学习分析技术。

美国新媒体联盟 （NMC）每年都会发布 《地平线报告》 （Horizon Report），预测教育信息技术的发展趋向。而从2011年到2014年，学习分析技术连续4年都被列为最重要的教育技术方向之一。

利用学习分析技术，教育机构可以针对教学过程中产生的海量数据，进行科学分析与探索，进而可以了解学生的学习习惯、个人偏好，然后据此为学生提供高质量、个性化的学习体验。

相对于传统的网络教学，MOOC之所以能在短时间内大获成功，与学习分析技术的有效应用是分不开的。在MOOC课程中，研究人员可以记录下学生的每一次点击、每一次作业提交情况。而根据这些数据，老师们可以判断哪种教学策略是有效的，哪些问题是学生普遍不会的，以及需要为学习者提供什么样的支持。

由于MOOC课程的学生规模通常非常庞大，动辄成千上万，甚至好几万人，因此，研究人员和MOOC教师根据学生数据得到的分析结果通常都很有说服力，最终基于分析结果的教育策略也会更为有效。

在新媒体日渐盛行的时代，学习分析技术还可以发挥更大的作用。Kno是美国一家电子教科书公司，不久前推出了名为Kno Me的学习分析工具。利用这款工具，学生在阅读电子教科书时，可以深入了解自己的学习习惯和行为，还可以查看阅读特定文本时所花费的时间，以及学习目标的实现情况，从而更好地调整自己的学习进度和时间安排。

学习分析技术的早期应用已经在一些教育机构中展开。最近，美国橘郡的马鞍峰社区学院推出了“高等教育个性化服务助理”（SHERPA）系统，利用学生数据展开个性化教育。这套系统会为每个学生建立详细档案，记录学生在校期间的日程信息、跟随导师学习的经历以及其他个人信息。通过对这些信息进行分析，向学生和老师提供时间管理、课程选择的建议，及其他有助于学生取得学习成功的因素。

尽管目前已经有很多学习分析技术的开发和应用案例，但实际上这项技术还只处于起步阶段。“新工具的采纳应用，难点不在技术的学习，而在新工具的应用过程，会不断改变我们过去的行为习惯，”北京师范大学教育技术学院的庄秀丽老师说，“改变过去的习惯，建立新的行为习惯，这个过程并不容易实现”。

不过，《地平线报告》的预测还算乐观：学习分析技术将在未来3～5年中逐步走向成熟。

机器人：留住孩子的创造力

创新精神和互联网思维引领着我们这个时代的发展，教育也必须因需而动，向更加注重创造力和创新能力的教育方式转变。但是，如何才能让孩子的创造力不会因时间而褪色，甚至更具创造力呢？

传统教育可能很难完成这个任务，因为枯燥的方式已经让一代又一代的孩子感到厌倦，对科学失去了兴趣。“既然如此，我们为什么不能通过更有趣的手段来实现教育目的呢？” 2014年3月，在乐高教育联合清华大学举办的“技术教育与创新人才培养国际研讨会”上，英国教育专家约翰·平克尼（John Pinkney）向《环球科学》说，“我在英国的中学里尝试了很多手段，包括使用移动设备和乐高教育机器人，将孩子们的兴趣重新带回到学习当中。”

作为一名教育专家，同时是英国一所大型中学的校长助理，平克尼一直在寻找创新性的教育方式。为了找到新型教育的线索，他还曾造访美国航空航天局的多个研究机构，与那里的优秀科学家交流，希望能从中得到启发。

最终，平克尼与梁潆一样，也把目光落在了乐高教育机器人上。他发现，利用乐高教育机器人，不仅可以让学生获得工程学和编程方面的知识，提高独立面对、解决问题的能力，更重要的是，在使用乐高教育机器人的过程中，学生会频繁交流与合作，共同思考和提出一些挑战性的问题。

这与乐高教育机器人的工作原理有很大关系——它是完全“开源”的，也就是说，一切工作，都是从一堆零件开始的。

具体来讲，在一堂使用乐高教育机器人的课程上，老师首先将学生分成若干小组，每组3～4人，并分别给小组成员赋予不同的头衔：队长（组织工作）、机械师（安装玩具）、程序员（编程）、研究员（观察、报告）等。这种角色代入，会让学生有一种游戏感，对于接下来的任务更感兴趣。

接下来，老师会结合生活中的实际应用或近期的热点问题（比如月球车），给同学们设定一个背景。在这个背景下，进一步提出一个较为具体的目标，要求同学们搭建具有特定功能的机器人，比如要有4个轮子，行驶一定距离后自动停下来。

明确任务后，小组成员聚在一起讨论解决方案，通常要考虑三个方面的问题：一是行为，机器人需要执行哪些任务；二是形状，机器人应该具有什么样的外形和结构，才能较好的完成任务；三是控制，通过什么样的程序来控制机器人的行为？要解决这三个问题，需要学生们全面地思考和讨论。

确定了完善的方案，才会开始尝试搭建机器人，这同样需要学生们共同处理很多细节问题，比如怎么安装才能让机器人的结构比较牢固。

之后的编程也很重要，根据搭建中使用的部件以及需要实现的目标，学生利用robolab软件的图形化界面进行编程——也就是给机器人设置任务指令，之后将程序下载到乐高教育机器人的存储模块中。

接下来，就是让机器人开始执行任务，和其他小组展开竞赛，这也是同学们最喜欢的环节。在整个过程中，学生之间既有合作也有竞争，既有交流也有思考，既有学习也有探索。最关键的是，在游戏化的氛围下，学生成为了教学的主动参与者，而不是像以往那样，是被动的接收者。

除了作为教学工具，乐高教育机器人也可以用另一种方式帮助孩子。最近，美国塔夫斯大学工程教育中心的负责人克里斯·罗杰斯（Chris Rogers）教授在美国政府的资助下，开展了一个为期5年的项目，希望通过教育机器人等辅助工具，帮助有阅读障碍的孩子更好地学习。

在这项研究中，罗杰斯和同事会把故事讲给孩子听，然后让孩子用乐高教育机器人的相关零件，把故事里的人物、工程模型搭建出来。“最后的结果表明，通过这个过程，孩子们对工程学知识、书本内容的理解都有所加深，”罗杰斯说。

对于更看重实际效果的中国学生家长和教师来说，更好的消息可能是，乐高教育机器人之类的教学辅助工具，确实能够提升学生的成绩。乐高教育的高级教育概念专家托本·杰森（Torben Jessen）告诉《环球科学》记者，乐高曾在秘鲁做过一项产品调查，最终的调查结果表明，与没有用过乐高教育机器人的学生比起来，用过这类产品的学生的成绩大约提高了10%。

对于机器人这类教育工具，目前最大的障碍或许是，要更多的家长和教师认识、接受它。

可穿戴设备：学习者的“自我量化”

近两年，可穿戴设备成为科技领域关注的一个焦点，消费领域不断推出新型可穿戴设备，远远超过了这项技术在学校中应用的步伐。

在教育领域，探索性试验、开发和应用才刚刚展开，但仍不难看出可穿戴设备的巨大潜力。可穿戴设备可以把各种传感器与无线通信手段有效集成在一起，将使用者的地理位置、周边环境，甚至自身状态等信息，远程发送给相关的应用程序，然后由学生自己，或者老师加以利用。

比如，当学生在化学实验室工作时，智能首饰或其他可穿戴电子设备能对危险情况做出预警，而可穿戴照相机能够瞬间抓拍数百张照片，或在野外开展地质勘探时，收集用户周边环境的数据。之后，老师或学生可以通过电子邮件或其他应用程序来获取、解读这些数据，带来更高的教学和研究效率。

而且，可穿戴设备对佩戴者生理信息的收集，可以实现学习者的“自我量化”。通过记录学习者在学习过程中的各项数据，比如心跳和血压，可以了解学习者是否紧张或者焦虑，配合既定的模型，甚至能够判断学习者对学习内容的掌握程度。记录学习者在观看教学内容时的眼球活动规律，有助于教师分析学习者的心理活动，也可以借助这些数据掌握学习者的观看次序，进而改变学习内容的图文设计。

当然，如果我们时时刻刻生活在“摄像头”之下，生活的一举一动甚至情绪都受到监控，这也是一件很恐怖的事情，想想《楚门的世界》里的情景，让人不寒而栗。如何保护好学习者的隐私，是可穿戴设备在教育领域获得更广泛应用前，必须要面对的问题。

3D打印：缩短现实与虚拟的距离

3D打印技术已在制造业掀起一场风暴，甚至被认为是第三次技术革命的引领者。那么在教育领域中，它又能发挥什么样的作用呢？

随着技术的逐渐成熟，3D打印技术的使用成本也在不断下降，学校已经有能力购买3D打印设备和材料。在美国，很多学校都已经开设了3D打印课程，通过培养青少年的创新意识，3D打印正成为“美国智造”的有力手段。

3D打印在教育领域中最直接的作用是，可以将教科书上那些抽象的平面图形转化成现实中的真实物品，让学生可以在现实中更直观地观察和研究。因此，3D打印技术显著缩短了现实和虚拟之间的距离，当你需要什么东西的时候，打开电脑，找到它的虚拟模型，然后通过打印，就可以把它变成现实。

3D打印对于工科学生的帮助现而易见，但除此之外，其他学科也可以利用这项新技术来提高教学质量。比如哈佛大学采用3D打印技术来恢复受损文物：通过扫描现有的古埃及雕塑腿部碎片，研究人员能够创建新的计算机模型，然后打印出完整雕塑的泡沫复制品，供学生研究。

和乐高教育机器人一样，3D打印通过一种更加直观的方法，为学生提供了一个自己动手学习的平台，可以让学生充分发挥想象力。“如果你能抓住学生的想象力，你就能抓住他们的注意力。”事实证明，一些在传统教育中表现不好的学生，主要是因为所学课程的理论性太强，让学生丧失兴趣。死记硬背抽象概念让学生通过了考试，但考试过后就很快忘记了，3D打印机则可以让枯燥的课程变得生动起来。

3D打印的最大优势是，同时拥有视觉和触觉的学习方式：黑板上或显示器中的简单描述和平面图形变得不再抽象，而是真实地出现在学生手中，通过翻转、把玩和观察，对概念的死记硬背会转变为直观地理解。课堂上的内容只有被吸收和消化，学生才不会遗忘所学的知识。