张国云 杨文正 赵梅

摘要：“技术赋能学习”强调以学习者为中心，技术为学习者的学习提供支持。教育APP是技术与学习融合的产物，其开发与应用必然随着技术的发展而不断改进。该文从“技术赋能学习”视角分析了以物联网、云计算、大数据、三维计算和人工智能为代表的新兴技术在教育APP中的应用概况，深度阐述了5种新兴技术在教育APP中的应用前景，旨在从技术变化视角来预判教育APP的发展趋势。分析得出：（1）以射频识别为主的物联网技术将促进教育APP对学习情境信息的自动感知，实现根据学习情境的动态变化为用户提供智能化的学习支持服务；（2）云计算技术将促进教育APP向开源化、微云化和增效功能方向发展，为用户提供按需自助的学习服务；（3）大数据技术可以增强教育APP对用户学习行为的动态反馈和预测功能，为用户的个性化学习提供精准服务；（4）以虚拟/增强现实为主的三维计算技术可以为教育APP用户构建立体化学习场景，增强用户的学习临场感和沉浸式学习体验；（5）人工智能技术将增强教育APP对学习者情绪的感知能力和“自然”交互体验，使教育APP具有“智能导师”和“拟人类意识化”的功能，促使其向智慧型教育APP方向发展。

关键词：技术赋能学习；教育APP；物联网；云计算；大数据；三维计算；人工智能

一、“技术赋能学习”的内涵

“技术赋能学习”的观点源自2010年美国联邦教育部教育技术办公室頒布的《国家教育技术规划》（National Educational Technology Plan，NETP）。NETP2010的主题为“变革美国教育：以技术赋能学习”（Transforming American Education：Learning Powered by Technology），其愿景旨在强调以学习者为中心，技术为学习者的学习提供支持。NETP2010首次提出了一个“技术赋能的学习”模型，该模型突出了在以技术为支撑的时代，教育必须以学习者为中心，将学习者作为分析和设计整个学习生态系统的“逻辑起点”，技术应成为学习生态系统的组成部分而非作为教育应用中的孤立技能而存在，所有的教育技术都将紧紧围绕学习者的学习活动而展开。作为“技术赋能学习”观点的延伸，NETP2016（主题为“为未来做准备的学习：重塑技术在教育中的角色”（Future Readv Learning：Reimagining the Role of Technology in Education））进yi 步指出：“技术是推动学习变革的强大动力，它能够帮助重建和提升师生关系，重塑学习和协作方式，能够提供适应性学习体验以满足学习者的学习需求”。“技术赋能学习”体现了技术在教育领域应用从“技术为主”的导向到“学习者学习”导向的转变，体现了人们对技术价值的理解从最初强调学习者“学会使用技术”到“应用技术学习”，再到“利用技术变革学习”的转变过程。

语义层面，“技术赋能学习”泛指技术为人类学习赋予某种能力或能量，以更好地实现个体的学习目的；特指采用合适的技术支持学习者解决学习问题的能力，其目的在于改善学习者的学习绩效（学习的效率、效果和效益）。例如，技术改变了人类学习的时空结构，使“人人能学、时时能学、处处能学”成为可能；技术丰富了信息表现/知识表征的形式，改变了学习资源的分布形态，为学习主体提供个性化的学习支持服务；技术支持师生和数据、内容、资源之间的无缝连接，有助于学习者与教师、资源、内容和学习伙伴之间进行全向互动；技术能为学习者构建逼真的体验式学习情景和智能化学习环境；技术促使人们对“有效学习”及其影响因素的理解更加透彻等。“技术赋能的学习”特别聚焦于使用技术变革学习体验和支持学习者进行个性化学习，通过个性化体验帮助学习者更多地参与学习活动，让学习者更好地实现个性化学习，有效促进学习者的个性化成长。

“技术赋能学习”的理论观点是各种新兴技术的逐渐成熟以及教育领域强调以学习者为中心价值取向相结合的产物，其凸显了以学习者为中心，以新兴技术为支撑的当代教育变革取向。作为国际教育信息化发展方向标的美国《地平线报告（高等教育版）》最新预测显示：物联网、云计算、大数据、三维计算、人工智能5种新兴技术对教育发展具有持久和深刻的影响，引领技术变革教育的总趋势。技术变革教育的根本核心在于“利用技术变革学习”，方兴未艾的新兴技术必然会引起学习者认知方式、学习方式和学习生态发生意义深远的改变。5种新兴技术赋能学习关系模型如图1所示。

新兴技术的持续发展给“技术赋能学习”增添新的内容，不断丰富其内涵。例如，物联网是互联网的延伸，其主要功能是实现物与物之间连接，通过嵌入式感知技术进行信息和数据的收集。基于物联网技术的感知能力主动获取学习情境信息，根据学习情景的动态变化，为学习者提供智能化的学习服务，促使其进行隋景式的学习；云计算作为互联网“云脑”的中枢神经系统，通过强大的计算能力对物联网产生的海量数据，进行集中存储和协同处理。云计算技术能为学习者提供按需自助的学习服务，促使其主动承担自身的学习责任，学会按照自己意愿积极、主动、创造性地寻求知识，而非被动学习；大数据技术对存储在云平台上的数据（特别是非结构性复杂数据）进行实时分析，以挖掘数据背后隐藏的规律和价值。利用数据挖掘和学习分析技术，从学习行为轨迹、学习状态数据中寻找学习者的学习困难和瓶颈位置，为其提供有针对性的学习干预和个性化学习支持服务；人工智能（ArtificialIntelligence，AI）基于海量数据的收集和挖掘之上进行深度学习，从而让计算机做出类似人的判断与决策。人工智能与三维计算技术的结合，让人类的大脑产生“错觉”，将视觉、听觉、嗅觉等感觉器官与计算机系统发生相互作用，有效增强人机交互性能，使人们在其中获得真实感和交互体验。基于虚拟/±曾强现实（virtual Reality/Augmented Reality，AR/VR）和人工智能技术构建具有体验式、交互性和智能化的学习环境，能够极大地激发学习者的学习兴趣和学习动机，给予学习者在现实世界中难以获得的学习体验，有效促进学习者高阶思维、问题解决和创造能力的提升。

教育APP是“技术赋能学习”的典型应用，其整合了各种技术的优势，使学习变得移动化、社交化、游戏化、个性化和智能化，在潜移默化中逐渐改变着学习者的学习方式。作为移动计算技术和数字化学习相结合的产物，教育APP具有移动性、便利性、易用性、交互性和情境化的特征优势。目前普遍认为，教育APP是指“运行于智能移动终端的，能实现某些特定功能并能为学习者提供支持与服务的第三方应用程序”。新技术为教育APP提供了新的支持，新的交互方式；教育APP的功能、交互界面及其提供的学习支持服务必然随着新技术的发展而不断改进。为了深入理解新兴技术与教育APP融合带来的变化，本文从“技术赋能学习”视角对5种新兴技术在教育APP中的应用概况作详细分析，深度阐述5种新兴技术在教育APP中的应用前景，藉此对教育APP的开发与应用实践提供参考。

二、物联网技术：促进教育APP对学习情境的智能化感知

（一）物联网技术及其在教育APP中的应用概况

国际电信联盟（International TelecommunicationUnion，ITU）将物联网定义为：通过二维码识读、无线射频识别（Radio Frequencv Identification，RFID）、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化識别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网通过各类传感设备与互联网连接，达到物与物之间的联系，实现物与物之间的信息交换和通信。物联网具有感知、传输、处理、应用、业务5个层次的网络结构。其中，感知层是物联网最主要的部分，能够洞察最细微的信息活动，是实现智能化感知的关键。自动识别技术使物联网具有超越人类常规视觉、嗅觉和触觉范围的高灵敏度感知能力，从而实现对所处环境信息的全面与主动感知；传输层将感知层收集的实时信息进行分类管理，通过有线、无线等不同方式将信息准确、可靠、有指向性地传输给信息处理设备，达到信息的完整传递；处理层对收集到的海量信息进行协同处理，实现信息的多视角分析；物联网为人类提供更具灵敏、智能的服务，其最终目标是适应不同的应用需求，实现智能化服务。

物联网中的自动识别技术已广泛应用于移动教育领域，在教育信息获取、传输、处理等方面具有较强的优势。自动识别技术是一种高度自动化的信息采集技术，它赋予了物体智能，实现人与物体以及物体与物体之间的沟通和对话。自动识别技术通过对字符、影像、条码等记录数据的载体进行机器自动识别，自动地获取被识别物品的相关信息，实现信息的全面感知。根据应用领域和具体特征，自动识别技术可分为条码识别、图像识别、语音识别等具体的实现方式。例如，“扫描全能王”（CamScanner，CS）APP可以利用移动智能终端的摄像头对纸质文档进行拍照，生成高清晰的JPEG图片或PDF文件，实现数字扫描。“扫描全能王”APP还可利用图像识别技术对图片中的文字进行识别，并快速将其转换为准确率高的电子文档，用户还可对识别的文档进行编辑和校正。“题卡扫描阅卷王”APP利用条码识别技术，通过扫描学生答题卡，实现试卷批改的数字化、高效化。自动识别技术融入教育APP符合移动学习的泛在性和移动性等内在需求。

（二）物联网技术在教育APP中的应用前景

基于物联网技术的感知能力对移动学习情景信息获取具有重要意义，为教育APP的智能化学习服务提供技术支撑。当前多数教育APP的信息获取主要通过调用移动智能终端摄像头的功能，进行二维码或图像扫描识别来实现信息的采集，往往受制于移动智能终端的硬件性能，从而难以获得学习情境的全方位信息。未来教育APP应以RFID技术为主，融合蓝牙、无线传感网络等技术对学习情境进行智能化感知，主动地获取学习情境的信息。以此，教育APP可以根据学习情境的动态变化，为学习者提供即时、连续、有效的个性化学习资源，以及智能化的学习支持服务。

1.学习情境信息的全方位自动感知与主动获取

位置（Location）、身份（Identity）、时间（Time）与活动（Activity）是移动学习情境的四个关键要素。在移动学习中，学习者周围环境和学习行为状态不可能是静态不变的，而是一个动态变化的连续过程。通过对位置和身份信息不同时刻的属性进行串接和组合表征，从而实现学习情境信息获取的连续性和动态性。如果要对学习情境做出相应的重配置，为普适计算的上层应用提供透明、自适应的服务，则需要准确、实时地感知学习者的位置和身份信息。目前教育APP中所运用的条码识别，图像识别，生物识别等技术不具有位置定位和身份信息识别的综合能力。物联网的核心技术（RFID）兼具身份识别和位置信息获取能力，并且具有高速运动物体识别，多目标识别和非接触识别的功能优势。未来教育APP应基于RFID技术，融合传感器、二维码识别等相关技术，实现随时随地感知、主动获取物体的位置、状态等信息，为学习者动态定制适合学习情境的学习方式。

2.基于学习情境的个性化学习资源智能实时推送

移动学习环境是一个动态变化的过程，只有实时感知与追踪不断变化的学习情境，为学习者提供情境化的学习资源，才能实现移动学习的连续性与生成性，提高学习成效。目前的教育APP主要通过移动智能终端的GPS、加速计、陀螺仪、重力感应器、位移传感器、光线感应器功能实现学习情境的感知，移动学习情境信息的感知与获取不全面。在物联网技术中，RFID兼具对物体的定位与辨识功能，并有快速、实时、准确的信息采集与处理的技术性能。未来教育APP应基于RFID技术，使一定区域的服务器能感知移动终端信息的变化，从而为学习者主动推送更符合其学习需求的个性化资源。

3.基于学习情境的多向信息交互

当前教育APP的信息交互主要基于移动智能终端的单一通讯方式，学习资源获取和学习者之间的交流相对较少。物联网则实现了“物与物、物与人、人与人”之间的多维度、多层面上的连接，增强了信息交互的多向性和流畅性，为学习资源共享和协同学习提供了支持。通过RFID、蓝牙技术将移动智能终端与连接点、基站连接，构建高度智能化泛在学习空间，为学习者社会性交互提供信息化平台与工具。学习者通过移动智能终端的教育APP获取资源，并根据自己的学习需求寻求协同学习伙伴，进行协作讨论，有助于学习者之间形成强烈的对话与互动，从而提升学习者的认知准确度和加深对知识的理解。

三、云计算技术：促进教育APP为学习者提供按需自助的学习服务

（一）云计算技术及其在教育APP中的应用概况

云计算是分布式计算、并行计算、网格计算等技术的发展。美国国家标准与技术研究院（NationalInstitute of Standards and Technology，NIST）将云计算定义为：云计算是一种资源利用的模式，它能以方便、友好、按需访问的方式配置计算机资源池（服务器、网络、存储、应用等服务），用户只需投入较少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互，这些资源就能够被快速提供。云计算具有强大的存储能力和运算能力，主要以基础设施、软件和平台等形式对用户提供“按需即用，即需即用”的服务，从而满足了用户的个性化需求，为其提供按需自助的服务。移动云计算是基于移动智能终端的云服务，是云计算在移动互联网中的应用拓展。基于移动云计算的教育APP能以按需、易拓展的方式，获取来自云端的基础设施、软件、平台等服务，使教育APP更具移动便捷性和灵活学习的优势。首先，基于IaaS（Infrastructure as a Service，基础设施即服务）将教育APP的运算任务和数据存储放在云端，降低了应用程序对终端设备的硬件要求，使学习者不受学习设备的限制开展移动学习；其次，移动云摆脱了时间和地点的限制，云存储带来的大量学习资源，使学习者根据自己的时间通过教育APP自主地选择学习资源进行学习；最后，基于SaaS（Softwareas a Service，软件即服务）对教育APP进行应用服务接入，有助于教育APP的功能完善与个性化设计。

例如，“蓝墨云班课”是一款基于云平台的助教、助学APP。基于云计算技术，教师可将课件、微视频、图片、音频、文档等大量教学资源转移到云服务平台，并推送到学生的移动智能终端上，学习者可以享受到云计算技术带来的资源共享服务。蓝墨云班课APP将学习者在线学习的时间、学习内容、查看资源、签到等学习行为轨迹详细记录在云端，形成学习者个体的过程性学习记录，并最终以可视化形式呈现给学习者，如图2所示。学生学习行为的实时记录，为教师提供高质量的教育大数据，实现对学生学习的过程性考核。学习者可根据记录隋况对自己学习状态进行调整，使学习结果变得更可预测。

（二）云计算技术在教育APP中的应用前景

云计算彻底改变了移动智能终端的计算与存储方式：应用程序运行在互联网上的大规模服务器集群中，而不是运行在移动智能终端设备上，用户所处理的数据存储在互联网上的数据中心而非本地。移动云计算使移动智能终端获得云提供的弹性资源，云计算的虚拟化技术，分布式存储与计算，以及“软件即服务”功能将在教育APP中得到应用，促使教育APP开发向开源化、微云化和增效功能方向发展。

1.教育APP开源化

云计算技术的发展，为开源软件的应用提供了新的契机。云计算提供的“软件即服务”与开源软件所提倡的“软件免费、以服务形式付费”的理念不谋而合。这都促使教育APP向着开源化方向发展，以实现教育APP具有更强的可扩展性和灵活性。不具开源性的教育APP无法让用户在原有APP功能基础上，根据学习需要进行二次开发，用户只能通过连网下载学习资源到终端，且为教育APP软件的不断升级、更新来支付较大的费用，使用成本较高。基于云服务平台的教育APP可充分实现软件的开源化，APP架构具有易收缩性，学习者可以自由设计虚拟学习环境、构建虚拟学习社区。教育APP将所有资源和应用程序整合在“云”端，为用户提供“按需而用，即需即用”的服务，極大地增强了教育APP的灵活性和敏捷性。并且，通过具有开源性的教育APP软件构建虚拟学习社区，为学习者提供一个开放的学习环境”，通过寻找与之学习目标相同的学习伙伴，进行协作学习，从而实现学习成员之间的知识分享与互助合作。

2.教育APP微云化

从技术层面讲，云计算主要取决于数据的存储能力和计算能力两个关键功能。存储云就是在“云”上提供大量服务器供用户使用，利用分布式存储的方式保证数据的可靠性；计算云主要通过资源虚拟化和并行计算，对“云”中的资源进行快速优化配置，让用户用较少的资源来完成更多的计算任务。当前运行于移动智能终端的教育APP主要受到终端设备信息处理能力低、存储空间较小，只能访问基于WAP协议的网站和多媒体功能体现不足等因素的限制。教育APP的微云化就是将教育APP作为一个虚拟的移动云，成为移动学习云服务的一部分，从而为学习者提供方便、可靠的学习资源或服务。微云化的教育APP可以将移动智能终端整合，构建成一个私有APP云环境，通过数据的分布式存储和处理实现信息的融合，服务的共享。基于移动智能终端搭建的移动虚拟云，教育APP可以通过调用移动智能终端的底层硬件功能（如GPS、摄像头、麦克风、蓝牙等）记录学习过程中的观察内容和体验素材。学习者只需在教育APP中输入关键词，即可以获取来自“云”端的大量学习资源，自由地选择学习内容。同时，用户还可以在学习过程，通过终端开展讨论，在既定规则下对已有的学习内容进行修改和补充，以实现教育APP学习资源的自主完善。

3.增效教育APP功能

目前多数教育APP需要将学习资源下载到本地的方式来供用户使用，计算处理任务仍在终端来完成。不同功能类型的教育APP对移动智能终端具有选择性，对硬件条件要求各异。对于具有增强现实、游戏化、智能化等类型的教育APP，其对移动智能终端的硬件条件要求较高，需要终端设备提供较高的运算速度和较大的存储空间，来保证教育APP的正常运行。这些教育APP由于受到终端设备性能的限制，导致应用程序运算处理时间过长，网络传输速率慢，存储空间有限等，难以保证用户教育APP的流畅运行，从而影响了用户的良好学习体验。未来教育APP应充分利用云计算的虚拟化技术，实现教育APP的软件和硬件分离，用户只需要在虚拟层运行软件，不需要考虑后台硬件资源，实现教育APP向真正意义上的B/C结构转变，大幅降低教育APP的运行对移动终端终端的依赖程度。基于云计算提供的PaaS服务，将教育APP的数据存储和计算任务完全转移到“云”端，减轻了教育APP运行的终端负担，提高教育APP运行的流畅性，增强用户的学习体验。

四、大数据技术：促进教育APP为学习者的个性化学习提供精准服务

（一）大数据技术及其在教育APP中的应用概况

大数据技术是指一系列数据收集、存储、管理、处理、分析、共享和可视化技术的集合，其目的是对大量的、多元的非结构化数据进行实时分析，并从中发现价值。大数据具有海量的数据规模（volume）、快速的数据流转（velocity）、多样的数据类型（variety）和巨大的数据价值（value）特性。教育大数据则主要指学习者的学习行为数据，即通过对学习行为和过程进行量化处理，并对学习者产生的海量数据进行分析，从而实现对学习者进行科学的个性化指导。教育大数据的关键技术是数据挖掘（Educational Data Mining，EDM）和学习分析（Learning Analysis，LA）。教育数据挖掘和学习分析技术在教育APP中的应用主要体现在分析学习行为数据，提供各种学习资源和个性化自适应学习三个方面。通过分析学习者的学习数据，及时掌握他们的学习状况，为其提供更有效的学习支持服务；通过记录、分析学习者的学习偏好、学习兴趣、学习特点和学习条件等数据，可以有效地指导开发各种适合学习者高效学习的资源；通过学习分析技术，将所收集到的学习数据进行分析，为不同学习者建立学习模型，描绘出学习者“肖像”和学习路径“轮廓”，依照个性化的学习轨迹进行学习资源等内容的动态呈现，为其提供有针对性的学习指导。

“斩托福”是一款基于大数据技术的英语学习APP。基于EDM对每个学习者在学习过程中产生的学习行为数据进行“细粒度”的挖掘分析，APP自动搭建学习者模型对用户个体进行学习分析，从而为其定制个性化的学习服务，并针对学习状态实时提出动态调整建议。“斩托福”APP为学习者提供了阶段性的学习测试功能，并将测试结果以可视化的形式及时呈现测试者，如下页图3所示。学习者就能很轻易地了解自身在英语阅读、听力、写作、口语等模块的学习状况，并根据软件提供的建议来制定符合自己学习特点的计划来开展连续性的学习。同样，“猿题库”也是一款基于大数据技术的教育APP，它将学习者答题的全过程进行详细记录，为每个学习者建立“个性化+自适应”的测试模型，对答题过程进行学习分析后，将分析结果可视化呈现给学习者的同时，还为其提供针对性较强的变式练习题目。

（二）大数据技术在教育APP中的应用前景

借助技术将学习者的全部学习行为转化为数据，运用教育数据挖掘和学习分析技术对其学习过程状态进行精细分析、有效评估和结果预测，实现数据驱动的个性化自适应学习。这些教育大数据是在学习者正常学习情况下通过软件自动记录的，有效避免了传统学习行为数据采集中的不连续、不全面和主观性较强的不足。基于大数据技术的教育APP在获取学习者的学习需求和特定行为意向方面更具有优势，更能从多个层面为学习者提供与其学习特征相吻合的学习服务。大数据技术的应用可以增强教育APP的定制功能，为用户定制专属于自己的教育APP，可以增强教育APP对用户学习行为的动态反馈和预测服务，还可以通过数据分析为学习者寻找具有相似学习特征的学习伙伴，实现基于教育APP的社会性学习，消除学习孤独感。

1.增强教育APP的定制功能

基于教育数据挖掘和学习分析技术，教育APP通过全方位收集、分析学习者在学习过程中产生的各种数据，全面洞悉用户的学习需求，精细刻画学习者特征，为其提供精准化和个性化的学习指导。首先，教育APP采集和存储用户的学习日志、路径、成果等多层面信息，形成学习行为数据库，并对其进行连贯、全面和自然的深度數据挖掘，全面掌握学习者特征和学习状况；其次，基于学习分析结果，建立能够反映学习需求、学习风格、知识基础和认知特点的用户特征模型；基于用户特征模型的描述，教育APP将采用自动或用户设置方式调整应用模式，以适应个体学习者，定制成为学习者的专属APP。教育APP的私人定制是一个渐近过程，随着学习行为产生的数据量不断增大，学习者在教育APP中的“学习肖像”逐渐清晰化，教育APP的私人定制化程度也在不断加深。通过教育APP的定制化过程，学习者对自己的学习状态了解得更加深入和清晰，促使其对学习过程进行反思，从而更好地调整和规划后续学习。

2.增强教育APP的学习预测服务

相对于传统基于样本数据的静态学习推理分析，教育大数据则强调对学习过程中的所有数据，从多个维度对全样本数据进行动态性分析，学习分析结果更具有科学性，教育决策更精准。大数据信息具有客观性、关联性、预测性的特点，教育APP通过对学习者的学习行为数据进行全方位收集、处理和分析，建立学习模型发现学习结果、学习内容、学习资源等变量之间的相互关系，进而预测学习者未来的学习趋势。教育APP通过分析学习者学习参与、学习表现、学习过程的相关数据，运用不同的分析方法和模型来解释这些数据，根据解释结果探究学习过程与情境，为其提供可视化的学习反馈，进而促进有效学习。基于大数据技术的教育APP可以从学习时间、学习空间和学习内容等维度对学习过程和学习行为进行立体化学习图景的勾勒，挖掘出大量丰富的学习数据背后隐藏的规律，为学习者提供动态适时的学习反馈。通过对学习者的学习行为进行全面细粒度的记录、实时跟踪，监测其学习状况，掌握学习特点，预测学习结果，及时发现学习过程中潜在的学习问题并给予有效干预。

3.基于教育APP进行社会性学习

利用教育大数据技术可以深层次地揭示社会性学习中学习者之间、学习者与学习资源之间的关联特性。教育APP可以根据学习需求、偏好和特征为其推荐学习资源、学习伙伴、指导专家和学习社区。教育APP通过构建学习者个人学习档案，对其学习特征进行深度分析，并以可视化的形式呈现具有相同学习需求、相似学习特征和相近学习偏好的关联用户，学习者通过教育APP就能轻易地寻找到有着共同兴趣、爱好的学习伙伴。对教育APP学习情境的社会属性，学习过程行为记录数据进行挖掘和分析，抽取出学习者感兴趣的社会化资源和学习伙伴的特征，构建以学习者为中心的社会关系模型，为用户自动推荐多性化的学习支持服务。基于教育APP进行的社会性学习有助于拓展学习者的人际关系，对学习者之间的有效交流有积极的促进作用，消除学习孤独感。

五、三维计算技术：增强教育APP用户的沉浸式学习体验

（一）三维计算技术及其在教育APP中的应用概况

三维计算技术通过生成具有视觉、听觉、运动等多重感官刺激，且可进行交互的逼真场景，让用户有一种身临其境的真实沉浸体验。它是一种可以让学习者大脑产生“幻觉”的技术，主要包括虚拟现实和增强现实等技术。VR采用采用三维图形、音频及特殊的外围设备，利用计算机生成交互式虚拟环境，用户在虚拟环境中获得较高的沉浸感和参与度。AR是在VR基础上发展起来的，它将计算机生成的虚拟信息叠加到真实场景上，并借助感知和显示设备将虚拟信息和真实场景融为一体，扩张或补充真实世界，最终呈现给使用者一个感官效果逼真的新环境，从而强化用户对现实的感观和认知。随着移动智能终端硬件性能的提升，VR和AR在教育APP中的应用逐渐增多。教育APP将充分利用VR具有的沉浸性、交互性和想象性技术特性，将那些抽象的知识点重新进行组织与设计，以直观、真实、具有多感官刺激的虚拟场景再现给学习者，从而降低学习者的认知障碍，提高学习积极性和创新性；借助移动互联网，教育APP将充分发挥AR的虚实结合、实时交互和三维配准技术特性，还原知识应用的真实感，以及与现实世界的紧密感，为学习者提供符合特定情境的，适恰性高的泛在学习资源，促进学习者的有效学习。

例如，中国数字科技馆的“VR天文秀”就是基于虚拟现实技术开发的教育APP。学习者通过佩戴虚拟眼镜，就能在智能手机上身临其境地观看月球表面，体验火星昼夜，漫游太阳系和探索宇宙奥秘等。“VR天文秀”基于虚拟现实技术搭建交互式天文场景，为学习者呈现生动形象、视觉丰富、画面流畅的天文景象，让其近距离、超细微地观察星球表面，实现交互式、沉浸式的体验学习；“小伴龙魔法世界”是一款基于增强现实的儿童启蒙教育APP。“小伴龙魔法世界”APP通过AR及三维实时渲染技术，将虚拟动画和实景空间融合。终端屏幕中的3D动物卡片可以在横向上做360度旋转和在纵向上做90度翻转，给儿童带来真实的学习体验（如图4所示）。同时，在儿童认识动物过程中伴有中英文解说来介绍动物，加深幼儿对动物的认知程度。

（二）三维计算技术在教育APP中的应用前景

用户体验是教育APP设计与开发过程中最为关注的概念。自苹果公司推出iPhone智能手机以来，移动智能终端的人机交互技术从图形化用户界面（Graphic User Interface，GUI）向自然用户界面（Natural User Interface，NUI）进化。基于NUI开发的教育APP能通过眼动、语言、手势等一系列人的日常行为实现人机交互，让用户体验感更加真切和愉悅。三维计算技术在移动智能终端的应用，促使教育APP开发向着更加自然化、人性化和有机化界面的方向发展。基于三维计算技术的“新媒体”特征，教育APP可以搭建VR学习场景，增强用户的学习临场感，提高学习参与度；基于AR获取的三维增强信息，对教育APP中的学习内容进行增强显示，巧妙表达知识情景，使学习者更容易理解；教育APP中融入游戏化元素，提高学习内容的趣味性，保持学习者的学习动机。

1.构建立体化学习场景

目前多数教育APP中的知识呈现一般采用文本、图片、音频、视频等媒体形式，用户只能通过对移动智能终端屏幕的点击、拖拽来完成简单的交互，还未实现通过与学习环境的交互来获取即时的学习反馈信息的功能。三维计算技术与移动技术的发展提升了移动智能终端的情境感知能力，实现对学习环境信息的动态感知与获取，为教育APP基于VR和AR构建无缝整合、虚拟结合、无处不在的移动学习空间提供保障。基于VR技术构建立体化逼真学习场景，对学习知识进行情景性和直观性的呈现，学习者通过可穿戴设备（WearableTechnology，WT）与场景交互并实时地获取学习反馈，可以加深学习者对知识的认知与理解，提高学习参与度。AR与移动智能终端的结合，可以让教育APP具有构建虚实融合的学习场景的能力。例如，可以通过移动智能终端的高清摄像头进行图像、二维码、文字标志物的识别，对现实中某些物体或环境进行3D图像的增强显示，让学习者在虚拟环境下能接触并操作仿真的“实物”。VR和AR有助于将教育APP中一些抽象知识以逼真、生动的三维立体形象呈现，并能提供实时互动的三维空间场景。基于VR和AR技术的教育APP构建的立体化学习场景为学习者提供更多主动探索和互动的机会，三维计算技术带来的技术沉浸体验，让学习者完全投入到学习活动中，提升了学习者的学习满足感。

2.增强教育APP的知识呈现力

三维计算技术擅长将一些抽象难懂的知识内容，从多个角度以更加直接、易懂、形象和富有艺术的表现形式呈现，使其产生的教学效果高于原有知识的价值效果。基于VR的体验特性和AR的叠加定位特性，将教学问题转化为学习者对空间的体验，把逻辑问题进行空间化和虚拟化描述，可以实现学习者通过体验完成空间学习的目标。具有三维技术的教育APP能以一种精妙、细微、贴切、恰到好处的方式来描述或处理自然科学知识，增强了教育APP的知识呈现力。教育APP可以通过VR与AR技术构建可视化与可交互的知识结构模型，以此揭示知识内容的实质，相互之间的关系及其存在的规律，引发学习者对当前所学知识内容的深层次理解，产生新的想法，促进更有意义的学习。游戏化元素与VR/AR的融合，使教育APP知识内容的呈现形式不再单一，而是具有多样化的形式，增强教育APP知识的趣味性，并且可以让用户在个性化的三维学习环境中体验学习乐趣，从而提高学习者的内部学习动机。

3.增强教育APP的学习临场感

移动学习过程中，学习者易受外界环境的干扰，注意力往往处于分散状态，导致学习参与性低。创设一个让学习者能够高度集中且注意力持续保持的学习环境是运用教育APP进行有效学习的前提。未来教育APP应注重将三维计算技术应用于解决实际学习问题，根据学习者的位置、终端设备、学习环境，为其提供一个“真实”的立体化交互学习情境。教育APP使用VR/AR技术为学习者搭建仿真学习环境，WT将学习者的听觉、视觉等感官与外界环境进行相对隔离，促使其与虚拟场景进行深度交互，让学习者完全投入到学习中去，产生较强的学习临场感。学习者可以运用教育APP，在VR/AR构建的沉浸式学习环境中体验学习交互的乐趣，并获得即时的学习反馈，提升用户的学习满足感。教育APP的深度沉浸学习体验在于使学习者持续地参与以及提升学习体验的质量，沉浸所带来的内在愉悦和学习获得感会驱使学习者去挑战更高水平的学习任务，产生更佳的学习效果。

六、人工智能技术：使教育APP更“聪明”

（一）人工智能技术以及在教育APP中的应用概况

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是通过程序使计算机能进行一些思维推理，使其具备一定的环境适应、自动学习、自动决策等类似于人类的高级智能。感知智能、计算智能和认知智能是人工智能的主要体现：感知智能是指机器能够通过“听觉、视觉、触觉、嗅觉”等感官感知外部世界，具有如同人类的“听、说、看、认”的能力；计算智能即机器智能化存储和运算的能力，机器不仅能记忆存储感知到的外部信息，还可以对已有的信息进行分析、计算、比较、判断、联想等；认知智能是指机器具有学习能力、自适应能力和“理解、思考”的能力。人工智能与学习科学的结合并应用于教育领域即称之为教育人工智能（Educational ArtificialIntelligence，EAI），EAI重在通过人工智能技术更深入、更微观地窥视、理解学习是如何发生，是如何受到外界各种因素的影响，进而为学习者高效地学习创造条件。具有人工智能的教育APP应具备“能听、能看、能说”且能理解和适应学习者情绪或心情，使用户以语言、文字、图像、手势、表情等自然方式与软件进行交互。人工智能中的知识表示方法、深度学习技术、自然语言处理、智能代理和情感计算技术在教育APP开发中已有初步应用。

例如，“讯飞语记”是一款具有人工智能特点的APP。“讯飞语记”APP的“语音听写”功能，能把自然语音转换成对应的文本，让机器能够“听懂”人类语言，相当于给移动智能终端安装上“耳朵”，使其具备“能听”的功能；“在线语音合成”能将文本信息转化为音频，相当于给移动智能终端配上“嘴巴”，让机器像人一样开口说话，特别是其合成的音频在音色、自然度等方面均接近甚至超过人声；基于深度全序列卷积神经网络的“语音转写”功能，将长段音频数据转换成文本数据，为信息处理和数据挖掘提供基础。同样，“彩云小译”也是一款基于人工智能技术的同声传译、实时翻译APP。“彩云小译”APP摒弃以往翻译软件采用的统计机器翻译技术，采用人工智能中的“深度神经网络序列到序列映射”的技术，将翻译语句转换为一个意义空间的向量，再将这个向量投射为其他的语言文字。“彩云小译”APP将科大讯飞的语音识别技术和文本预处理技术（由斯坦福大学自然语言处理开发小组研发）结合，基于“译言网”的大量对照语料，实现在自然停顿的地方自动断句，进行逐句翻译功能。在交传模式下，通过移动智能终端的话筒采集用戶的自然声音，经过自动识别语种，就能实现用户之间多种语言的实时交流。

（二）人工智能技术在教育APP中的应用前景

国务院最新颁布的《新一代人工智能发展规划》中明确提出“智能教育”的概念，强调基于人工智能技术“开发智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系统；建立以学习者为中心的教育环境，提供精准推送的教育服务”。随着人工智能中的知识表示方法、深度学习技术、自然语言处理、智能代理和情感计算技术的发展与应用，基于AI技术的教育APP可以及时捕捉与分析学习者的学习状态，重塑知识的表征形式和对学习过程实施智能化的改造，使教育APP在各方面具有“智能”。基于人工智能的情感计算技术，实现教育APP对学习者的情绪感知；自然语言处理和自然用户界面技术的成熟可以增强教育APP用户的“自然”交互体验；人工智能使教育APP具有“智能导师”的功能，实现对学习者的个性化教与学；具有强人工智能的教育APP可以具备“拟人类意识化”功能，促使其向智慧型教育APP方向发展。

1.增强教育APP对学习者的情绪感知能力

情感作为人类特有的主观体验，以语调、姿态和面部表情进行表达。消极的情感状态会阻碍学习者的思考过程，而积极的情感状态则为学习者的问题解决和创新思维提供有利的条件，学习态度和效率很大程度上取决于学习者的情感状态。目前，基于智能终端的移动学习普遍处于情感缺失的状态，移动智能终端未能有效地获取用户情绪变化的数据，还未实现根据用户情绪状态变化提供实时干预和人机情感交互。基于人工智能的模式识别和情感计算技术，未来教育APP可以通过移动智能终端的前置摄像头捕捉学习者的情绪状态，借助大数据分析和深度学习技术，精确分析和理解用户在学习过程中的情绪状态，依靠学习者情绪特征模型，对其学习情绪变化意图形成预判，并激活用户隋绪干预策略数据库，主动选择时机为用户给予合适的激励和适切的情感帮助。通过开发具有人脸识别和情感计算功能的教育APP，可以对学习者的情绪进行识别、理解、处理和模拟，全面刻画学习者的“情绪肖像”，营造良好的人机情感交互氛围，帮助学习者树立积极的情感态度。

2.增强教育APP用户的“自然”交互体验

自然语言处理（Natural Language Proeessing，NLP）是人工智能模拟人类智能的核心部分，它主要是对人类自然语言进行分析、理解、生成、翻译，让计算机理解人类的自然语言，以实现“自然”的人机对话。NLP通过模仿人类的语言处理机制，对人类大脑产生的复杂语言符号（这些语言符号蕴含了人类的认知、意识、意志等内在的思维元素）进行加工处理，实现人与机器的自然语言交互。基于NLP的教育APP利用深度学习算法对大量语料进行训练，就能了解用户的语言思维逻辑，有效避免用户学习复杂的机器语言，只需要使用日常最习惯的语言便可进行人机交互。同样，移动应用开发中的自然用户界面技术只需用户以自然的交互行为（如语言、手势、表情、运动等）就能实现更加自然、直观和人性化的人机交互和无缝的用户体验。基于NUI技术的教育APP不仅降低了用户的学习成本，减轻用户的认知负担，而且还拓宽了人类与程序的信息输入通道，为用户提供愉悦的使用体验。NLP技术可以促进教育APP具有智能问答、人机多模态交流等智能化功能，NUI技术则增强了教育APP交互方式的自然性和直觉化，极大地增强了教育APP用户的“自然”交互体验。

3.使教育APP具有“智能导师”功能

智能导师系统（Intelligent Tutoring System，ITS）利用人工智能技术模仿人类教师在教学中所承担的角色，为学习者提供“一对一”的个性化学习指导和全面详细的教学反馈，帮助不同学习需求和特征的学习者获得知识和技能。具有“智能导师”功能的教育APP通过构建领域知识库、学生模型、教学策略和推理模型，可以全面地表示学习者的知识获取过程、诊断学习者的学习活动、实现自动产生问题求解方案、为学习者选择合适的学习内容和及时的学习反馈。基于AI技术的教育APP依靠构建精细化学习者特征模型，辅助学习者学习，监测、分析学习心理和行为，达到对学习者的全面认识；基于领域知识库，将学习领域的基本概念、规则和问题解决策略，以层次结构、语义网络、本体和产生式规则的形式表示，完成知识计算和推理；基于教学策略和推理模型，可以根据学习者当前的知识技能水平，做出适应性决策，向学习者提供合适的学习活动和教学策略。随着ITS技术的发展，未来教育APP可以实现清晰刻画学习者的学习风格、兴趣特长等个性特征，满足学习者的个性化需求，向其提供个性化学习路径、学习资源和学习伙伴等服务。

4.使教育APP具有“拟人类意识化”功能

意识是人脑的一切活动及其结果，是人的自觉性思维和精神活动的体现。根据模拟人类意识的水平，人工智能可以分为弱人工智能和强人工智能。弱人工智能主要让计算机模仿人类的简单行为，但计算机不会产生自主意识，不具有真正意义上的智能；强人工智能技术则使计算机具有自行推理和解决问题的能力，使其具有类人的知觉和自我意识，它是人工智能的终极发展目标。随着弱人工智能向强人工智能的发展，以及移动智能终端硬件性能和计算能力的增强，基于强人工智能的教育APP可以对学习者的心理、情感、意识等一些生物性的活动做出处理，进而呈现出像人类意识所特有的主观能动性和创新性活动。教育APP的“拟人类意识化”代表软件能够理解外部事物并自发做出决策，能够在没有人的干预情况下，主动为用户完成相应的任务，其表现就像“人”一样，甚至在特定条件下很可能比人的反应更精准、更可靠和更灵活。强人工智能技术促使教育APP的“拟人类意识化”水平的提升，让教育APP更加“聪明”，成为真正意义上的智慧型教育APP，使其成为用户的真正学习伙伴和导师。

七、结束语

教育APP开发中不断融入新兴技术，可以促使其向个性化、智能化的智慧型教育APP方向发展。物联网技术有助于教育APP对学习情境进行智能化感知，高度整合移动学习环境中的学习资源、学习伙伴等要素，实现各类学习因素之间的深层互动；云计算技术有助于教育APP为学习者提供自助式的按需学习服务；基于教育大数据的数据挖掘和学习分析技术有助于教育APP为学习者提供个性化学习反馈与服务，促进学习者对学习活动的反思；虚拟现实、增强现实等三维计算技术可将学习内容和学习活动过程以更加直观、真实的方式呈现，有助于教育APP为学习者提供深度沉浸的学习交互体验，提升学习者的想象力与创造力；人工智能、深度学习和自然用户界面等技术使教育APP更加“聪明”，为学习者提供智慧式的学习体验。新兴技术给教育APP带来三个明显的发展方向，即自然、智能和体验。自然方向代表着技术中介在感知层面的弱化或消失，用户可以通过语音、手势、动作和表情等自然方式与教育APP进行交互；智能方向代表着教育APP的智慧水平不断提升，接近甚至超过人的智慧水平；体验方向代表着教育APP的对新兴技术的终极需求，即让学生接触现实世界问题和真实学习情境的体验，在体验过程中真切感受到教育APP带来的学习乐趣。

技术对人类的生存和学习方式的影响是勢不可当且不可逆的，各种新兴技术正逐渐重构着人类的学习生态系统。新兴技术与人类学习的关系呈现从交汇到交融，从相互适应到共生发展的态势。“技术赋能学习”的最终目标是推动学习者主动使用技术学习，引导学习者利用技术变革学习，以此促进学习者的有效学习。然而，要真正实现“技术改善学习绩效”“技术变革学习”的愿景，一方面取决于技术的驱动力量，另一方面还需要学习者具备技术丰富环境下的学习能力（如技术驾驭能力、信息加工能力、自主学习能力、合作学习能力、自我管理能力、学习反思能力和创新能力等），只有当技术最终消融在个体常态化学习行为之时，技术赋予学习的最大能量才会真正显现。除“技术赋能学习”外，还有“技术赋能教学”“技术赋能教师”“技术赋能评价”“技术赋能教育公平”等“技术赋能”相关主题，这些将成为教育技术研究领域的焦点。本文仅从新兴技术在教育APP中的应用前景预判角度诠释了“技术赋能学习”的理念，后续研究将从系统生态学和技术场域论视角对“技术赋能学习”理念进行深度阐释。