北京開放大學文字供圖、編譯

12月3日，經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)發(fā)布了《2012國際學生評估項目(PISA)測評結(jié)果報告》，其中數(shù)學和科學排名引發(fā)世界各國的關切和熱議，特別是美國教育部部長鄧肯憂慮地稱“美國呈現(xiàn)出教育停滯”。數(shù)學和科學教育關系著一個國家未來的核心競爭力。近日，《應用新技術(shù)改進科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教學展望報告(2013-2018)》(以下簡稱《2013技術(shù)展望》)正式發(fā)布，旨在展望今后5年新技術(shù)對科技教育的教與學方式將產(chǎn)生的影響與挑戰(zhàn)。

■北京開放大學地平線項目組

近期發(fā)展階段(12個月內(nèi))，學習分析、移動學習和在線學習將盛行;

中期發(fā)展階段(2到3年內(nèi))，3D打印技術(shù)、游戲與游戲化、沉浸式學習環(huán)境和可穿戴技術(shù)將得到廣泛應用;

遠期發(fā)展階段(4到5年內(nèi))，柔性顯示、物聯(lián)網(wǎng)、機器學習、虛擬助手將閃亮登場。

科技教育涵蓋科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育(STEM)，而“開展科學、技術(shù)、工程和數(shù)學綜合教育”，最早出于美國國家科學委員會在1986年發(fā)布的《大學本科階段的科學、數(shù)學和工程教育》建議中。于是，科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育便由此發(fā)端。之后，各個國家相繼啟動了科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育計劃。美國新媒體聯(lián)盟從2012年起每年定期發(fā)布科技教育技術(shù)展望，其中《2013技術(shù)展望》由美國新媒體聯(lián)盟、西班牙遠程高等教育中心、西班牙遠距離大學電氣工程系、美國電子工程師教育社會研究所合作完成。報告全面介紹了未來5年哪些技術(shù)可以用來改進科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育，探究新技術(shù)對教學、學習以及創(chuàng)新的影響和挑戰(zhàn)。

驅(qū)動因素：科普項目為在校學生和成人提供更多科技教育機會

《2013技術(shù)展望》所呈現(xiàn)的12類新技術(shù)，都注重回應時代發(fā)展的需求。為了深入理解新技術(shù)在科技等領域的教學應用，專家咨詢委員會圍繞大量備選技術(shù)在教學、學習以及創(chuàng)造性探究等方面所具有的積極影響及其關鍵要素進行了排序。

報告指出：

各種科普項目為在校學生和成人提供了越來越多的接受科學、技術(shù)、工程和數(shù)學教育的機會。學校教育與現(xiàn)實情境中的體驗式學習，將成為開展全民科學的可行途徑?；诰W(wǎng)絡學習的全民科學教育實踐探索近年來不斷涌現(xiàn)，目前正在進行的項目如“在線自然科學家”、“北方旅行家”、野生動物觀察和日本奈爾大學鳥類學實驗室項目。其中，學習者深入現(xiàn)場參與收集真實觀察數(shù)據(jù)并做出分析。

如今信息化發(fā)展已經(jīng)進入大眾生活，高等學校必須考慮每個人對信息世界的獨特價值。在信息世界中，人們基于信息交流的意義建構(gòu)以及評價信息可靠性的能力將日益重要。當現(xiàn)代大學于14世紀問世之初，其主要任務是輔導和幫助學生適應他們所生存的世界。如今，這個任務又重新占據(jù)了首要位置。

而且，越來越多的學生希望使用個人技術(shù)工具開展學習，利用特定設備開展學習已經(jīng)變得非常個人化。例如，僅憑一個人選擇使用蘋果手機(iPhone)或安卓手機(Android)就可以反映出其個性特點。借助各種工具做演講或展示其學習與研究成果，會讓人感到賞心悅目。從個人層面上說，人們應用工具的技能將會越來越熟練和有效。隨著手持通訊技術(shù)設備的大規(guī)模生產(chǎn)，其價格優(yōu)勢也日益凸顯，于是學生在其個人生活中應用先進設備就變得更容易。

當今社會，人類的生活越來越繁忙。學習者必須平衡好家庭、工作和學習之間的關系，學生的社會流動性也越來越大，他們不得不面對協(xié)調(diào)多項事務的挑戰(zhàn)。人們需要輕松、及時地訪問網(wǎng)絡上的信息，同時還需要及時獲取支持性的工具、信息資源以及最新的分析和評論。這些需求以及越來越必要的社交媒體和網(wǎng)絡，提高了大家的學習預期。在現(xiàn)代社會中，非正式學習的機會充足而多元，大大拓展了先前的教學概念，例如“即時學習”或“發(fā)現(xiàn)學習”。

未來五年：柔性顯示、物聯(lián)網(wǎng)、機器學習、虛擬助手將閃亮登場

《2013技術(shù)展望》顯示，未來5年有12項技術(shù)將陸續(xù)進入科技教育的教學、學習和創(chuàng)造性探究的主流應用中。其中，近期發(fā)展是指12個月內(nèi)進入學校的主流應用;中期發(fā)展在2到3年內(nèi);遠期發(fā)展則在4到5年內(nèi)。

近期發(fā)展階段，學習分析、移動學習和在線學習將盛行。學習分析技術(shù)是對“大數(shù)據(jù)”的教育應用，而移動學習技術(shù)正在成為科技教育必不可少的一部分。英國?？巳卮髮W設計了一個增強現(xiàn)實技術(shù)的應用，將校園變成一個實驗室，這樣學生可以搜索他們周邊的科學數(shù)據(jù)。

在線學習已經(jīng)不再是新鮮話題，其范疇包括基于網(wǎng)絡平臺進行的任何學習形式。由于近期對于互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模開放網(wǎng)絡課程(MOOCs)的關注而使在線學習重現(xiàn)生機。當前人們對在線學習的重新審視已經(jīng)給評價、學習支持、如何確保大規(guī)模教育的質(zhì)量等方面帶來了新觀點。美國佛羅倫斯達林頓技術(shù)學院正在創(chuàng)建一個在線物理課程來講授核能源，讓學生和原子能專業(yè)人士進行連線交流。

中期發(fā)展階段，3D打印技術(shù)、游戲與游戲化、沉浸式學習環(huán)境和可穿戴技術(shù)將得到廣泛應用。其中，沉浸式學習環(huán)境是一種通過模擬現(xiàn)實情境來訓練個體并為他們提供練習技能的機會，讓學生參與其中仿佛就是在現(xiàn)實世界中學習知識。沉浸式學習環(huán)境應用到許多全新的信息技術(shù)，包括仿真和三維虛擬世界。來自美國國立醫(yī)學圖書館的一項研究顯示，沉浸式學習環(huán)境有益于支持學生快速獲取知識和技能。醫(yī)學系學生可以在真實環(huán)境中運用技能之前就有機會在虛擬實驗中反復練習高危任務，例如做手術(shù)和驗尸。實踐表明，在模擬的安全環(huán)境下獲得經(jīng)驗可以減少在現(xiàn)實世界致命錯誤帶來的風險。

遠期發(fā)展階段，柔性顯示、物聯(lián)網(wǎng)、機器學習、虛擬助手將閃亮登場。當有機發(fā)光二極管顯示器(OLED)技術(shù)在2004年進入大眾市場時，消費者發(fā)現(xiàn)這種新的屏幕更加輕薄、明亮并且更節(jié)約能源。對比于傳統(tǒng)的基于玻璃的液晶顯示器，這些新型顯示器可以用輕薄而柔韌的塑料來加工生產(chǎn)，從而產(chǎn)生了“柔性顯示器”這一術(shù)語。世界上最薄的有機發(fā)光二極管顯示屏由三星公司于2008年推出。三星、飛利浦及其他電子行業(yè)參與者在2013年大規(guī)模生產(chǎn)柔性顯示器。最近，蘋果公司已申請了自己的柔性顯示器專利。隨著柔性顯示器在消費市場獲得收益，研究人員、發(fā)明家和開發(fā)人員正在開展教與學應用的實驗。在教育領域柔性有機發(fā)光二極管顯示器為電子文本、電子閱讀、平板電腦帶來機會。無論這些物體或家具的形狀如何，柔性顯示器可以輕松地附到這些東西上，甚至還可以被穿戴起來——這使得它們在科學實驗方面的適應性和便攜性比標準的計算機屏幕和移動設備強了許多。

物聯(lián)網(wǎng)傳播“網(wǎng)絡感知對象”(network aware objects)所交流的信息，它們通過網(wǎng)絡連接物理世界與信息世界。連到一個物體上的嵌入式芯片、傳感器或者微型處理器可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳送此物有用信息，例如價格、壽命、溫度、顏色、壓力或者濕度等。這一簡單連接允許遠距離管理、狀態(tài)監(jiān)控、追蹤和被附物體在產(chǎn)生損壞或變質(zhì)風險時發(fā)出警示。藥丸形狀的微型照相機已經(jīng)被用于醫(yī)學診斷和教學中，將其放入人體消化系統(tǒng)中，它能發(fā)回上千張用于定位病源的圖片，可以在樣品失效情況下向科學家和研究人員發(fā)出警示。

機器學習指的是計算機在無需清楚編程情況下就可以行動和做出反應。為了做到這一點，機器必須能夠進行總結(jié)，即在通過一個不同的學習數(shù)據(jù)訓練之后，準確地對新的實例進行處理。例如一款名為“Xapagy”的軟件能夠開展即興對話并且描繪由用戶輸入故事的情節(jié)。我們可以采用機器學習技術(shù)來檢測紙質(zhì)文字作品、講話和其他動作模型的軟件，以更好地適應學生的學習方式和需求。機器學習在教育方面的潛力是巨大的，促使整個智能技術(shù)既有計算機的準確性，又有最聰明人類的適應能力。

虛擬助手(Virtual Assistants)是利用自然用戶界面實現(xiàn)可靠的工作外延。目前首個實例已經(jīng)進入市場。隨著語音識別和基于手勢技術(shù)的發(fā)展以及它們之間的融合，我們正在快速改變借助鼠標和鍵盤與設備互動的思路。蘋果手機名為“Siri”的語音控制功能和安卓系統(tǒng)“果凍豆”(Jellybean)操作系統(tǒng)是近期基于移動的例子。用戶使用虛擬助手控制手機的所有功能，參與到和虛擬助手的仿真對話中。虛擬助手可以從電子郵件賬戶、個人日歷和學習管理系統(tǒng)(LMS)中獲取信息，幫助學生和教師更好地管理時間，并協(xié)調(diào)他們的工作。

主要挑戰(zhàn)：科學概念的教學應該是讓學生之間不斷探究

任何有關技術(shù)應用都必須考慮所面臨的主要障礙和挑戰(zhàn)。專家咨詢委員會推測并指出科技教育中采用新技術(shù)過程中所面臨的主要挑戰(zhàn)。

當今社會越來越需要教育回應每個學生的獨特需求，這也是新技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力。然而，個性化學習最大的障礙在于科學的、基于數(shù)據(jù)的促進個性化學習的有效方法才剛剛起步，成功經(jīng)驗還不多。例如，學習分析技術(shù)在高等教育領域中的實施和采納仍然處于初期階段。而且，大多數(shù)研究者尚未在教與學中應用新興技術(shù)，也未進行過相關研究。許多研究者并未接受過基本的、數(shù)字化支持的教學技能培訓，也未獲得專業(yè)發(fā)展機會。一些教育工作者簡單地理解新技術(shù)應用，或者認為技術(shù)阻礙了學習。然而，通過采用漸進教學法，新興技術(shù)應用才能成為可能。

同時，在我們講授科學、技術(shù)、工程和數(shù)學知識之前還有很多事情要做，不應僅僅講授事實，而更應注重講授求知的方法。我們往往采用傳統(tǒng)方式講解科學、技術(shù)、工程和數(shù)學知識，學生只是被動地記住事實。借助新技術(shù)學習科技知識，提供給我們一個創(chuàng)造性地解釋主題材料的機會。科學概念作為發(fā)現(xiàn)的新證據(jù)不斷地變化著，簡單地記憶事實并不利于激發(fā)學生的好奇心，科學概念的教學應該是讓學生之間不斷探究。

新技術(shù)應用案例

沉浸式學習環(huán)境

美國賓州謝勒地區(qū)小學將一間教室改造成名為“IKS Titan”的科學、技術(shù)、工程和數(shù)學沉浸式學習環(huán)境，學生通過使用平板電腦(iPad)、電子交互白板或者其他技術(shù)參與基于任務的模擬活動。

柔性顯示器

加拿大皇后大學、塑料邏輯(Plastic Logic)公司、英特爾實驗室共同研發(fā)出一款如紙般輕薄、可彎曲、可堆疊的平板電腦。

物聯(lián)網(wǎng)

美國華盛頓大學的工程師們發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，能把現(xiàn)有的無線信號變?yōu)榧仁请娏碓从质峭ㄐ琶浇?，智能對象勿需電池便可互相連接。

虛擬助手

由英國劍橋大學設計的名為“Zoe”的虛擬助手形象，它可以表現(xiàn)出一系列連貫情緒表情。最近研究工作集中在探究應用這一技術(shù)，幫助患有孤獨癥和耳聾的兒童進行學習。