北京開(kāi)放大學(xué)文字供圖、編譯

12月3日，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)發(fā)布了《2012國(guó)際學(xué)生評(píng)估項(xiàng)目(PISA)測(cè)評(píng)結(jié)果報(bào)告》，其中數(shù)學(xué)和科學(xué)排名引發(fā)世界各國(guó)的關(guān)切和熱議，特別是美國(guó)教育部部長(zhǎng)鄧肯憂(yōu)慮地稱(chēng)“美國(guó)呈現(xiàn)出教育停滯”。數(shù)學(xué)和科學(xué)教育關(guān)系著一個(gè)國(guó)家未來(lái)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。近日，《應(yīng)用新技術(shù)改進(jìn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教學(xué)展望報(bào)告(2013-2018)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《2013技術(shù)展望》)正式發(fā)布，旨在展望今后5年新技術(shù)對(duì)科技教育的教與學(xué)方式將產(chǎn)生的影響與挑戰(zhàn)。

■北京開(kāi)放大學(xué)地平線(xiàn)項(xiàng)目組

近期發(fā)展階段(12個(gè)月內(nèi))，學(xué)習(xí)分析、移動(dòng)學(xué)習(xí)和在線(xiàn)學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)環(huán)境和可穿戴技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用;

遠(yuǎn)期發(fā)展階段(4到5年內(nèi))，柔性顯示、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、虛擬助手將閃亮登場(chǎng)。

科技教育涵蓋科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育(STEM)，而“開(kāi)展科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)綜合教育”，最早出于美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)在1986年發(fā)布的《大學(xué)本科階段的科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程教育》建議中。于是，科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育便由此發(fā)端。之后，各個(gè)國(guó)家相繼啟動(dòng)了科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育計(jì)劃。美國(guó)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(guó)新媒體聯(lián)盟、西班牙遠(yuǎn)程高等教育中心、西班牙遠(yuǎn)距離大學(xué)電氣工程系、美國(guó)電子工程師教育社會(huì)研究所合作完成。報(bào)告全面介紹了未來(lái)5年哪些技術(shù)可以用來(lái)改進(jìn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育，探究新技術(shù)對(duì)教學(xué)、學(xué)習(xí)以及創(chuàng)新的影響和挑戰(zhàn)。

驅(qū)動(dòng)因素：科普項(xiàng)目為在校學(xué)生和成人提供更多科技教育機(jī)會(huì)

《2013技術(shù)展望》所呈現(xiàn)的12類(lèi)新技術(shù)，都注重回應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求。為了深入理解新技術(shù)在科技等領(lǐng)域的教學(xué)應(yīng)用，專(zhuān)家咨詢(xún)委員會(huì)圍繞大量備選技術(shù)在教學(xué)、學(xué)習(xí)以及創(chuàng)造性探究等方面所具有的積極影響及其關(guān)鍵要素進(jìn)行了排序。

報(bào)告指出：

各種科普項(xiàng)目為在校學(xué)生和成人提供了越來(lái)越多的接受科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)教育的機(jī)會(huì)。學(xué)校教育與現(xiàn)實(shí)情境中的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，將成為開(kāi)展全民科學(xué)的可行途徑?；诰W(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的全民科學(xué)教育實(shí)踐探索近年來(lái)不斷涌現(xiàn)，目前正在進(jìn)行的項(xiàng)目如“在線(xiàn)自然科學(xué)家”、“北方旅行家”、野生動(dòng)物觀(guān)察和日本奈爾大學(xué)鳥(niǎo)類(lèi)學(xué)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目。其中，學(xué)習(xí)者深入現(xiàn)場(chǎng)參與收集真實(shí)觀(guān)察數(shù)據(jù)并做出分析。

如今信息化發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入大眾生活，高等學(xué)校必須考慮每個(gè)人對(duì)信息世界的獨(dú)特價(jià)值。在信息世界中，人們基于信息交流的意義建構(gòu)以及評(píng)價(jià)信息可靠性的能力將日益重要。當(dāng)現(xiàn)代大學(xué)于14世紀(jì)問(wèn)世之初，其主要任務(wù)是輔導(dǎo)和幫助學(xué)生適應(yīng)他們所生存的世界。如今，這個(gè)任務(wù)又重新占據(jù)了首要位置。

而且，越來(lái)越多的學(xué)生希望使用個(gè)人技術(shù)工具開(kāi)展學(xué)習(xí)，利用特定設(shè)備開(kāi)展學(xué)習(xí)已經(jīng)變得非常個(gè)人化。例如，僅憑一個(gè)人選擇使用蘋(píng)果手機(jī)(iPhone)或安卓手機(jī)(Android)就可以反映出其個(gè)性特點(diǎn)。借助各種工具做演講或展示其學(xué)習(xí)與研究成果，會(huì)讓人感到賞心悅目。從個(gè)人層面上說(shuō)，人們應(yīng)用工具的技能將會(huì)越來(lái)越熟練和有效。隨著手持通訊技術(shù)設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)也日益凸顯，于是學(xué)生在其個(gè)人生活中應(yīng)用先進(jìn)設(shè)備就變得更容易。

當(dāng)今社會(huì)，人類(lèi)的生活越來(lái)越繁忙。學(xué)習(xí)者必須平衡好家庭、工作和學(xué)習(xí)之間的關(guān)系，學(xué)生的社會(huì)流動(dòng)性也越來(lái)越大，他們不得不面對(duì)協(xié)調(diào)多項(xiàng)事務(wù)的挑戰(zhàn)。人們需要輕松、及時(shí)地訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)上的信息，同時(shí)還需要及時(shí)獲取支持性的工具、信息資源以及最新的分析和評(píng)論。這些需求以及越來(lái)越必要的社交媒體和網(wǎng)絡(luò)，提高了大家的學(xué)習(xí)預(yù)期。在現(xiàn)代社會(huì)中，非正式學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)充足而多元，大大拓展了先前的教學(xué)概念，例如“即時(shí)學(xué)習(xí)”或“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”。

未來(lái)五年：柔性顯示、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、虛擬助手將閃亮登場(chǎng)

《2013技術(shù)展望》顯示，未來(lái)5年有12項(xiàng)技術(shù)將陸續(xù)進(jìn)入科技教育的教學(xué)、學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性探究的主流應(yīng)用中。其中，近期發(fā)展是指12個(gè)月內(nèi)進(jìn)入學(xué)校的主流應(yīng)用;中期發(fā)展在2到3年內(nèi);遠(yuǎn)期發(fā)展則在4到5年內(nèi)。

近期發(fā)展階段，學(xué)習(xí)分析、移動(dòng)學(xué)習(xí)和在線(xiàn)學(xué)習(xí)將盛行。學(xué)習(xí)分析技術(shù)是對(duì)“大數(shù)據(jù)”的教育應(yīng)用，而移動(dòng)學(xué)習(xí)技術(shù)正在成為科技教育必不可少的一部分。英國(guó)埃克塞特大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，將校園變成一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，這樣學(xué)生可以搜索他們周邊的科學(xué)數(shù)據(jù)。

在線(xiàn)學(xué)習(xí)已經(jīng)不再是新鮮話(huà)題，其范疇包括基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行的任何學(xué)習(xí)形式。由于近期對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)課程(MOOCs)的關(guān)注而使在線(xiàn)學(xué)習(xí)重現(xiàn)生機(jī)。當(dāng)前人們對(duì)在線(xiàn)學(xué)習(xí)的重新審視已經(jīng)給評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)支持、如何確保大規(guī)模教育的質(zhì)量等方面帶來(lái)了新觀(guān)點(diǎn)。美國(guó)佛羅倫斯達(dá)林頓技術(shù)學(xué)院正在創(chuàng)建一個(gè)在線(xiàn)物理課程來(lái)講授核能源，讓學(xué)生和原子能專(zhuān)業(yè)人士進(jìn)行連線(xiàn)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(xué)習(xí)環(huán)境和可穿戴技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。其中，沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境是一種通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)情境來(lái)訓(xùn)練個(gè)體并為他們提供練習(xí)技能的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生參與其中仿佛就是在現(xiàn)實(shí)世界中學(xué)習(xí)知識(shí)。沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)用到許多全新的信息技術(shù)，包括仿真和三維虛擬世界。來(lái)自美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書(shū)館的一項(xiàng)研究顯示，沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境有益于支持學(xué)生快速獲取知識(shí)和技能。醫(yī)學(xué)系學(xué)生可以在真實(shí)環(huán)境中運(yùn)用技能之前就有機(jī)會(huì)在虛擬實(shí)驗(yàn)中反復(fù)練習(xí)高危任務(wù)，例如做手術(shù)和驗(yàn)尸。實(shí)踐表明，在模擬的安全環(huán)境下獲得經(jīng)驗(yàn)可以減少在現(xiàn)實(shí)世界致命錯(cuò)誤帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

遠(yuǎn)期發(fā)展階段，柔性顯示、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、虛擬助手將閃亮登場(chǎng)。當(dāng)有機(jī)發(fā)光二極管顯示器(OLED)技術(shù)在2004年進(jìn)入大眾市場(chǎng)時(shí)，消費(fèi)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(duì)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(lái)加工生產(chǎn)，從而產(chǎn)生了“柔性顯示器”這一術(shù)語(yǔ)。世界上最薄的有機(jī)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(píng)果公司已申請(qǐng)了自己的柔性顯示器專(zhuān)利。隨著柔性顯示器在消費(fèi)市場(chǎng)獲得收益，研究人員、發(fā)明家和開(kāi)發(fā)人員正在開(kāi)展教與學(xué)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)。在教育領(lǐng)域柔性有機(jī)發(fā)光二極管顯示器為電子文本、電子閱讀、平板電腦帶來(lái)機(jī)會(huì)。無(wú)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(lái)——這使得它們?cè)诳茖W(xué)實(shí)驗(yàn)方面的適應(yīng)性和便攜性比標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)屏幕和移動(dòng)設(shè)備強(qiáng)了許多。

物聯(lián)網(wǎng)傳播“網(wǎng)絡(luò)感知對(duì)象”(network aware objects)所交流的信息，它們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接物理世界與信息世界。連到一個(gè)物體上的嵌入式芯片、傳感器或者微型處理器可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送此物有用信息，例如價(jià)格、壽命、溫度、顏色、壓力或者濕度等。這一簡(jiǎn)單連接允許遠(yuǎn)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(fēng)險(xiǎn)時(shí)發(fā)出警示。藥丸形狀的微型照相機(jī)已經(jīng)被用于醫(yī)學(xué)診斷和教學(xué)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(xué)家和研究人員發(fā)出警示。

機(jī)器學(xué)習(xí)指的是計(jì)算機(jī)在無(wú)需清楚編程情況下就可以行動(dòng)和做出反應(yīng)。為了做到這一點(diǎn)，機(jī)器必須能夠進(jìn)行總結(jié)，即在通過(guò)一個(gè)不同的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)訓(xùn)練之后，準(zhǔn)確地對(duì)新的實(shí)例進(jìn)行處理。例如一款名為“Xapagy”的軟件能夠開(kāi)展即興對(duì)話(huà)并且描繪由用戶(hù)輸入故事的情節(jié)。我們可以采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)檢測(cè)紙質(zhì)文字作品、講話(huà)和其他動(dòng)作模型的軟件，以更好地適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和需求。機(jī)器學(xué)習(xí)在教育方面的潛力是巨大的，促使整個(gè)智能技術(shù)既有計(jì)算機(jī)的準(zhǔn)確性，又有最聰明人類(lèi)的適應(yīng)能力。

虛擬助手(Virtual Assistants)是利用自然用戶(hù)界面實(shí)現(xiàn)可靠的工作外延。目前首個(gè)實(shí)例已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。隨著語(yǔ)音識(shí)別和基于手勢(shì)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(biāo)和鍵盤(pán)與設(shè)備互動(dòng)的思路。蘋(píng)果手機(jī)名為“Siri”的語(yǔ)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(dòng)的例子。用戶(hù)使用虛擬助手控制手機(jī)的所有功能，參與到和虛擬助手的仿真對(duì)話(huà)中。虛擬助手可以從電子郵件賬戶(hù)、個(gè)人日歷和學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)(LMS)中獲取信息，幫助學(xué)生和教師更好地管理時(shí)間，并協(xié)調(diào)他們的工作。

主要挑戰(zhàn)：科學(xué)概念的教學(xué)應(yīng)該是讓學(xué)生之間不斷探究

任何有關(guān)技術(shù)應(yīng)用都必須考慮所面臨的主要障礙和挑戰(zhàn)。專(zhuān)家咨詢(xún)委員會(huì)推測(cè)并指出科技教育中采用新技術(shù)過(guò)程中所面臨的主要挑戰(zhàn)。

當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越需要教育回應(yīng)每個(gè)學(xué)生的獨(dú)特需求，這也是新技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。然而，個(gè)性化學(xué)習(xí)最大的障礙在于科學(xué)的、基于數(shù)據(jù)的促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)的有效方法才剛剛起步，成功經(jīng)驗(yàn)還不多。例如，學(xué)習(xí)分析技術(shù)在高等教育領(lǐng)域中的實(shí)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(xué)中應(yīng)用新興技術(shù)，也未進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。許多研究者并未接受過(guò)基本的、數(shù)字化支持的教學(xué)技能培訓(xùn)，也未獲得專(zhuān)業(yè)發(fā)展機(jī)會(huì)。一些教育工作者簡(jiǎn)單地理解新技術(shù)應(yīng)用，或者認(rèn)為技術(shù)阻礙了學(xué)習(xí)。然而，通過(guò)采用漸進(jìn)教學(xué)法，新興技術(shù)應(yīng)用才能成為可能。

同時(shí)，在我們講授科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)之前還有很多事情要做，不應(yīng)僅僅講授事實(shí)，而更應(yīng)注重講授求知的方法。我們往往采用傳統(tǒng)方式講解科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識(shí)，學(xué)生只是被動(dòng)地記住事實(shí)。借助新技術(shù)學(xué)習(xí)科技知識(shí)，提供給我們一個(gè)創(chuàng)造性地解釋主題材料的機(jī)會(huì)?？茖W(xué)概念作為發(fā)現(xiàn)的新證據(jù)不斷地變化著，簡(jiǎn)單地記憶事實(shí)并不利于激發(fā)學(xué)生的好奇心，科學(xué)概念的教學(xué)應(yīng)該是讓學(xué)生之間不斷探究。

新技術(shù)應(yīng)用案例

沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境

美國(guó)賓州謝勒地區(qū)小學(xué)將一間教室改造成名為“IKS Titan”的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生通過(guò)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(wù)的模擬活動(dòng)。

柔性顯示器

加拿大皇后大學(xué)、塑料邏輯(Plastic Logic)公司、英特爾實(shí)驗(yàn)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(guó)華盛頓大學(xué)的工程師們發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，能把現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)信號(hào)變?yōu)榧仁请娏?lái)源又是通信媒介，智能對(duì)象勿需電池便可互相連接。

虛擬助手

由英國(guó)劍橋大學(xué)設(shè)計(jì)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(yīng)用這一技術(shù)，幫助患有孤獨(dú)癥和耳聾的兒童進(jìn)行學(xué)習(xí)。