第四節 新技術在教育中的應用
一、人工智能技術
（一）人工智能技術
人工智能 (Artificial Intelligence, AI) 是 20 世紀 50 年代中期興起的一門新興邊緣科學，它既是計算機科學的一個分支，又是計算機科學、控制論、信息論、語言學、神經生理學、心理學、數學、哲學等多種學科相互滲透而發展起來的綜合性學科。
人工智能又稱為智能模擬，是用計算機系統模仿人類的感知、思維、推理等思維活動。它研究和應用的領域包括模式識別、自然語言理解與生成、專家系統、自動程序設計、定理證明、聯想與思維的機理、數據智能檢索等。例如，用計算機模擬人腦的部分功能進行學習、推理、聯想和決策；模擬醫生給病人診病的醫療診斷專家系統；機械手與機器人的研究和應用等。
（二）人工智能技術在教育中的應用
1970 年美國卡博奈爾開發的 SCHOLAR 系統，是世界上第一個 AI 與 CAI 結合的案例。這是一個用于南美洲地理課程的教學系統， SCHOLAR 系統以大量的信息單元和描寫事實組成數據庫，并按照這些信息單元的含義及其相互關系構成語義網絡，系統可以根據這些網絡自動生成教學信息，該系統具有較強的自然語言理解能力和邏輯推理能力，學生與該教學系統可以進行較為自由的交互，系統在一定程度上理解并回答學生的提問。
1. 智能計算機輔助教學系統
智能計算機輔助教學系統 (Intelligent Computer Aided Instruction, ICAI) 以認知學為理論基礎，將 AI 技術應用于 CAI ，是智能化的 CAI 。在 ICAI 系統中，學生的學習可以借助于智能化計算機對大量知識進行選擇、判斷、處理，使學習內容更有針對性，從而提高學習效果。
2. 智能計算機輔助教學系統的功能
一個智能計算機輔助教學系統一般應具備如下功能：①能自動生成各種問題與練習；②根據學生的學習水平與學習情況選擇與調整學習內容和進度；③在了解教學內容的基礎上自動解決問題，生成解答；④具有自然語言生成與理解能力，以便實現比較自由的教學問答系統，提高人機交互的主動性；⑤對教學內容有解釋咨詢能力；⑥能診斷學生錯誤，分析原因并采取糾正措施；⑦能評價學生的學習行為；⑧能評價教師的教學行為。
3. 智能計算機輔助教學系統的組成
一般地，只要具備上述一個或幾個功能的 CAI 系統就可以稱為智能計算機輔助教學系統。大多數 ICAI 系統一般由專家模塊、學生模塊、教學模塊、界面模塊和智能接口模塊組成。
在智能 CAI 中，教學思想、方法、學習內容可用知識形式表示，如何解決知識的形式化表示以及知識的訪問與調用問題，是 AI 的核心技術之一，也是將 AI 引入教育技術領域中所要面臨的一個問題。知識庫是實現知識推理與專家系統的基礎，可以用知識庫作為智能 CAI 的構建環境，在知識庫中，教學內容等的有關知識可以用事實與規則表示，并存儲于知識庫內。教學與學習過程即是對知識庫中的知識進行推理，并最終得出所需結果的過程。由于專家系統主要是由知識庫與推理機組成的，因此，它也是智能計算機輔助教學系統的核心技術。
智能 CAI 倡導“以人為本”，強調學習者的主體性，實現以“教”為中心向以“學”為中心的轉變。教師和學校不再是知識的傳授者、灌輸者和控制者，而成為學生學習的引導者、幫助者和促進者，其任務除了對教學過程進行組織調控、對學生的學習實施引導和幫助外，更重要的是為學生的學習提供必要的環境和條件。
二、虛擬現實技術
（一）虛擬現實技術概述
1. 虛擬現實
虛擬現實（VirtualReality ，簡稱 VR）是一種計算機界面技術。從本質上講，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，最大限度地方便用戶操作，從而減輕用戶的負擔，提高整個系統的工作效率。 VR 的作用可以表現為不同的形式，例如將某種概念設計或構思可視化和可操作化；實現逼真的遙現場效果；達到任意復雜環境下的廉價模擬訓練目的等。
虛擬現實是利用計算機生成一種模擬環境（如飛機駕駛艙、操作現場等），通過多種傳感設備使用戶“投入”到該環境中，實現用戶與該環境直接進行自然交互的技術。這里所謂的模擬環境就是利用計算機生成的具有表面色彩的立體圖形，它可以是某一特定現實世界的真實體現，也可以是純粹構想的世界。傳感設備包括立體頭盔（Head Mounted Display）、數據手套（Data Glove）、數據衣（DataSuit）等穿戴于用戶身上的裝置和設置于現實環境中的傳感裝置（不直接帶在身上）。自然交互是指用日常使用的方式對環境內的物體進行操作（如用手拿東西、行走等）并得到實時反饋。
與 VR 相類似的一個概念是人工現實（ArtificialReality ，簡稱 AR），它是可以更方便地與用可視化技術建立的三維空間中的物體進行交互的技術。這個空間是人造的，但是物體的控制方法就像物體在現實空間中一樣，所以就稱為人工現實。例如，可用 AR 技術來漫游用可視化技術建立的大腦結構。
2. 虛擬現實的重要特征
虛擬現實可以定義為對現實世界進行五維時空的仿真，即除了對三維空間和一維時間的仿真外，還包含對自然交互方式的仿真。一個完整的虛擬現實系統包含一個逼真的三維虛擬環境和符合人們自然交互習慣的人—機交互界面，分布式虛擬現實系統還要包含用于共享信息的人—人交互界面。
虛擬現實技術是一項關于計算機、傳感與測量、仿真、微電子等技術的綜合集成技術，它具有以下四個重要特征：
（1）多感知性（Multi-Sensory）
所謂多感知就是說除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。
理想的虛擬現實技術應該具有一切人所具有的感知功能。人們在現實世界中是通過眼睛、耳朵、手指等器官來實現視覺、聽覺、觸覺等功能的。人們可以通過視覺觀察到色彩斑斕的外部環境，通過聽覺感知豐富多彩的音響世界，通過觸覺了解物體的形狀和特性。總之，人們通過多種渠道，與客觀世界進行交互作用，并沉浸在客觀世界中。
理想的虛擬現實環境應該包含對人自然交互方式的模擬，虛擬現實系統能提供給用戶以視覺、聽覺、觸覺、嗅覺甚至味覺等多感知通道。由于技術，特別是傳感技術的限制，目前虛擬現實技術所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、觸覺、運動等幾種，從感知范圍到感知的精確程度都還無法與真實環境相比擬。
（2）存在感（Presence）又稱為臨場感（Immersion）
它是指用戶感到作為主角存在于模擬環境的真實程度。理想的模擬環境應該達到使用戶難以分辨真假的程度（例如可視場景應隨著視點的變化而變化），如實現比現實更理想化的照明和音響效果等。
對于一般的模擬系統而言，用戶只是系統的觀察者，而在虛擬現實的環境中，用戶能感到自己成為了一個“發現者和行動者”。發現者和行動者利用他的視覺、觸覺和操作來尋找數據的重要特性，并不是通過嚴密的思考來分析數據。通常思考可能既慢且吃力，而感覺則幾乎可以無意識地、立即地表達結果。這更加符合人們的自然思維習慣。
（3）交互性（Interaction）
它是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環境中的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量（其實這時手里并沒有實物），視場中被抓的物體也立刻隨著手的移動而移動。
（4）自主性（Autonomy）
它是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。例如，當受到力的推動時，物體會沿力的方向移動、或翻倒、或從桌面落到地面等。
用戶可以沉浸在一種人工的虛擬環境里，通過虛擬現實軟件及其有關外部設備與計算機進行充分的交互，進行構思，完成所希望的任務。
（二）虛擬現實的組成
根據虛擬現實的概念及其上述四個特征可知，虛擬現實技術是在眾多的相關技術基礎上發展起來的，它包括計算機圖形學、圖像處理與模式識別、智能接口技術、人工智能技術、多傳感器技術、語音處理與音響技術、網絡技術、并行處理技術和高性能計算機系統等。
虛擬現實作為一項綜合技術，集成了計算機圖形學、多媒體、人工智能、多傳感器、網絡、并行處理等技術的最新發展成果，為我們創建和體驗虛擬世界提供了有力的支持。由于它生成的視覺環境是立體的，音效是立體的，人機交互是和諧友好的，因此虛擬現實技術將一改人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現狀，使人們陶醉在計算機創造的工作環境之中。
虛擬現實一般用于構造當前不存在的環境、人類不可能到達的環境和代替耗資巨大的現實環境。虛擬現實是要達到增強現實的目的，即用虛擬物體來豐富、增強真實的環境，而不是用它來代替真實的環境。虛擬現實的成果是給用戶一個將現實世界和計算機中的虛擬模型結合起來的工作環境。
（三）虛擬現實在教育中的應用
教育培訓是每個人生活中的重要部分，其中很重要的一個過程就是呈獻知識信息。一些培訓可從學校或書本上獲得，但這代替不了利用實物的培訓。而虛擬環境在呈獻知識信息方面有著獨特的優勢，它可以在廣泛的科目領域提供無限的 VR 體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。例如，核電站或霧中著陸等危險環境可在對受訓者毫無威脅的情況下進行精確模擬。模擬器的容錯特點使受訓者能親身體驗到在現實生活中體驗不到的經歷。飛行模擬器、駕駛模擬器是培訓飛行員和汽車駕駛員的一種非常有用的工具。由于不需要特殊的硬件和附屬設備，虛擬現實技術在教育領域中將得到廣泛的應用。
用于建筑工程學：可交互性地參觀還未完工的辦公大樓，尋覓裝飾的構思；或者參觀房屋模型，學習建筑原理。參觀世界各地的經典建筑，尋找建筑設計的靈感。
用于考古學：可參觀世界上你不可能到達的博物館，研究考古發掘物品，或研究從未對公眾開放過的私人收藏的繪畫或雕塑。
用于醫學教育：學生可以通過解剖一具虛擬的尸體來學習解剖學，也可以觀看血細胞通過心臟的全過程。醫生用從實際病人身上收集來的數據進行仿真，對手術或其他過程進行周密地規劃，如觀看胃鏡的過程，了解病變組織的特征。
用于導游培訓：讓學生參觀世界各地虛擬的風景名勝，并學習這些名勝的歷史、特點、文化內涵等等。
用于生物教育：學生可以操縱分子模型，觀察不同藥物的立體結構圖像；或者沿著叢林小溪來研究海貍的習性。
用于歷史教育：可進入以前的世紀，如參觀商代的集市，或參加唐代的盛典。
用于化學和物理教育：介紹與展示昂貴的實驗儀器，參觀你不可能進入的實驗空間，如核反應堆、粒子對撞空間等等。
用于社會科學：讓學生參觀世界各地的社會風情，了解各地的生活型態和習性。
思考與練習
1. 什么是媒體？教學媒體？現代教學媒體？
2. 現代教學媒體的基本特性有哪些？功能有哪些？
3. 舉例說明視覺、聽覺、視聽媒體的主要特點。
4. 幻燈機在操作使用中應該注意什么問題？
5. 投影器的光學部分由哪些部件組成？每個部件各起什么作用？
6. 數碼照相機在操作使用中應該注意什么問題？
7. 錄音機在操作使用中應該注意什么問題？
8. MP3 播放器在操作使用中應該注意什么問題？
9. 攝像機主要有哪些組成部分？在操作使用中應該注意什么問題？
10. DVD 在操作使用中應該注意什么問題？
11. 舉例說明視聽媒體的在教學中的應用。
12. 簡述數字衛星廣播的特點。
13. 簡述人工智能技術在教育中的應用。
14. 簡述虛擬現實技術在教育中的應用。
