1.1 物联网推动学习环境的虚实融合

1.1.1 虚实融合环境的相关概念

1．虚实融合环境的概念界定

一般说来，人们将支持通过现场讲授、演示、操作练习的方法开展教学活动的实际场所称为“现实”学习环境，而将借助网络和多媒体手段、支持非面对面形式的学习活动的场所称为“虚拟”学习环境。前者能为学习者提供真实的体验，后者能够打破学习时空的限制。由于这两类学习环境在学习者的能力培养方面有着各自的优势和局限，十分有必要将其进行连接，构建“虚实融合”的学习环境。

通常可以从广义和狭义两个角度来理解虚实融合的学习环境。

从广义角度看，凡是综合发挥了现实世界中的学习场所、信息技术构建的虚拟空间的作用的学习场所，都属于虚实融合的学习环境的范畴。例如，近年来人们所关注的线下线上一体化（Offline to Online，简称O2 O）的学习环境就是虚实融合的学习环境的典型例子。

从狭义角度看，虚实融合的学习环境是指一类通过传感设备识别、获取真实环境中与学习活动相关的信息，通过互联网将基于课堂和社会的真实学习场所与基于网络和多媒体的虚拟学习空间融为一体的新型学习环境。本书的研究主要涉及该类虚实融合的学习环境的研究与应用。

在虚实融合的学习环境中，主要借助传感器，通过互联网来连接现实与虚拟的世界。传感器作为物联网的重要组成部分，用于识别、获取真实世界中对促进学习活动开展起着重要作用的信息，这些信息经过数字化处理后直接为学习者所采用。互联网和多媒体技术的应用，主要表现在虚拟学习环境和数字化学习资源的构建上，学习者通过个性化的学习环境获得与学习主题相关的资源，避免在海量的网络资源中迷航，提高学习效率，并有效支持协作学习活动的开展。

任何一项学习活动都处于一个特定的环境和模式之下，学习环境从现实到虚拟，学习方式从正式到非正式，形成了各自的连续统，从而构成了“学习环境—学习模式”坐标系。在该坐标系中，游戏化学习、传统的校外学习、传统的课堂学习和网络学习分别位于A、B、C、D象限之中，如图1-1所示。本书所研究的基于虚实融合环境的非正式学习活动位于坐标系的中部，它将虚拟环境与现实环境有机地结合起来，既充分利用虚拟环境中丰富的网络信息资源、认知与交互工具来开展学习活动，又将学习活动置于现实环境的真实情景中，使得学习任务更具真实性与挑战性，更加激发学习者的兴趣。

2．虚实融合环境的基本特征

“现实”的学习环境、“虚拟”的学习环境，以及“虚实融合”的学习环境在促进学习者有效学习的根本目标上是一致的，但是在理论基础、技术支持等方面均有所不同。这三类学习环境具体的相关属性比较如表1-1所示。

由表1-1可以看出，虚实融合的学习环境可以将现实学习环境能为学习者提供真实的体验、虚拟学习环境能打破学习时空限制的优势相结合，扬长避短，并具有以下特征：

（1）基于传感设备与互联网技术的支持，实现了现实学习环境与虚拟学习环境的有机结合；

（2）通过虚拟环境向学习者提供现实环境中难以获取的数据，将基于校内的正式学习活动与基于社会的非正式学习活动有机结合；

（3）支持现实环境中的问题解决型教学活动，借助虚拟化的工具和手段开展科学探究，通过协作与互动解决现实世界中的真实问题；

（4）通过传感器和网络实时获取和传递现实环境中的数据，拥有虚拟环境中海量的数字化学习资源，有利于开展跨时空的自主学习；

（5）参与者能够最大限度地参与学习活动并有所收益，参与者既是某一领域的学习者也可能是某一领域的专家。

综上可见，虚实融合的学习环境可以结合现实环境与虚拟环境的优势，弥补二者各自在培养学习者协作创新与满足学生真实体验等方面的不足。虚实融合的学习环境使用基于传感器和通信网络的物联网技术为学习者提供真实、同步的科学探究工具与手段，利用互联网技术编织起巨大的知识网络，使所有参与者都能从中学到知识，获得体验，开阔视野，从而满足不同层次的学习需求。

3．对于虚实融合的不同理解

对于“虚实融合”，可以从不同的视角进行理解。下面，分别从信息科技、科学哲学、社会经济、网络营销、文化与艺术来分析虚实融合的相关理论或观点，辨析对于“实”“虚”的理解，以及虚实“融合”的不同实现途径。具体参见表1-2。

从信息科技的视角看，“实”即现实中的物理环境，而“虚”则是指人们的需求与意图。在物联网技术的支持下，可以通过嵌入式系统来实现两者的“融合”。

从科学哲学的视角看，著名的科技哲学家波普尔在1972年出版的《客观知识》一书中，系统地提出了他的“三个世界”理论。在这里，所谓“三个世界”的划分有明确的界限：波普尔把物理世界称作“世界1”，它包括物理对象和状态；把精神世界称作“世界2”，它包括心理素质、意识状态、主观经验等；“世界3”被用来指人类精神活动的产物，即思想内容的世界或客观意义上的观念的世界，或思想客体的世界，如概念、知识，以及客观的艺术作品等。

从社会经济的视角看，在信息社会中，鉴于消费者越来越多地借助数码设备体验世界，经济学家B．约瑟夫·派恩二世与基姆·C．科恩构建了一个虚实结合的“湿经济”框架。如果把实体经济比喻成面，把数字经济比喻成水，通俗说来就是水多了加面、面多了加水，最后形成湿经济。湿经济学说提出了一种为客户创造新价值的方式——将现实与虚拟融为一体。

从网络营销的视角看，互联网时代的到来促使人们从一个全新的角度思考经济领域的虚实融合。这里所谓的“实”指的是线下产业，而“虚”则是指线上交易，通过O2 O思维实现物联网经济的虚实融合。

从文化与艺术的视角看，在中国传统哲学中，道家关于虚实的辩证思考尤为深刻。老庄的道家美学观念博大精深，自然、全美、虚静、虚实结合的丰富美学思想对中国传统艺术的影响深远。道家关于虚实结合的美学思想形成了中国传统艺术精神中的“悟”，构成了中国古典美学“意境”的超越美特征。融情入景，以景传情，使这些自然形象更具有强烈的主观情感色彩，实现情景交融、虚实结合，产生余意不尽的韵味，使欣赏者能够从有限的艺术形象中领悟无限的艺术意蕴，这就是意境情景交融的融合美。

1.1.2 虚实融合环境的关键技术

从技术实现的角度看，凡是能够帮助采集真实数据或生成虚拟信息的技术都可被视为虚实融合环境的支持技术，它们涉及互联网技术、多媒体技术、嵌入式技术、网络并行处理技术、多传感交互技术、物联网技术等。下面仅介绍射频识别、增强现实、智能传感等支持虚实融合环境构建的几项技术及其在非正式学习中的应用案例。

1．用射频识别技术识读用户的物理位置

射频识别技术（radio frequency identification，简称RFID）又称无线射频识别。作为一种通信技术，RFID通过无线电讯号识别特定目标上的标签并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

一套完整的RFID系统由RFID读写器（reader）与电子标签（tag）即应答器（transponder），以及应用软件系统三个部分组成。通常采用标签作为应答器，每个标签具有唯一的电子编码，附在物体上标识目标对象；阅读器由天线、耦合元件、芯片组成，读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式RFID读写器或固定式读写器；应用软件系统是应用层软件，主要是进一步处理收集的数据。RFID电子标签的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器，实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。

RFID灵活、易于操控，识别工作无须人工干预；支持非接触识别、穿透性阅读，无须接触或瞄准；可在各种恶劣环境下自由工作，有效识别范围内动态实时通信；体积小、数据容量大，支持快速扫描与批量识别。

美国加州技术创新博物馆使用RFID技术实现参观者与展示会之间的互动，来拓展和增强参观者的参观体验。该博物馆成立于1990年，作为硅谷既有名又受欢迎的参观地，它吸引了很多家庭和科技爱好者前去参观访问。2004年3月，该博物馆在一个名为“Genetics:Technology with a Twist”的生命科学展会上展示了使用RFID标签的方案。博物馆在每个展区安装RFID读写器，并同时设有向参观者介绍怎样使用该种标签的招牌和标语。操作说明显示在一台手动监测器上面。博物馆给前来参观的访问者每人一个RFID标签，当参观者携带标签进入某展位时，RFID识读器会识读进入该区域的RFID标签并登记。当参观者看到显示灯闪了一下或者听到一声操作音后，便知道他们的标签已经被识读过了。在参观结束之后，参观者可以在学校或家中访问网站并键入其标签上的ID号码登录。这样他们就可以访问其独有的、通过RFID标签自动生成的个人信息网页。参观者可在该个人网页上浏览展会的相关信息、某展会议题的相关资料，或者寻找博物馆中的相关资料文献。通过RFID也可确定博物馆的参观者所访问的目录列表中的语言类别。用户无须提供任何邮箱地址或其他类似的信息，只需要提供一个数字密码就可以直接登录他们的个人网页。

2．用增强现实技术将虚拟事物融入现实世界

增强现实（augmented reality，简称AR）是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术，具有对真实环境增强显示输出的特性，也被称为混合现实。它通过计算机系统提供的信息增强用户对现实世界的感知；将虚拟的信息融入真实世界，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的增强。

AR技术具有三个特点：①真实世界和虚拟世界的信息集成；②实时交互性；③在三维空间中实现虚拟物体的定位。

不同于人类可以感知的信息，AR技术不仅可以展现真实世界的信息，而且可以将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。它把原本在现实世界的一定时间、空间范围内很难体验到的实体信息，通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知，从而形成超越现实的感官体验。AR技术可以将真实世界的信息和虚拟世界的信息无缝融合，目前正在被逐步应用于军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等领域。

台湾成功大学针对真实环境中隐性知识不易察觉、易变环境干扰、复习不便等教学缺陷，提出永续校园计划。该计划面向校园中的实物学习教材，利用增强现实（AR）与射频识别（RFID）等技术将校区内隐性知识显性化，以个人化信息流服务搭配多层次三维显示，整合成一个环境行动学习网络，使参观者得以利用实景探索的方式进行探索学习，协助用户探掘埋藏于真实环境背后的知识。该计划的教学目标是帮助学习者了解生态园区中各种动植物的特性，并将隐藏于其后的科学运作程序显现出来，建构了“中水循环信息系统”，包含“全域扫描”“点布观测”与“终端汇集”三个平台。“全域扫描”平台架设于半户外空间，由内嵌RFID芯片的平板计算机与增强现实数据库组成。学习者输入个人资料之后，可使用平板计算机扫描外围环境，隐蔽于环境表象背后的内容将以虚拟三维信息的形式，与真实环境影像融合，供学习者查看。

3．用传感器感知真实世界信息并传递至虚拟世界

传感器（transducer或sensor）作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律转换成为电信号或其他形式的信息输出，以实现信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等。传感器网络系统是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点，通过无线或有线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统。传感器网络系统由若干个普通传感器节点和一个基站构成。基站将传感器数据传送到计算机上进行处理。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线电通信模块和能量供应模块4部分组成。传感器网络可协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域内的感知对象信息，并发布给观察者。近年来，传感器技术在教育领域应用的潜力也在不断凸显。

自2013年4月开始，英国DISTANCE实施了一个为期11个月的教育计划。该计划的目的在于鼓励教师和学生创建、测量、分享校园中的数字内容，让教学过程更有趣，使学生具备迎接数字化经济的各种特殊技能。该计划联合了8家机构，包括ScienceScope、Intel、Xively、Explorer HQ、Stakeholder Design等公司，并联合伯明翰大学城市气候实验室、伦敦大学学院的高级空间分析中心及英国开放大学计算机系，计划将8所英国学校列为试点单位。该计划提出构建基于物联网的教育数据共享云平台。通过传感器等设备采集到数据，经无线网络传至云端物联网平台。作为开放数据中心，该平台可将一定区域内的交通、能源、天气和健康等数据实时汇集，也可提供可视化工具和数据分析工具，供教师和学生使用。教师和学生可通过一系列装载在移动设备上的app查看、分析平台中的数据，分享校级间的科学、数学、地理和其他学科的教学材料。云端物联网平台不仅实现了数据的存储和汇集，同时也提供了一种更为有效的关联不同类型的数据资源的方式，如将天气数据与交通数据关联。