有效智慧學(xué)習環(huán)境的設(shè)計框架

熊秋娥

（南通大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇 南通 226019）

1 引言

學(xué)習環(huán)境是教育技術(shù)研究的重要內(nèi)容。鑒于教育的重要性和學(xué)習對城市的創(chuàng)造力和可持續(xù)性的發(fā)展的影響，如今，智慧的學(xué)習環(huán)境成為時代對新知識社會需求的回應(yīng)。研究人員開始對學(xué)習環(huán)境進行概念化，并認為智慧學(xué)習環(huán)境能使學(xué)習更快、更好。然而，何謂智慧學(xué)習環(huán)境？怎樣的智慧學(xué)習環(huán)境能實現(xiàn)更好、更高效學(xué)習的愿景，為此，研究者們紛紛投入智慧教育、學(xué)習空間、智慧化學(xué)習環(huán)境、智慧教室的等方面的研究。在目前學(xué)術(shù)界，對加在城市、學(xué)習、教室等前面的形容詞“智慧”和“智能”的表述存在一定爭議，文中的智慧更側(cè)重智能之一。本文從學(xué)習的概念出發(fā)，基于人類學(xué)習界面的機制理論，指出了有效智能學(xué)習環(huán)境的條件，并提出開發(fā)智能學(xué)習環(huán)境的基本模塊框架，以期為未來智慧學(xué)習服務(wù)。

2 智慧學(xué)習環(huán)境的定義

在《教育改革詞匯》中，學(xué)習環(huán)境是指學(xué)生學(xué)習的不同地理位置、語境和文化，例如教室、工作場所、實驗室、博物館、自然景點、交通工具和家庭[1]。早在1995年，Wilson就在他的文章中對學(xué)習環(huán)境進行過論述：“學(xué)習環(huán)境指的是一個場所，這里的學(xué)習者可以互相合作，彼此支持，借用不同種工具和信息資源相互支持，共同參加問題解決活動，共同達到學(xué)習目標[2]。”1997年，Chin指出：“智慧學(xué)習環(huán)境是在信息和通信技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上形成的以學(xué)習者為中心的環(huán)境，它具備以下幾個特點：(1)適應(yīng)不同的學(xué)習方式和學(xué)習者的學(xué)習能力；(2)支持學(xué)習者的終身學(xué)習；(3)為學(xué)習者的發(fā)展提供支持[3]。

鐘國祥等提出，智慧學(xué)習環(huán)境是指數(shù)字虛擬現(xiàn)實學(xué)習空間，它以學(xué)習者為中心，具有智慧、開放、集成的特點。他們認為，設(shè)備、工具、技術(shù)、媒體、教材、教師、學(xué)生等是智慧學(xué)習的核心要素，這些核心要素應(yīng)該按照建構(gòu)主義、混合學(xué)習理論，以及現(xiàn)代教學(xué)理論來組織[4]。

Hwang(2014)從上情境感知的泛在學(xué)習的角度提出了智慧學(xué)習環(huán)境的定義。從情境感知泛在學(xué)習的視角看，情境涵蓋學(xué)習者與環(huán)境之間的互動；因此，“智慧學(xué)習環(huán)境”是一種技術(shù)支持的學(xué)習環(huán)境，能根據(jù)學(xué)習者的需要，在適當?shù)牡攸c和適當?shù)臅r間提供適當?shù)闹С?例如，指導(dǎo)、反饋、提示或工具)，通過分析他們的學(xué)習行為、表現(xiàn)以及他們所在的在線和真實世界環(huán)境來決定[5]。

黃榮懷教授等人從技術(shù)實現(xiàn)的角度，將智慧學(xué)習環(huán)境看成一種物理環(huán)境，憑借數(shù)字、情境感知和自適應(yīng)設(shè)備，可以做到使學(xué)習更好更快。在技術(shù)支持下，智慧教室成了教師和學(xué)生可以擁有豐富的教學(xué)和學(xué)習經(jīng)驗的地方，而這種學(xué)習環(huán)境他們以前從未體驗過[6]。

本文認為，智慧學(xué)習環(huán)境可以定義為學(xué)生學(xué)習的物理和數(shù)字化位置、環(huán)境和文化的集合。智慧的學(xué)習環(huán)境能夠感知學(xué)習情景的學(xué)習場所或者活動空間，它可以識別學(xué)習者的特征，提供合適的服務(wù)于學(xué)習的資源以及交互工具，學(xué)生學(xué)習過程被自動記錄，學(xué)習結(jié)果可被科學(xué)地評估，使得學(xué)習者的學(xué)習便捷高效。

3 智慧學(xué)習環(huán)境的特點及功能模型

3.1 智慧學(xué)習環(huán)境的特點

智慧學(xué)習環(huán)境的概念符合將形容詞“智能”添加到各種現(xiàn)有現(xiàn)象的傳統(tǒng)，如智能手機、智能電視、智能板、智能燈具和智能城市。因此，從這個角度來看，智能學(xué)習環(huán)境可以被看作是大大改善了的學(xué)習環(huán)境，以促進更好和更快的學(xué)習。那么，智能學(xué)習環(huán)境有什么特點呢？

首先，它必須向?qū)W習者的物理位置添加一個或多個數(shù)字化設(shè)備；其次，數(shù)字化設(shè)備能夠感知學(xué)習者的位置、語境和文化；再次，數(shù)字化設(shè)備為地點、環(huán)境和文化添加了學(xué)習功能，如提供(增強的)信息、評估、遠程協(xié)作、前饋、反饋等；而且，數(shù)字化設(shè)備能夠監(jiān)視學(xué)習者的進展，并向利益相關(guān)者提供適當?shù)男畔?。因此智能學(xué)習環(huán)境是敏感的，對個體學(xué)習者的行為具有適應(yīng)性。

簡而言之，智慧學(xué)習環(huán)境能實現(xiàn)物理與虛擬環(huán)境相結(jié)合、實現(xiàn)學(xué)習的個性化和泛在化。它是普通數(shù)字化學(xué)習環(huán)境的高端形式，是教育技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。

3.2 智慧學(xué)習環(huán)境的功能模型[7]

智慧學(xué)習環(huán)境的技術(shù)特點主要體現(xiàn)在五個方面:跟蹤、識別、連接和感知，目的是使學(xué)習者輕松投入、有效地學(xué)習，在功能上需滿足以下需求，如圖1所示。

（1）跟蹤學(xué)習過程。智慧學(xué)習環(huán)境能夠感知和跟蹤學(xué)習者在知識獲取、課堂互動、群體協(xié)作等方面的狀態(tài)，利用動作捕捉、情感計算、眼球運動等技術(shù)，可以跟蹤學(xué)習過程，分析學(xué)習成果，建立學(xué)習者模型，為更全面、準確地評估學(xué)習者的學(xué)習效果提供重要依據(jù)。

（2）識別學(xué)習場景。智慧學(xué)習環(huán)境可以根據(jù)學(xué)習者的學(xué)習模式和學(xué)習情境，為學(xué)習者提供適合于學(xué)習者的資源和工具，以促進有效學(xué)習的發(fā)生。它可以重新認識學(xué)習情景，包括學(xué)習時間、學(xué)習地點、學(xué)習同伴和學(xué)習活動。對學(xué)習情景的認可為教學(xué)活動提供了支持。

（3）感知物理環(huán)境。智慧學(xué)習環(huán)境可以監(jiān)測空氣、溫度、光線、聲音、氣味等物理環(huán)境因素，為學(xué)習者提供舒適的物理環(huán)境。

（4）連接學(xué)習社區(qū)。智慧學(xué)習環(huán)境可以為特定的學(xué)習場景設(shè)置學(xué)習社區(qū)，并為他們的有效連接提供支持，利用學(xué)習社區(qū)進行交流。

圖1 智慧學(xué)習環(huán)境的功能模型

4 有效智慧學(xué)習環(huán)境的設(shè)計理念

如上所述，智慧學(xué)習環(huán)境具備以上四個技術(shù)特征，然而，傳統(tǒng)學(xué)習環(huán)境中實現(xiàn)了這些技術(shù)就能自動促進學(xué)習者更好更快地學(xué)習嗎？實際上，當智慧學(xué)習環(huán)境構(gòu)建時，若沒有對想要完成的學(xué)習改進有具體的概念，建成的智慧學(xué)習環(huán)境便是徒勞無功。

人類的學(xué)習是個復(fù)雜的過程，行為主義、認知主義、建構(gòu)主義等不同的學(xué)習理論流派對學(xué)習存在不同的解釋。Koper認為，人類通過感官(輸入)和行為(輸出)與外界交流。在設(shè)計智能學(xué)習環(huán)境時，學(xué)習環(huán)境必須提供正確的輸入和監(jiān)控輸出，以刺激或促進學(xué)習過程。在通常的學(xué)習交互界面中，包含了一種干預(yù)機制，它為感官提供輸入，觀察監(jiān)視人的行為和身體狀態(tài)，觀察監(jiān)視物理環(huán)境的變化。為了控制學(xué)習走向特定的學(xué)習目標，應(yīng)該預(yù)設(shè)一個目標，最后將觀察結(jié)果與目標進行比較，從而引導(dǎo)干預(yù)。在智慧學(xué)習環(huán)境開發(fā)前，應(yīng)根據(jù)不同的學(xué)習類型，設(shè)計不同的人類學(xué)習界面，開發(fā)出有效的智能學(xué)習環(huán)境[8]。如圖2所示。

圖2 通用人類學(xué)習界面框架

基于認知的核心概念“表征”，Koper把學(xué)習分為物理環(huán)境的識別和社會環(huán)境的識別學(xué)習、創(chuàng)造性學(xué)習、實踐性學(xué)習、反思性學(xué)習五類。根據(jù)這五種不同的學(xué)習類型，引入不同的學(xué)習干預(yù)機制，創(chuàng)建不同的人類交互學(xué)習界面，據(jù)此開發(fā)出有效的智能學(xué)習環(huán)境。

4.1 識別性學(xué)習智能環(huán)境

識別是一種學(xué)習機制，當你遇到新情況時，你需要通過經(jīng)驗和行動來學(xué)習。它基本的學(xué)習活動包括：對刺激的探索、識別、區(qū)分和概括、標記(組)刺激、建立對未知刺激的行為(危險、偶發(fā)事件、規(guī)則、啟示)的知識、創(chuàng)建心理地圖(模式的)環(huán)境，在情境中行動和解決問題。

這類學(xué)習可以引入一定的干預(yù)機制，如給學(xué)習者提供一個模擬的或真實新情況，促使學(xué)習者以適當?shù)姆绞阶龀龇磻?yīng)。要創(chuàng)建使用識別性學(xué)習的智能學(xué)習環(huán)境，最重要的是要識別代表學(xué)習者需要處理的設(shè)置好的典型情況。

4.2 社會性學(xué)習智能環(huán)境

社會化是一個過程，在這個過程中，人們獲得認知、社交和情感技能，這些技能是在社會群體中發(fā)揮作用所必需的。班杜拉認為，社會化的基本學(xué)習機制是觀察性學(xué)習或模仿，如模仿姿勢、手勢、面部表情和大量與語言相關(guān)的現(xiàn)象。

這類學(xué)習的可以模擬或提供一種真實的情境，在這種情境中，一個人遇到了一個新的社會群體，擁有另一種文化背景的人，或各種客戶或同事，這些事件要求人們以適當?shù)姆绞阶龀龇磻?yīng)。

對于智能學(xué)習環(huán)境，社會化帶來的挑戰(zhàn)是不僅要支持人們之間的直接交流，還要協(xié)調(diào)社會化過程的間接交流，尤其是非語言行為，包括面部表情。這類學(xué)習環(huán)境，需要完全支持社會化有效的、非干擾性的面部表情、情緒和手勢的感知等。

4.3 創(chuàng)造性學(xué)習智能環(huán)境

創(chuàng)造是一種機制，在這種機制中，一個人通過操縱環(huán)境來學(xué)習，從而創(chuàng)造出一個新的對象、資源或過程。創(chuàng)作過程涉及到認知的變化，與技術(shù)技能密切相關(guān)。這類學(xué)習可以引入一些典型的學(xué)習干預(yù)措施，如提供創(chuàng)建過程所需的(模擬的或真實的)場景和材料；把任務(wù)交給一個人去創(chuàng)造一些新的東西，并為完成任務(wù)提供一個激勵框架。

這類學(xué)習環(huán)境在建設(shè)時應(yīng)該支持在創(chuàng)建過程之前、期間和之后的學(xué)習，并包含物理和數(shù)字化元素，使人能夠?qū)W習，監(jiān)測以及適應(yīng)干預(yù)。

4.4 實踐性學(xué)習智能環(huán)境

實踐性學(xué)習可以在現(xiàn)實也可以在游戲中完成，使用實踐性學(xué)習環(huán)境的例子有經(jīng)典的演練實踐程序以及互動游戲。在智能學(xué)習環(huán)境中，實踐設(shè)備應(yīng)該具有情境感知能力和適應(yīng)性，例如，GPS運動手表可以用作數(shù)字反饋設(shè)備，以得到更好的學(xué)習表現(xiàn)。

4.5 反思性學(xué)習智能環(huán)境

反思性學(xué)習是指反思問題和解決方案的重構(gòu)、結(jié)果的評估、決策制定、戰(zhàn)略制定、自我調(diào)節(jié)、深度學(xué)習。這包括推翻以往的經(jīng)驗，嘗試新的想法，創(chuàng)造性的洞察力，通過從錯誤中學(xué)習來適應(yīng)認知技能，以及從一種信仰到另一種信仰的轉(zhuǎn)換等。

反思性學(xué)習是一種元學(xué)習機制，這意味著一個專注于識別的智能學(xué)習環(huán)境，還應(yīng)該包括練習和反思的設(shè)施，以刺激學(xué)習者更快更好地學(xué)習。

總之，一個有效的智能學(xué)習環(huán)境，應(yīng)是給學(xué)習者的物理位置添加一個或多個數(shù)字設(shè)備，用以增加學(xué)習功能，增強虛擬場景，增加促進監(jiān)測和評估學(xué)習者進步的設(shè)施，提供適當?shù)男畔⒔o利益相關(guān)者的設(shè)施；它至少支持識別、社會化和創(chuàng)造學(xué)習中的一種，也支持實踐和反思性學(xué)習；它能觀察學(xué)習者的位置、背景、偏好、身心狀況和文化，并根據(jù)相關(guān)觀察調(diào)整干預(yù)措施，實現(xiàn)預(yù)定的學(xué)習目標。

5 智能學(xué)習環(huán)境的模塊框架

一個有效的智慧學(xué)習環(huán)境要適合不同的學(xué)習類型或者學(xué)習組合，具有最小的情境感知，最小適應(yīng)性，并具有最低限度的個性化，這是系統(tǒng)開發(fā)人員實施智慧學(xué)習環(huán)境的基本標準，在技術(shù)實現(xiàn)上，智慧學(xué)習環(huán)境通常包括以下模塊：

(1)學(xué)習狀態(tài)檢測模塊。該模塊通過連接到一些感測設(shè)備來檢測學(xué)習者的真實世界狀態(tài)（例如，位置和學(xué)習行為）和環(huán)境情境（例如，溫度和濕度）。

(2)學(xué)習性能評價模塊。這個模塊用來測試評估和記錄學(xué)習者在網(wǎng)絡(luò)空間或者真實世界的表現(xiàn)。對于一個真實世界的測試，學(xué)習者可能會被要求通過觀察或與真實世界目標交互找到測試項目的答案。

(3)自適應(yīng)學(xué)習任務(wù)模塊。該模塊根據(jù)各學(xué)科的學(xué)習進度、學(xué)習成績、個人因素和學(xué)習目標，將學(xué)習任務(wù)分配給學(xué)習者。學(xué)習任務(wù)可以是一個在線查詢?nèi)蝿?wù)，使學(xué)習者在網(wǎng)絡(luò)上搜索信息，或現(xiàn)實世界的調(diào)查任務(wù)，要求學(xué)習者觀察真實世界的目標，提出問題，搜索環(huán)境，提出假設(shè)，并提出問題的答案。在這個模塊的幫助下，學(xué)習者總是通過考慮他們的學(xué)習狀態(tài)和個人因素在適當?shù)牡攸c和適當?shù)臅r間從事最可行和最重要的學(xué)習任務(wù)。

(4)自適應(yīng)學(xué)習內(nèi)容模塊。為學(xué)習者提供合適的學(xué)習材料的功能模塊。學(xué)習系統(tǒng)基于學(xué)習進度、學(xué)習成績、個人因素和個體學(xué)習者的真實世界狀況，推薦和組織學(xué)習材料，并適應(yīng)用戶界面以滿足個體學(xué)習者的需要。

(5)個人學(xué)習支持模塊。該模塊依據(jù)學(xué)習者需求為他們提供必要的學(xué)習支持。學(xué)習支持可以是學(xué)習任務(wù)或?qū)W習內(nèi)容的指南，是學(xué)習任務(wù)的提示，是對他們工作的反饋，或者是一種思維工具，幫助他們以高效和有效的方式學(xué)習。為了確定提供什么樣的支持，需要考慮學(xué)習任務(wù)和學(xué)習內(nèi)容的特征以及學(xué)習者的學(xué)習表現(xiàn)、個人因素和現(xiàn)實狀況。

(6)數(shù)據(jù)庫模塊。用于保存學(xué)習者簡介、學(xué)習檔案、學(xué)習單（即呈現(xiàn)每個學(xué)科單元或?qū)W習主題的學(xué)習任務(wù)的表格）、學(xué)習材料、測試項目和學(xué)習工具。這些數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對學(xué)習系統(tǒng)來說是非常有幫助的，在適當?shù)牡胤胶瓦m當?shù)臅r間為學(xué)生提供適當?shù)闹С帧＠?，在學(xué)習組合數(shù)據(jù)庫中保存學(xué)生的學(xué)習進度、作業(yè)、評估結(jié)果以及它們與同伴和學(xué)習系統(tǒng)的交互等等。通過分析學(xué)習檔案中的記錄，學(xué)習系統(tǒng)掌握個別學(xué)生的技能，從此分配給他們最合適的學(xué)習任務(wù)，以及一些推薦的策略或工具。

(7)推理引擎和知識庫。用于確定候選學(xué)習任務(wù)的“價值”、策略和工具以及它們可能的組合。知識庫是教師的教學(xué)知識以及經(jīng)驗的集合。它也可能包含通過分析先前的案例生成的決策規(guī)則，包括那些成功的和不成功的案例。推理機是一種計算機程序，它通過分析知識庫中的規(guī)則，通過分析當前的情況（即學(xué)生的狀態(tài)和環(huán)境）來做出決定。

6 結(jié)束語

近年來，智慧校園的建設(shè)正緊鑼密鼓地進行著。綠色、智能、共享的智慧學(xué)習環(huán)境是教育信息化的現(xiàn)實需求。在信息化建設(shè)過程中，如何推進新興的教學(xué)方法和技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用、設(shè)計和實現(xiàn)智慧學(xué)習環(huán)境等問題，需要來自教育、計算機科學(xué)、心理學(xué)和工程學(xué)等多學(xué)科研究人員的共同努力。在智慧學(xué)習環(huán)境建設(shè)中，實現(xiàn)學(xué)習的個性化是智慧學(xué)習環(huán)境設(shè)計的基本原則，良好的用戶體驗是第一需要。當然，在智慧學(xué)習環(huán)境中，教師群體是智慧學(xué)習環(huán)境的重要元素。教師的角色轉(zhuǎn)變，以及基于整合技術(shù)的教學(xué)實踐至關(guān)重要。