賽博基礎設施與賽博學習環境的概念與模型

嚴莉　鄭旭東

【摘要】賽博基礎設計作為一個統一的技術平臺，具有技術推動、社群牽引、專長拓展等顯著優勢，為教育打造了一個把有形的物質資源和無形的人力資源整合在一起的新型學習環境——賽博學習環境。賽博學習環境的構建要吸收和借鑒復雜性科學的思想方法，以社會系統工程的方式進行建構。賽博學習環境的基本架構由賽博基礎設施、賽博技術工具、數字化學習資源和軟件平臺以及個性化交互界面等部分組成，借助于數字化通信技術和高性能運算技術，構造了一個新型的數字化學習共享空間。以系統集成為核心特征的賽博學習空間具有開放性和分布式的顯著特征，為我們提供了前所未有的學習機遇，比如協作、建模、可視化等。

【關鍵詞】賽博基礎設施；學習環境：賽博學習環境：數字化學習共享空間

【中圖分類號】G40-057

【文獻標識碼】A

【論文編號】1009-8097（2013）02-0018-05

引言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020）》提出要加快教育信息化進程，加快教育信息技術基礎設施建設，以教育信息化推動教育現代化。如何構建新一代教育信息技術基礎設施和以之為基礎的新型學習環境，成為教育信息化戰略發展新階段的重要課題。信息技術給人類社會生活的各個方面都帶來了翻天覆地的深刻變化，也為我們進一步推進對學習環境及其設計的理解提供了新可能。近年來數字化學習工具的開發與應用已經進入新的階段，這極大地促進了信息化環境下的學習實踐。然而歷史的經驗告訴我們，僅有這些信息技術工具并不能確保學習的質量。因為這些工具缺乏一個統一的技術平臺，無法起到1+1>2的協同與優化效果。只有把這些數字化工具在一個統一的技術平臺上進行整合集成，才能使其發揮最大作用。而賽博基礎設施的崛起及其構建的賽博環境則給我們提供了可能。

一 賽博基礎設施的概念與內涵

1 賽博基礎設施的概念

無處不在的信息技術顯然已給教育和學習的所有領域的變革提供了強大動力。這種具有顛覆性的力量將徹底改變教育研究與實踐的面貌。我們過去在超級運算和高性能網絡上所付諸的努力正在被納入一個更為廣闊和更加具有整合性的愿景，那就是功能更強、無處不在、簡便易得的賽博基礎設施。賽博基礎設施作為一個整合的大型科教平臺，是由大量先進計算資源、多種教育應用軟件、一系列高速互聯網絡及專門技能所構建的，它以高性能運算、大規模存儲、數字化通信與個性化交互為基礎，把技術手段、數據信息和人力資源完美融合在一起，把“人”的因素整合進來并放在核心位置，不僅使顯在的工具手段和數據信息的共享變得更加容易，更重要的是使隱性專業特長的共享成為可能，它超越了技術本身，演化成一個以“人”和由人組成的“共同體”為中心，在軟件與硬件系統、分布式計算、各種數據資料、通訊技術、協同工具、研究共同體等多者之間實現相互聯結的杠桿，從而打造了一個無縫鏈接的整體技術平臺，各種社會機構可以借助它聯結在一起，形成一個統一的巨型知識網格平臺和公共知識服務體系。

2 賽博基礎設施的優勢

賽博基礎設施作為新一代教育科研平臺，具有以下幾大顯著優勢。（1）技術推送：大規模存儲可以讓科學家以更加經濟和更加可靠的方式從大型科學設備那里獲取數據信息；快速、廉價和無處不在的高性能網絡足以讓研究人員遞送超大數據量的數據信息，借助于高性能計算機進行網格運算，并以可視化的方式對運算結果進行廣泛分發；各種具有高靈敏度的探測和挖掘設備正在被越來越多的應用于數據卷和網絡數據集中。（2）社群牽引：賽博基礎設施的顛覆性力量不但已經在所有研究領域內得到了展現和證實，而且對研究人員參與科學研究的方式產生了重大影響，推動著新型科學研究方式的涌現以及新型科學共同體的生成與發展。人類基因組測序對生命科學和醫學的影響就是典型例證。現在，有越來越多的科學家呼吁要更多地進行以數據為驅動的研究，要充分發揮不同種類數據信息的作用，開展跨學科研究。（3）專長拓展：賽博基礎設施的廣泛應用讓科學研究人員在科學計算的每一個方面都積累了非常豐富的經驗，從如何開發軟件程序來推進對某一科學問題的深層理解，到如何由先進計算機和其它科學儀器組成的大規模設備集群的運轉等等，都是如此。在這一過程中積累的豐富經驗現在正打破時空和學科邊界被科學共同體廣泛共享。

3 賽博基礎設施的教育價值

社會各界對賽博基礎設施之重要性的認識日益增加，教育界自然也不能例外。賽博基礎設施作為新一代科教平臺擁有的這些優勢，為新型學習環境——賽博環境的創建，并以此為基礎推動教育與學習變革提供了寶貴的戰略機遇。因為賽博基礎設施不僅改變著科學自身的面貌，也在改變著科學教育的面貌。賽博基礎設施讓教育和學習超越了傳統的學校教育的界限，真正實現了正式學習與非正式學習的相互整合與協調發展；讓我們能夠對學習的過程與結果進行質性與量化的記錄，并反饋給所有的利益相關者，從而打造一個終身學習的生態圈；賽博基礎設施給教師的專業發展提供了前所未有的機會，并讓每一位學習者都成為教師，從而使“教學相長”成為現實；賽博基礎設施不僅讓有形的物質和信息資源的共享更加便利，而且還讓對無形的隱性經驗的共享成為可能，從而打造了一個具有超循環結構的學習共同體。正如Bernadette Longo所言，賽博基礎設施營造的學習環境的重要性不斷上升，已經和制度、學生、教師一起，成為推動學習方式變革與教育范式轉型的四大催化器之一。Daniel E.Atkins指出，賽博基礎設施營造的知識環境對教育有著非常深刻而直接的影響，其最重要的價值莫過于大大推進了教育和學習機會的平等與多樣化。賽博基礎設施可以讓我們以前所未有的方式接入各種各樣的教育資源——包括導師、專家、在線教育活動、游戲和虛擬環境——同時還給學習者提供了前所未有的學習機會，讓他們可以與各種專業化的科學手段進行交互，比如科學模型、建模與模擬、數據集合、傳感器以及其他各種設備。同時，賽博基礎設施還給我們提供了前所未有的技術手段，讓我們可以對學生的學習進行及時而且準確地跟蹤、評估與記錄，這讓我們對超大規模范圍內的各式各樣之教育與學習活動所產生的海量數據信息的收集與分析成為可能。顯然，這將為包括教師在內的所有教育工作者們帶來更好的資源、更多的可能以及更大的挑戰。

二 賽博學習環境構建的方法論

1 傳統學習環境構建的方法論局限

由于傳統的基于信息技術的各種系統和平臺缺乏系統集成的觀點，他們的獨立構建造成了“信息孤島”問題，各種平臺和系統之間缺乏配合與銜接，使得在對其應用的過程中無法實現功能最大化。同時，使用傳統信息技術構建起來的學習環境大多是孤立和封閉的系統，不僅正式學習與非正式學習、不同階段教育和學習之間的界限分明，而且面向的學習者也是特定的。這種封閉的學習環境盡管對那些擁有信息技術設施與數字化學習能力的學習者而言具有促進作用，但對于那些沒有信息技術設施、數字化學習能力較弱的學習者來說，將進一步擴大不同經濟社會階層和不同學習能力之學習者相互之間的差距和數字鴻溝，不利于促進教育和學習機會的平等。因此，以系統觀點構建開放性、集成性的新型數字化學習環境就成為一項重要課題。盡管賽博基礎設施的泛在和互聯性質讓我們構建這樣一種新型學習環境成為可能，但如果沒有新的方法論指南，而是沿襲過去分析還原的思維，走孤立封閉的老路，這一任務的完成仍然也不可能。

2 賽博環境構建要以復雜系統方法為指南

賽博基礎設施作為新一代信息高速公路，是一個具有高度整合性的統一技術平臺，它把技術手段、數據信息和人力資源等各種要素集成在一起，自身就是一個復雜系統，因此，以之為基礎構建賽博學習環境必然也要采取復雜系統的思想作為基本的方法論指南。事實上，復雜性無處不在，在自然科學、技術、經濟學、管理和政治學中，簡單線性思維顯然已經過時。因此，作為人類自身再生產領域的教育和學習也必須擺脫簡單線性思維模式的桎梏，全面走向復雜性。真正意義上的賽博學習環境的創建要能夠做到讓教師和學習者生活在一個復雜的非線性學習世界，時刻處在有序和混沌的邊緣。過去幾十年間，非線性復雜系統的一般方法已經在與自然科學和社會科學的結合中、在特定的觀測、實驗和理論條件下得到了發展。復雜系統探究方式是一種跨學科的方法論，適用于討論諸如大腦這樣的細胞器官的非線性復雜系統，因此其自然可以用于以大腦為基礎的教育和學習研究。

3 面向教育和學習研究的復雜系統方法

對于教育和學習研究來說，非線性復雜系統方法的核心要點在于：如果將大腦被看作一個神經細胞的復雜系統，那么它的動力學也就假定由神經網絡的非線性數學來描述；計算資源和技術水平的不斷發展，使得對非線性的復雜系統進行計算處理和建模模擬成為可能；對于處理包括教育和學習這樣的復雜系統來說，協同表現為一種較為恰當的策略；在復雜系統的方法論框架中，教育者和學習者的行為可以用由教師或學習者的子系統（比如教師團隊、學習者團隊等）的非線性（微觀）相互作用引起的（宏觀）序參量的演化來解釋；盡管教師和學習者個體的行動都有其個別的意向性和計劃性，但整個教育和學習活動在整體和全局上的發展趨勢卻是由個體之間的非線性相互作用導致的結果；從理論上講，以復雜系統方法經過系統集成的賽博環境可以給教師和學習者提供一種從現實到虛擬的無縫聯結，讓他們無障礙地發起并完成一系列具有整合性質的學習項目與任務。

4 要以社會系統工程的方式構建賽博學習環境

賽博學習環境的創建是一項復雜的社會系統工程，因此需要綜合考慮多種要素，并需要來自多方面的通力合作。賽博學習環境的設計者要充分考慮到各種物理的和虛擬的空間、教師、學生以及院校基礎設施等各種相互依賴的因素，把它們整合協調在一起，只有這樣才能真正創建出一個對教學和學習來說有效的環境。對于教師和學生來說，賽博環境不僅是一個學習環境，而且是一個專業發展環境，因此他們要學會如何使用賽博環境，在教學設計人員和技術支持人員的幫助下，通過團隊協作的方式從這個環境中受益，學生能學有所得，教師能獲得專業發展。我們認為，賽博學習環境的成功創建與持續運轉需要以下幾個條件：（1）給教師和學生提供專業發展的新途徑，不僅要使他們掌握最新的技術工具，而且更重要是讓他們樹立新型的教育觀與學習觀，并實踐各種新的教學與學習方式；（2）要整合各方面的支持，并使其持續不斷，比如技術專家和教學專家、同儕學習共同體、學校的各種激勵機制等，并把其作為促進教師和學生有效專業發展必不可少的關鍵要素；（3）大力推動跨學科的專業發展機會，推進不同學科的交叉與協同，在不同思維方式的交流和碰撞中促進教師和學習者的發展。

三 賽博學習環境的概念模型

1 賽博學習環境的基本架構

在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，運算研究協會（Computing Research Association）發布了一份題為“面向未來教育和學習的賽博基礎設施：愿景與研究議程”的研究報告，對基于賽博基礎設施創建面向未來的學習環境進行了初步探索，認為新型賽博學習環境的構建面臨的首要挑戰是如何對傳統學習環境構建進行重新概念化。因此構建一個賽博學習環境的概念模型是創建賽博環境的首要任務。我們以傳統的數字化學習環境為原型，嘗試構建了一個賽博學習環境的概念模型，如圖1所示。

這一概念模型以賽博基礎設施為基礎，立足于高性能運算開發出來的海量數字化學習資源，以包括LAMS和Moodle等開源系統在內的各種開放性與分布式學習平臺為支撐，借助數字化通信，不但營造了一個數字化的學習共享空間，還讓學習者可以進行基于社會性媒體的個性化交互。在這個概念模型中，數字化學習共享空間構成了賽博學習環境的核心。它結合了新興的信息技術基礎設施與工具以及新崛起的學習科學這兩方面的研發成果，以海量資源的數字化為依托，對各種教育與學習的公共服務體系進行了集成與創新，是以信息技術為支撐的圖書館、課程資源開放與集成、學習支助、教研支助和科研支助等多種公共服務體系的深度整合。

2 賽博學習環境的核心：數字化學習共享空間

賽博環境對傳統信息技術支撐的學習環境的最重要突破就在于為學習者創造了一個共享的數字化學習空間。但是，它給學習者提供的不僅僅是一個空間場所，而且是一個新的時空學習環境。它既是一個物理層面上、可以觸摸的實體對象，又是一個心理層面上、具有隱喻性質的虛擬對象。通過對技術手段、信息資源和人力資源的整合集成，賽博基礎設施營造的賽博學習環境，尤其是數字化學習共享空間實現了虛擬與現實空間環境的整合與會通，實現了虛擬和現實這兩個世界的統一。需要指出的是，數字化學習共享空間是教育者為了幫助學習者完成一定的學習任務而精心設計的，不同的空間結構體現了不同設計者和構建者各自的教育價值觀和學習價值觀，同時也可以促進學習者在對其應用過程中形成各種不同的人際交往模式。正是在這一意義上，我們才認為數字化學習共享空間并不僅僅是一個具有物理意義的空間概念，同時，還是一個體現學習活動的參與者相互之間人際關系的、具有社會學意義的空間形態。

3 數字化學習共享空間的系統集成性

數字化學習共享空間是一個以學習者為中心，使用各種高技術裝備構建起來的協同、交互式學習空間與環境平臺，它通過實體空間和虛擬系統的相互結合的方式整合各種教育信息資源和工具，并對其進行有效的配置，以達到促進學習者個體及小組學習的效果。從這一意義上來說，數字化學習共享空間最重要的特征是在賽博基礎設施這一統一開放的技術平臺上進行的數字化的系統集成。它用一個空間場所整合了原來分布零散的教育資源、服務和工具，并使其貫穿于學習者的整個學習過程，通過不同機構、部門之間的相互合作以及不同教師和職工的相互支持，促進學習者通過對各種信息技術的有效利用提高自身的信息素養和信息技能，使他們能夠在實踐共同體的組織框架內通過相互合作、交流，并利用豐富的資源實現學習者的資源共享，在分享有形資源和顯性知識的同時傳遞和豐富在共同體內部的隱性經驗，以人際之間的交互為紐帶，不斷推動著顯性知識與隱性知識的互動與轉換，以隱性知識推動顯性知識走向深化，在顯性知識深化的過程中不斷吸納隱性知識并促使其向顯性知識的方向發展，為更好地促進學習者更加深層的學習、交互、研究和創造服務。因此，一個合理、有效的數字化學習共享空間能夠為學習者的學習創造新的途徑，使他們在不斷地實踐探索中得到更多的學習支持，促進他們對學習活動的體驗和反思，進而有效地促進賽博學習實踐。

四 賽博學習環境的基本特征

學習者在具有高度集成性的賽博學習環境下，不僅能夠實現對各種海量信息資源中的目標信息進行快速、有效的鑒別、提取和解讀，而且還可以達到對信息加工和學習結果的深入理解和有效整合。而之所以能夠如此，緣于賽博學習環境具有的以下兩大基本特征。

1 開放性

作為一個統一開放的技術平臺，賽博基礎設施打造的賽博學習環境是在高速發展的互聯網絡和多種信息技術的基礎上，進一步豐富和發展了傳統的以教室為代表的學習環境的信息通訊功能，徹底推倒了橫亙在傳統教室四周的圍墻，突破了傳統封閉式的學習方式，為學習者打造了一個具有高度開放性和互動性的的數字化學習環境。傳統教室的四面圍墻在正式學習與非正式學習之間畫上了一條黑白分明的界限，賽博基礎設施所創造的新型數字化學習環境則與傳統的封閉式學習環境形成了鮮明對比，它所打造的這種學習環境消弭了正式學習與非正式學習二者之間的鴻溝，更加符合時代發展的特點和學習者學習的需要。最主要的是，賽博學習環境把各種各樣的信息技術手段從傳統的對信息進行演示和傳遞的工具轉化成為促進學習者進行知識建構和自主學習的工具，它將焦點從傳統的對技術手段的關注回歸到了學習者的知識學習與自身發展上來。因此，基于賽博基礎設施構建的新型學習環境存在著明顯的優勢：它通過集成各種以虛擬建模與模擬為主要特征的賽博技術工具，使自身具有了存儲信息的大容量性、超文本鏈接的可選擇性、多媒體技術的集成性等，同時它還打破時空阻隔，實現了進行人際交流的共享性、人機交互的個性化與可操作性。賽博基礎設施所打造的新型學習環境為學習者打造了一種豐富而有趣的學習情境，創建了多種高度個性化的學習導航系統，同時還建立了靈活多變的互動交流與學習反饋機制，使學習者根據自身特點練習具體的學習情境，選擇合適的資源和工具進行自主學習，通過交流與反饋及時發現自身學習情況并做適當調整，從而達到知識和能力的全面發展。賽博學習環境作為一種開放、系統、多元的新型學習環境，可以由學習者根據自身的特點和需要，自定學習目標和學習內容，并根據自身情況選擇合適的方法進行不同形式的學習，真正實現學習者自主性、多樣化、開放式的學習。

2 分布式

除了基于統一技術平臺而具備的開放性之外，賽博學習環境還整合了虛擬情景與現實環境，把硬件、軟件以及人力資源恰如其分地整合到一起，真正實現了虛擬與現實的完美結合。盡管賽博學習環境在很大程度上還是以傳統的教室環境為基礎，但它卻僅限于單一的教師空間，而是教室、實驗室、家庭與社會的完美結合。這是由賽博基礎設施具有的泛在性決定的。從這一意義上講，賽博學習環境具有分布式的顯著特征，這主要體現在以下三個方面：（1）非集中式的信息資源存儲，賽博學習環境中所提供的信息資不只局限于某一個獨立的物理空間，而是分布在學習環境的不同角落，這些信息資源通過高性能運算和數字化通信能夠被學習者迅速提取和共享，云計算就是典型代表；（2）非限制性的空間區域，賽博學習環境突破了傳統學習環境的時空局限性，使師生跨越時空進行教學、學習和交流，其中協同實驗室就是最典型的例子；（3）廣泛性的主體參與，賽博學習環境突破了傳統學習環境的局限，為更多的人們提供了參與的機會，真正實現了廣泛的主體參與。賽博環境具有的這種分布式特征打破了傳統教室圍墻的集中式局限，以去中心化的方式打破了的以教師為主的傳統學習環境的界限，實現了課堂教學和學習的內容多樣化、主體多元化，真正體現了其對教育改革的革命性意義。

五 賽博學習環境的意義與價值

賽博學習環境對于教育和學習的變革與發展具有非常重要的意義與價值。在賽博學習環境中，學習者與學習資源的交互、學習者與學習者和教師之間的交互都以在線模式進行；無處不在的賽博基礎設施與工具大大拓展了人們對物理環境和社會環境的意識，靈動的傳感器件和設備到設備式的通信交流成為司空見慣的常態。借助于高度協調、動態變化的資源共享和系統集成，基于賽博基礎設施的賽博學習環境可以讓學校、研究人員和教育工作者做到：增強教育學術共同體相互之間進行交互、協作及開展研究的能力；以新的更加具有針對性的個性化、交互性和體驗性方式支持教學和學習，在線和泛在成為學習最顯著的特征。

賽博基礎設施及其營造的賽博環境為我們創造了前所未有的自主性、個性化、多元化的學習機遇：協作學習：復雜問題可視化；發現和創建新的學習資源以促進正式學習和非正式學習：科學、準確、實時地追蹤、評估與記錄學習過程和結果；制定自主學習的個性化環境。它所營造的這種新型的泛在學習環境將教室、圖書館、實驗室、家庭、工作場所及社會等多種環境整合在一起，推動著我們超越教師/學生以及課堂/實驗室的舊教育模式，消弭不同階段教育的界限，打造一個更加開放的學習世界，讓人們把學習視為日常生活中必不可少的重要組成部分，使學習者的學習和實踐研究超越了狹隘的課堂和學校等正式環境的局限，真正步入了一個更為有趣、豐富、寬闊的新情境，即“在時間上持續終生、在空間上全方位學習”的新境界，從而切實推動終身學習的發展和學習型社會的創建。

尤其值得指出的是，和傳統的基于第一代信息高速公路的信息化學習環境相比，作為第二代信息高速公路的賽博基礎設施的規模、成本和靈活性讓任何教育者和學習者都必須摒除自我中心主義的各自為戰之舊傳統。賽博基礎設施并不僅僅只是一種技術，它更重要的意義在于改變了學習者個體的學習需求及其在學習過程中扮演的角色，進而改變了學習的組織結構，從而涉及到更為深層的跨越學習與組織邊界的以協作與共享為特征的新型學習文化的創造，使學習者擺脫了傳統學習中主客二分、靜止不變和機械呆板的學習方式，并由此產生出個性化的“我思故我在”的笛卡爾式的學習實踐，走向借助于集體智慧，以社會建構的方式創造新的知識、尤其重視對隱性知識的學習及轉化，進而推動和發展以人為本、“我參與故我在”的集體社會建構型學習實踐。

六 結語

賽博基礎設施打造了一個統一且開放的科教平臺，給教育和學習方式的變革與轉型提供了新機遇，基于賽博基礎設施的賽博學習環境創建要以復雜系統作為新的方法論指南，以數字化學習共享空間的設計與建設為核心內容，以打造一個具有開放性和分布式特征的教育與學習公共服務體系為目標。只有這樣，才能真正展現信息化與全球化時代教育與學習的新景觀，切實推動教育和學習在深層觀念和現實實踐上的轉變。

編輯：小西