學習科學視野下學習環境設計研究

塔衛剛

（1．華東師范大學 教育信息技術學系，上海 200062；2．新疆師范大學 教育科學學院，新疆烏魯木齊 830017）

引言

學習環境設計的意義可從教育目標的變化、學習理論發展、新技術幾個角度來理解[1]。不同的學習目標，均需要考慮“教師教什么”、“教師怎么教”、“教師怎么評價學生的學習”等，最終形成一種關于教學的“新隱喻”——學習環境設計。從學習理論發展的角度，人究竟是如何學習的這一問題一直是心理學、教育學、計算機科學等領域關注的問題，不同的學習理論對這一過程有不同的解釋。行為主義心理學認為，人類思維是與外界環境相互作用的結果，并形成“刺激—反應”的聯結；認知主義認為，學習在于內部認知的變化，比容易測量的“刺激—反應”要復雜得多；建構主義學習理論以認知主義理論對學習的認識為基礎，認為學習既包括對新信息的意義建構，同時又包含對原有經驗的改造和重組，特別強調情景對學習認知的影響作用。這三種學習理論對學習這一人類基本活動的認識具有繼承性，同時也體現出了從個體反應到個人內部認知再到環境中的認知的發展過程，對于學習過程和學習資源的設計、開發、應用、管理和評價都有重要的參考價值。環境能刺激學習，并賦予學習以意義[2]。伴隨技術的不斷進步，尤其是人工智能技術的興起，學習環境正朝著更加個性化、適應性、服務于終身學習的智能普適學習環境方向發展。

一 學習環境概述

1 學習環境的內涵

學習環境的內涵最早由心理學家Lewin[3]提出，他認為學習環境的設計應滿足學習者的心理需求，與之充分互動，從而影響其外在行為表現。較為流行的定義為，學習環境是指促進學習者發展的各種支持性條件的統合。鐘志賢[4]認為學習環境是一種發展中的教學隱喻，學習環境是為了促進學習者發展特別是高階能力發展而創設的學習空間，學習環境所支持的學習是以學習者為中心的學習方式，可表述為學習環境是學習者在追求學習目標和問題解決的活動中，可以使用多樣的工具和信息資源并相互合作和支持的場所。鐘啟泉[5]認為學習環境是基于多種多樣的物的要素、人的要素而形成的動態構成的“信息環境”，以及借助所有感官如學習者的視覺、聽覺、觸覺等體驗到的“信息總體”，學習環境的設計本質上是一種學習場的設計，應當具備建構性、自控性、情境性、協同性四個特征。伴隨著技術的日新月異，學習環境也在不斷發展變化。本研究以“學習環境”為關鍵詞，在中國知網中進行檢索，得出了近20年學習環境研究的關鍵詞分布。如圖1所示，虛擬學習環境的研究從2001開始，個人學習環境的研究則是自2008年開始。從2012年至今，智慧學習環境的研究不斷上升。黃榮懷[6認為伴隨信息化的不斷發展，學習環境逐步從數字學習環境走向智慧學習環境。楊現民等[7]提出，教學范式進入3.0時代，即大數據時代的數據驅動教學范式，學習環境逐步走向個性化推薦。本研究認為學習環境的概念受教學范式、研究者視角的影響。在教學范式3.0階段，伴隨人工智能以及大數據的不斷發展，學習環境更加智能化，技術、數據與學習環境是一種融合的關系，學習環境不斷朝向智能化、數據化、適應性方面發展。

圖1 近20年學習環境研究的關鍵詞分布

2 學習環境的要素及類型

較為著名的學習環境要素說包含四要素、五要素和六要素。典型的四要素包括情境、資源、工具和支架等；五要素包括信息庫、符號本、建構工具箱、任務情境和任務管理者等；六要素則包括問題/項目空間、相關案例、信息資源、認知工具、學習共同體和社會性支持等。

鐘志賢[8]對上述各要素說進行歸納總結，認為情境、資源、工具、支架和學習共同體是五個比較穩定的學習環境要素。楊南昌[9]等認為學習環境設計研究聚焦于學習的系統研究、學習的社會結構和學習內容、學習支持三要素，共同構成了學習環境中協同作用的干預系統。張劍平[10]認為，對于學習環境要素應該從狹義和廣義兩方面來理解：廣義的學習環境包含教學系統的各要素，而狹義的學習環境是為某一類型的學習活動提供相關工具、資源與教學策略支持。本研究認為，不同學習環境下的學習要素各有側重。對于學習環境的分類，本研究以正式學習和非正式學習兩種學習方式為坐標軸的橫軸，以“線下”和“線上”為縱軸，將學習環境設計分為四個象限，如圖2所示。

線上學習環境主要以數字學習環境為代表，線下學習環境則為面對面學習環境。場館學習屬于非正式學習的范疇，正式學習的場景主要以課堂為代表。第一象限可表征為線上—正式學習，第二象限為線上—非正式學習，第三象限為線下—非正式學習，第四象限為線下—正式學習，中心則為虛實融合的學習環境。不同的學習環境所對應的學習要素各有差異。以典型的學習環境為例，Brown[11]、Collins[12]、Cobb等[13]提到的學習環境屬于線下課堂學習環境，包含的要素可抽象為內容、方法、課堂活動組織、課堂話語等；Edelson[14]和Sandoval[15]提到的真實實踐中的學習環境設計涵蓋活動、工具與資源、參與結構等要素；而黃榮懷等[16]所提到的智慧學習環境要素涵蓋學習資源、智能工具、學習社群和教學社群、學習方式、教學方式六要素；鮑賢清[17]認為場館學習環境設計實則是對人—環境、人—展品、人—交互的設計，并從物理環境、展品和活動三個層面分析了其要素；李志河等[18]認為實體場館（即本研究提到的線下—非正式學習環境）的要素應包括展品、展示空間和參觀者。學習環境設計的必然趨勢是走向虛實融合。

圖2 學習環境類型“坐標”

圖3 學習科學與學習環境設計

二 學習科學為什么要研究學習環境設計

20世紀80年代，為了更好地促進學習，認知科學家發起了“人工智能與教育”國際會議，探討人工智能的教育應用。1987年，美國西北大學成立學習科學研究所，與施樂學習研究所、范德堡大學的學習與技術中心、麻省理工Logo小組開始了技術支持的課程學習以及創新學習環境創設方面的研究[19]。1991年，第五屆“人工智能與教育”會議在美國西北大學舉行，會議聚焦“認知、設計和社會環境”三大主題，研討“學習究竟是什么，人是如何學習的”，理解人類學習的各個方面，并把這些理解應用于有效的學習環境設計中，以促進有意義的學習。學習環境設計既是學習科學的重要研究內容，也是學習科學的研究目標之一，是為了用學習科學的知識來重新設計已有的課堂及其它學習環境，從而促使學習者能夠更有效、更深入地進行學習。由此可見，學習環境設計在學習科學研究中具有重要意義。鐘志賢[20]認為學習環境設計的目的是促進高階能力發展，宗旨是有意義學習，路徑是支持有意義的學習，并提出了學習環境力——準確定位和發揮學習環境諸要素的角色和效力，將各要素的力量有機地協調起來，構成一種整合的力量，從而促進高階思維的發展，反映了學習環境設計和學習科學相互統一的關系。在此基礎上，本研究借助學習環境設計金字塔模型，來闡釋學習環境設計與學習科學的關系（如圖3所示）。學習環境是學習發生的場所，是學習科學的基礎，學習環境設計一方面表現在物理層面的硬件設計，另一方面體現為活動，二者共同促進學習的發生，從而促進高階能力——思維、素養和能力的發展。

三 學習環境設計研究的主要問題

學習科學的研究取向[21]包括整合認知心理學、教學設計、計算機信息技術、智能系統，整合認知神經科學、神經科學、認知科學、醫學和整合機器學習、工程技術、人工智能三大研究取向。學習環境設計的研究大致對應于“整合認知心理學、教學設計、計算機信息技術、智能系統的學習科學研究”這一研究取向[22]，注重真實教育情境的實體環境設計、學習交互設計。研究的主線涵蓋內隱學習與大腦（認知心理學）、非正式學習、正式學習等方面，利用學習科學來創建學習環境，并研究這些學習環境設計的效果如何推動理論的發展。鐘啟泉[23]認為學習環境的設計取決于四個焦點——學習者（誰）、教師及其他專家（同誰）、學習內容（學習什么）、設施與技術（在哪里、用什么）之間的力學與交互作用。李樹玲等[24]以2003～2007年美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）資助的項目為據，分析了美國學習科學研究的重點與熱點，認為受NSF資助的重點領域涵蓋：①虛擬協作學習環境的開發，包括在線沉浸式學習環境和智慧學習環境，借助自動感覺設備、數據科學等新興技術，主要探究學生在學習時認知和情感之間的交互；②非正式環境開發，包括博物館等學習場所的設計與建設、文化情境中基于藝術的學習環境；③非正式學習環境中的學習研究，包括學習形式和教學模式等。結合圖 2對學習環境的分類，本研究認為學習環境設計研究的主要問題包括：①課堂學習環境設計的相關研究，包括學習理論構建、認知和情感的交互等；②在線學習環境設計的相關研究，如沉浸式學習環境和智慧學習環境的設計與開發、在線學習形式等；③實體場館學習環境設計的相關研究，④虛擬場館學習環境設計的相關問題研究；⑤虛實融合環境設計的相關問題研究。

四 學習科學視角下學習環境設計的新挑戰

伴隨著技術的不斷進步，技術不再是一種邊緣參與的力量，而是融入到學習環境設計中，成為學習環境中的“自然”成員。學習科學視角下學習環境設計的新進展主要來自于技術驅動力，在這一技術要素的驅動下，今天的學習環境設計要服務于在未來社會能夠生存的人的發展，具體來說主要面臨三大挑戰：

1 人機共生的交互

人類社會正在發生第二次機器革命，目的是解放人的腦力。機器和人不是互補關系，而是替代關系。隨著人工智能的發展，重復性的工作將被機器所取代。在未來教育中，教師將與人工智能協同共存，復雜社會的生存將呼喚人機共生的思維方式[25]。隨著智能機器人的不斷涌現和普及，未來的生活將會是人機協同共生的生活方式，即機器做機器的事、人做人做的事；未來的教育也將是人機共生的教育模式[26]。學習是為未來的生活做準備的，學習環境的設計也同樣面臨這個挑戰。

2 反思學習的需求

“數字土著”具備與“數字移民”不一樣的特征，而“網絡世代”更是今天學生的常態，他們在游戲中長大，期待從教育媒體得到和玩游戲相同的交互體驗[27]。有報告顯示，大約50%的美國高中生認為他們老師的教學是不吸引人的，另有超過80%的學生認為教學材料是無趣的[28]；而在中國，長期的應試壓力使得學生缺乏學習動機和主體性，很多學生變成了“空心人”。過去我們的學生過多地依賴外在動機（如升學、獲得獎勵等）來學習，今后我們的學生會更多地依靠內在動機來學習，為考試而學變為為實現個人價值而學。在技術的支持下，學生能夠根據興趣選擇學習方式，根據自我發展需要選擇學習內容，也為學習環境的重新設計提出了新的要求。

3 創新創造的思維

創新是人類發展的不竭動力，創新驅動已成為我國的國家戰略，而“實踐創新”成為中國學生核心素養的六大素養之一[29]。當前教育領域風生水起的“創客教育”就是創新意識和創新思維在學校教育中的強勢回歸，在“做中學”、“玩中學”中培養學生實踐動手的創造能力。同時，學生正逐步從知識的消費者變為知識的創造者，并行的知識消費和知識創造使得創新思維的培養格外重要。學習科學關注的“如何促進有效學習”的研究內容也需要從創新思維的培養中尋找一些支撐。

五 結語

學習環境設計特別是新技術支持的學習環境設計，必將成為學習科學研究的重要選題。伴隨著人工智能技術、VR、AR的不斷發展，學習環境越來越智能化，未來學習環境中的學習呈現出虛實結合、人機結合、身心結合的趨勢。基于大數據的學習行為、學習機制甚至學習本質的研究，將成為學習環境設計關注的重要內容。伴隨著學習環境越來越智慧、學習數據越來越豐富，“人是如何學習的”這一問題必將產生新的答案。

[1][美]喬納森,蘭德編.徐世猛,李潔,周小勇譯.學習環境的理論基礎(第二版)[M].上海:華東師范大學出版社,2012:1-4.

[2][法]安德烈·焦爾當編.杭零譯.學習的本質[M].上海:華東師范大學出版社,2015:4.

[3]陸根書,楊兆芳.學習環境研究及其發展趨勢述評[J].高等工程教育研究,2008,(2):55-61.

[4][8][20]鐘志賢.論學習環境設計[J].電化教育研究,2005,(7): 35-41.

[5][24]鐘啟泉.學習環境設計:框架與課題[J].教育研究,2015,(1) :113-121.

[6][16]黃榮懷,楊俊鋒,胡永斌. 從數字學習環境到智慧學習環境——學習環境的變革與趨勢[J].開放教育研究,2012,(1) :75-84.

[7]楊現民,駱嬌嬌,劉雅馨,等.數據驅動教學:大數據時代教學范式的新走向[J].電化教育研究,2017,(12):13-20、26.

[9]楊南昌,劉曉艷.學習環境的社會結構設計[J].遠程教育雜志,2010,(2):19-23.

[10]張劍平,許瑋,楊進中,等.虛實融合學習環境:概念、特征與應用[J].遠程教育雜志,2013,(3):3-9.

[11]Brown, Ann L. Design experiments: Theoretical and methodological challenges in creating complex interventions in classroom settings.[J]. The Journal of the Learning Sciences, 1992, (2):141-178.

[12]Collins A. Cognitive apprenticeship [A]. Sawyer R K, Cambridge handbook of the learning sciences[C]. New York:Cambridge University Press, 2006:47-60.

[13]P Cobb,K Mcclain. Guiding Inquiry-Based Math Learning[A] .Sawyer R K , Cambridge handbook of the learning sciences[C]. New York: Cambridge University Press, 2006:171-186.

[14]Edelson D C, Reiser B J. Making authentic practices accessible to learners: Design challenges and strategies[A].Sawyer R K, Cambridge handbook of the learning sciences[C]. New York: Cambridge University Press,2006:335-354.

[15]Sandoval W A. Developing learning theory by refining conjectures embodied in educational designs[J]. Educational Psychologist, 2004,(4):213-223.

[17]鮑賢清.場館中的學習環境設計[J].遠程教育雜志,2011,(2):84-88.

[18]李志河,師芳.非正式學習環境下的場館學習環境設計與構建[J].遠程教育雜志,2016,(6):95-102.

[19][21]任友群,詹藝.國內外學習科學領域建設、研究進展及發展趨勢[J].中國教育科學,2013,(2):95-113

[22]尚俊杰,裴蕾絲.發展學習科學若干重要問題的思考[J].現代教育技術,2018,(1):12-18.

[24]李樹玲,吳筱萌,尚俊杰.學習科學研究的重點領域與熱點探析——以 2003～2017年美國國家科學基金會資助項目為據[J].現代教育技術,2018,(2):12-18。

[25]余勝泉.人工智能教師的未來角色[J].開放教育研究,2018,(1):16-28.

[26]郝景芳.未來教育發展的方向是人機共生[OL].

[27]Squire B,Giovanetto L ,Devane B, et al. Building a self-organizing game-based learning environment[J]. TechTrends,2005, (5):34-74.

[28]Yazzie-Mintz E. Engaging the voices of students: A report on the 2007 & 2008 high school survey of student engagement[OL].

[29]林崇德.中國學生核心素養研究[J].心理與行為研究,2017,(2):145-154.