有效智慧學習環境的設計框架

熊秋娥

（南通大學現代教育技術中心，江蘇 南通 226019）

1 引言

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

2 智慧學習環境的定義

在《教育改革詞匯》中，學習環境是指學生學習的不同地理位置、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習環境進行過論述：“學習環境指的是一個場所，這里的學習者可以互相合作，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，共同達到學習目標[2]。”1997年，Chin指出：“智慧學習環境是在信息和通信技術應用的基礎上形成的以學習者為中心的環境，它具備以下幾個特點：(1)適應不同的學習方式和學習者的學習能力；(2)支持學習者的終身學習；(3)為學習者的發展提供支持[3]。

鐘國祥等提出，智慧學習環境是指數字虛擬現實學習空間，它以學習者為中心，具有智慧、開放、集成的特點。他們認為，設備、工具、技術、媒體、教材、教師、學生等是智慧學習的核心要素，這些核心要素應該按照建構主義、混合學習理論，以及現代教學理論來組織[4]。

Hwang(2014)從上情境感知的泛在學習的角度提出了智慧學習環境的定義。從情境感知泛在學習的視角看，情境涵蓋學習者與環境之間的互動；因此，“智慧學習環境”是一種技術支持的學習環境，能根據學習者的需要，在適當的地點和適當的時間提供適當的支持(例如，指導、反饋、提示或工具)，通過分析他們的學習行為、表現以及他們所在的在線和真實世界環境來決定[5]。

黃榮懷教授等人從技術實現的角度，將智慧學習環境看成一種物理環境，憑借數字、情境感知和自適應設備，可以做到使學習更好更快。在技術支持下，智慧教室成了教師和學生可以擁有豐富的教學和學習經驗的地方，而這種學習環境他們以前從未體驗過[6]。

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

3 智慧學習環境的特點及功能模型

3.1 智慧學習環境的特點

智慧學習環境的概念符合將形容詞“智能”添加到各種現有現象的傳統，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，智能學習環境可以被看作是大大改善了的學習環境，以促進更好和更快的學習。那么，智能學習環境有什么特點呢？

首先，它必須向學習者的物理位置添加一個或多個數字化設備；其次，數字化設備能夠感知學習者的位置、語境和文化；再次，數字化設備為地點、環境和文化添加了學習功能，如提供(增強的)信息、評估、遠程協作、前饋、反饋等；而且，數字化設備能夠監視學習者的進展，并向利益相關者提供適當的信息。因此智能學習環境是敏感的，對個體學習者的行為具有適應性。

簡而言之，智慧學習環境能實現物理與虛擬環境相結合、實現學習的個性化和泛在化。它是普通數字化學習環境的高端形式，是教育技術發展的必然結果。

3.2 智慧學習環境的功能模型[7]

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

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

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

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

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

圖1 智慧學習環境的功能模型

4 有效智慧學習環境的設計理念

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

人類的學習是個復雜的過程，行為主義、認知主義、建構主義等不同的學習理論流派對學習存在不同的解釋。Koper認為，人類通過感官(輸入)和行為(輸出)與外界交流。在設計智能學習環境時，學習環境必須提供正確的輸入和監控輸出，以刺激或促進學習過程。在通常的學習交互界面中，包含了一種干預機制，它為感官提供輸入，觀察監視人的行為和身體狀態，觀察監視物理環境的變化。為了控制學習走向特定的學習目標，應該預設一個目標，最后將觀察結果與目標進行比較，從而引導干預。在智慧學習環境開發前，應根據不同的學習類型，設計不同的人類學習界面，開發出有效的智能學習環境[8]。如圖2所示。

圖2 通用人類學習界面框架

基于認知的核心概念“表征”，Koper把學習分為物理環境的識別和社會環境的識別學習、創造性學習、實踐性學習、反思性學習五類。根據這五種不同的學習類型，引入不同的學習干預機制，創建不同的人類交互學習界面，據此開發出有效的智能學習環境。

4.1 識別性學習智能環境

識別是一種學習機制，當你遇到新情況時，你需要通過經驗和行動來學習。它基本的學習活動包括：對刺激的探索、識別、區分和概括、標記(組)刺激、建立對未知刺激的行為(危險、偶發事件、規則、啟示)的知識、創建心理地圖(模式的)環境，在情境中行動和解決問題。

這類學習可以引入一定的干預機制，如給學習者提供一個模擬的或真實新情況，促使學習者以適當的方式做出反應。要創建使用識別性學習的智能學習環境，最重要的是要識別代表學習者需要處理的設置好的典型情況。

4.2 社會性學習智能環境

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揮作用所必需的。班杜拉認為，社會化的基本學習機制是觀察性學習或模仿，如模仿姿勢、手勢、面部表情和大量與語言相關的現象。

這類學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的方式做出反應。

對于智能學習環境，社會化帶來的挑戰是不僅要支持人們之間的直接交流，還要協調社會化過程的間接交流，尤其是非語言行為，包括面部表情。這類學習環境，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 創造性學習智能環境

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

這類學習環境在建設時應該支持在創建過程之前、期間和之后的學習，并包含物理和數字化元素，使人能夠學習，監測以及適應干預。

4.4 實踐性學習智能環境

實踐性學習可以在現實也可以在游戲中完成，使用實踐性學習環境的例子有經典的演練實踐程序以及互動游戲。在智能學習環境中，實踐設備應該具有情境感知能力和適應性，例如，GPS運動手表可以用作數字反饋設備，以得到更好的學習表現。

4.5 反思性學習智能環境

反思性學習是指反思問題和解決方案的重構、結果的評估、決策制定、戰略制定、自我調節、深度學習。這包括推翻以往的經驗，嘗試新的想法，創造性的洞察力，通過從錯誤中學習來適應認知技能，以及從一種信仰到另一種信仰的轉換等。

反思性學習是一種元學習機制，這意味著一個專注于識別的智能學習環境，還應該包括練習和反思的設施，以刺激學習者更快更好地學習。

總之，一個有效的智能學習環境，應是給學習者的物理位置添加一個或多個數字設備，用以增加學習功能，增強虛擬場景，增加促進監測和評估學習者進步的設施，提供適當的信息給利益相關者的設施；它至少支持識別、社會化和創造學習中的一種，也支持實踐和反思性學習；它能觀察學習者的位置、背景、偏好、身心狀況和文化，并根據相關觀察調整干預措施，實現預定的學習目標。

5 智能學習環境的模塊框架

一個有效的智慧學習環境要適合不同的學習類型或者學習組合，具有最小的情境感知，最小適應性，并具有最低限度的個性化，這是系統開發人員實施智慧學習環境的基本標準，在技術實現上，智慧學習環境通常包括以下模塊：

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

(2)學習性能評價模塊。這個模塊用來測試評估和記錄學習者在網絡空間或者真實世界的表現。對于一個真實世界的測試，學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)自適應學習任務模塊。該模塊根據各學科的學習進度、學習成績、個人因素和學習目標，將學習任務分配給學習者。學習任務可以是一個在線查詢任務，使學習者在網絡上搜索信息，或現實世界的調查任務，要求學習者觀察真實世界的目標，提出問題，搜索環境，提出假設，并提出問題的答案。在這個模塊的幫助下，學習者總是通過考慮他們的學習狀態和個人因素在適當的地點和適當的時間從事最可行和最重要的學習任務。

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

(5)個人學習支持模塊。該模塊依據學習者需求為他們提供必要的學習支持。學習支持可以是學習任務或學習內容的指南，是學習任務的提示，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習。為了確定提供什么樣的支持，需要考慮學習任務和學習內容的特征以及學習者的學習表現、個人因素和現實狀況。

(6)數據庫模塊。用于保存學習者簡介、學習檔案、學習單（即呈現每個學科單元或學習主題的學習任務的表格）、學習材料、測試項目和學習工具。這些數據庫中的數據對學習系統來說是非常有幫助的，在適當的地方和適當的時間為學生提供適當的支持。例如，在學習組合數據庫中保存學生的學習進度、作業、評估結果以及它們與同伴和學習系統的交互等等。通過分析學習檔案中的記錄，學習系統掌握個別學生的技能，從此分配給他們最合適的學習任務，以及一些推薦的策略或工具。

(7)推理引擎和知識庫。用于確定候選學習任務的“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知識以及經驗的集合。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則，通過分析當前的情況（即學生的狀態和環境）來做出決定。

6 結束語

近年來，智慧校園的建設正緊鑼密鼓地進行著。綠色、智能、共享的智慧學習環境是教育信息化的現實需求。在信息化建設過程中，如何推進新興的教學方法和技術的創新應用、設計和實現智慧學習環境等問題，需要來自教育、計算機科學、心理學和工程學等多學科研究人員的共同努力。在智慧學習環境建設中，實現學習的個性化是智慧學習環境設計的基本原則，良好的用戶體驗是第一需要。當然，在智慧學習環境中，教師群體是智慧學習環境的重要元素。教師的角色轉變，以及基于整合技術的教學實踐至關重要。