新工科背景下智能學習環境構建的探究

張文華

摘? 要：課堂教學是課程實施的具體過程，學習環境是課堂教學的一個重要組成部分。目前工科大專院校的課堂教學主要在教室和實驗室進行，這種傳統的教學環境導致了教學形式的單一化、學習方式的同質化、評價方式的機械化等問題。隨著“新工科”課程建設的不斷深入，建立與之相配套的學習環境，成為新工科課程能否有效實施的一個關鍵。智能學習環境的構建是未來發展的一個方向，結合當下廣泛應用的教育技術，可以從智能設備的增加、智能交互的構筑、模擬場景的建立等三個方面進行智能學習環境的建構。

關鍵詞：學習環境;智能學習;新工科;教學改革

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2020）43-0051-03

從吳愛華等人第一次提出“新工科”概念，到之后的“復旦共識”“天大行動”，再到教育部在北京召開“新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議”之后形成的“北京指南”，這一系列的事件表明我國的高等工程教育研究進入到一個以“新工科建設”為核心的嶄新階段。課堂教學是課程實施的具體過程，學習環境是課堂教學的一個重要組成部分。因此，隨著“新工科”課程建設不斷深入，建立與之相配套的學習環境成為新工科課程有效實施的關鍵。為此，本文針對傳統教室的不足，結合智能學習的相關理論，就新工科學習環境的構建提出一些設想和建議。

一、有效教學的前提：學習環境

課堂教學是學校教育最主要的活動之一，是向學生輸送知識的主要渠道。在過去的教改研究中，學界主要聚焦在教學主體的探討，在確立了“學生是教學的主體，教師是教學的主導”這一關系后，一部分學者開始對教學的環體即學習環境進行研究。學習環境是“學習者的周遭外界” [1]，是一個由多種要素構成的復合體，是影響課堂教學質量和效果的主要因素之一。學習環境一般分為學校部分與課堂部分兩塊，前者主要集中在學風建設、課程設置、培養方式等學校教育的宏觀層面，后者則是課堂教學的一個組成部分，是課堂教學實施的具體環境，以學校的物質條件為基礎，為教師的授課內容而服務。

學習環境包含了人（教師、伙伴等）與物（黑板、桌椅、教材等）兩個方面的要素，二者相互影響、有機統一。例如，傳統的紙質教科書，對知識基礎“層次不齊”的同學們提出了“整齊劃一”的知識，必然影響教師的“因材施教”。在確立了學生的主體地位后，學界的視角從“教師怎么樣教得好”轉變到了“學生怎么樣學得好”，在課堂教學中主要有“傳遞式”和“建構式”兩種模型。當前的研究表明，傳遞式的教學主要適用于講座或大型公共課等場合，而對于人數較少的專業課則效果有限，教師更應采取建構式的方式來完成教學。因為“學得好”的標準不僅局限于學生對概念、公式、理論等基礎知識的了解與背記，當前的教育思想更希望學生在課堂上能自主完成知識的建構與內化，在課程中能逐步形成一套完整的方法，因此研究者越發認識到課堂教學“有效”的標準。特別是在大學階段，教學目標不只在于整堂課知識量的大小，更在于學生是否有參與、內化的過程，最后是否能形成相關的技能和思維。

對教學主體的討論，實際上也是一次對課堂教學意義的再認識，從最早的“知識灌輸”到后來的“知識建構”，再到今天普遍贊同的“情景認知”，學界對課堂教學的認識在不斷加深，教學要求也在不斷加大。情景認知理論認為知識不只是符號或理論而已，而是人與社會或自然環境互動的產物，而受教育者只有在一定的情景下，才能真正掌握住相關的知識，做到知行合一。因此，外部環境的構建對于課堂教學非常重要，因為“情境學習認為在特定情境中獲得的知識比所謂的一般知識更有力和更有用， 要求知識在真實的環境下呈現” [2]。特別在“新工科建設”背景下，傳統的教學模式已經不能滿足新工科人才培養的需要，從教學環境上看，傳統的教室環境有時反而會成為教學設計的一個阻礙因素，影響教學的有效性。

二、“新工科”背景下傳統教室的困境

工程學科是一個由數學、物理學、化學等學科組成的復合學科。在過去人們的傳統印象中，科學的發展帶來了人類生活的進步，特別在中文語境中，科學家往往比工程師更能帶給人成就感和尊嚴感。實際上用更細的眼光觀察會發現，每一次科學的進步最終都是以技術或產品的形式回饋社會的，“世界范圍內以人工智能、大數據、生命科學與生物技術、新材料、新能源等為代表的新科技革命和產業變革正加速到來，必將深刻地改變世界的經濟形態和產業結構，進而深刻變革人類的生產生活方式，技術的創新也必然帶來對新工科建設和工程教育創新的強烈需求?！?[3]新技術的出現點燃新的經濟熱點，而新產業的發展需要工程教育培養與之相適應的人才來支撐，“新工科”的任務就是要做好第四次工業革命的開路先鋒，為“中國創造”和“中國制造”提供技術與人才。

目前工科大專院校的課堂教學主要在教室和實驗室進行，隨著社會的發展，這種傳統的教學環境已經逐步暴露出一些問題。

1. 教學形式的單一化?！袄蠋熤v學生聽”是過去課堂教學最主要的形式，這種形式不利于教師情景的模擬和學生知識的構建。新經濟需要的人才不僅要有扎實的專業知識，更要有一定的綜合能力和人文素養，這些素養和能力主要在情景中獲得。由于傳統教室的桌椅板凳都是固定的，阻礙學生的流動與溝通，與真實的工作環境差異較大，不利于教師教學的組織，例如探究式教學的進行，也不利于學生團隊合作的充分展開，因此在此條件下展開的小組學習往往流于形式，不能引起真正的頭腦風暴。誠然，團隊中學生們的爭論也許是淺顯的，但這樣的氛圍正是日后工作環境的真實模擬，而企業中項目或產品的設計往往都以團隊為基本單位，所以情景的模擬不僅能緩解單槍匹馬式學習的枯燥與乏味，也是對學生表達、協作、領導等綜合能力的鍛煉，讓學生提前感受“工程師”生活，增加他們的就業競爭力和職場能力。

2. 學習方式的同質化。在傳統教室的課堂教學中，教師通過投影播放幻燈片傳遞學習內容，學生再以教科書的勾畫和筆記來鞏固，這種傳統的講授式學習不但會降低學生的積極性，而且固化了學習方式和學習內容。新工科的“新”在于探索和研發新技術，以此來滿足新經濟和新行業發展的需要，而教科書的編寫、出版有周期性，一般會慢于技術的更新，此時需要教師在授課過程中及時補充，而新工科的內容不僅要讓學生看得到，更要讓他們能“摸”得到，所以新工科課程下的學習環境不能再停留在紙上談兵的階段，而應該配備最新的技術成果，讓學生有實操的機會，鍛煉他們的動手能力和創新能力。

3. 評價方式的機械化。新工科要求培養學生“做”的能力，這種實際的動手能力是一種準技能，在學生參加工作之后能快速轉化為工作能力，“做”的能力主要從實踐獲得，有時甚至需要手把手地點撥。而傳統教室的課堂教學讓教師無法對學生的學習過程有實時的把握，教師難以及時給予學生指導，講授為主的教學方法最后只能用紙筆考試來進行評價，這就與新工科課程強調動手能力背道而馳，因為歸根到底這是一種“寫”而非“做”的能力，不符合市場和用人單位實際的需求。“現有的工程教學評價方式主要是以學分、成績的‘供給’為導向，而非以畢業出口的‘需求’為導向?！?[4]新工科背景下，不能再單純地以試卷分數來評價學生，應該更多地通過學生的設計和作品來考察他們的學習效果。

由此看來，過去傳統的教室、實驗室環境已經不能完全滿足新工科建設的需要，而智能學習環境的構建，是未來發展的一個方向。

三、智能學習環境的框架設計

隨著社會經濟的發展，智能技術開始被廣泛地運用到教育領域中，為課堂教學提供全面的支持。結合當下廣泛運用的教育技術，可以從三個方面著手進行智能學習環境的建設。

1. 智能設備的增加。智能設備是智能學習環境構建的基礎，設備是技術的載體。在目前講臺、黑板和投影儀的基礎上，學?？梢栽黾又悄茉O備，對傳統教室進行武裝，來實現教室功能的多元化，為課堂教學提供幫助。例如，可以使用物聯網技術，讓教師能對學習環境的濕度、溫度和亮度進行調整以達到教學的最適宜狀態。再如，可以引進人臉識別技術，完成到課情況的智能管理，節省上課時間，記錄學生學習情緒。

2. 智能交互的構筑。智能交互是智能學習環境構建的關鍵，“物”要素最終是為“人”要素服務的，良好的師生、生生互動是一堂好課的關鍵。例如引進行為感知技術后，教師可以通過后臺對學生在設備上的行為進行大數據分析，以此來找到學生的興趣點和學習難點。再如，利用移動互聯技術，師生可以通過平板等設備進行全方位的交流，包括重點內容的操演、學生方案的展示、實時提問等，這比傳統的語言交流信息量更大，也更加容易被學生吸收。

3. 模擬場景的建立。模擬場景的建立是構建智能學習環境最主要的目的之一，通過人工智能和虛擬現實等技術建立數字化的學習環境，可以為學生提供視覺、聽覺甚至是觸覺的模擬，營造一個和工作環境相似的場景，讓他們有“身臨其境”之感。這種學生和未來工作設備、實際問題的提前接觸，是過去傳統教室所不能比擬的，可以大大提高學生學習的沉浸感，激發他們主動學習的興趣，也為他們提供了實操的機會。

需要指出的是，智能學習環境的具體構建需要一定的實際條件做支撐，而各校的具體情況是不同的，“不可否認的是，教室作為當下時代最重要的學習環境的一部分，確實發揮著無可替代的作用，承載著教師的教學活動和學生的學習活動，但隨著智能技術的發展，類似于教室這類較為固定范式、可轉換性較差的實體空間是否會永存，這是一個值得爭議的話題?！?[5]怎樣在理想和現實之間找到平衡，結合各校實際情況構建智能學習環境，為新工科課程提供開花結果的土壤，是一項值得研究和建設的長期工程。

參考文獻：

[1] 鐘啟泉. 學習環境設計：框架與課題[J]. 教育研究，2015，36（01）：113-121.

[2] 余勝泉. 從知識傳遞到認知建構、再到情境認知——三代移動學習的發展與展望[J]. 中國電化教育， 2007（06）：7-18.

[3] 趙繼，謝寅波. 新工科建設與工程教育創新[J]. 高等工程教育研究，2017（05）：13-17+41.

[4] 祝士明，郭琰. 智能教育背景下新工科教學改革：框架設計與實施路徑[J]. 高等工程教育研究，2019（06）：155-161.

[5] 逯行. 基于智能技術的“新工科”研究生學習環境設計研究[J]. 研究生教育研究，2019（05）：26-30.

（薦稿人：楊紅光，電子科技大學成都學院副教授）

（責任編輯：王強）