學習科學視角下的職業教育教學

陳高偉 張嘉虹 尚俊杰

摘 要 學習科學領域經過三十余年發展，其范疇涵蓋多種學習技術和學習理論。目前，學習科學在輔助高等教育教學中已取得一定成果，但在我國職業教育領域中的探索仍較為缺乏。我國擁有世界上最大的職業教育體系，然而其現代化水平還有待進一步提升。鑒于此，我國可以從學習科學的視角出發，把建構主義學習理論中的認知學徒制和學習分析相結合，作為提升現代職業教育的策略與路徑。將學習科學應用到職業教育教學中的具體實施步驟是：理論研究、實地調研、技術開發、實驗研究、改善與優化。以職業院校文秘專業為例，運用建構主義認知學習理論中的認知學徒制和學習分析相結合來設計和開發相應的學習分析產品，具有一定的可行性。

關鍵詞 學習科學;學習分析;建構主義學習理論;認知學徒制;職業教育教學

中圖分類號 G712 文獻標識碼 A 文章編號 1008-3219（2020）28-0020-07

一、研究背景和問題

學習科學（learning sciences）是一個關于教與學的跨學科研究領域，涉及教育學、腦科學、心理學、信息科學等諸多方面[1][2]。經過30余年的發展，學習科學的范疇涵蓋多種學習技術和學習理論[3]。目前學習科學在輔助高等教育教學中已取得一定成果[4]，然而，其在中國職業教育領域中的嘗試與探索仍較為缺乏。因此，本研究集中探討建構主義學習理論中的認知學徒模式（cognitive apprenticeship）和學習分析（learning analytics）對職業教育教學的啟發和作用。

改革開放以來，我國職業教育發展迅速，取得較大成就。截至2018年，我國職業院校達1.17萬所，在校生人數達2685.5萬人[5]，建成了世界上最大的職業教育體系，為我國經濟社會發展提供了充裕的人力資源。然而，與發達國家相比，與建設現代化經濟體系、建設教育強國的要求相比，我國職業教育還存在一系列問題，比如體系不夠完善、職業技能實訓基地建設有待加強、制度標準不夠健全、企業參與辦學的動力不足、有利于技術技能人才成長的配套政策尚待完善、辦學和人才培養質量水平參差不齊等[6][7]。此外，由于職業院校學生生源具有多樣性，造成其知識結構層次不一，學習動機普遍較低，學習主動性和能動性不強[8]。因此，2019年國務院印發的《國家職業教育改革實施方案》明確提出，“職業教育與普通教育是兩種不同教育類型，具有同等重要地位”，并強調“沒有職業教育現代化就沒有教育現代化”。

由于低質量的職業教育教學和培訓無法適應市場的需求，全球許多國家嘗試通過改革和轉型以提升職業教育的質量。目前全球范圍內職業教育發展良好的國家如澳大利亞、德國、瑞士和丹麥等都采用了完善的學徒制。以德國為例，德國政府在2005年正式通過《職業培訓法案》，強調通過采用實踐性的“雙軌制”（學徒學習模式），即企業和職校合作共同培養企業所需的技能人才，職校生同時具備在校學生和企業學徒雙重身份，以增強職業教育的實踐性[9]。雖然各個國家的改革策略有所不同，但改革和轉型的策略大體一致。首先，深入調研企業和組織，制定能力標準;其次，依據能力標準構建相應的課程和評價體系;最后，識別學生已學的知識和技能，并培養工作場景所需的新知識、新技能和新態度。與世界各國的職業教育發展趨勢相似，目前中國各大城市均在進行相關的職業教育教改和轉型。為進一步辦好新時代職業教育，國務院要求各省市相關機構認真貫徹執行《國家職業教育改革實施方案》，把職業教育擺在教育改革創新和經濟社會發展中更加突出的位置， 大幅提升新時代職業教育現代化水平，為促進經濟社會發展和提高國家競爭力提供優質的人才資源支撐。

近年來，信息技術的發展對教育產生了深遠影響，各種技術支持的教育模式在大學、中學、小學及職業教育中扮演著越來越重要的角色，人們希望借助新技術實現教育變革和教育現代化[10]，加快教育信息化進程，以教育信息化帶動教育現代化已成為推進我國包括職業教育在內的教育改革發展的戰略選擇[11]。2016年12月，我國印發的《技工教育“十三五”規劃》明確指出：“全面加強技工院校信息化建設，提高課程教學質量。”《國家職業教育改革實施方案》亦提出遴選認定一批職業教育在線精品課程，建立一批教材、新型活動頁、工作手冊式教材等，并配套開發信息化資源。

鑒于此，本文從學習科學的視角提出以前沿學習分析結合建構主義學習理論的方式探究現代職業教育中的教學策略和路徑，提高教師的教學質量，增進學生學習的積極性，及其對學科知識和技能的理解及操作，以適應我國蓬勃發展的新產業結構和新興科技。具體來說，本研究將整合基于職業教育教學過程的學習分析方法，創新性地將其與建構主義學習理論中的認知學徒制相融合[12][13]，在真實教學和師生互動情境下，提供證據支持和個性化反饋促進學生的反復示范、教導、支持輔助、闡明、反思及探索等各種認知活動，從而增強學習者的自我監控、調節、實踐與反思能力，提高教學和學習效果。

二、學習科學對職業教育教學的價值

隨著信息技術的快速發展，把學習理論在教學上的應用與教育技術特別是學習分析技術相結合，來推動知識和技能的教學，是當前國際學術研究的前沿和熱點[14]。本部分探討建構主義學習理論中的認知學徒模式和學習分析在職業教育中的應用，分析在學習科學視角下如何將其有機結合以促進職業教育教學發展。

（一）建構主義學習理論中的認知學徒制

學習科學中一個值得關注的理論是建構主義學習理論。建構主義學習理論強調產生學習的社會互動環境及學習主體的認知知識水平。其代表理論如社會文化互動理論[15]及情境學習理論[16] 都闡述了“學習是通過情境活動中的社會互動產生的”這一論點。這種社會互動一般具有明確的目的和意義，互動交流者以話語為媒介的協作往往對學習成效有著積極影響。在這一理論框架下，建構主義學習理論中的認知學徒制更進一步闡述了關于初學者學習復雜技能所需要符合的隱性的認知過程[17][18]。

認知學徒制倡導在模擬真實場景的教學中，教師通過與學生互動呈現包含認知過程的信息。學生從專注知識和技能的聽講到在教師的指導下及互動中采取反復的示范、教導、支持輔助、闡明、反思及探索等認知活動來促進學習中的自我監控與調節，提高實踐與反思能力，把隱性被動的知識傳輸轉化為顯性的技能掌握和內化，以確保知識得到長久保留和技能實踐水平得到提高。Brown， Collin和Duguid同時指出，在認知學徒制的這六個環節中，前三個（即示范、教導、支持輔助）是提高元認知水平的核心關鍵環節，而之后的兩個環節（即闡明和反思）是幫助初學者學習內行專家們分解任務及解決問題所采取的策略，最后一項環節（即探索）是讓學習者漸漸掌握獨立的發現問題和解決問題的實踐能力。而下節所述學習分析則可為認知學徒制中的這些認知環節提供基于數據分析的證據支持和個性化反饋，把以前需要肉眼觀測的技術細節可視化、把學習者所處的認知過程個性化，然后反饋給教師及學生本人。因此，可以看出，認知理論對于指導教學特別是職業教育教學具有很實用的價值。

建構主義學習理論和認知學徒制對于職業教育教學有很大的指導意義。國外同行在這一領域開展了很多實證研究，包括以模型為中心對隱性知識技能展開的教學法[19]、對錯誤問題的內部結構分析及提供正確解法心理圖譜的專家模型[20][21][22]，以及廣泛應用在醫學教育領域的以問題為導向（Problembased Learning， PBL）的學習法等[23]。國內學者也紛紛呼吁把認知學徒制引入我國職業教育課堂，這對于加強高職院校學生職業技能培養特別是實踐和動手能力培養以及現代職業教育發展具有重要意義[24][25][26]。

（二）學習科學中的學習分析

學習科學中另一個重要分支是學習分析。學習分析通過對關于學習者、學習過程和學習環境數據的界定、收集和分析，從而理解、優化學習過程和促進學習環境的改善，并提供基于學習者特征的個性化反饋[27]。學習分析技術和工具可對學習過程中的各類型復雜數據進行收集、挖掘、整理、分析、提取和可視化，并提供基于證據的個性化反饋，以便學習者通過操作和互動加深自我學習管理和理解，增強頭腦記憶效果、達到學習的最優成效。學習分析可以處理教學中的大文本、時間序列、碎片化、語音、視頻等數據，甚至是多維度集合數據。其可以大大縮減手工整理數據產生的工時并幾何數目地增加數據歸納整理能力，使之前以人工肉眼及憑借感覺來產生決策的過程變成了客觀高效及以數據為基礎的實時信息操控過程。

近年來，利用學習分析開發教育產品并指導教學實踐已經引起教育界的極大關注。比如，美國伍斯特理工學院的賈尼斯·格伯特博士團隊使用學習分析的理念和技術促進學生對于物理、生物、地球科學等領域的探究式學習。其中，學習過程中實時產生的大數據能夠被自動記錄并經由算法自動分析，進而實時生成報告提供給教師和學生以改善教學過程[28]。加拿大西蒙弗雷澤大學的菲爾·溫內及其研究小組研發了一個用于追蹤和支持網上自主學習的在線工具nStudy[29]。nStudy能夠自動收集學習者在線學習活動信息并及時加以整合和分析，將結果有針對性地反饋給學習者，幫助學習者及時、有效地調整自主學習過程。其他較為流行的用于改善網上教學的學習分析和可視化工具包括ReaderBench[30]、MIAT[31]（多維交互分析工具）以及 Personal Learning Environments[32]等。學習分析技術和工具已越來越多地應用于教學中，以改善教學過程和學習效果。

（三）建構主義學習理論、認知學徒制和學習分析的結合

上述學習科學中的建構主義認知理論和學習分析各有所長，若創新性地將這兩個領域的知識結合起來，使之相輔相成，對現代職業教育的教學有積極的指導意義。一方面，認知理論從職業教育教學的過程與環節著手，闡明了學生對學科知識和技能的理解及操作所需的步驟;另一方面，學習分析技術和工具能夠應用計算機及數據分析優勢，對認知學徒制所倡導的各個需要反復示范、教導、支持輔助等的認知環節提供信息和幫助，促進學生對學習過程的了解，增強他們的自我監控、調節、實踐與反思能力，并切實提高教師的教學質量、增進學生學習的積極性。

因此，在學習科學的視角下，將認知學習理論與學習分析相結合也促成了國內外一些新型學習科學教學產品的誕生，成為目前國際教育研究和實踐的新熱點，受到各類教育科研機構的關注。比如，美國卡耐基梅隆大學研發的利用學習分析理念設計的數學自適應練習系統[33]、法國科學家斯坦尼斯·德阿那（Stanislas Dehaene）博士團隊開發的依據認知神經理論的數感訓練游戲[34]、我國香港大學王敏紅博士團隊開發的應用在醫學教育中的認知學習可視化匹配工具[35]等，均采納了把學習的認知心理操控過程與學習分析技術相結合的路徑，來幫助學生取得良好的學習效果。

然而，以上這些教學產品盡管應用了認知理論和學習分析所長，但他們普遍都是為中小學基礎教育而開發的。目前針對職業教育知識和技能學習的特點，為職業教育教學所設計的學習分析工具較為罕見。因此，本文旨在討論如何填補這一空白，主要研究思路是從認知理論與學習分析結合的教學設計原理著手，闡明如何在這一交叉領域探索出既符合建構主義認知學習理論，又符合本地職業教育情況的學習分析模型和工具，為我國職業教育現代化的推進貢獻力量。

三、基于建構主義學習理論、認知學徒制和學習分析的職業教育教學運用策略

雖然各國在提升職業教育質量方面所采取的路徑各不相同，但基本策略大體一致：首先是深入調研企業和組織，制訂能力標準;進而依據能力標準構建相應的課程和評價體系;同時識別學生已學的知識和技能，并培養工作場景所需的新知識、新技能和新態度[36]。在此大的原則策略背景下，本研究認為，把認知理論和學習分析應用到職業教育的教學中，可以采取五個步驟及相應的研究思路與方法，見圖1。

第一步為“理論研究”階段。采用文獻追蹤和案例分析等方法深入研究職業教育的教學特點、充分歸納和總結學習分析的類別及特點，從而對職業教育中的學習分析需求有充分的把握。在此基礎上，深入學習和研究建構主義相關理論、認知學習理論中認知學徒制的基本原理及其應用情況，從而對教學的認知過程及策略有良好的把握。綜合上述理論研究為后期設計和開發“以學習分析來輔助相關專業（如數學、光機電一體化、汽車維修、國際商務等）的教學過程”之產品作好充分的理論和技術準備。

第二步為“實地調研”階段。采用文獻追蹤、專家訪談、實地觀察調研、案例分析等方法深入調研特定行業和專業的企業與市場的需求、信息化需求、職校教師教學質量現狀和職校生學習特點，研究如何將建構主義認知學習理論（如認知學徒制）和學習分析結合運用到“以學習分析來輔助相關專業的教學過程”之產品的設計和開發中。

第三步為“技術開發”階段。結合調研所得的第一手的資料，結合建構主義認知學習理論（如認知學徒制）的基本原理與步驟，選擇或開發相應的學習分析技術，設計與開發“以學習分析技術來輔助相關專業的教學過程”之產品，并結合學科特點選擇相應的教學實施模式。

第四步為“實驗研究”階段。將所設計開發的“以學習分析來輔助教學過程”之產品應用于師生互動的實際教學及其它情境中，以期支持教師教學并幫助學生增強對知識的學習和實踐操作技能，同時借助實驗檢測教學成效及師生心理和技術的適應性。為檢驗教學產品的教學效果，可設計準教學實驗[37]，讓實驗組教師接受相關培訓、學生接受教學產品輔助的教學;而控制組學生則接受傳統的教學。通過對實驗組和控制組實行課例錄像及課例數據分析，來檢驗學習分析產品的成效（如考察教師教學效果和學生學習參與度和積極性等指標），根據結果改善教學模式。

第五步為“改善與優化”階段。在理論和應用的基礎上，總結學習分析及認知理論（如認知學徒制）在職業教育相關專業教學中的價值、潛力、策略及存在問題，不斷改善和優化教學設計，逐步提煉出以學習分析為輔助的基于認知心理過程特征的最優的職業教育教學策略和路徑。

以上五個步驟涵蓋了從理論研究、行業調研和技術開發，到實地成效檢驗，再到教學設計模型的改善和優化，最終構建出適合行業學習特點的教學新模式。以此教學設計原理既能保證理論聯系實際，又能切實從實踐檢驗理論的角度開發出符合理論和實際情況的由學習分析輔助的教學模式，為職業教育的教學過程所用。事實上，國外同行在開發教學產品方面，普遍也是采用類似的原理方法，最終達到產品理想的有效性檢驗結果和實用價值。

四、基于建構主義學習理論、認知學徒制和學習分析的職業教育教學實施——以商務文秘專業為例

本部分以某職業院校商務文秘專業為例，介紹如何運用建構主義認知學習理論中的認知學徒制和學習分析相結合來設計和開發相應的“以學習分析來輔助商務文秘專業的教學過程”之學習分析產品。眾所周知，隨著我國經濟發展、產業結構轉型升級以及大數據、人工智能和“互聯網+”時代的到來，人力資源市場對于行政商務文秘人員的素養，尤其是信息技術素養提出了更高的要求。然而，與職業院校的其他專業所存在的問題相似，學校在設置課程缺乏對市場需求的充分調研導致商務文秘專業的畢業生所掌握的技能無法完全滿足企業對人才的要求。為了縮小學校人才培養和企業人才需求之間的鴻溝，讓商務文秘專業畢業生進入企業后能縮短適應期、快速上崗、施展專業技能與才華[38]，可以以建構主義中的認知學徒制為理論基礎，以學習分析為工具，設計和開發“以學習分析來輔助商務文秘專業的教學過程”之學習分析產品，并將其應用到商務文秘專業的教育教學中。

首先，從“理論研究”著手，對文獻進行研讀和總結，旨在了解本專業職業教育的教學特點、現有的學習分析理念和技術的類別及優勢，從而對商務文秘教學中的學習分析需求有充分的認識，并在此基礎上，從建構主義理論及認知學徒制的角度，從理論上把握教學的認知過程及策略。

其次，可以通過“實地調研”，包括邀請企業專家等對專業人才培養方案進行深入分析和研討，了解企業與行業需求，制定能力標準，構建相應的課程和評價體系;同時，可以邀請企業反饋往屆畢業生的工作表現，并召開畢業生座談會，探討人才培養改進方案并運用于日常教學當中。此外，需要調研本校教師教學質量現狀，通過質化與量化相結合的方式，訪談教師代表和學生代表，進行教室實地觀課，分別對教師和學生進行問卷調查與評估，在實際環境中了解本專業教師的教學質量現狀。同時，需要調研本專業學生的學習特點（如學習動機、學習參與度、學習效果等），并對本專業的教學信息化情況進行分析與評估，如校園寬帶網絡實現情況、校園信息化管理平臺建設情況、數字化資源平臺建設情況、數字資源共建共享情況、學生信息技術素養培育、教師信息技術應用能力提升情況、信息技術課程與專業集合程度等。在以上理論指導和實地調研的基礎上，綜合分析和評估本校商務文秘專業的教學特點，并進行下一步的“技術開發”。

在“理論研究”和“實地調研”基礎上，選擇適合商務文秘專業的教學模式，以某一課程為實驗課程，設計和開發“以學習分析輔助商務文秘專業的教學過程”之學習分析產品。首先，教學模式種類繁多，如建構主義教學模式有支架式教學、拋錨式教學和隨機進入教學等[39]，又如將信息技術整合入課程的教學模式可分為“課內整合教學模式”與“課外教學整合模式”[40]。如本文所述，可以創新性地將學習分析產品設計成遵循認知學徒制六環節的產品，包含示范、教導、支持輔助、闡明、反思及探索，以促進學生對知識和技能的掌握，并促進教學的自我監控與調節，提高實踐與反思能力，把隱性被動的知識傳輸轉化為顯性的技能掌握和內化，以期確保知識獲得長久保留和技能實踐水平得到提高。

因此，以此所設計和開發的學習分析產品將體現信息化和數字化，是一個囊括學習活動、教學活動、學習管理活動、物理環境、技術環境等五大要素的智慧學習環境。這一產品所構建的智慧學習環境將具有學習情境感知、智能化學習支持和學習系統集成這三個核心特征。具體而言，學習情境感知包括學習者的學習時間、地點、物理環境、基本偏好、學習情感、學習歷史記錄和學習評價等多維學習信息。智能化學習支持為學習者提供了個性化、數字化信息資源及資源關聯和聚集、學習訂閱和推送、學習導航、學習筆記、學習輔導、協同交流、智能導師和學習預測等學習服務。學習系統集成則是不同學習系統、平臺（包括在線學習系統、線下實踐和研究探索活動的學習支持系統等）的學習行為、系統等數據的傳遞和共享，以及各種學習方法、活動、資源的整合[41][42]。這一在智慧學習環境構建下的“商務文秘專業教學過程”之產品將采用最新學習分析理念和技術，運用教育數據挖掘方法，對教學過程及效果進行聚類、分析、可視化及關聯規則分析等操作，生成實時數據分析報告或預測報告，以促進教學。依據魏順平對Romero和Ventura及 Baker和Yacef等人對10余年的教育數據挖掘研究的歸納總結，目前教育數據挖掘方法有聚類（聚類、離群點分析）、預測（決策樹、回歸分析、時序分析）、關系挖掘（關聯規則挖掘、序列模式挖掘、相關挖掘）、文本挖掘等幾類[43]。而依據李青和王濤的觀點，目前主流的學習數據分析方法包含社會網絡分析法、話語分析法和內容分析法等[44]。本研究所預期的產品可運用上述若干分析方法對數據進行挖掘和分析。

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