人工智能環境支持下學習的通用設計研究*

陳亦茜 楊緒輝 魏笑 趙神愛 夏佳文

淮陰師范學院教育科學學院 江蘇淮安 223300

0 引言

在人工智能時代下，伴隨著教育理念的不斷革新，技術環境對學習提供的支持得到了進一步增強。與此同時，如何通過個性化學習打造新時代專家型學習者已然成為教育領域研究的趨勢，而人工智能環境支持的“學習的通用設計”契合了這一發展趨勢。

基于腦科學和認知科學的“學習的通用設計”認為，所有學習者的學習能力具有不同程度的個體差異，將通用性作為核心，主張以學習者的興趣和需要為出發點，以多樣化的學習路徑和靈活的資源選擇方式為手段，為全體學習者設計包容性強的課程內容以增強其學習動機和參與度。因此，在人工智能環境的支持下，“學習的通用設計”可以借助智能技術，為“人—機”協同學習創造充分的條件，讓更多的學習者都能獲得公平而現實的學習機會和豐富的學習選擇，讓不同學習者得到個性化發展，從而使他們在成就未來學習圖景方面所具有的巨大潛能成為可能。

1 “學習的通用設計”理念的解析

解析“學習的通用設計”的定義和理念有助于我們掌握“學習的通用設計”相關構建思想，提升教育水平，更加有助于改善“學習的通用設計”思維。“學習的通用設計”理念的解析分別從以下三方面展開。

1.1 “學習的通用設計”理念起源

“學習的通用設計”（Universal Design for Learning），這一概念源自建筑學中的“通用設計”思想。按照通用設計中心的定義“通用設計是設計環境和產品的工具，這樣它就可以不需要改造而被更多的使用者利用”[1]。20 世紀50 年代，丹麥研究者提出了“正?；瓌t”，倡導殘障人士亦應享有普通人般的生活，殘障問題開始受到關注，并為幫助殘障人士融入主流社會，在日本和歐洲一些國家以及美國，開始出現“無障礙空間設計”（Barrier-free Design），即為殘障人士清除其生活環境中的種種障礙[2]。20 世紀70 年代初，美國《殘疾人法案》第504 條明確表明了要保障殘障人士能夠更容易、更便捷地使用公共設施資源的權利，于是他們改造了相關建筑，并將輪椅坡道和自動門的性質整合于建筑內，以增強殘障人士對于公共便利設施的獲取能力。后來，設計師們發現，如果在設計之初就能考慮到這些特殊建筑所具有的優點，既可加強公共設施的便捷性和容易度，又可以極大地降低建筑成本，這就是“通用設計”理念。建筑師梅西作為通用設計這一概念的建設者和倡導者，聲稱通用設計旨在促進開發能夠為所有人使用的產品，表達了一種“盡可能包容”（As Inclusive As Possible）的設計理念[3]。

在當前教育環境下，由于殘障兒童的人數在不斷增加，特殊教育得到了相應的發展，普通的課堂教學和教育教學模式復雜多樣。以美國為例，2001—2002 學年，在正常的學校教室中接受教育的殘障兒童大約為580 萬人，相當于學齡兒童總人數的1/10[4]。與此同時，為了不讓每一個兒童掉隊，教師將面對的是多樣化的學生。在20 世紀70 年代，全球出現了全納教育思潮，主張特殊兒童可以重返主流社會，應在同一教育環境中和普通兒童一樣接受教育，后來，全納教育成為特殊教育發展的主流趨勢[5]。

隨著全納教育的推進，在相同的教育環境下，學生存在著智力水平、特殊需求等方面的巨大差異，教育者面臨巨大的挑戰。自20 世紀80 年代中期以來，教育研究者們為滿足全體學習者的智力水平、特殊需要、學習方式以及滿足不同學習者自身發展的需要，將全納教育嫁接到教育領域中，并在教學設計、學習和評價中得到廣泛應用，從而形成了一套“以研究為基礎，組成實用性框架體系”，最大限度地滿足每一位學生學習機會的設計思想[6]，由此誕生了“學習的通用設計”理念。

1.2 “學習的通用設計”指導原則

雖然學生的學習習慣和認知風格都大不相同，但“學習的通用設計”是從學習興趣和需要出發來滿足學生個性化的學習，因此，所有學生都能在“學習的通用設計”課堂上找到適合自己的學習方式和內容?！皩W習的通用設計”貫穿于學習課程的始終，蘊含了設計、活動、過程和測評等環節，旨在構建適用于全體學習者、靈活多樣的教學，并遵循以下三個原則。

一是多元內容呈現的原則?！皩W習的通用設計”的公平性表現在能夠以最大的包容性來面對學習者學習能力、學習個性、特殊需求的差異性和多樣性。比如采用多元的教學內容呈現方式，即同一內容可以同時由圖片、盲文、音頻、視頻等共同呈現。這樣，課堂的教學內容不僅能夠滿足學習者的差異需求，還能使教學內容更加靈活生動。二是多元控制手段的原則。對于學習情況的反饋以及學習過程的改進，提倡運用多樣化的手段。比如，運用音樂、作品集、舞蹈、視頻、表演等實踐性方式，更加全面、高效地評估學習者對學習內容的掌握程度，進而為改善學習效果和學習效率提供可靠的依據。三是多元參與選擇的原則。組織的學習活動是否有效，首先取決于學習者是否都能參與到學習中。在傳統的教學過程中，學習者常常拘泥于一種參與方式。作為全納教育者，教師可以給學生多種選擇參與學習的方式，同時選擇的自由性也能夠激發學習者的學習興趣，并提高學習效率。

1.3 “學習的通用設計”實施要點

在遵循上述通用學習設計原理的同時，還要注重以下實施要點。一是遵循“通用性原則”，即運用“學習的通用設計”框架滿足所有學習者的個性特點、特殊需求、能力差異等，要使教學方案廣為適用并得到廣泛認可。比如板書的設計、電腦操作的設計都需要包容所有學習者的差異性和多樣化。二是遵循“簡單直觀原則”，即教學設計傳達的內容要既簡單又直觀，能夠被學習者理解并接受。比如，在教學過程中遇到了復雜的專業術語或者專業的上位名詞，教學設計中可以將此類復雜的概念，通過動畫、視頻、圖片、結構圖等方法變得簡單直接，讓所有學習者更加直觀地理解。三是遵循“容錯原則”，即發現學習者誤解、時間錯誤、學習效果不佳等情況，教師應該以最大的包容心面對這些問題，營造輕松愉悅的氛圍，耐心講解易錯較難的內容。

2 “學習的通用設計”技術補缺訴求

“學習的通用設計”在實現學習者轉變為“專家學習者”中確實起到了重要的作用，但在實踐中仍然存在一些需要攻克的難題。第一，“在設計之初滿足所有學習者需求”的理念難以實現?！皩W習的通用設計”追求的是在教學任務開始之初就設計出一套完美的方案，在教學過程之中來幫助學習者以最適合自己的學習方法進行高效率的學習。然而學習者的實際需求各不相同，很難做到在進行教學設計時就全面考慮到所有的學習者，因此教學設計難免會存在一些缺陷，這就需要教師在教學任務結束后進行改進。第二，可能會引起新的學習障礙。在面對“學習的通用設計”提供的豐富教學方法和教學素材時，絕大多數學習者可以選擇最適合自己的方式進行學習，但選擇性障礙者很難作出選擇，并可能因此恐懼學習，對選擇性障礙者的學習起到了反作用。第三，缺少獨立的教學設計模型?！皩W習的通用設計”依賴別的設計模型來實現教學，甚至會在教學過程之中失去其主導的地位，被別的教學方式所替代。第四，缺少數據收集和分析的能力。每個學習者都是獨立的個體，在面對學習者數量眾多時，教師很難精準地刻畫出每個學習者的學習特征，難以保證為每個學習者提供恰當的教學方式和教學資源。

“學習的通用設計”對技術支持存在天然的內需性，而人工智能技術能恰如其分地滿足其需求。具體而言，多模態學習分析、適應性反饋和知識融合三種關鍵的人工智能技術可以幫助“學習的通用設計”擺脫上述難題。

2.1 多模態學習分析

多模態學習分析可劃分為九個范疇：

1）文本分析（Text Analysis）；

2）話語分析（Speech Analysis）；

3）筆跡分析（Handwriting Analysis）；

4）草圖分析（Sketch Analysis）；

5）動作和手勢分析（Action and Gesture Analysis）；

6）情感狀態分析（Affective State Analysis）；

7）神經生理標記分析（Neurophysiologica Markers Analysis）；

8）眼睛凝視分析（Eye Gaze Analysis）；

9）多模態整合和多模態界面分析（Multimodal Integration and Multimodal Interface Analysis）[7]。

在對這九個范疇進行數據層次劃分以后，我們可以得到表1 的四個層次。通過接收多模態學習分析收集并反饋的學習者的學習狀態，教師可以把這些數據作為組織和優化UDL 教學的主要依據，也可以憑借這些數據全面解析不同學習者的學習特征，加強師生交流和表達，為實現學習者轉變為“專家學習者”作出貢獻。

表1 多模態學習分析的數據層次[8]

2.2 智適應反饋

智適應反饋功能對學習者進行實時精準反饋。相較于傳統的教學模式，面對眾多的學習者，教師無法時時刻刻緊盯所有的學生，因此難以對所有學習者作出快速且正確的反饋。而在智適應反饋中，計算機可以收集所有學習者的數據并加以分析，智能匹配最合適的教學媒體并作出精準的學習反饋。智適應反饋可以分為以下六類。

1）引航作用：為不明確學習方向的學習者指引方向。

2）鼓勵作用：按學習者的學習效率進行獎罰。

3）告誡：告知學習者當前行為不利于高速完成學習任務，達到學習目標。

4）反饋作用：反映學習者的學習效率，讓學習者了解上一階段的學習成果。

5）啟迪作用：啟發學習者在何時何地可以快速地進入學習狀態。

6）總結服務：對學習者的學習狀況加以分析并總結得失。

智適應反饋有效地監督并敦促學習者進行學習，在學習者達到自己的學習目標中起到至關重要的作用。

2.3 知識融合技術

如果說多模態分析和智適應反饋分別注重學情分析和精準反饋，那么知識融合技術的作用就是為學習者作出合適的學習規劃。知識融合技術以多模態學習分析為支撐，不僅是一種指向共性學習的標準知識體系，還能夠針對不同學習者描繪不同知識體系以激發學習者的學習熱情并成為其學習動力。面對各個學科的知識點，知識融合技術可以推理出它們中間各式各樣的關系，以此形成一張知識點的結構圖，再根據學習者的學習特征與學習畫像，形成學習者個性化的知識子圖。知識融合技術的運用對“學習的通用設計”來說，其一方面給學習者建構與其認知規律相一致的系統性學習順序，從而實現對知識點深層次的認識，有利于知識網絡的形成，能夠使學習者更清楚地了解知識的背景及其作用；另一方面，為學習者提供適當的學習挑戰，適切的學習挑戰可以推動學習者自信心的提升，并且增強面對下一個學習挑戰時的動力，從而形成一種良性的學習循環。

3 如何實現基于人工智能環境的“學習的通用設計”

人工智能作為信息技術的一種更高級的發展形態，促進了“學習的通用設計”在理論邏輯、模型方法及價值體系等方面的開發與革新，而多模態學習分析、知識融合和適應性反饋三種關鍵因素的合理應用則能實現“學習的通用設計”價值。

人工智能環境下的“學習的通用設計”強調構建以“學”為主的課堂生態，目的是激發學生的自主性，放大學生的自學成果，這就需要根據學生差異劃分學習目標，學生自主選擇“學什么”的任務單。教師可以根據多模態分析技術將教學內容進行知識關聯，并通過其采集和分析整理的多維度學習數據，準確把握學情，為學習者執行學習功能、激發學習興趣及自我調節提供支持。這不僅能夠為教師調整“學習的通用設計”過程提供參考，也是人工智能系統在課堂教學中合理運行，發揮其為學習者創設適宜學習環境的基礎。

教學過程中，教師可以利用知識融合技術，根據學習者畫像分析，給學生提供多樣且合適的學習資源，讓學生依據學習目標自主選擇資源。教師以多模態學習分析技術為支撐，基于知識融合技術，即采用實體鏈接與知識合并相結合的方式，對學生所獲取的知識進行序列化知識圖譜的構建，有利于學生對所學知識體系的進一步把握。

教師根據人工智能分析所得的學習者畫像，向學生推薦符合學生個性化學習需要的學習內容以及學習途徑。學生因學習生活經驗與學習基礎存在差異性而對所獲得的知識產生不同程度的信息加工，基于此，教師依據“學習的通用設計”原理，把知識融合技術轉化為以知識帶動個性化學習的手段，抽象出學生個性化的子圖，為學生進一步掌握知識提供幫助。

傳統的教學反思一般只有教師針對課堂教學情況進行課后反思，但人工智能環境下，教師運用智適應性反饋技術，可以更好地與學生進行反思互動，及時調整下輪教學方案的設計。智適應反饋所具有的功能是在合適恰當的時機給予學生精準的學習反饋，以幫助教師更進一步了解學生對課堂學習的掌握情況，它表現為教師對學生學情數據積極介入，不同于傳統反饋系統的被動訪問，它能為教師提供更多的反饋信息，同時教師也能有效激發學生對課堂的興趣，從而實現學習目標管理、學習規劃和自我調節的執行功能。

在人工智能的時代背景下，“學習的通用設計”在結構上有了很大的改變，原本傳統教學設計流程中，由教學者負責完成的教學原則和教學功能轉移到由人工智能技術來完成，教學者提供教學咨詢、作出教學決策、進行學情分析與反饋，讓自己更多地投入學習服務中。教師在人工智能環境下能實現的“學習的通用設計”價值可劃分為基礎價值取向、核心價值取向與目標價值取向三個層次，重點是“重構素養，培養專家型學習者”的價值取向，并以此作為研究目標[9]。

在人工智能環境中，教師在設計教學系統時，要以培養專家型學習者作為教學目標，不能停留在滿足學生個性化學習需要上。

專家學習者是指學習領域有專長并表現出聯系的學習者，“學習的通用設計”所蘊含的人機共生體結構闡釋了“化知為智”教育觀的新趨勢，更好地支撐了人工智能時代專家學習者的培育。

基于人工智能環境的“學習通用設計”模式，以人—機協同學習為模式，以教學者、學習者與人工智能之間各司其職為前提，構成了一個穩定的、高效的學習共同體。

4 結束語

“學習的通用設計” 在人工智能技術的支持下，從學習者的個性化需要出發，教育者通過教學設計，盡可能地滿足學習者發展的需求；能夠讓教育和技術有機地結合起來，兩者共同為學習者提供可自主選擇的多元化的環境、資源，促進學習者學習能力的發展，并為終身學習做好鋪墊。技術是“學習的通用設計”理論發展的核心，人工智能技術的介入讓“學習的通用設計”在很大程度上可以得到卓越的發展。

“學習的通用設計”要想實現對教育教學的創新，多樣化的技術手段必不可少，其中人工智能技術作為一項新興技術，對“學習的通用設計”發展起到重要的支持，將兩者深度融合，可以實現教育中的“人—機”交互以及個性化選擇。雖然研究中仍有未盡之處，但作為一個研究方向，可以讓更多的研究者了解到教育人工智能以及“學習的通用設計”理論。同時，考慮到“學習的通用設計”這一先進教學理念在成就學習圖景方面具有巨大潛能，應將它全面融入教育教學中，以形成一個適合本國學習者學習的新模式。