基于教學動力優化的智慧教學空間功能模型構建

何福男 高欣怡 丁云鵬 郝敬峰 張璠爭 馮國銅

摘? ? 要? 社會正進入智能時代，高質量發展迫切需要高質量教育，但與各行各業的智能化相比，教育的智能化相對滯后。文章依據教育的生理學、心理學基礎，遵循認知規律和教育科學規律，結合智能技術使用，沿著優化教學動力、提高教學效率、服務智慧型人才培養這一思路研究智慧教學空間。在此基礎上，歸納出智慧教學空間應有的四項根本性轉變和七項性能升級。借助以智能技術為代表的現代科技，從八個方面建構智慧教學空間，得出包含八項核心功能的功能結構模型，完成教學空間從原始的教學要素容器到教學智慧生發器的革命性變革。各教學機構、教育服務商可以參考這一模型，設計建設符合智慧教學需要的新型教學空間。

關 鍵 詞? ?智慧教育；智慧教學；教學空間；教學動力；教學情境

引用格式? 何福男，高欣怡，丁云鵬，等.基于教學動力優化的智慧教學空間功能模型構建[J].教學與管理，2024（09）：1-6.

教學空間不僅是集成各種教學要素的場所，更是各種要素共同發揮作用的場所。從本質上講，是各種教學要素形成了合力，推動了教學過程的開展。從教學動力著眼，研究教學空間的構建，是基于教學本質規律的應有途徑。

一、教學動力

1.教學動力及其構成

教學動力亦稱教學過程的動力，是教學過程運行和發展的動力[1]。沒有教學動力，教學無法進行。教學動力大小，直接決定了教學進展的快慢，決定了學生能否學得更多、學得更深、學得更好，教學動力是教學能否達成教學目標的根本性因素。教學動力來源多元，如學生的心理動機、人類社會的需要、教師的推動等等。他們種類繁多，并按一定的規則，組合在一起，形成一種有別于個別動力的結構性動力。

教學要取得好的成效，離不開合適的教學動力結構。眾多教學動力中，有來自學生的自發性動力，有來自外部世界的外部動力，還有學生與各種教學元素的關系動力[2]。其中自發性動力包括價值觀、興趣、愛好等各種心理動力，外部動力包括教師教的動力，社會規則、制度等約束力和工作生活競爭壓力等。這些動力的方向、大小和持續時間各不相同，如果任由其原生態地作用于教學，很多動力很可能成為阻力。

關于教學動力及其結構的詳細分析，限于篇幅，此文不便進一步展開，具體可參見文獻“智慧教學動力解析”[3]。在此，引用幾個與本文相關的核心觀點：第一，以心理動機為主的學習動力有個體差異性，容易隨情緒波動，具有隨意性，而社會規則、制度等社會性動力，具有約束性、穩定性和剛性；第二，眾多的教學動力中，學生的學習動力，是驅動教學開展的核心動力，所有其他動力，包括制度規則等社會性動力、教師教的動力等，只有能轉化成學習動力的那部分，才能促進學習；第三，智能技術能對教學動力、特別是學習動力起激勵和保護作用，是智慧教學需要重點開發的動力；第四，學習就是建構的過程，學生在學習中需消耗大量的能量和精力，疲勞必然產生，即學習阻力天然存在。

2.教學改革的本質是優化教學動力

因為學生的學習動力是教學的核心動力，所有的外力都要轉變成學生的學習動力才能起作用，所以一旦學生因長期疲勞、困難久攻不克或所學內容枯燥乏味等原因，導致其學習積極性消失，其他教學動力也就很難發揮作用。雖然教學動力構成元素豐富，但是極易受損，“學習動力系統的結構受損”“學習動力系統功能失調”[4]，會使教學失去教學動力，影響教學效果。近40年來，“以學生為中心”的一系列教學改革，包括項目教學、案例教學、翻轉課堂等，盡管方式方法有所不同，最終都是在努力優化教學動力結構，提高學生的學習動力。有關教學空間設計，在依據相關腦科學、心理學、認知科學、教育學知識與規律的基礎上，也應以優化教學動力結構，提高學生學習能力和學習動力為原則進行設計。

智能技術對優化教學動力結構有重要作用。實證調查顯示，教師感知到技術支持的學習空間中學生參與度顯著高于傳統教學空間[5]。信息技術、智能技術能用諸如實驗、動畫、仿真、虛擬現實等方式，生動形象地展示教學內容，幫助學生理解消化所學內容，甚至還能用智能算法、專家系統等智能化手段發現和解決教學問題。無論是技術性地幫助學生克服學習難題，還是策略性地優化教學方案，都能激發學生的求知欲，及時取得學習進展，獲得成就感，保護積極性，減少教學過程中的動力損耗，有效維持并增強教學動力。

二、教學空間

教學空間是開展有組織教學活動的場所，主要有教室、實驗室、實訓室、學術報告廳、研討室等。作為教學活動的主要載體，教學空間對教學有著特殊的作用和意義。

1.教學空間是學生認知世界的重要窗口

教學空間對學生認知模型構建有重要影響。教育系統包含學校教育、家庭教育、社會教育等多個組成部分，但是最重要、最核心的是學校教育[6]。相應地，學生主要從家庭空間、社會空間、自然空間、學校教學空間獲得知識與技能，其中學校教學空間是學生獲取科技知識和進行思維訓練的核心空間。

從教學主體角度看，學習者是在特定社會與文化環境中學習的，人的發展就是人腦與環境之間的互動，學習是人腦適應外部環境的功能和途徑[7]，可見，教學環境和教學空間對教學有重要影響。由此，我們也很難想象，如果沒有智能化的教學空間，如何才能實現智慧教學。

學校通過構建教學空間，將現實世界、數字世界連接起來，為學生構建和完善認知世界服務。這三個世界，現實世界是根本，數字世界是現實世界的信息化表達，或是現實世界的虛擬和仿真，認知世界是現實世界的投影。當虛擬與仿真高度逼近真實世界時，數字世界就成為現實世界的數字孿生世界，當然，當前離建成數字孿生世界距離還比較遠，只能實現部分設備、產線、產品的數字孿生。教學空間將這三個世界連接起來，一可以提供真實的學習情境，二可以幫助學生加快、加深理解，三可以拓展學生眼界。這些對提升教學效率和教學質量至關重要。

2.教學空間對教學及教學改革具有支撐作用

教學空間是教學的載體，是教育組織方式的具體體現，對教學模式和教學方法有支撐和限制作用。沒有教學空間的支持，教學改革很難落到實處。比如說，在固定座位的階梯教室里，可以講授、演講，但不宜開展項目教學，也不適合開展分組研討。在只有粉筆黑板的教室里，難以講清汽車發動機的構造和原理。在沒有信息化的教學空間，所謂翻轉課堂根本就沒辦法實施。因此，要進行教學改革，就需要相應教學空間來承載。

教學空間是教學的載體，是教學動力系統“發力”的主要場所。教學空間不僅僅是各種教學要素的簡單堆積，而是各種教學要素所產生動力的合成器。好的教學空間，能將規章制度等社會性約束性動力，教師教的動力，先進技術的助學助教動力，學生的自主驅動力聚合在一起。而所謂教學改革，就是教學組織者重構這些動力的結構和關系，精心安排、協調發力，努力保持強勁的教學動力。

教學空間的建設是在推進智慧教學過程中需要和教學動力優化、教學模式改革等一并考慮的問題。加快新一代課堂教學環境的構建，帶動教學模式、評價方式、管理方式的變革創新，是未來教育發展的必然趨勢[8]。

3.教學空間建設研究現狀與趨勢

早期的教學空間是與生產生活緊密結合的，就在田間地頭、工廠作坊。如孔子經常在杏壇講學，柏拉圖授課的阿卡德米學院就在雅典城外的阿卡德摩斯森林中。然后，在東方，科舉制度使讀書成了改變命運的一條捷徑，專用于讀書的書院和私塾應運而生；在西方，隨著工業化的到來，捷克教育家夸美紐斯提出的班級授課制，因能實現人才的規模化培養，得到了廣泛歡迎。從此教育從原來的生產生活現場，轉移到了專門的教室和學校。

隨著信息技術的快速發展，有關教學空間的問題，得到了教育專家的持續關注。以眾多專家意見為主的《地平線報告》，從2015年起持續關注教學空間改革。國內，許多著名的教育信息化和智慧教育專家均對教學環境、學習環境有專門研究，提出了眾多觀點和建議。如：黃榮懷主張通過智慧學習環境傳遞教育智慧，通過新型教學模式啟迪學生智慧，通過現代教育制度孕育人類智慧[9]；祝智庭、彭紅超主張利用AR/VR/MR技術、5G+感控技術、邊緣計算等技術實現學習環境生態化，開展體驗式情境學習[10]；楊現民、趙瑞斌通過技術的融合應用，將不同時空、不同形態的要素進行跨時空重組，支持教育走出校園，走向泛在真實場景，通過“人—機—物”智聯智融，促進教育環境邁向智能化[11]。國內有關智慧化教學空間、學習空間的研究還在不斷深入之中，呈現從教育信息化向教育技術、建筑、環境設計領域擴展的趨勢[12-14]。

在企業界和學界研究實踐的同時，政府也在持續推進新型教學空間的建設。如：2017年7月，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，提出“開發立體綜合教學場”“建立以學習者為中心的教育環境”。2022年8月，科技部的《關于支持建設新一代人工智能示范應用場景的通知》中提出“運用學習認知狀態感知、無感知異地授課的智慧學習和智慧教室等關鍵技術，構建虛實融合與跨平臺支撐的智能教育基礎環境”。

隨著對教學空間研究的不斷深入，人們認識到了現代技術對教學空間建設的重大影響，發現未來教學空間需要新的形態、新的功能，認同支持學生的個性化發展是未來學校空間的發展趨勢[15]。但是，這些研究還沒有建立起教學空間新的運行機制[16]，理論上還處于摸索階段，實踐中還處在企業技術的推廣階段，未能有效滿足師生的多元化教育與個性化學習的需要[17]。有關教學空間對教學的本質作用需要更深刻的認識。

三、智慧教學空間的功能模型構建

智慧教學空間的建設目標是建設能提供舒適（合適）的教學基礎條件，具備教學智能，服務于智慧型人才培養的新型教學空間。培養智慧型人才是智慧教育的總目標，具備教學智能是智慧教學空間的核心特征。智慧教學空間，應是懂學生、懂教學，具有一定“思考”能力的。舒適是一般教學空間的基本要求，在舒適的環境中，教學就不容易受惡劣環境的干擾。合適是一些特殊教學的需要，如軍事和體育訓練場合，就需要營造與提高耐受力等素質相關的教學環境。

智慧教學空間服務于智慧教學的需要。智慧教學相比傳統教學，在許多方面都將產生變化，其中在培養目標、教學內容、教學主體、教學方式等方面將產生根本性變化（見表1）。

為服務好上面的這些根本性變化，達成智慧教學空間的建設目標，教學空間需要進行多方面的升級（見表2）。

上面這些升級中，智能化升級是關鍵，動力升縵是核心，各項升級最終是為了實現動力升級。動力升級是為了通過據高教學效率來豐富教學內容，從而為實現培養智慧型人才這一目標提供充足的時間，充實的內容。這是智慧教學及其各項相關改革、建設的基本邏輯。

為實現這些轉變和升級，須依據腦科學、心理學原理，遵循認知科學、教育科學規律，以學生為中心，以優化教學動力結構為出發點，合理利用智能技術，從以下八個方面構建教學空間。

1.建設舒適學習環境，減少教學動力損耗

教學空間其最重要的作用是為教學提供場所，保障教學過程順利完成，使師生在這個空間中安心于教學，免受其他因素的干擾。

干擾會使人分心，這是常識，同時也得到了一些心理學研究的證實，每當大腦從關注甲項轉到關注乙項再回頭關注甲項時，就會產生認知損耗[18]。有研究表明，一個人在完成任務時被打斷，需要多花50%的時間來完成任務，而且多犯50%的錯誤[19]。在一項與駕駛有關的關鍵腦區的研究中，當司機交談時大腦（關鍵腦區）活動減少了37% [20]，可見干擾因素對人的正常工作造成了較大影響。因此，教學空間可以借用智能感知技術和自動調控技術，提供適當光、聲和溫濕度環境，減少噪聲、閃光、忽冷忽熱等因素對教學的干擾，使學生能靜心學習的環境。當然，如果要進行專門的抗干擾訓練、忍耐力訓練，也完全可以利用智能技術，專門建設符合這些專項訓練需要的專業化的教學空間。

2.創設多層感知智能，準確把握教學狀態

在有限的教學時間段內，教師更多關注知識如何解構才能讓學生理解，學生則關注如何重構自己的認知結構以便掌握老師正在教的知識。在這個過程中，師生都會忽視期間產生的其他問題。就像一個乒乓球運動員，比賽時主要關注對手的擊球動作，很多細節需要事后從錄像中觀察。教學，也需要一個記錄機構，能把師生的過程信息記錄下來，以便日后研究改進。這個記錄機構，正是教學空間本身，一個具有智能感知能力的教學空間。

感知能力的建設有個原則：解決教學問題，提高教學質量。即教學空間感知能力的設計及相應傳感裝置的布置要圍繞著解決教學問題展開。

教學空間的感知能力可以根據需要進行設計，由低級到高級，分五層設置。第一層：物理環境感知，感知教學空間的溫度、濕度、光照、噪聲等，為環境調適作準備；第二層表象感知，感知出缺勤、注意力集中度、參與度等，研究學習態度問題；第三層心理感知：監測的信息包括血壓、心跳、肢體、臉部、眼部動作和腦電波等，研究教學過程、內容對學生生理心理的影響；第四層過程感知，感知教學過程中師生交互情況、交互熱點，研究過程優化；第五層效果感知：監測教學過程語言、學生作業作品內容，研究學生認知水平。

3.營造深厚文化氛圍，提高環境育人效力

激發人們創新創造活力，最直接的方法莫過于走入不同文明，發現別人的長處，啟發自己的思維[21]。符合人類命運共同體意識的多元文化，都應該都可以出現在教學空間中。

環境育人是教育的基本組成部分，傳統教學空間營造一定的文化氛圍，一般都以字畫、宣傳畫等形式，展示名言警句，名人故事。但是，這種固定呈現的方式，長時間一成不變，育人效率低下。另外，參照德國心理學家艾賓浩斯的遺忘曲線，讓一個知識分別在一兩小時、一天、七天、一月等的時間點分次呈現，即可達到長期記憶的效果。因此在智慧教育時代，完全可以用先進的顯示設備輪流呈現，包括名言警句、名人事跡、著名字畫、科學知識、專業知識、前沿科技等方面的內容。使學生在相同的時間段內，受到更多的包括優秀傳統文化、革命文化、工匠文化、科技文化等一系列有利于智慧啟迪的文化和科學知識的熏陶。文化內容的定期更新要根據學生的性質選擇，也要選擇合適的時機，防止對教學過程產生干擾。

4.構建緊密學習社群，提高學生認知能力

將學生聚集在一起，不僅是班級授課制的需要，也是實現人類社會性學習的需要。人類大腦中存在由鏡像神經元構成的鏡像神經系統，它是“自己做某個活動和看別人做同樣活動時都會興奮的那些神經元”[22]，這一神經系統使人類可以通過模仿進行學習。另一方面，認知模型理論也告訴我們群體學習的重要性。認知模型理論認為，大腦通過構建認知模型來認知、想象和表現外部世界，用認知模型來進行分析和推理，對外部世界做出預測和決策，并藉此與外部世界互動[23]。但是直覺思維、偏好傾向性偏見、思維慣性等都可能導致不完善甚至錯誤的認知模型[24]。師生之間、生生之間進行經常性的交流、辯論、研討，有助于發現認知模型中的錯誤，繼而修正模型，完善對客觀世界的認識。

新的教學空間，在設計建設時要打破傳統教學將學生固定在某排某座的僵硬的組織方式，采用可聯接、可拼接桌椅，使師生可以方便地動起來，靈活地組織起來，按一定的規則開展合作學習、團隊學習、小組學習，通過這些社會性學習，完善認知模式，提高教學質量。

5.連接真實工作場景，提高情境教學活力

目前，教學存在三個方面的問題。一是由知識抽象化、符號化引起理解掌握困難的問題；二是教育遠離社會脫離實際問題；三是學生對教學內容產生懷疑的問題。

教學內容來自于社會，來自于生產與管理實踐，通過紙質或電子媒體走向學生時，已通過前人或教師的加工，轉變成認知符號。這個過程中，教師的知識結構起了很大作用，其中難免會失真和丟失信息，這樣的缺陷，有可能導致學生學習困難。此時，將符號化的知識具像化、可視化，是幫助學生理解和掌握的有效方法。

在知識符號化的同時，教育也在遠離實際，典型的結果是社會、企業普遍反映很難招到能勝任崗位工作的畢業生，“滿大街都是人，但找不到需要的人”成為就業與招工市場的真實寫照。因此，教育需要在一定程度上回歸社會，在公司、企業的真實環境中開展教學。從心理學角度講，學生對真實有用和具有挑戰性的內容感興趣，特別擔心自己的精力花在學一堆無用的東西上面。

解決這些問題的方法是利用現代技術，將教室與不同的場景聯接起來，實現教學空間和生活空間、生產空間、管理空間、數字空間的融合，開展基于真實工作場景的情境教學。通過現代通信技術，可以實時連接企業、商家、機構等社會場所及其相關人員，實時連接其他學校、實驗實訓室、圖書館等學習場所，還可以通過虛擬仿真技術，連接虛擬教學空間。

6.提供友好學習服務，提高自主學習動力

教學的動力有來自學生的內部動力（也稱學習動力）和來自教師、社會組織等施加的外部動力。根據辯證唯物主義哲學觀，一切外因通過內因起作用，所以學生的學習動力是決定教學成敗的關鍵動力。但是學習是一件非常費力，同時也很容易“受傷”的事。學習的過程，也是耗費精力的過程，需要在關鍵時刻得到外界的支持。腦科學研究顯示，人腦體積約為人體體積的2％，卻消耗了人體20～25％的能量，而其中絕大部分（95％）用于思考，只有5％的能量用于指揮身體活動[25]。可見，學習作為一種思考活動，相當費力。大腦中有一種能讓人感到快樂的名叫“多巴胺”的物質，當一個愿望得到滿足，中腦就會讓神經元分泌多巴胺。學習過程中如能取得進展，或考試測驗中取得好成績，大腦就會分泌多巴胺，進而產生成就感，反之，就產生挫敗感，影響學習積極性。如果學習難題久攻不克、越積越多，與同學的差距越來越大，學生就會感到恐懼。此時，學生就掉入了前蘇聯心理學家維果茨基所說的學習恐怖區。

智慧教育時代的教學空間，就要有一種擇機給予支持的能力，幫助學生攻克學習難關，取得學習進展，獲得成就感，保持高昂的學習積極性。以往的教學空間很難做到這一點，那是因為傳統空間缺少智能化的設計和智能技術的應用。現在，智能傳感技術、人工智能算法以及專家系統、輔助決策系統得到了快速發展和廣泛運用，將來的教學空間能夠、也必須做到這一點。智慧教學空間至少應提供四層助學智能：一是凈化教學資源并向學生提供優質教學資源；二是通過智能機器人、連接專家庫等形式，為學生答疑解惑，解決難題；三是通過分析教學過程數據，查漏補缺，幫助學生尋找薄弱環節；四是對比教學目標和學生當前狀態，為學生指出后繼努力的方向。

7.提供優質助教服務，提高教學主導能力

雖然從教學的本質來看，學生是教學的主體，教學需以學生為中心，但并不能因此否定教師的作用。在諸多外在要素中，教師是對學生學習作用最大的因素，對學習有定向把舵、指點迷津的作用。教師對教學的主導作用，始終都很重要。為更好地發揮教師的主導作用，就需要幫助教師提高主導能力。智能化的教學空間，需建設三種智能，向教師提供助教服務。

一是問題發現智能，依靠采集到的大量的教學狀態數據，進行深入的教學統計與分析，發現問題。二是原因尋找智能，利用大數據技術，尋找問題與各教學要素的關聯關系。有關聯關系，未必就有因果關系，為此，可進一步利用人工智能算法和專家系統，尋找問題與各要素的邏輯關系，找準教學漏洞和薄弱環節。三是策略優化智能，在找到原因的基礎上，對與此問題相關的教學資源進行優化，淘汰欠優資源；對教學策略進行優化，查漏補遺，調整教學重點、難點、關鍵點，改進教學方案。依靠教學空間提供的這些智能，教師能更好地找到問題、找準問題，并找到解決問題的方法，使教學更具針對性。

8.提供標準數據接口，提高教學管理能力

智慧教育時代，教學空間不再孤立存在，它們將依靠網絡互相聯通，并與各種教育教學管理系統聯接。聯接起來以后，具體的教學空間一方面輸出自己收集到的教學信息，另一方面也接收與本教學空間相關（如人員、課程、資源等）的教學信息，從而更好地為當下的教學任務服務。

為實現聯接，教學空間需提供標準化的數據接口，按照預定的協議，與教育教學管理系統交換信息。教育教學管理系統從此可以統合運用從各個教學空間得到的教學信息，既可以從宏觀上觀察整個教育教學態勢，也可以從微觀上更加詳細地分析一門課程、一個老師或一個學生的綜合情況。這有利于全面把握教學狀態，為制定更加合理的教學制度，采取更有針對性的教學措施提供精準依據。而制度、措施等外力，也正是教學動力中必不可少、且當下需重點改進的組成部分。

綜合上面分析可知，為優化、強化教學動力結構，智慧教學空間提供了八個方面的智能化功能，這些功能，是由若干子功能構成。現加以概括，得出其功能構成（見表3）。

根據上表這樣的功能結構，各種教學機構、教育服務商可以設計、建造可應對未來教育挑戰，符合智慧教學需要的教學空間。

利用智能技術，優化教學動力結構，提高教學效率，保證有足夠的時間承載高階教學內容，進而去追求培養智慧型人才的智慧教育目標，這是智慧教學的基本邏輯。智慧教學空間正是實現這個基本邏輯的載體。與傳統教學空間相比，它力圖實現革命性的升級和根本性的轉變。升級的核心是教學的動力，實現從原生教學動力到結構化教學動力的升級；轉變的根本是教學的目標，實現從培養知識型人才到培養智慧型人才的轉變。

智慧教學空間應是智慧教育系統的一個智慧化組件。它既要能獨立運行，為教學提供各種智能化功能支撐，也應能接入系統，為達成智慧教育目標提供數據支持。

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【責任編輯? 孫曉雯】

*該文為2020 年教育部首批國家級職業教育教師教學創新團隊重點課題“新時代高等職業院校工業機器人應用與維護專業領域團隊教師教育教學改革創新與實踐”（ZD202001010）、2020 年全國職業院校教師教學創新團隊建設體系化課題“工業機器人應用與維護專業團隊共同體‘科教協同、團組協作模式與機制研究”（TX20200103）、2023年江蘇省高等教育教改研究重點課題“智慧教學空間構建研究與實踐”（2023JSJG798）的研究成果