有效智慧学习环境的设计框架

熊秋娥

（南通大学现代教育技术中心，江苏 南通 226019）

1 引言

学习环境是教育技术研究的重要内容。鉴于教育的重要性和学习对城市的创造力和可持续性的发展的影响，如今，智慧的学习环境成为时代对新知识社会需求的回应。研究人员开始对学习环境进行概念化，并认为智慧学习环境能使学习更快、更好。然而，何谓智慧学习环境？怎样的智慧学习环境能实现更好、更高效学习的愿景，为此，研究者们纷纷投入智慧教育、学习空间、智慧化学习环境、智慧教室的等方面的研究。在目前学术界，对加在城市、学习、教室等前面的形容词“智慧”和“智能”的表述存在一定争议，文中的智慧更侧重智能之一。本文从学习的概念出发，基于人类学习界面的机制理论，指出了有效智能学习环境的条件，并提出开发智能学习环境的基本模块框架，以期为未来智慧学习服务。

2 智慧学习环境的定义

在《教育改革词汇》中，学习环境是指学生学习的不同地理位置、语境和文化，例如教室、工作场所、实验室、博物馆、自然景点、交通工具和家庭[1]。早在1995年，Wilson就在他的文章中对学习环境进行过论述：“学习环境指的是一个场所，这里的学习者可以互相合作，彼此支持，借用不同种工具和信息资源相互支持，共同参加问题解决活动，共同达到学习目标[2]。”1997年，Chin指出：“智慧学习环境是在信息和通信技术应用的基础上形成的以学习者为中心的环境，它具备以下几个特点：(1)适应不同的学习方式和学习者的学习能力；(2)支持学习者的终身学习；(3)为学习者的发展提供支持[3]。

钟国祥等提出，智慧学习环境是指数字虚拟现实学习空间，它以学习者为中心，具有智慧、开放、集成的特点。他们认为，设备、工具、技术、媒体、教材、教师、学生等是智慧学习的核心要素，这些核心要素应该按照建构主义、混合学习理论，以及现代教学理论来组织[4]。

Hwang(2014)从上情境感知的泛在学习的角度提出了智慧学习环境的定义。从情境感知泛在学习的视角看，情境涵盖学习者与环境之间的互动；因此，“智慧学习环境”是一种技术支持的学习环境，能根据学习者的需要，在适当的地点和适当的时间提供适当的支持(例如，指导、反馈、提示或工具)，通过分析他们的学习行为、表现以及他们所在的在线和真实世界环境来决定[5]。

黄荣怀教授等人从技术实现的角度，将智慧学习环境看成一种物理环境，凭借数字、情境感知和自适应设备，可以做到使学习更好更快。在技术支持下，智慧教室成了教师和学生可以拥有丰富的教学和学习经验的地方，而这种学习环境他们以前从未体验过[6]。

本文认为，智慧学习环境可以定义为学生学习的物理和数字化位置、环境和文化的集合。智慧的学习环境能够感知学习情景的学习场所或者活动空间，它可以识别学习者的特征，提供合适的服务于学习的资源以及交互工具，学生学习过程被自动记录，学习结果可被科学地评估，使得学习者的学习便捷高效。

3 智慧学习环境的特点及功能模型

3.1 智慧学习环境的特点

智慧学习环境的概念符合将形容词“智能”添加到各种现有现象的传统，如智能手机、智能电视、智能板、智能灯具和智能城市。因此，从这个角度来看，智能学习环境可以被看作是大大改善了的学习环境，以促进更好和更快的学习。那么，智能学习环境有什么特点呢？

首先，它必须向学习者的物理位置添加一个或多个数字化设备；其次，数字化设备能够感知学习者的位置、语境和文化；再次，数字化设备为地点、环境和文化添加了学习功能，如提供(增强的)信息、评估、远程协作、前馈、反馈等；而且，数字化设备能够监视学习者的进展，并向利益相关者提供适当的信息。因此智能学习环境是敏感的，对个体学习者的行为具有适应性。

简而言之，智慧学习环境能实现物理与虚拟环境相结合、实现学习的个性化和泛在化。它是普通数字化学习环境的高端形式，是教育技术发展的必然结果。

3.2 智慧学习环境的功能模型[7]

智慧学习环境的技术特点主要体现在五个方面:跟踪、识别、连接和感知，目的是使学习者轻松投入、有效地学习，在功能上需满足以下需求，如图1所示。

（1）跟踪学习过程。智慧学习环境能够感知和跟踪学习者在知识获取、课堂互动、群体协作等方面的状态，利用动作捕捉、情感计算、眼球运动等技术，可以跟踪学习过程，分析学习成果，建立学习者模型，为更全面、准确地评估学习者的学习效果提供重要依据。

（2）识别学习场景。智慧学习环境可以根据学习者的学习模式和学习情境，为学习者提供适合于学习者的资源和工具，以促进有效学习的发生。它可以重新认识学习情景，包括学习时间、学习地点、学习同伴和学习活动。对学习情景的认可为教学活动提供了支持。

（3）感知物理环境。智慧学习环境可以监测空气、温度、光线、声音、气味等物理环境因素，为学习者提供舒适的物理环境。

（4）连接学习社区。智慧学习环境可以为特定的学习场景设置学习社区，并为他们的有效连接提供支持，利用学习社区进行交流。

图1 智慧学习环境的功能模型

4 有效智慧学习环境的设计理念

如上所述，智慧学习环境具备以上四个技术特征，然而，传统学习环境中实现了这些技术就能自动促进学习者更好更快地学习吗？实际上，当智慧学习环境构建时，若没有对想要完成的学习改进有具体的概念，建成的智慧学习环境便是徒劳无功。

人类的学习是个复杂的过程，行为主义、认知主义、建构主义等不同的学习理论流派对学习存在不同的解释。Koper认为，人类通过感官(输入)和行为(输出)与外界交流。在设计智能学习环境时，学习环境必须提供正确的输入和监控输出，以刺激或促进学习过程。在通常的学习交互界面中，包含了一种干预机制，它为感官提供输入，观察监视人的行为和身体状态，观察监视物理环境的变化。为了控制学习走向特定的学习目标，应该预设一个目标，最后将观察结果与目标进行比较，从而引导干预。在智慧学习环境开发前，应根据不同的学习类型，设计不同的人类学习界面，开发出有效的智能学习环境[8]。如图2所示。

图2 通用人类学习界面框架

基于认知的核心概念“表征”，Koper把学习分为物理环境的识别和社会环境的识别学习、创造性学习、实践性学习、反思性学习五类。根据这五种不同的学习类型，引入不同的学习干预机制，创建不同的人类交互学习界面，据此开发出有效的智能学习环境。

4.1 识别性学习智能环境

识别是一种学习机制，当你遇到新情况时，你需要通过经验和行动来学习。它基本的学习活动包括：对刺激的探索、识别、区分和概括、标记(组)刺激、建立对未知刺激的行为(危险、偶发事件、规则、启示)的知识、创建心理地图(模式的)环境，在情境中行动和解决问题。

这类学习可以引入一定的干预机制，如给学习者提供一个模拟的或真实新情况，促使学习者以适当的方式做出反应。要创建使用识别性学习的智能学习环境，最重要的是要识别代表学习者需要处理的设置好的典型情况。

4.2 社会性学习智能环境

社会化是一个过程，在这个过程中，人们获得认知、社交和情感技能，这些技能是在社会群体中发挥作用所必需的。班杜拉认为，社会化的基本学习机制是观察性学习或模仿，如模仿姿势、手势、面部表情和大量与语言相关的现象。

这类学习的可以模拟或提供一种真实的情境，在这种情境中，一个人遇到了一个新的社会群体，拥有另一种文化背景的人，或各种客户或同事，这些事件要求人们以适当的方式做出反应。

对于智能学习环境，社会化带来的挑战是不仅要支持人们之间的直接交流，还要协调社会化过程的间接交流，尤其是非语言行为，包括面部表情。这类学习环境，需要完全支持社会化有效的、非干扰性的面部表情、情绪和手势的感知等。

4.3 创造性学习智能环境

创造是一种机制，在这种机制中，一个人通过操纵环境来学习，从而创造出一个新的对象、资源或过程。创作过程涉及到认知的变化，与技术技能密切相关。这类学习可以引入一些典型的学习干预措施，如提供创建过程所需的(模拟的或真实的)场景和材料；把任务交给一个人去创造一些新的东西，并为完成任务提供一个激励框架。

这类学习环境在建设时应该支持在创建过程之前、期间和之后的学习，并包含物理和数字化元素，使人能够学习，监测以及适应干预。

4.4 实践性学习智能环境

实践性学习可以在现实也可以在游戏中完成，使用实践性学习环境的例子有经典的演练实践程序以及互动游戏。在智能学习环境中，实践设备应该具有情境感知能力和适应性，例如，GPS运动手表可以用作数字反馈设备，以得到更好的学习表现。

4.5 反思性学习智能环境

反思性学习是指反思问题和解决方案的重构、结果的评估、决策制定、战略制定、自我调节、深度学习。这包括推翻以往的经验，尝试新的想法，创造性的洞察力，通过从错误中学习来适应认知技能，以及从一种信仰到另一种信仰的转换等。

反思性学习是一种元学习机制，这意味着一个专注于识别的智能学习环境，还应该包括练习和反思的设施，以刺激学习者更快更好地学习。

总之，一个有效的智能学习环境，应是给学习者的物理位置添加一个或多个数字设备，用以增加学习功能，增强虚拟场景，增加促进监测和评估学习者进步的设施，提供适当的信息给利益相关者的设施；它至少支持识别、社会化和创造学习中的一种，也支持实践和反思性学习；它能观察学习者的位置、背景、偏好、身心状况和文化，并根据相关观察调整干预措施，实现预定的学习目标。

5 智能学习环境的模块框架

一个有效的智慧学习环境要适合不同的学习类型或者学习组合，具有最小的情境感知，最小适应性，并具有最低限度的个性化，这是系统开发人员实施智慧学习环境的基本标准，在技术实现上，智慧学习环境通常包括以下模块：

(1)学习状态检测模块。该模块通过连接到一些感测设备来检测学习者的真实世界状态（例如，位置和学习行为）和环境情境（例如，温度和湿度）。

(2)学习性能评价模块。这个模块用来测试评估和记录学习者在网络空间或者真实世界的表现。对于一个真实世界的测试，学习者可能会被要求通过观察或与真实世界目标交互找到测试项目的答案。

(3)自适应学习任务模块。该模块根据各学科的学习进度、学习成绩、个人因素和学习目标，将学习任务分配给学习者。学习任务可以是一个在线查询任务，使学习者在网络上搜索信息，或现实世界的调查任务，要求学习者观察真实世界的目标，提出问题，搜索环境，提出假设，并提出问题的答案。在这个模块的帮助下，学习者总是通过考虑他们的学习状态和个人因素在适当的地点和适当的时间从事最可行和最重要的学习任务。

(4)自适应学习内容模块。为学习者提供合适的学习材料的功能模块。学习系统基于学习进度、学习成绩、个人因素和个体学习者的真实世界状况，推荐和组织学习材料，并适应用户界面以满足个体学习者的需要。

(5)个人学习支持模块。该模块依据学习者需求为他们提供必要的学习支持。学习支持可以是学习任务或学习内容的指南，是学习任务的提示，是对他们工作的反馈，或者是一种思维工具，帮助他们以高效和有效的方式学习。为了确定提供什么样的支持，需要考虑学习任务和学习内容的特征以及学习者的学习表现、个人因素和现实状况。

(6)数据库模块。用于保存学习者简介、学习档案、学习单（即呈现每个学科单元或学习主题的学习任务的表格）、学习材料、测试项目和学习工具。这些数据库中的数据对学习系统来说是非常有帮助的，在适当的地方和适当的时间为学生提供适当的支持。例如，在学习组合数据库中保存学生的学习进度、作业、评估结果以及它们与同伴和学习系统的交互等等。通过分析学习档案中的记录，学习系统掌握个别学生的技能，从此分配给他们最合适的学习任务，以及一些推荐的策略或工具。

(7)推理引擎和知识库。用于确定候选学习任务的“价值”、策略和工具以及它们可能的组合。知识库是教师的教学知识以及经验的集合。它也可能包含通过分析先前的案例生成的决策规则，包括那些成功的和不成功的案例。推理机是一种计算机程序，它通过分析知识库中的规则，通过分析当前的情况（即学生的状态和环境）来做出决定。

6 结束语

近年来，智慧校园的建设正紧锣密鼓地进行着。绿色、智能、共享的智慧学习环境是教育信息化的现实需求。在信息化建设过程中，如何推进新兴的教学方法和技术的创新应用、设计和实现智慧学习环境等问题，需要来自教育、计算机科学、心理学和工程学等多学科研究人员的共同努力。在智慧学习环境建设中，实现学习的个性化是智慧学习环境设计的基本原则，良好的用户体验是第一需要。当然，在智慧学习环境中，教师群体是智慧学习环境的重要元素。教师的角色转变，以及基于整合技术的教学实践至关重要。