新工科背景下智能学习环境构建的探究

张文华

摘  要：课堂教学是课程实施的具体过程，学习环境是课堂教学的一个重要组成部分。目前工科大专院校的课堂教学主要在教室和实验室进行，这种传统的教学环境导致了教学形式的单一化、学习方式的同质化、评价方式的机械化等问题。随着“新工科”课程建设的不断深入，建立与之相配套的学习环境，成为新工科课程能否有效实施的一个关键。智能学习环境的构建是未来发展的一个方向，结合当下广泛应用的教育技术，可以从智能设备的增加、智能交互的构筑、模拟场景的建立等三个方面进行智能学习环境的建构。

关键词：学习环境;智能学习;新工科;教学改革

中图分类号：G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2020）43-0051-03

从吴爱华等人第一次提出“新工科”概念，到之后的“复旦共识”“天大行动”，再到教育部在北京召开“新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议”之后形成的“北京指南”，这一系列的事件表明我国的高等工程教育研究进入到一个以“新工科建设”为核心的崭新阶段。课堂教学是课程实施的具体过程，学习环境是课堂教学的一个重要组成部分。因此，随着“新工科”课程建设不断深入，建立与之相配套的学习环境成为新工科课程有效实施的关键。为此，本文针对传统教室的不足，结合智能学习的相关理论，就新工科学习环境的构建提出一些设想和建议。

一、有效教学的前提：学习环境

课堂教学是学校教育最主要的活动之一，是向学生输送知识的主要渠道。在过去的教改研究中，学界主要聚焦在教学主体的探讨，在确立了“学生是教学的主体，教师是教学的主导”这一关系后，一部分学者开始对教学的环体即学习环境进行研究。学习环境是“学习者的周遭外界” [1]，是一个由多种要素构成的复合体，是影响课堂教学质量和效果的主要因素之一。学习环境一般分为学校部分与课堂部分两块，前者主要集中在学风建设、课程设置、培养方式等学校教育的宏观层面，后者则是课堂教学的一个组成部分，是课堂教学实施的具体环境，以学校的物质条件为基础，为教师的授课内容而服务。

学习环境包含了人（教师、伙伴等）与物（黑板、桌椅、教材等）两个方面的要素，二者相互影响、有机统一。例如，传统的纸质教科书，对知识基础“层次不齐”的同学们提出了“整齐划一”的知识，必然影响教师的“因材施教”。在确立了学生的主体地位后，学界的视角从“教师怎么样教得好”转变到了“学生怎么样学得好”，在课堂教学中主要有“传递式”和“建构式”两种模型。当前的研究表明，传递式的教学主要适用于讲座或大型公共课等场合，而对于人数较少的专业课则效果有限，教师更应采取建构式的方式来完成教学。因为“学得好”的标准不仅局限于学生对概念、公式、理论等基础知识的了解与背记，当前的教育思想更希望学生在课堂上能自主完成知识的建构与内化，在课程中能逐步形成一套完整的方法，因此研究者越发认识到课堂教学“有效”的标准。特别是在大学阶段，教学目标不只在于整堂课知识量的大小，更在于学生是否有参与、内化的过程，最后是否能形成相关的技能和思维。

对教学主体的讨论，实际上也是一次对课堂教学意义的再认识，从最早的“知识灌输”到后来的“知识建构”，再到今天普遍赞同的“情景认知”，学界对课堂教学的认识在不断加深，教学要求也在不断加大。情景认知理论认为知识不只是符号或理论而已，而是人与社会或自然环境互动的产物，而受教育者只有在一定的情景下，才能真正掌握住相关的知识，做到知行合一。因此，外部环境的构建对于课堂教学非常重要，因为“情境学习认为在特定情境中获得的知识比所谓的一般知识更有力和更有用， 要求知识在真实的环境下呈现” [2]。特别在“新工科建设”背景下，传统的教学模式已经不能满足新工科人才培养的需要，从教学环境上看，传统的教室环境有时反而会成为教学设计的一个阻碍因素，影响教学的有效性。

二、“新工科”背景下传统教室的困境

工程学科是一个由数学、物理学、化学等学科组成的复合学科。在过去人们的传统印象中，科学的发展带来了人类生活的进步，特别在中文语境中，科学家往往比工程师更能带给人成就感和尊严感。实际上用更细的眼光观察会发现，每一次科学的进步最终都是以技术或产品的形式回馈社会的，“世界范围内以人工智能、大数据、生命科学与生物技术、新材料、新能源等为代表的新科技革命和产业变革正加速到来，必将深刻地改变世界的经济形态和产业结构，进而深刻变革人类的生产生活方式，技术的创新也必然带来对新工科建设和工程教育创新的强烈需求。” [3]新技术的出现点燃新的经济热点，而新产业的发展需要工程教育培养与之相适应的人才来支撑，“新工科”的任务就是要做好第四次工业革命的开路先锋，为“中国创造”和“中国制造”提供技术与人才。

目前工科大专院校的课堂教学主要在教室和实验室进行，随着社会的发展，这种传统的教学环境已经逐步暴露出一些问题。

1. 教学形式的单一化。“老师讲学生听”是过去课堂教学最主要的形式，这种形式不利于教师情景的模拟和学生知识的构建。新经济需要的人才不仅要有扎实的专业知识，更要有一定的综合能力和人文素养，这些素养和能力主要在情景中获得。由于传统教室的桌椅板凳都是固定的，阻碍学生的流动与沟通，与真实的工作环境差异较大，不利于教师教学的组织，例如探究式教学的进行，也不利于学生团队合作的充分展开，因此在此条件下展开的小组学习往往流于形式，不能引起真正的头脑风暴。诚然，团队中学生们的争论也许是浅显的，但这样的氛围正是日后工作环境的真实模拟，而企业中项目或产品的设计往往都以团队为基本单位，所以情景的模拟不仅能缓解单枪匹马式学习的枯燥与乏味，也是对学生表达、协作、领导等综合能力的锻炼，让学生提前感受“工程師”生活，增加他们的就业竞争力和职场能力。

2. 学习方式的同质化。在传统教室的课堂教学中，教师通过投影播放幻灯片传递学习内容，学生再以教科书的勾画和笔记来巩固，这种传统的讲授式学习不但会降低学生的积极性，而且固化了学习方式和学习内容。新工科的“新”在于探索和研发新技术，以此来满足新经济和新行业发展的需要，而教科书的编写、出版有周期性，一般会慢于技术的更新，此时需要教师在授课过程中及时补充，而新工科的内容不仅要让学生看得到，更要让他们能“摸”得到，所以新工科课程下的学习环境不能再停留在纸上谈兵的阶段，而应该配备最新的技术成果，让学生有实操的机会，锻炼他们的动手能力和创新能力。

3. 评价方式的机械化。新工科要求培养学生“做”的能力，这种实际的动手能力是一种准技能，在学生参加工作之后能快速转化为工作能力，“做”的能力主要从实践获得，有时甚至需要手把手地点拨。而传统教室的课堂教学让教师无法对学生的学习过程有实时的把握，教师难以及时给予学生指导，讲授为主的教学方法最后只能用纸笔考试来进行评价，这就与新工科课程强调动手能力背道而驰，因为归根到底这是一种“写”而非“做”的能力，不符合市场和用人单位实际的需求。“现有的工程教学评价方式主要是以学分、成绩的‘供给’为导向，而非以毕业出口的‘需求’为导向。” [4]新工科背景下，不能再单纯地以试卷分数来评价学生，应该更多地通过学生的设计和作品来考察他们的学习效果。

由此看来，过去传统的教室、实验室环境已经不能完全满足新工科建设的需要，而智能学习环境的构建，是未来发展的一个方向。

三、智能学习环境的框架设计

随着社会经济的发展，智能技术开始被广泛地运用到教育领域中，为课堂教学提供全面的支持。结合当下广泛运用的教育技术，可以从三个方面着手进行智能学习环境的建设。

1. 智能设备的增加。智能设备是智能学习环境构建的基础，设备是技术的载体。在目前讲台、黑板和投影仪的基础上，学校可以增加智能设备，对传统教室进行武装，来实现教室功能的多元化，为课堂教学提供帮助。例如，可以使用物联网技术，让教师能对学习环境的湿度、温度和亮度进行调整以达到教学的最适宜状态。再如，可以引进人脸识别技术，完成到课情况的智能管理，节省上课时间，记录学生学习情绪。

2. 智能交互的构筑。智能交互是智能学习环境构建的关键，“物”要素最终是为“人”要素服务的，良好的师生、生生互动是一堂好课的关键。例如引进行为感知技术后，教师可以通过后台对学生在设备上的行为进行大数据分析，以此来找到学生的兴趣点和学习难点。再如，利用移动互联技术，师生可以通过平板等设备进行全方位的交流，包括重点内容的操演、学生方案的展示、实时提问等，这比传统的语言交流信息量更大，也更加容易被学生吸收。

3. 模拟场景的建立。模拟场景的建立是构建智能学习环境最主要的目的之一，通过人工智能和虚拟现实等技术建立数字化的学习环境，可以为学生提供视觉、听觉甚至是触觉的模拟，营造一个和工作环境相似的场景，让他们有“身临其境”之感。这种学生和未来工作设备、实际问题的提前接触，是过去传统教室所不能比拟的，可以大大提高学生学习的沉浸感，激发他们主动学习的兴趣，也为他们提供了实操的机会。

需要指出的是，智能学习环境的具体构建需要一定的实际条件做支撑，而各校的具体情况是不同的，“不可否认的是，教室作为当下时代最重要的学习环境的一部分，确实发挥着无可替代的作用，承载着教师的教学活动和学生的学习活动，但随着智能技术的发展，类似于教室这类较为固定范式、可转换性较差的实体空间是否会永存，这是一个值得争议的话题。” [5]怎樣在理想和现实之间找到平衡，结合各校实际情况构建智能学习环境，为新工科课程提供开花结果的土壤，是一项值得研究和建设的长期工程。

参考文献：

[1] 钟启泉. 学习环境设计：框架与课题[J]. 教育研究，2015，36（01）：113-121.

[2] 余胜泉. 从知识传递到认知建构、再到情境认知——三代移动学习的发展与展望[J]. 中国电化教育， 2007（06）：7-18.

[3] 赵继，谢寅波. 新工科建设与工程教育创新[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学改革：框架设计与实施路径[J]. 高等工程教育研究，2019（06）：155-161.

[5] 逯行. 基于智能技术的“新工科”研究生学习环境设计研究[J]. 研究生教育研究，2019（05）：26-30.

（荐稿人：杨红光，电子科技大学成都学院副教授）

（责任编辑：王强）