学习科学视角下的职业教育教学

陈高伟 张嘉虹 尚俊杰

摘 要 学习科学领域经过三十余年发展，其范畴涵盖多种学习技术和学习理论。目前，学习科学在辅助高等教育教学中已取得一定成果，但在我国职业教育领域中的探索仍较为缺乏。我国拥有世界上最大的职业教育体系，然而其现代化水平还有待进一步提升。鉴于此，我国可以从学习科学的视角出发，把建构主义学习理论中的认知学徒制和学习分析相结合，作为提升现代职业教育的策略与路径。将学习科学应用到职业教育教学中的具体实施步骤是：理论研究、实地调研、技术开发、实验研究、改善与优化。以职业院校文秘专业为例，运用建构主义认知学习理论中的认知学徒制和学习分析相结合来设计和开发相应的学习分析产品，具有一定的可行性。

关键词 学习科学;学习分析;建构主义学习理论;认知学徒制;职业教育教学

中图分类号 G712 文献标识码 A 文章编号 1008-3219（2020）28-0020-07

一、研究背景和问题

学习科学（learning sciences）是一个关于教与学的跨学科研究领域，涉及教育学、脑科学、心理学、信息科学等诸多方面[1][2]。经过30余年的发展，学习科学的范畴涵盖多种学习技术和学习理论[3]。目前学习科学在辅助高等教育教学中已取得一定成果[4]，然而，其在中国职业教育领域中的尝试与探索仍较为缺乏。因此，本研究集中探讨建构主义学习理论中的认知学徒模式（cognitive apprenticeship）和学习分析（learning analytics）对职业教育教学的启发和作用。

改革开放以来，我国职业教育发展迅速，取得较大成就。截至2018年，我国职业院校达1.17万所，在校生人数达2685.5万人[5]，建成了世界上最大的职业教育体系，为我国经济社会发展提供了充裕的人力资源。然而，与发达国家相比，与建设现代化经济体系、建设教育强国的要求相比，我国职业教育还存在一系列问题，比如体系不够完善、职业技能实训基地建设有待加强、制度标准不够健全、企业参与办学的动力不足、有利于技术技能人才成长的配套政策尚待完善、办学和人才培养质量水平参差不齐等[6][7]。此外，由于职业院校学生生源具有多样性，造成其知识结构层次不一，学习动机普遍较低，学习主动性和能动性不强[8]。因此，2019年国务院印发的《国家职业教育改革实施方案》明确提出，“职业教育与普通教育是两种不同教育类型，具有同等重要地位”，并强调“没有职业教育现代化就没有教育现代化”。

由于低质量的职业教育教学和培训无法适应市场的需求，全球许多国家尝试通过改革和转型以提升职业教育的质量。目前全球范围内职业教育发展良好的国家如澳大利亚、德国、瑞士和丹麦等都采用了完善的学徒制。以德国为例，德国政府在2005年正式通过《职业培训法案》，强调通过采用实践性的“双轨制”（学徒学习模式），即企业和职校合作共同培养企业所需的技能人才，职校生同时具备在校学生和企业学徒双重身份，以增强职业教育的实践性[9]。虽然各个国家的改革策略有所不同，但改革和转型的策略大体一致。首先，深入调研企业和组织，制定能力标准;其次，依据能力标准构建相应的课程和评价体系;最后，识别学生已学的知识和技能，并培养工作场景所需的新知识、新技能和新态度。与世界各国的职业教育发展趋势相似，目前中国各大城市均在进行相关的职业教育教改和转型。为进一步办好新时代职业教育，国务院要求各省市相关机构认真贯彻执行《国家职业教育改革实施方案》，把职业教育摆在教育改革创新和经济社会发展中更加突出的位置， 大幅提升新时代职业教育现代化水平，为促进经济社会发展和提高国家竞争力提供优质的人才资源支撑。

近年来，信息技术的发展对教育产生了深远影响，各种技术支持的教育模式在大学、中学、小学及职业教育中扮演着越来越重要的角色，人们希望借助新技术实现教育变革和教育现代化[10]，加快教育信息化进程，以教育信息化带动教育现代化已成为推进我国包括职业教育在内的教育改革发展的战略选择[11]。2016年12月，我国印发的《技工教育“十三五”规划》明确指出：“全面加强技工院校信息化建设，提高课程教学质量。”《国家职业教育改革实施方案》亦提出遴选认定一批职业教育在线精品课程，建立一批教材、新型活动页、工作手册式教材等，并配套开发信息化资源。

鉴于此，本文从学习科学的视角提出以前沿学习分析结合建构主义学习理论的方式探究现代职业教育中的教学策略和路径，提高教师的教学质量，增进学生学习的积极性，及其对学科知识和技能的理解及操作，以适应我国蓬勃发展的新产业结构和新兴科技。具体来说，本研究将整合基于职业教育教学过程的学习分析方法，創新性地将其与建构主义学习理论中的认知学徒制相融合[12][13]，在真实教学和师生互动情境下，提供证据支持和个性化反馈促进学生的反复示范、教导、支持辅助、阐明、反思及探索等各种认知活动，从而增强学习者的自我监控、调节、实践与反思能力，提高教学和学习效果。

二、学习科学对职业教育教学的价值

随着信息技术的快速发展，把学习理论在教学上的应用与教育技术特别是学习分析技术相结合，来推动知识和技能的教学，是当前国际学术研究的前沿和热点[14]。本部分探讨建构主义学习理论中的认知学徒模式和学习分析在职业教育中的应用，分析在学习科学视角下如何将其有机结合以促进职业教育教学发展。

（一）建构主义学习理论中的认知学徒制

学习科学中一个值得关注的理论是建构主义学习理论。建构主义学习理论强调产生学习的社会互动环境及学习主体的认知知识水平。其代表理论如社会文化互动理论[15]及情境学习理论[16] 都阐述了“学习是通过情境活动中的社会互动产生的”这一论点。这种社会互动一般具有明确的目的和意义，互动交流者以话语为媒介的协作往往对学习成效有着积极影响。在这一理论框架下，建构主义学习理论中的认知学徒制更进一步阐述了关于初学者学习复杂技能所需要符合的隐性的认知过程[17][18]。

认知学徒制倡导在模拟真实场景的教学中，教师通过与学生互动呈现包含认知过程的信息。学生从专注知识和技能的听讲到在教师的指导下及互动中采取反复的示范、教导、支持辅助、阐明、反思及探索等认知活动来促进学习中的自我监控与调节，提高实践与反思能力，把隐性被动的知识传输转化为显性的技能掌握和内化，以确保知识得到长久保留和技能实践水平得到提高。Brown， Collin和Duguid同时指出，在认知学徒制的这六个环节中，前三个（即示范、教导、支持辅助）是提高元认知水平的核心关键环节，而之后的两个环节（即阐明和反思）是帮助初学者学习内行专家们分解任务及解决问题所采取的策略，最后一项环节（即探索）是让学习者渐渐掌握独立的发现问题和解决问题的实践能力。而下节所述学习分析则可为认知学徒制中的这些认知环节提供基于数据分析的证据支持和个性化反馈，把以前需要肉眼观测的技术细节可视化、把学习者所处的认知过程个性化，然后反馈给教师及学生本人。因此，可以看出，认知理论对于指导教学特别是职业教育教学具有很实用的价值。

建构主义学习理论和认知学徒制对于职业教育教学有很大的指导意义。国外同行在这一领域开展了很多实证研究，包括以模型为中心对隐性知识技能展开的教学法[19]、对错误问题的内部结构分析及提供正确解法心理图谱的专家模型[20][21][22]，以及广泛应用在医学教育领域的以问题为导向（Problembased Learning， PBL）的学习法等[23]。国内学者也纷纷呼吁把认知学徒制引入我国职业教育课堂，这对于加强高职院校学生职业技能培养特别是实践和动手能力培养以及现代职业教育发展具有重要意义[24][25][26]。

（二）学习科学中的学习分析

学习科学中另一个重要分支是学习分析。学习分析通过对关于学习者、学习过程和学习环境数据的界定、收集和分析，从而理解、优化学习过程和促进学习环境的改善，并提供基于学习者特征的个性化反馈[27]。学习分析技术和工具可对学习过程中的各类型复杂数据进行收集、挖掘、整理、分析、提取和可视化，并提供基于证据的个性化反馈，以便学习者通过操作和互动加深自我学习管理和理解，增强头脑记忆效果、达到学习的最优成效。学习分析可以处理教学中的大文本、时间序列、碎片化、语音、视频等数据，甚至是多维度集合数据。其可以大大缩减手工整理数据产生的工时并几何数目地增加数据归纳整理能力，使之前以人工肉眼及凭借感觉来产生决策的过程變成了客观高效及以数据为基础的实时信息操控过程。

近年来，利用学习分析开发教育产品并指导教学实践已经引起教育界的极大关注。比如，美国伍斯特理工学院的贾尼斯·格伯特博士团队使用学习分析的理念和技术促进学生对于物理、生物、地球科学等领域的探究式学习。其中，学习过程中实时产生的大数据能够被自动记录并经由算法自动分析，进而实时生成报告提供给教师和学生以改善教学过程[28]。加拿大西蒙弗雷泽大学的菲尔·温内及其研究小组研发了一个用于追踪和支持网上自主学习的在线工具nStudy[29]。nStudy能够自动收集学习者在线学习活动信息并及时加以整合和分析，将结果有针对性地反馈给学习者，帮助学习者及时、有效地调整自主学习过程。其他较为流行的用于改善网上教学的学习分析和可视化工具包括ReaderBench[30]、MIAT[31]（多维交互分析工具）以及 Personal Learning Environments[32]等。学习分析技术和工具已越来越多地应用于教学中，以改善教学过程和学习效果。

（三）建构主义学习理论、认知学徒制和学习分析的结合

上述学习科学中的建构主义认知理论和学习分析各有所长，若创新性地将这两个领域的知识结合起来，使之相辅相成，对现代职业教育的教学有积极的指导意义。一方面，认知理论从职业教育教学的过程与环节着手，阐明了学生对学科知识和技能的理解及操作所需的步骤;另一方面，学习分析技术和工具能够应用计算机及数据分析优势，对认知学徒制所倡导的各个需要反复示范、教导、支持辅助等的认知环节提供信息和帮助，促进学生对学习过程的了解，增强他们的自我监控、调节、实践与反思能力，并切实提高教师的教学质量、增进学生学习的积极性。

因此，在学习科学的视角下，将认知学习理论与学习分析相结合也促成了国内外一些新型学习科学教学产品的诞生，成为目前国际教育研究和实践的新热点，受到各类教育科研机构的关注。比如，美国卡耐基梅隆大学研发的利用学习分析理念设计的数学自适应练习系统[33]、法国科学家斯坦尼斯·德阿那（Stanislas Dehaene）博士团队开发的依据认知神经理论的数感训练游戏[34]、我国香港大学王敏红博士团队开发的应用在医学教育中的认知学习可视化匹配工具[35]等，均采纳了把学习的认知心理操控过程与学习分析技术相结合的路径，来帮助学生取得良好的学习效果。

然而，以上这些教学产品尽管应用了认知理论和学习分析所长，但他们普遍都是为中小学基础教育而开发的。目前针对职业教育知识和技能学习的特点，为职业教育教学所设计的学习分析工具较为罕见。因此，本文旨在讨论如何填补这一空白，主要研究思路是从认知理论与学习分析结合的教学设计原理着手，阐明如何在这一交叉领域探索出既符合建构主义认知学习理论，又符合本地职业教育情况的学习分析模型和工具，为我国职业教育现代化的推进贡献力量。

三、基于建构主义学习理论、认知学徒制和学习分析的职业教育教学运用策略

虽然各国在提升职业教育质量方面所采取的路径各不相同，但基本策略大体一致：首先是深入调研企业和组织，制订能力标准;进而依据能力标准构建相应的课程和评价体系;同时识别学生已学的知识和技能，并培养工作场景所需的新知识、新技能和新态度[36]。在此大的原则策略背景下，本研究认为，把认知理论和学习分析应用到职业教育的教学中，可以采取五个步骤及相应的研究思路与方法，见图1。

第一步为“理论研究”阶段。采用文献追踪和案例分析等方法深入研究职业教育的教学特点、充分归纳和总结学习分析的类别及特点，从而对职业教育中的学习分析需求有充分的把握。在此基础上，深入学习和研究建构主义相关理论、认知学习理论中认知学徒制的基本原理及其应用情况，从而对教学的认知过程及策略有良好的把握。综合上述理论研究为后期设计和开发“以学习分析来辅助相关专业（如数学、光机电一体化、汽车维修、国际商务等）的教学过程”之产品作好充分的理论和技术准备。

第二步为“实地调研”阶段。采用文献追踪、专家访谈、实地观察调研、案例分析等方法深入调研特定行业和专业的企业与市场的需求、信息化需求、职校教师教学质量现状和职校生学习特点，研究如何将建构主义认知学习理论（如认知学徒制）和学习分析结合运用到“以学习分析来辅助相关专业的教学过程”之产品的设计和开发中。

第三步为“技术开发”阶段。结合调研所得的第一手的资料，结合建构主义认知学习理论（如认知学徒制）的基本原理与步骤，选择或开发相应的学习分析技术，设计与开发“以学习分析技术来辅助相关专业的教学过程”之产品，并结合学科特点选择相应的教学实施模式。

第四步为“实验研究”阶段。将所设计开发的“以学习分析来辅助教学过程”之产品应用于师生互动的实际教学及其它情境中，以期支持教师教学并帮助学生增强对知识的学习和实践操作技能，同时借助实验检测教学成效及师生心理和技术的适应性。为检验教学产品的教学效果，可设计准教学实验[37]，让实验组教师接受相关培训、学生接受教学产品辅助的教学;而控制组学生则接受传统的教学。通过对实验组和控制组实行课例录像及课例数据分析，来检验学习分析产品的成效（如考察教师教学效果和学生学习参与度和积极性等指标），根据结果改善教学模式。

第五步为“改善与优化”阶段。在理论和应用的基础上，总结学习分析及认知理论（如认知学徒制）在职业教育相关专业教学中的价值、潜力、策略及存在问题，不断改善和优化教学设计，逐步提炼出以学习分析为辅助的基于认知心理过程特征的最优的职业教育教学策略和路径。

以上五个步骤涵盖了从理论研究、行业调研和技术开发，到实地成效检验，再到教学设计模型的改善和优化，最终构建出适合行业学习特点的教学新模式。以此教学设计原理既能保证理论联系实际，又能切实从实践检验理论的角度开发出符合理论和实际情况的由学习分析辅助的教学模式，为职业教育的教学过程所用。事实上，国外同行在开发教学产品方面，普遍也是采用类似的原理方法，最终达到产品理想的有效性检验结果和实用价值。

四、基于建构主义学习理论、认知学徒制和学习分析的职业教育教学实施——以商务文秘专业为例

本部分以某职业院校商务文秘专业为例，介绍如何运用建构主义认知学习理论中的认知学徒制和学习分析相结合来设计和开发相应的“以学习分析来辅助商务文秘专业的教学过程”之学习分析产品。众所周知，随着我国经济发展、产业结构转型升级以及大数据、人工智能和“互联网+”时代的到来，人力资源市场对于行政商务文秘人员的素养，尤其是信息技术素养提出了更高的要求。然而，与职业院校的其他专业所存在的问题相似，学校在设置课程缺乏对市场需求的充分调研导致商务文秘专业的毕业生所掌握的技能无法完全满足企业对人才的要求。为了缩小学校人才培养和企业人才需求之间的鸿沟，让商务文秘专业毕业生进入企业后能缩短适应期、快速上岗、施展专业技能与才华[38]，可以以建构主义中的认知学徒制为理论基础，以学习分析为工具，设计和开发“以学习分析来辅助商务文秘专业的教学过程”之学习分析产品，并将其应用到商务文秘专业的教育教学中。

首先，从“理论研究”着手，对文献进行研读和总结，旨在了解本专业职业教育的教学特点、现有的学习分析理念和技术的类别及优势，从而对商务文秘教学中的学习分析需求有充分的认识，并在此基础上，从建构主义理论及认知学徒制的角度，从理论上把握教学的认知过程及策略。

其次，可以通过“实地调研”，包括邀请企业专家等对专业人才培养方案进行深入分析和研讨，了解企业与行业需求，制定能力标准，构建相应的课程和评价体系;同时，可以邀请企业反馈往届毕业生的工作表现，并召开毕业生座谈会，探讨人才培養改进方案并运用于日常教学当中。此外，需要调研本校教师教学质量现状，通过质化与量化相结合的方式，访谈教师代表和学生代表，进行教室实地观课，分别对教师和学生进行问卷调查与评估，在实际环境中了解本专业教师的教学质量现状。同时，需要调研本专业学生的学习特点（如学习动机、学习参与度、学习效果等），并对本专业的教学信息化情况进行分析与评估，如校园宽带网络实现情况、校园信息化管理平台建设情况、数字化资源平台建设情况、数字资源共建共享情况、学生信息技术素养培育、教师信息技术应用能力提升情况、信息技术课程与专业集合程度等。在以上理论指导和实地调研的基础上，综合分析和评估本校商务文秘专业的教学特点，并进行下一步的“技术开发”。

在“理论研究”和“实地调研”基础上，选择适合商务文秘专业的教学模式，以某一课程为实验课程，设计和开发“以学习分析辅助商务文秘专业的教学过程”之学习分析产品。首先，教学模式种类繁多，如建构主义教学模式有支架式教学、抛锚式教学和随机进入教学等[39]，又如将信息技术整合入课程的教学模式可分为“课内整合教学模式”与“课外教学整合模式”[40]。如本文所述，可以创新性地将学习分析产品设计成遵循认知学徒制六环节的产品，包含示范、教导、支持辅助、阐明、反思及探索，以促进学生对知识和技能的掌握，并促进教学的自我监控与调节，提高实践与反思能力，把隐性被动的知识传输转化为显性的技能掌握和内化，以期确保知识获得长久保留和技能实践水平得到提高。

因此，以此所设计和开发的学习分析产品将体现信息化和数字化，是一个囊括学习活动、教学活动、学习管理活动、物理环境、技术环境等五大要素的智慧学习环境。这一产品所构建的智慧学习环境将具有学习情境感知、智能化学习支持和学习系统集成这三个核心特征。具体而言，学习情境感知包括学习者的学习时间、地点、物理环境、基本偏好、学习情感、学习历史记录和学习评价等多维学习信息。智能化学习支持为学习者提供了个性化、数字化信息资源及资源关联和聚集、学习订阅和推送、学习导航、学习笔记、学习辅导、协同交流、智能导师和学习预测等学习服务。学习系统集成则是不同学习系统、平台（包括在线学习系统、线下实践和研究探索活动的学习支持系统等）的学习行为、系统等数据的传递和共享，以及各种学习方法、活动、资源的整合[41][42]。这一在智慧学习环境构建下的“商务文秘专业教学过程”之产品将采用最新学习分析理念和技术，运用教育数据挖掘方法，对教学过程及效果进行聚类、分析、可视化及关联规则分析等操作，生成实时数据分析报告或预测报告，以促进教学。依据魏顺平对Romero和Ventura及 Baker和Yacef等人对10余年的教育数据挖掘研究的归纳总结，目前教育数据挖掘方法有聚类（聚类、离群点分析）、预测（决策树、回归分析、时序分析）、关系挖掘（关联规则挖掘、序列模式挖掘、相关挖掘）、文本挖掘等几类[43]。而依据李青和王涛的观点，目前主流的学习数据分析方法包含社会网络分析法、话语分析法和内容分析法等[44]。本研究所预期的产品可运用上述若干分析方法对数据进行挖掘和分析。

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