人工智能环境支持下学习的通用设计研究*

陈亦茜 杨绪辉 魏笑 赵神爱 夏佳文

淮阴师范学院教育科学学院 江苏淮安 223300

0 引言

在人工智能时代下，伴随着教育理念的不断革新，技术环境对学习提供的支持得到了进一步增强。与此同时，如何通过个性化学习打造新时代专家型学习者已然成为教育领域研究的趋势，而人工智能环境支持的“学习的通用设计”契合了这一发展趋势。

基于脑科学和认知科学的“学习的通用设计”认为，所有学习者的学习能力具有不同程度的个体差异，将通用性作为核心，主张以学习者的兴趣和需要为出发点，以多样化的学习路径和灵活的资源选择方式为手段，为全体学习者设计包容性强的课程内容以增强其学习动机和参与度。因此，在人工智能环境的支持下，“学习的通用设计”可以借助智能技术，为“人—机”协同学习创造充分的条件，让更多的学习者都能获得公平而现实的学习机会和丰富的学习选择，让不同学习者得到个性化发展，从而使他们在成就未来学习图景方面所具有的巨大潜能成为可能。

1 “学习的通用设计”理念的解析

解析“学习的通用设计”的定义和理念有助于我们掌握“学习的通用设计”相关构建思想，提升教育水平，更加有助于改善“学习的通用设计”思维。“学习的通用设计”理念的解析分别从以下三方面展开。

1.1 “学习的通用设计”理念起源

“学习的通用设计”（Universal Design for Learning），这一概念源自建筑学中的“通用设计”思想。按照通用设计中心的定义“通用设计是设计环境和产品的工具，这样它就可以不需要改造而被更多的使用者利用”[1]。20 世纪50 年代，丹麦研究者提出了“正常化原则”，倡导残障人士亦应享有普通人般的生活，残障问题开始受到关注，并为帮助残障人士融入主流社会，在日本和欧洲一些国家以及美国，开始出现“无障碍空间设计”（Barrier-free Design），即为残障人士清除其生活环境中的种种障碍[2]。20 世纪70 年代初，美国《残疾人法案》第504 条明确表明了要保障残障人士能够更容易、更便捷地使用公共设施资源的权利，于是他们改造了相关建筑，并将轮椅坡道和自动门的性质整合于建筑内，以增强残障人士对于公共便利设施的获取能力。后来，设计师们发现，如果在设计之初就能考虑到这些特殊建筑所具有的优点，既可加强公共设施的便捷性和容易度，又可以极大地降低建筑成本，这就是“通用设计”理念。建筑师梅西作为通用设计这一概念的建设者和倡导者，声称通用设计旨在促进开发能够为所有人使用的产品，表达了一种“尽可能包容”（As Inclusive As Possible）的设计理念[3]。

在当前教育环境下，由于残障儿童的人数在不断增加，特殊教育得到了相应的发展，普通的课堂教学和教育教学模式复杂多样。以美国为例，2001—2002 学年，在正常的学校教室中接受教育的残障儿童大约为580 万人，相当于学龄儿童总人数的1/10[4]。与此同时，为了不让每一个儿童掉队，教师将面对的是多样化的学生。在20 世纪70 年代，全球出现了全纳教育思潮，主张特殊儿童可以重返主流社会，应在同一教育环境中和普通儿童一样接受教育，后来，全纳教育成为特殊教育发展的主流趋势[5]。

随着全纳教育的推进，在相同的教育环境下，学生存在着智力水平、特殊需求等方面的巨大差异，教育者面临巨大的挑战。自20 世纪80 年代中期以来，教育研究者们为满足全体学习者的智力水平、特殊需要、学习方式以及满足不同学习者自身发展的需要，将全纳教育嫁接到教育领域中，并在教学设计、学习和评价中得到广泛应用，从而形成了一套“以研究为基础，组成实用性框架体系”，最大限度地满足每一位学生学习机会的设计思想[6]，由此诞生了“学习的通用设计”理念。

1.2 “学习的通用设计”指导原则

虽然学生的学习习惯和认知风格都大不相同，但“学习的通用设计”是从学习兴趣和需要出发来满足学生个性化的学习，因此，所有学生都能在“学习的通用设计”课堂上找到适合自己的学习方式和内容。“学习的通用设计”贯穿于学习课程的始终，蕴含了设计、活动、过程和测评等环节，旨在构建适用于全体学习者、灵活多样的教学，并遵循以下三个原则。

一是多元内容呈现的原则。“学习的通用设计”的公平性表现在能够以最大的包容性来面对学习者学习能力、学习个性、特殊需求的差异性和多样性。比如采用多元的教学内容呈现方式，即同一内容可以同时由图片、盲文、音频、视频等共同呈现。这样，课堂的教学内容不仅能够满足学习者的差异需求，还能使教学内容更加灵活生动。二是多元控制手段的原则。对于学习情况的反馈以及学习过程的改进，提倡运用多样化的手段。比如，运用音乐、作品集、舞蹈、视频、表演等实践性方式，更加全面、高效地评估学习者对学习内容的掌握程度，进而为改善学习效果和学习效率提供可靠的依据。三是多元参与选择的原则。组织的学习活动是否有效，首先取决于学习者是否都能参与到学习中。在传统的教学过程中，学习者常常拘泥于一种参与方式。作为全纳教育者，教师可以给学生多种选择参与学习的方式，同时选择的自由性也能够激发学习者的学习兴趣，并提高学习效率。

1.3 “学习的通用设计”实施要点

在遵循上述通用学习设计原理的同时，还要注重以下实施要点。一是遵循“通用性原则”，即运用“学习的通用设计”框架满足所有学习者的个性特点、特殊需求、能力差异等，要使教学方案广为适用并得到广泛认可。比如板书的设计、电脑操作的设计都需要包容所有学习者的差异性和多样化。二是遵循“简单直观原则”，即教学设计传达的内容要既简单又直观，能够被学习者理解并接受。比如，在教学过程中遇到了复杂的专业术语或者专业的上位名词，教学设计中可以将此类复杂的概念，通过动画、视频、图片、结构图等方法变得简单直接，让所有学习者更加直观地理解。三是遵循“容错原则”，即发现学习者误解、时间错误、学习效果不佳等情况，教师应该以最大的包容心面对这些问题，营造轻松愉悦的氛围，耐心讲解易错较难的内容。

2 “学习的通用设计”技术补缺诉求

“学习的通用设计”在实现学习者转变为“专家学习者”中确实起到了重要的作用，但在实践中仍然存在一些需要攻克的难题。第一，“在设计之初满足所有学习者需求”的理念难以实现。“学习的通用设计”追求的是在教学任务开始之初就设计出一套完美的方案，在教学过程之中来帮助学习者以最适合自己的学习方法进行高效率的学习。然而学习者的实际需求各不相同，很难做到在进行教学设计时就全面考虑到所有的学习者，因此教学设计难免会存在一些缺陷，这就需要教师在教学任务结束后进行改进。第二，可能会引起新的学习障碍。在面对“学习的通用设计”提供的丰富教学方法和教学素材时，绝大多数学习者可以选择最适合自己的方式进行学习，但选择性障碍者很难作出选择，并可能因此恐惧学习，对选择性障碍者的学习起到了反作用。第三，缺少独立的教学设计模型。“学习的通用设计”依赖别的设计模型来实现教学，甚至会在教学过程之中失去其主导的地位，被别的教学方式所替代。第四，缺少数据收集和分析的能力。每个学习者都是独立的个体，在面对学习者数量众多时，教师很难精准地刻画出每个学习者的学习特征，难以保证为每个学习者提供恰当的教学方式和教学资源。

“学习的通用设计”对技术支持存在天然的内需性，而人工智能技术能恰如其分地满足其需求。具体而言，多模态学习分析、适应性反馈和知识融合三种关键的人工智能技术可以帮助“学习的通用设计”摆脱上述难题。

2.1 多模态学习分析

多模态学习分析可划分为九个范畴：

1）文本分析（Text Analysis）；

2）话语分析（Speech Analysis）；

3）笔迹分析（Handwriting Analysis）；

4）草图分析（Sketch Analysis）；

5）动作和手势分析（Action and Gesture Analysis）；

6）情感状态分析（Affective State Analysis）；

7）神经生理标记分析（Neurophysiologica Markers Analysis）；

8）眼睛凝视分析（Eye Gaze Analysis）；

9）多模态整合和多模态界面分析（Multimodal Integration and Multimodal Interface Analysis）[7]。

在对这九个范畴进行数据层次划分以后，我们可以得到表1 的四个层次。通过接收多模态学习分析收集并反馈的学习者的学习状态，教师可以把这些数据作为组织和优化UDL 教学的主要依据，也可以凭借这些数据全面解析不同学习者的学习特征，加强师生交流和表达，为实现学习者转变为“专家学习者”作出贡献。

表1 多模态学习分析的数据层次[8]

2.2 智适应反馈

智适应反馈功能对学习者进行实时精准反馈。相较于传统的教学模式，面对众多的学习者，教师无法时时刻刻紧盯所有的学生，因此难以对所有学习者作出快速且正确的反馈。而在智适应反馈中，计算机可以收集所有学习者的数据并加以分析，智能匹配最合适的教学媒体并作出精准的学习反馈。智适应反馈可以分为以下六类。

1）引航作用：为不明确学习方向的学习者指引方向。

2）鼓励作用：按学习者的学习效率进行奖罚。

3）告诫：告知学习者当前行为不利于高速完成学习任务，达到学习目标。

4）反馈作用：反映学习者的学习效率，让学习者了解上一阶段的学习成果。

5）启迪作用：启发学习者在何时何地可以快速地进入学习状态。

6）总结服务：对学习者的学习状况加以分析并总结得失。

智适应反馈有效地监督并敦促学习者进行学习，在学习者达到自己的学习目标中起到至关重要的作用。

2.3 知识融合技术

如果说多模态分析和智适应反馈分别注重学情分析和精准反馈，那么知识融合技术的作用就是为学习者作出合适的学习规划。知识融合技术以多模态学习分析为支撑，不仅是一种指向共性学习的标准知识体系，还能够针对不同学习者描绘不同知识体系以激发学习者的学习热情并成为其学习动力。面对各个学科的知识点，知识融合技术可以推理出它们中间各式各样的关系，以此形成一张知识点的结构图，再根据学习者的学习特征与学习画像，形成学习者个性化的知识子图。知识融合技术的运用对“学习的通用设计”来说，其一方面给学习者建构与其认知规律相一致的系统性学习顺序，从而实现对知识点深层次的认识，有利于知识网络的形成，能够使学习者更清楚地了解知识的背景及其作用；另一方面，为学习者提供适当的学习挑战，适切的学习挑战可以推动学习者自信心的提升，并且增强面对下一个学习挑战时的动力，从而形成一种良性的学习循环。

3 如何实现基于人工智能环境的“学习的通用设计”

人工智能作为信息技术的一种更高级的发展形态，促进了“学习的通用设计”在理论逻辑、模型方法及价值体系等方面的开发与革新，而多模态学习分析、知识融合和适应性反馈三种关键因素的合理应用则能实现“学习的通用设计”价值。

人工智能环境下的“学习的通用设计”强调构建以“学”为主的课堂生态，目的是激发学生的自主性，放大学生的自学成果，这就需要根据学生差异划分学习目标，学生自主选择“学什么”的任务单。教师可以根据多模态分析技术将教学内容进行知识关联，并通过其采集和分析整理的多维度学习数据，准确把握学情，为学习者执行学习功能、激发学习兴趣及自我调节提供支持。这不仅能够为教师调整“学习的通用设计”过程提供参考，也是人工智能系统在课堂教学中合理运行，发挥其为学习者创设适宜学习环境的基础。

教学过程中，教师可以利用知识融合技术，根据学习者画像分析，给学生提供多样且合适的学习资源，让学生依据学习目标自主选择资源。教师以多模态学习分析技术为支撑，基于知识融合技术，即采用实体链接与知识合并相结合的方式，对学生所获取的知识进行序列化知识图谱的构建，有利于学生对所学知识体系的进一步把握。

教师根据人工智能分析所得的学习者画像，向学生推荐符合学生个性化学习需要的学习内容以及学习途径。学生因学习生活经验与学习基础存在差异性而对所获得的知识产生不同程度的信息加工，基于此，教师依据“学习的通用设计”原理，把知识融合技术转化为以知识带动个性化学习的手段，抽象出学生个性化的子图，为学生进一步掌握知识提供帮助。

传统的教学反思一般只有教师针对课堂教学情况进行课后反思，但人工智能环境下，教师运用智适应性反馈技术，可以更好地与学生进行反思互动，及时调整下轮教学方案的设计。智适应反馈所具有的功能是在合适恰当的时机给予学生精准的学习反馈，以帮助教师更进一步了解学生对课堂学习的掌握情况，它表现为教师对学生学情数据积极介入，不同于传统反馈系统的被动访问，它能为教师提供更多的反馈信息，同时教师也能有效激发学生对课堂的兴趣，从而实现学习目标管理、学习规划和自我调节的执行功能。

在人工智能的时代背景下，“学习的通用设计”在结构上有了很大的改变，原本传统教学设计流程中，由教学者负责完成的教学原则和教学功能转移到由人工智能技术来完成，教学者提供教学咨询、作出教学决策、进行学情分析与反馈，让自己更多地投入学习服务中。教师在人工智能环境下能实现的“学习的通用设计”价值可划分为基础价值取向、核心价值取向与目标价值取向三个层次，重点是“重构素养，培养专家型学习者”的价值取向，并以此作为研究目标[9]。

在人工智能环境中，教师在设计教学系统时，要以培养专家型学习者作为教学目标，不能停留在满足学生个性化学习需要上。

专家学习者是指学习领域有专长并表现出联系的学习者，“学习的通用设计”所蕴含的人机共生体结构阐释了“化知为智”教育观的新趋势，更好地支撑了人工智能时代专家学习者的培育。

基于人工智能环境的“学习通用设计”模式，以人—机协同学习为模式，以教学者、学习者与人工智能之间各司其职为前提，构成了一个稳定的、高效的学习共同体。

4 结束语

“学习的通用设计” 在人工智能技术的支持下，从学习者的个性化需要出发，教育者通过教学设计，尽可能地满足学习者发展的需求；能够让教育和技术有机地结合起来，两者共同为学习者提供可自主选择的多元化的环境、资源，促进学习者学习能力的发展，并为终身学习做好铺垫。技术是“学习的通用设计”理论发展的核心，人工智能技术的介入让“学习的通用设计”在很大程度上可以得到卓越的发展。

“学习的通用设计”要想实现对教育教学的创新，多样化的技术手段必不可少，其中人工智能技术作为一项新兴技术，对“学习的通用设计”发展起到重要的支持，将两者深度融合，可以实现教育中的“人—机”交互以及个性化选择。虽然研究中仍有未尽之处，但作为一个研究方向，可以让更多的研究者了解到教育人工智能以及“学习的通用设计”理论。同时，考虑到“学习的通用设计”这一先进教学理念在成就学习图景方面具有巨大潜能，应将它全面融入教育教学中，以形成一个适合本国学习者学习的新模式。