陳鳳燕

基于認知科學的信息空間與教學情境融合的探究

陳鳳燕

（福建省電化教育館，福建福州，350003）

信息技術和教育教學深入融合效果常受質疑的根本原因之一是信息與教學融合的機理研究未能取得重大突破；在未有高能的信息與教學深度融合的理論、技術前提下，教師手頭沒有“殺手锏”來吸引學生，極大影響教育信息化效能。探索信息與教學深入融合機理，突破教育信息化瓶頸勢在必行。放眼全球科技，腦、神經(jīng)、認知、學習科學都在不斷影響推動教育創(chuàng)新，且信息網(wǎng)絡設備更多成為教育應用的基礎設施，而不是主角；從前沿認知哲學視角，學習認知的具身、分布、情境等特征給我們理解信息技術全新模式，即信息技術與教學深度融合可視為：信息空間成“腦—心—身—鏡”多樣教育情境的具身認知動力耦合平臺、聯(lián)通管道、互動記憶體。信息空間的重新定義為教育信息化提供了新思維。

教育信息化；信息空間；學習科學；深度學習；具身認知

一、背景

從2000年我國開始執(zhí)行“校校通”工程，后來“班班通”以及現(xiàn)在“人人通”，近二十年來我國教育信息化進程和全球發(fā)達教育區(qū)域一樣持續(xù)推進，但是，千萬億人民幣的教育信息化投入之成效，對教育教學產(chǎn)生實質性的影響如何，也是個爭論不斷的話題。近期，國際經(jīng)合組織針對教育信息化發(fā)布了“計算機并未提高學習成績”的研究報告；[1]和信息技術推動其它行業(yè)大步發(fā)展比較，教育信息化浪潮是少數(shù)被社會質疑的行業(yè)之一。

當前，信息技術和教育教學“深度融合”是我國教育信息化發(fā)展的主題詞。[2]但是，從學術角度分析，深度融合的理論、技術體系并未成熟，即我國教育信息化學術界并沒有提出深度融合的理論和技術架構；教育信息化實踐更多是教育信息設備的采購，基本是被計算機、信息技術行業(yè)的企業(yè)“牽鼻子”走；這些沒有教育信息化理論背景的信息技術企業(yè)也只能以“常識性”的知識來推動教育信息化技術和產(chǎn)品的研發(fā)，走普通性的技術線路，甚至是“簡單粗暴”地研發(fā)教育信息化設備和產(chǎn)品；沒有理論和專業(yè)支持的教育信息化技術設備進入學校，教師手頭沒有“殺手锏”來吸引學生，極大影響教育信息化的效能，給學校課堂教學、管理帶來困擾，甚至造成部分教師、校長明確“抵制”教育信息化課堂。

比如，在實踐中讓教師用多媒體資源，或者平板等設備開展課堂教學，效果往往不顯；一方面是教師難以每節(jié)課花費大量時間制作多媒體資源，另一方面，教師“累死”，學生還是“悠閑”，這種“折騰”老師，學生“輕松”的“教”為中心的“深度融合”模式顯然不是教育改革的方向；必須尋找到教師做教練“引導學習”輕松教學，學生做運動員“熱心趣學”高效學習的課堂模式，探索更加有效的“深度融合”。

如何突破教育信息化研究應用的瓶頸？突破往往要高屋建瓴，從局外來俯視、審視。放眼全球科技，腦、神經(jīng)、認知、學習科學都在不斷影響推動教育創(chuàng)新，信息網(wǎng)絡設備更多成為教育基礎設施，而不是主角，是像空間、水電網(wǎng)絡這樣基本存在。下文在認知科學、人機交互技術的基礎上，從空間載體、耦合管道、互動記憶體、在線導學等視角分析信息技術和教育教學深度融合的機理。

二、認知和學習科學視域下的學習機理分析

2017年4月27日，中國認知科學學會神經(jīng)教育學分會成立。神經(jīng)教育學[3]是一個基于實證的、跨學科的轉換研究領域，將神經(jīng)科學、學習科學以及有關腦研究的基礎研究成果進行轉化，應用于教育實踐中。腦、認知、神經(jīng)學是學習的“物質”基礎，從這些領域的突破無疑給教育帶來全新的視角。認知科學、學習科學、神經(jīng)教育學都把我們的眼光吸引到認知科學?；谡J知科學的學習機理具有以下幾個特征：

（一）具身學習的特征

當前，具身認知、具身學習、具身教學、具身課堂在我國不斷被提出，成為構建新教育的重要理論基礎。[4]具身認知理論認為，人的認知是身體、環(huán)境、活動三者協(xié)同作用的結果，它發(fā)生于社會實踐中，它關注的是身體感受、身體體驗和情境交融。[5]簡單說，我們大腦嵌入身體，身體嵌入環(huán)境。人類認知、學習不僅是大腦的功能，也就是需要我們在教育中不能僅僅重視大腦即“智力、智能”，也要關注“心力、心能”?！澳X—心—身—鏡”融合多元、立體性地參與學習是具身認知的重要解讀。從教學實踐角度，不管是我國陶行知等提出的“知行合一”教學觀，還是當前國外的具身認知哲學觀，都可以接受，關鍵是如何執(zhí)行。在教育理念、思想、方法和技術、技能之間往往都有很長的路程，這個路程還經(jīng)常成為教育研究、教育信息化的誤區(qū)，常常把方法和技能混淆；比如，游泳手冊可以認為是方法層面，而看了游泳手冊就會游泳了嗎？游泳是技能，需要建立新的腦神經(jīng)聯(lián)結。信息技術和教學深度融合也是如此，我們需要信息技術不僅在“思想、方法”層面推進教學，更要在“技術，技能”層面改變學習。可見，如何用信息技術、設備構建具身認知學習環(huán)境推進教育是深度融合需要解決的問題。

（二）深度學習的特征

“語言文字”被認為是文明之基礎，教育是文明延續(xù)的基礎，教育內(nèi)容基本形式是教材，教材的主要表達模式就是“文字”。在認知科學視角，文字是高度抽象，甚至部分概念往往遠離學生的校園生活，而教師很多時候也只是基于“文字-文字”的解讀教材內(nèi)容，讓課堂的教學顯得“蒼白”，學生對文字、內(nèi)容的理解顯得“膚淺”，即“淺度學習”是我們要解決的問題?！耙獨У粢粋€孩子，就給他一個手機吧”是家教的警言。這些充分表達了當前手機碎片化閱讀、淺層交互模式給學生帶來的危害?？梢?，如何基于信息技術開展“深度學習”也該成為信息技術與教學深度融合的另外一個問題。

（三）自主學習的特征

隨著人工智能時代的到來，學習力簡稱“學力”，比“學歷”更重要。發(fā)展學生的自主學習力是基礎，有了自主學習能力，依托因特網(wǎng)、數(shù)字圖書館等就能夠發(fā)揮學生個性，實現(xiàn)基于學力的個性教育，并獲得學歷。具身學習、深度學習是自主學習的基礎，也是前兩者發(fā)展的必然結果。強大的自主學習能力，需要有具身學習能力、深度學習能力做基礎。可見，如何利用因特網(wǎng)、具身學習和深度學習力發(fā)展學生的終身學力是信息技術與教學深度融合面臨的又一個有價值的問題。

（四）認知外顯的特征

認知思維具有內(nèi)隱特征，傳統(tǒng)認知觀往往把認知的邊界限定在生理邊界，即認為認知發(fā)生在腦顱為邊界的生理空間，而前沿的認知觀則依據(jù)認知內(nèi)容的情境屬性、認知具身屬性開展創(chuàng)新，認為認知和環(huán)境的耦合，認知分布到人體腦顱之外的環(huán)境，延展到信息設備等建構的空間。我們提出了認知耦合態(tài)[6]等觀點，認為：認知可以被誘導到腦外的耦合環(huán)境。認知外顯是認知、思維研究的重要進展，也是認知具身轉向的重要推論?；谡J知可以外顯的思想，我們能夠把內(nèi)隱的認知思維活動耦合到信息空間、物理空間，構建更加有效的認知、思維訓練環(huán)境，發(fā)展認知技術。[7-8]稱基于認知科學和信息技術的“具身學習、深度學習、自主學習”學習理念為“高能學習”框架模式。以上分析了“高能學習框架”的重要性，也是信息技術與教學深度融合應該解決的問題，即創(chuàng)新和發(fā)展方向。

三、基于認知科學的信息空間與教學情境融合的透析

信息技術如何推進“高能學習框架”的實現(xiàn)？在認知視角，具身學習和深度學習[9]的出現(xiàn)都和“情境”關聯(lián)，不僅在文字、符號視角開展教學，即認知就是計算理念，也把感知、圖形、圖式、情境納入認知、學習內(nèi)容范疇。比如圖式（schema），就是一個很重要的認知對象。一般情況下，圖式是大腦中已有的知識經(jīng)驗的網(wǎng)絡和結構；圖式也表征特定學習概念、事物或事件的認知結構，它影響對學習對象的信息的認知加工過程。 總之，推動學習過程的“語言、文字、符號”到“感知、形象、情境”的加工是信息技術的首要實現(xiàn)的功能。如何推動“感知、形象、情境”的加工呢？首先，必須在記錄學習過程中的這些對象，同時，還要記錄學習情境信息，并實現(xiàn)“回放、重構”。

比如，隨著信息技術的推進，人機學習時的屏幕成為重要學習媒介和場景。在學習認知科學視角，屏幕和紙介不同，是交互學習認知情境載體，能感知學生認知操作、記錄學習過程，實現(xiàn)人機交互學習過程觀測。如何采集人機交互的學習情境、過程，并能夠實現(xiàn)人機交互學習情境的重構呢？比如，有個“學習吧”存在兩個房間，一個房間是有人機交互學習的學生；另外一個房間是教育研究者。教育研究者采用什么技術，不僅僅呆在自己的房間，能夠采集另外一個房間的人機交互學習學生的操作過程，并能夠在自己房間重構學生的學習認知操作過程？一般情況是教育研究者，通過攝像機、照相機等設備或錄屏軟件等記錄人機交互學習情境。比如，錄屏軟件能像攝像機一樣記錄學生學習的屏幕操作，每秒鐘“拍攝”30幀的屏幕狀態(tài)。顯然，錄屏軟件采集的視頻數(shù)據(jù)量是很大的，并且這些視頻數(shù)據(jù)都以緊耦合方式存在，難以分析、合并、搜索、計算，做矢量處理；從學習認知角度分析，更關鍵的是難以從這些數(shù)據(jù)中抽取學生的學習認知過程的本質操作，比如，操作對象、操作精細過程。因此，如何在視頻、照片等模式之外，創(chuàng)新采集遠程人機學習情境技術是我們研究的基礎。

以上提出了人機交互學習觀測、重構的“學習吧”疑難，希望對學習過程的觀察、測量，不是依靠教師的眼睛或者攝像設備、錄屏操作等采集視頻信息，而是能夠采集和學習過程本質關聯(lián)的信息，建立學習過程的動力學過程，而不是僅僅把學習過程用視頻來回放，或者像現(xiàn)在的考試等方式一樣，僅僅是測試學習的結果。

“學習吧”的教學信息采集技術只是信息技術和教學深度融合的一個點，從中可以洞察到基于認知科學、人機交互技術帶來的教育信息化新視角。在這個視角，將對移動終端、信息網(wǎng)絡等等都進行“認知化、具身化”的“重定義”。

（一）具身設備

在具身認知視角，移動智能終端成了學生具身學習、探索生活社會環(huán)境的工具；基于移動終端，學生把生活環(huán)境、自我體驗通過人機交互環(huán)境“投影”到信息空間，并在網(wǎng)絡學習和課堂上和同學實現(xiàn)相互啟發(fā)、體驗分享，實現(xiàn)“文字—感知，文字—情境”等多元解讀。

（二）鏡像空間

信息網(wǎng)絡的重要功能是數(shù)據(jù)存儲，通過信息設備，包括具身設備采集“物理空間、心理空間”的信息，并重構。這樣，信息空間就類似一面鏡子把認知、學習情境記憶鏡像出來。通過鏡像功能，教師、學生能夠比較簡單地回憶、重整學習內(nèi)容和過程。

（三）互啟平臺

學生之間相互學習是學習的重要形式，由于當前課堂人數(shù)多，用口語模式學生有心理壓力，交流不方便，而采用文字、圖形等數(shù)字化模式交流，心理負載輕，能夠開展互動和交流。互動啟發(fā)是信息技術平臺帶來的重要變化。

（四）外顯工具

如何采集內(nèi)隱的認知、學習活動過程是傳統(tǒng)教育技術也沒有突破的難題?；谡J知外顯屬性，把基于信息技術，創(chuàng)新認知外顯工具應用在課堂實踐中，內(nèi)隱的認知、學習過程外顯將讓教師的教學調(diào)控更加有效率。

以上基于認知角度重新定義了移動終端、信息網(wǎng)絡，并探討了信息技術在學習過程記憶、認知互動媒介、認知過程外顯等方面帶來全新功能，形成了全新的認知、學習技術環(huán)境，為信息技術和教學深度融合提供新框架。

四、基于認知技術的在線導學平臺的構建

認知科學、認知技術是推進信息技術和教學深度融合的重要路徑，必須基于以上的認知技術創(chuàng)新，設計在線導學平臺，發(fā)展學生的高能學習能力。

（一）學習導圖

用認知外顯方法把抽象的導學過程用圖表達。學習導圖在平板、手機、桌面電腦都可以呈現(xiàn)。如圖1所示，就是我們設計的小學數(shù)學的在線導學卡-“學習導圖”。

圖1 在線導學卡：《簡單的搭配問題》

在線導學卡通過多媒體工具，教師依據(jù)教學設計，把文字、符號、圖像、圖形、視頻等外顯為學習目標結構；學生于課后通過移動設備進行現(xiàn)場拍照、錄音、文字表訴等形式把感知覺的知識體系“記憶”到“數(shù)字空間”，完成課堂和課外，校內(nèi)和家庭，抽象知識和具體情境的融合；課堂上教師通過展示學生采集“物理空間、心理空間”的信息，重整學生的學習內(nèi)容和過程，完成知識的內(nèi)化、分享。

（二）學習軌道

教師依據(jù)教學設計在”學習導圖”上需要設置相關的學習軌道。一是推送學習資源：教師將學生接觸課程前需要了解的知識設置成任務推送點，用圖片、圖表、文字、微課視頻等清晰展示，讓學生清晰看到課前預學任務，例如圖1的①、②點。二是拉回學習結果：教師基于具身認知，將要學生掌握的知識點設置成反饋點，需要學生用圖形、照片、錄像、錄音等方式，在現(xiàn)實生活中學習知識、收集相關資料，此重點在于要學生脫離本本模式，回到生活、家庭、社會用感知覺體驗知識的學習，例如圖1的③、④、⑤點。然后回到課堂，以學生給回來的反饋信息作為切入點，巧妙地引導學生進行合作探究，解決問題，提高教學效率，完成知識內(nèi)化。

（三）互動資源

通過在線導學技術，學生把不同空間不同對象的資料都“映射”到在線導學卡空間后，可以驅動學生相互學習，即不僅自己在平臺上完成相關知識的問題、資料的收集，還可以查看別人的學習狀態(tài)、內(nèi)容，學習別人的資源，并給予評價等等操作, 如圖2所示。互動資源、互動啟發(fā)學習在傳統(tǒng)課堂上較難以展開，傳統(tǒng)課堂更多是“生本學習、師生學習”，而缺少“生生學習”?！吧鷮W習”是信息技術與學習融合的有效方式，是信息空間的重要學習模式。同時，這些學習資源可以通過信息技術存儲，為學生以后的復習、總結，提供生動的作業(yè)資源；為教師的教學方向調(diào)整，集體備課等提供有價值的教學資源。

圖2 互動資源

（四）無縫融合

以上具身設計框架中，在線導學卡將課程結構的學習任務、學習順序、學習內(nèi)容等以圖形模式呈現(xiàn)，且和移動終端融合，可以在多樣的物理環(huán)境，比如家庭、校園、野外等情境中，實現(xiàn)一一對應，推動學習發(fā)生在多維空間、多元感知狀態(tài)，并在信息空間中實現(xiàn)學習內(nèi)容的數(shù)字化，內(nèi)隱認知外顯化，便于生生、師生的互動學習。基于具身認知的在線導學，解決了傳統(tǒng)課堂課內(nèi)外分離的難題，使家庭學習與課堂學習互為信息空間，達到無縫融合。

五、結語

認知科學、學習科學、人機交互技術的發(fā)展給信息與教育的深度融合帶來新的視角，在此基礎上，創(chuàng)新基于“具身學習、深度學習、自主學習”的“高能學習”模式，把感知、圖形、圖式、情境列為重要認知加工對象；基于信息技術記錄學習過程的多樣對象、情境信息，并實現(xiàn)重構認知情境，推動學習過程從“文字、符號、語言”到“形象、情境、感知”的加工。

信息技術與教學深度融合使更多的認知技術、學習技術出現(xiàn)，實現(xiàn)“物理空間—具身設備—信息空間—學習空間”的情境信息流和認知思維的有機融合。在實際教學中，利用移動智能終端等具身設備，完成對物理空間的感知和信息采集，在“學習導圖”上完成內(nèi)隱的認知和學習活動過程可視化，實現(xiàn)師生之間、生生之間的互動。

[1] OECD. Students.computers and learning：making the connection[EB/OL].（2015-09-15）[2017-04-08]. http： // dx.doi.org/10.1787/9789264239555-en.

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1008-7346（2017）03-0023-06

2017-04-26

陳鳳燕，女，福建閩清人，福建省電化教育館信息化教學研究室主任，高級教師。