逯 行，沈 陽

(北京師范大學 a.互聯網教育智能技術及應用國家工程實驗室;b.教育學部，北京 100875)

近年來，新一輪科技與產業(yè)革命要求從國家發(fā)展層面提出戰(zhàn)略性應對策略。中國提出了“中國制造2025”等一系列國家頂層發(fā)展戰(zhàn)略，全國各個高校積極響應時代發(fā)展的號召，推進“新工科”建設，形成了“復旦共識”(2017年2月)、“天大行動”(2017年4月)、“北京指南”(2017年6月)等戰(zhàn)略文件。同時教育部等部門多次發(fā)布文件支持和鼓勵開展新工科研究。研究生階段的人才培養(yǎng)是國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要階段，基于“新工科”提升我國工科研究生培養(yǎng)質量，提升我國綜合競爭國力被提升到了國家戰(zhàn)略高度。另一方面，新時代“新工科”研究生培養(yǎng)對學習環(huán)境提出了新的需求。智能技術發(fā)展為變革“新工科”研究生培養(yǎng)學習環(huán)境，提升研究生培養(yǎng)效率提供了技術基礎。人類需求的不斷滿足是時代進步的內驅動力，技術服務于人類需求是技術創(chuàng)新與發(fā)展的重要維度[1]。技術的快速發(fā)展是推動學習環(huán)境研究的重要驅動和支撐[2]，技術融入教育活動環(huán)境，通過變革環(huán)境表征更好地滿足于空間用戶的需求是智能技術在教育場景的重要切入點。“新工科”研究生培養(yǎng)中，學習者和培養(yǎng)者越來越不再滿足于傳統(tǒng)的學校建筑、教室布局、環(huán)境設計，從形式到內容不斷地詬病舊工業(yè)時代發(fā)明出的這種現代學校模式。新時代的工科教育要求邁向未來教育之路，要求在教學空間和學習環(huán)境的設計上有所突破，以承載更加具有創(chuàng)新意義的教學內容和課程活動。本研究關注如何將智能技術融入“新工科”學習環(huán)境設計中，探討智能技術在新時代工科院校的學習環(huán)境設計中承擔著何種角色、以及智能技術如何變革“新工科”研究生培養(yǎng)的學習環(huán)境等問題。

一、“新工科”研究生培養(yǎng)

(一)人才培養(yǎng)戰(zhàn)略布局

時代發(fā)展對工科人才培養(yǎng)提出了新的需求。當前新工科建設的內涵基本清晰，有研究認為需要將重點放到人才培養(yǎng)實踐上，如在體制機制方面樹立以點帶面的理念，加強頂層設計與學科專業(yè)發(fā)展，開展通識教育體系課程，建立多維度的評估制度，營造協(xié)同育人的管理文化[3]。我國從國家戰(zhàn)略層面提出“中國制造2025”后，對工科人才的培養(yǎng)路徑產生了重要影響，如工科研究生教育發(fā)展路徑需要依據制造業(yè)的結構調整與優(yōu)化工科研究生教育結構，包括學科結構對接產業(yè)布局、人才結構對接市場需求、課程結構對接職業(yè)發(fā)展等[4]。近年來，“新工科”建設重點進行了四個方面的布局，專業(yè)布局、項目布局、高校布局和資源布局[5]。全國各地增設了多種新興工科專業(yè)，如機器人工程、數據科學與大數據技術、智能制造工程、網絡空間安全等；組織開展研究與實踐項目，以項目群為平臺，定期組織交流、積極吸納社會資源、推進校級間的協(xié)作；匯聚產業(yè)界資源，支持“新工科”建設，深入實施產學合作協(xié)同育人機制，通過政府-企業(yè)-高校相互銜接的方式培養(yǎng)新時代工科人才。可以發(fā)現，“新工科”的人才培養(yǎng)模式已然區(qū)別于傳統(tǒng)的工科人才培養(yǎng)，更加強調多元主體協(xié)作，一些地方還成立了現代產業(yè)學院、未來技術學院等，通過落地實踐探索新時代工科人才的培養(yǎng)。

(二)工科研究生培養(yǎng)

工科研究生教育的已有研究較多關注了工科研究生認知能力培養(yǎng)，如數學能力培養(yǎng)，關注學生數學建模、幾何直觀等能力培養(yǎng)[6]；也有從創(chuàng)新能力培養(yǎng)層面探討了工科研究生的各種能力要素，如研究生深度參與科研的能力、基礎理論水平、學術研討和學術報告能力、團隊合作和組織能力等[7]；從工科人才選拔的視角來看，工科研究生培養(yǎng)重視科研能力培養(yǎng)、科研課程體系建設、開展學科間交叉和滲透的科研實踐等[8]。當前工科研究生的主要學習場所是校園實驗室、產學研的實踐場景等，既具有開放性，又具有一定的封閉性。反觀已有研究，工科研究生培養(yǎng)的空間環(huán)境承載鮮有研究展開探討。智能技術沖擊下的工科院校研究生學習環(huán)境發(fā)生了巨大變化，學習環(huán)境的設計能否滿足研究生學習、實踐的需要直接關乎研究生培養(yǎng)的質量。

二、工科研究生學習環(huán)境設計現狀與問題

(一)工科研究生培養(yǎng)的學習環(huán)境建設

已有研究較多地在探討工科教育的內容，較少關注工科研究生培養(yǎng)的學習環(huán)境設計。工科人才的培養(yǎng)過程通常伴隨實驗教學、科學探索等活動發(fā)生，較為強調動手實踐等能力的培養(yǎng)，這一點上與人文學科教學形成鮮明的差異性。工科的教與學活動往往需要依賴于具體的空間環(huán)境、基于一定的軟硬件設備。隨著技術的發(fā)展，工科研究生培養(yǎng)的教與學環(huán)境發(fā)生了變化，互聯網、智能技術等對工科研究生培養(yǎng)環(huán)境產生了巨大的沖擊。較早時候有研究者探討了基于建構主義學習理論與分布式虛擬現實技術構建工科研究生培養(yǎng)的開放式教育系統(tǒng)，以創(chuàng)新教學模式、支持學生自主探究、協(xié)作學習等[9]。這些都是通過變革教室、實驗室等學習環(huán)境，創(chuàng)新學生的學習體驗，以期提升研究生培養(yǎng)的質量和效率。以工科院校的實驗室為例，作為學生學科、科研最重要的場所之一，實驗室在學生的畢業(yè)設計、實踐能力培養(yǎng)、操作訓練等教與學活動中扮演著非常重要的角色[10]。但是傳統(tǒng)實驗室的學習環(huán)境設計過于封閉，只是將各種實驗或科研需要的軟硬件設備進行了羅列，并沒有很好地考慮到學生的需求，因此學生使用起來體驗較差?！靶鹿た啤毖芯可囵B(yǎng)面臨學習環(huán)境單一、線性設計思維嚴重、忽略學生用戶體驗等問題，直接影響了研究生培養(yǎng)的效率和質量。

(二)工科院校學習環(huán)境設計的主客觀之爭

“新工科”教育具有目的性強、操作性高、注重效率、注重社會效益等基本特征，因此人才培養(yǎng)單位在進行學習環(huán)境設計時，往往優(yōu)先考慮了學習環(huán)境的社會效益，忽略了學生的個性化偏好和需求，這往往直接導致培養(yǎng)質量和效率的降低。學習環(huán)境設計需要在“新工科”研究生群體(學生)和其他利益之間不斷平衡。每一個學生都有其個性化的環(huán)境偏好，但是由于年齡、性別和個人特征不同，當前“新工科”研究生學習環(huán)境設計時很少考慮學生的個性化需求，同時，社會效益等因素總會凌駕于學生體驗之上。工科學校的設計者和建設者的服務對象與對話方都是學校管理者，但是學習環(huán)境的最終使用者卻是從事工科專業(yè)學習和研究的學生，學校從最開始的設計階段就容易忽略學生的生理訴求和心理訴求，這種設計和“新工科”研究生群體的脫節(jié)直接導致了學習環(huán)境設計進展的緩慢。學校設計需要在“新工科”研究生群體和社會利益之間、在傳統(tǒng)和創(chuàng)新之間不斷平衡。但在當前的學習環(huán)境設計中，不平衡嚴重存在，直接影響了工科院校學生的學習表現，如操作技能、理論實踐等能力跟產業(yè)需求的脫節(jié)。

(三)學習環(huán)境對“新工科”研究生需求的滿足

“新工科”院校的學習環(huán)境的設計者不能盲目遵從社會效益導向，直接引入企業(yè)的學習環(huán)境解決方案，在設計前期應當與學生盡可能多地交流，了解學生對學習環(huán)境設計的想法以及他們結合自身學習支持條件對學習環(huán)境提出的訴求。設計師李亮聰認為，實體環(huán)境是周遭環(huán)境與人類需求的表達[11]。由于忽視了主體的主觀需求，傳統(tǒng)學習環(huán)境的設計以學校教室等建筑設計作為代表，長期以來忽視教育愿景、教育理念、課程、活動等與學習環(huán)境一體化設計的結合，不能站在學習者的視角進行設計，也就無法在教育目標與物理環(huán)境之間有效轉化[12]。有研究者認為，從建筑學的視角看，學校除了有可持續(xù)性的要求，還應當具有健康、體現現代技術、滿足使用者群體需求與個性化需求等屬性，同時還應該是靈活且能夠適應變化的[13]。設計者需要做的最主要的工作之一，就是平衡學生的主觀需求與客觀質量等指標，其中需要指出的是，學生的生理需求和心理需求同樣重要，都不可忽視，主觀心理需求對環(huán)境設計具有重要的影響和價值[14]。

三、智能技術驅動“新工科”研究生學習環(huán)境的變革

(一)學習者內外需求與學習環(huán)境的動態(tài)平衡

人類內外需求的動態(tài)平衡機制是“新工科”研究生培養(yǎng)學習環(huán)境設計的重要原則。學習者需求與學習環(huán)境形成交互，環(huán)境通過滿足學習者需求來獲得改變，學習者需求通過影響學習環(huán)境來獲得滿足。以物理學習環(huán)境為例，“新工科”研究生所接觸的學習環(huán)境中的物理材料(如書桌材料、形狀及表面溫度)和社會情境(如師生交互)都有助于滿足學生在特定的物理學習環(huán)境中的一種或多種需求。

圖1 工科學習與環(huán)境需求的交互依存：向內與向外

學生的主觀體驗、物理環(huán)境和社會情境形成連續(xù)統(tǒng)一體，一同作為“新工科”研究生學習環(huán)境設計的重要指標。Moll等人提出了一種基于不同人類需求理論的六邊形通用人類需求模型，用以說明人類和空間環(huán)境之間的交互依存關系[15]，如圖1所示。這一以需求為中心的框架提出了六個核心需求，即確定性、多樣性、連接性、意義性、貢獻性、增長性，與學習環(huán)境設計的物理環(huán)境和非物理環(huán)境均有關，解釋了學習環(huán)境設計的根源問題，并通過分析潛在行為相關模式，為解決學習環(huán)境設計中的問題提供了新范式，在工科學習環(huán)境中各核心需求可表現如表1所示。這一設計原則遵循層次化且相互關聯的生長路徑，以實現內在需求與外在需求的交替滿足。Moll認為，這種需求框架與多種物理學習環(huán)境有關系，如課桌、教室、走廊、外觀設計、游樂場、學校以外的拓展空間等，其中每一種學習環(huán)境均不同程度地與現代信息技術進行了結合。

表1 工科研究生學習環(huán)境中各核心需求的表現

(二)以智能學習環(huán)境解決“新工科”研究生培養(yǎng)的需求沖突

智能技術變革“新工科”研究生學習環(huán)境最重要的作用之一是平衡不同需求之間的沖突。智能化學習環(huán)境是學習環(huán)境發(fā)展的未來階段，包含物理學習環(huán)境、網絡學習環(huán)境等空間形式。有研究者認為，未來學習環(huán)境的設計具備無線傳感網絡、智能計量、物聯網等智能技術多點并行的顯著特點，對于傳統(tǒng)學習環(huán)境來說是一個革命性的變革[12]?！靶鹿た啤毖芯可囵B(yǎng)的學習環(huán)境緩慢向技術驅動的轉變體現在環(huán)境設計的各個方面，如建筑、軟硬件設施、光線管理、濕度管理等。此外，通過可穿戴設備等智能設備收集個性化數據，不斷提高“新工科”學習環(huán)境的異質性適應性，是未來智能技術切入學習環(huán)境設計的重要角度[16]。智能技術作為中介調節(jié)力量，通過提供智能化認知有效功能、智能化情感功能、智能化社會支持功能、智能化物理情境功能，不斷平衡“新工科”研究生不同需求之間的沖突(如表2)。

表2 “新工科”研究生學習環(huán)境需求沖突與智能技術平衡機制

四、“新工科”研究生培養(yǎng)學習環(huán)境的設計策略

(一)構造線上線下相結合的智能學習空間

利用線上線下相結合的智能學習空間記錄“新工科”研究生在科研、學習、娛樂、實踐等不同活動中的過程性數據，形成適配性、個性化的數據庫?；A數據為智能環(huán)境識別學習者特征、教師及在線平臺提供合適的學習資源與便利的互動工具提供了依據。在科研和學習過程中，依據基礎數據預測出的學習者特征，利用線上平臺提供課程、數據等，同步定向推送科研與學習資源。同時，為學習者提供基于在線平臺的學習社群、教學社群等，建立“研究生-導師-信息-環(huán)境”等多極之間的相互作用。

(二)利用智能技術提升學習環(huán)境的沉浸體驗

在研究生實驗室、產學研實踐培養(yǎng)等環(huán)境設計中，充分利用AR、VR等智能技術，增強研究生學習者的沉浸式體驗。尤其在航空航天、土木工程、橋梁建造等相關專業(yè)的實踐與科研中，教學資源強調直觀性和可視化、思維培養(yǎng)強調空間想象、設計思維等。這類專業(yè)對于智能技術變革學習環(huán)境的需求較為旺盛，應當在設計與實施中著重考慮學習環(huán)境的沉浸式體驗。此外，搭建電子書包環(huán)境，同步整合云計算、學習分析技術等，創(chuàng)新性構建智能交互、沉浸體驗的智能化學習環(huán)境、科研環(huán)境、產學研實踐場景。增強立體化學習資源、虛擬教具、多為互動、電子檔案袋等在個性化學習、個性化科研、個性化實踐中的支持作用，推動智能技術對工科學習環(huán)境的變革與創(chuàng)新。

(三)基于多模態(tài)數據提升學習環(huán)境的交互功能

“新工科”學習環(huán)境承擔著科研與實踐的雙重屬性，因此，包含的信息量加大、學習者與環(huán)境之間的交互成本較高，如需要處理物體、虛擬實體等不同類型的數據。在基于智能技術設計“新工科”研究生學習環(huán)境時，強化多模態(tài)數據的利用，增強研究生學習者對科研環(huán)境、產學研實踐環(huán)境的感知識別能力，從而匹配相應的態(tài)度、知識、技能等。例如，為“新工科”院校的研究生提供場景切換能力較強的智能手環(huán)、智能可穿戴設備，實時收集實驗室儀器設備、實踐場所等的物理環(huán)境信息、認知加工信息等，為進一步的人工信息處理或機器智能處理奠定數據基礎。

五、總結與展望

從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，當今世界的發(fā)展瞬息萬變，在“新工科”研究生培養(yǎng)學習環(huán)境中運用越來越多的智能技術將會是未來發(fā)展的趨勢。而且隨著智能技術的不斷發(fā)展，人們對于利用智能技術變革未來學習環(huán)境更有信心。有學者曾經就未來學習環(huán)境的確定性進行過發(fā)問：教室可能是學校會保留到最后的學習環(huán)境嗎？[17]可以看出，教室作為學習環(huán)境的重要組成部分，是所有研究未來學習環(huán)境的學者避不開的內容。不可否認的是，教室作為當下時代最重要的學習環(huán)境的一部分，確實發(fā)揮著無可替代的作用，承載著教師的教學活動和學生的學習活動，但隨著智能技術的發(fā)展，類似于教室這類較為固定范式、可轉換性較差的實體空間是否會永存，這是一個值得爭議的話題?；蛟S，利用智能技術取代任何實體的學習環(huán)境可以作為智能時代研究的未來方向。其次，拋開智能技術單純考慮“新工科”學習環(huán)境的進化和發(fā)展，除了考慮空間用戶的體驗和需求，還可以衍生出基于設計者偏好的多種設計模式，如以生物適應性為核心的模式、以高科技技術應用為核心的模式、以社會體驗為核心的設計模式、以群體需求滿足為核心的需求模式等，可以作為“新工科”學習環(huán)境研究者的下一步關注方向。