陈凤燕

基于认知科学的信息空间与教学情境融合的探究

陈凤燕

（福建省电化教育馆，福建福州，350003）

信息技术和教育教学深入融合效果常受质疑的根本原因之一是信息与教学融合的机理研究未能取得重大突破；在未有高能的信息与教学深度融合的理论、技术前提下，教师手头没有“杀手锏”来吸引学生，极大影响教育信息化效能。探索信息与教学深入融合机理，突破教育信息化瓶颈势在必行。放眼全球科技，脑、神经、认知、学习科学都在不断影响推动教育创新，且信息网络设备更多成为教育应用的基础设施，而不是主角；从前沿认知哲学视角，学习认知的具身、分布、情境等特征给我们理解信息技术全新模式，即信息技术与教学深度融合可视为：信息空间成“脑—心—身—镜”多样教育情境的具身认知动力耦合平台、联通管道、互动记忆体。信息空间的重新定义为教育信息化提供了新思维。

教育信息化；信息空间；学习科学；深度学习；具身认知

一、背景

从2000年我国开始执行“校校通”工程，后来“班班通”以及现在“人人通”，近二十年来我国教育信息化进程和全球发达教育区域一样持续推进，但是，千万亿人民币的教育信息化投入之成效，对教育教学产生实质性的影响如何，也是个争论不断的话题。近期，国际经合组织针对教育信息化发布了“计算机并未提高学习成绩”的研究报告；[1]和信息技术推动其它行业大步发展比较，教育信息化浪潮是少数被社会质疑的行业之一。

当前，信息技术和教育教学“深度融合”是我国教育信息化发展的主题词。[2]但是，从学术角度分析，深度融合的理论、技术体系并未成熟，即我国教育信息化学术界并没有提出深度融合的理论和技术架构；教育信息化实践更多是教育信息设备的采购，基本是被计算机、信息技术行业的企业“牵鼻子”走；这些没有教育信息化理论背景的信息技术企业也只能以“常识性”的知识来推动教育信息化技术和产品的研发，走普通性的技术线路，甚至是“简单粗暴”地研发教育信息化设备和产品；没有理论和专业支持的教育信息化技术设备进入学校，教师手头没有“杀手锏”来吸引学生，极大影响教育信息化的效能，给学校课堂教学、管理带来困扰，甚至造成部分教师、校长明确“抵制”教育信息化课堂。

比如，在实践中让教师用多媒体资源，或者平板等设备开展课堂教学，效果往往不显；一方面是教师难以每节课花费大量时间制作多媒体资源，另一方面，教师“累死”，学生还是“悠闲”，这种“折腾”老师，学生“轻松”的“教”为中心的“深度融合”模式显然不是教育改革的方向；必须寻找到教师做教练“引导学习”轻松教学，学生做运动员“热心趣学”高效学习的课堂模式，探索更加有效的“深度融合”。

如何突破教育信息化研究应用的瓶颈？突破往往要高屋建瓴，从局外来俯视、审视。放眼全球科技，脑、神经、认知、学习科学都在不断影响推动教育创新，信息网络设备更多成为教育基础设施，而不是主角，是像空间、水电网络这样基本存在。下文在认知科学、人机交互技术的基础上，从空间载体、耦合管道、互动记忆体、在线导学等视角分析信息技术和教育教学深度融合的机理。

二、认知和学习科学视域下的学习机理分析

2017年4月27日，中国认知科学学会神经教育学分会成立。神经教育学[3]是一个基于实证的、跨学科的转换研究领域，将神经科学、学习科学以及有关脑研究的基础研究成果进行转化，应用于教育实践中。脑、认知、神经学是学习的“物质”基础，从这些领域的突破无疑给教育带来全新的视角。认知科学、学习科学、神经教育学都把我们的眼光吸引到认知科学。基于认知科学的学习机理具有以下几个特征：

（一）具身学习的特征

当前，具身认知、具身学习、具身教学、具身课堂在我国不断被提出，成为构建新教育的重要理论基础。[4]具身认知理论认为，人的认知是身体、环境、活动三者协同作用的结果，它发生于社会实践中，它关注的是身体感受、身体体验和情境交融。[5]简单说，我们大脑嵌入身体，身体嵌入环境。人类认知、学习不仅是大脑的功能，也就是需要我们在教育中不能仅仅重视大脑即“智力、智能”，也要关注“心力、心能”。“脑—心—身—镜”融合多元、立体性地参与学习是具身认知的重要解读。从教学实践角度，不管是我国陶行知等提出的“知行合一”教学观，还是当前国外的具身认知哲学观，都可以接受，关键是如何执行。在教育理念、思想、方法和技术、技能之间往往都有很长的路程，这个路程还经常成为教育研究、教育信息化的误区，常常把方法和技能混淆；比如，游泳手册可以认为是方法层面，而看了游泳手册就会游泳了吗？游泳是技能，需要建立新的脑神经联结。信息技术和教学深度融合也是如此，我们需要信息技术不仅在“思想、方法”层面推进教学，更要在“技术，技能”层面改变学习。可见，如何用信息技术、设备构建具身认知学习环境推进教育是深度融合需要解决的问题。

（二）深度学习的特征

“语言文字”被认为是文明之基础，教育是文明延续的基础，教育内容基本形式是教材，教材的主要表达模式就是“文字”。在认知科学视角，文字是高度抽象，甚至部分概念往往远离学生的校园生活，而教师很多时候也只是基于“文字-文字”的解读教材内容，让课堂的教学显得“苍白”，学生对文字、内容的理解显得“肤浅”，即“浅度学习”是我们要解决的问题。“要毁掉一个孩子，就给他一个手机吧”是家教的警言。这些充分表达了当前手机碎片化阅读、浅层交互模式给学生带来的危害。可见，如何基于信息技术开展“深度学习”也该成为信息技术与教学深度融合的另外一个问题。

（三）自主学习的特征

随着人工智能时代的到来，学习力简称“学力”，比“学历”更重要。发展学生的自主学习力是基础，有了自主学习能力，依托因特网、数字图书馆等就能够发挥学生个性，实现基于学力的个性教育，并获得学历。具身学习、深度学习是自主学习的基础，也是前两者发展的必然结果。强大的自主学习能力，需要有具身学习能力、深度学习能力做基础。可见，如何利用因特网、具身学习和深度学习力发展学生的终身学力是信息技术与教学深度融合面临的又一个有价值的问题。

（四）认知外显的特征

认知思维具有内隐特征，传统认知观往往把认知的边界限定在生理边界，即认为认知发生在脑颅为边界的生理空间，而前沿的认知观则依据认知内容的情境属性、认知具身属性开展创新，认为认知和环境的耦合，认知分布到人体脑颅之外的环境，延展到信息设备等建构的空间。我们提出了认知耦合态[6]等观点，认为：认知可以被诱导到脑外的耦合环境。认知外显是认知、思维研究的重要进展，也是认知具身转向的重要推论。基于认知可以外显的思想，我们能够把内隐的认知思维活动耦合到信息空间、物理空间，构建更加有效的认知、思维训练环境，发展认知技术。[7-8]称基于认知科学和信息技术的“具身学习、深度学习、自主学习”学习理念为“高能学习”框架模式。以上分析了“高能学习框架”的重要性，也是信息技术与教学深度融合应该解决的问题，即创新和发展方向。

三、基于认知科学的信息空间与教学情境融合的透析

信息技术如何推进“高能学习框架”的实现？在认知视角，具身学习和深度学习[9]的出现都和“情境”关联，不仅在文字、符号视角开展教学，即认知就是计算理念，也把感知、图形、图式、情境纳入认知、学习内容范畴。比如图式（schema），就是一个很重要的认知对象。一般情况下，图式是大脑中已有的知识经验的网络和结构；图式也表征特定学习概念、事物或事件的认知结构，它影响对学习对象的信息的认知加工过程。 总之，推动学习过程的“语言、文字、符号”到“感知、形象、情境”的加工是信息技术的首要实现的功能。如何推动“感知、形象、情境”的加工呢？首先，必须在记录学习过程中的这些对象，同时，还要记录学习情境信息，并实现“回放、重构”。

比如，随着信息技术的推进，人机学习时的屏幕成为重要学习媒介和场景。在学习认知科学视角，屏幕和纸介不同，是交互学习认知情境载体，能感知学生认知操作、记录学习过程，实现人机交互学习过程观测。如何采集人机交互的学习情境、过程，并能够实现人机交互学习情境的重构呢？比如，有个“学习吧”存在两个房间，一个房间是有人机交互学习的学生；另外一个房间是教育研究者。教育研究者采用什么技术，不仅仅呆在自己的房间，能够采集另外一个房间的人机交互学习学生的操作过程，并能够在自己房间重构学生的学习认知操作过程？一般情况是教育研究者，通过摄像机、照相机等设备或录屏软件等记录人机交互学习情境。比如，录屏软件能像摄像机一样记录学生学习的屏幕操作，每秒钟“拍摄”30帧的屏幕状态。显然，录屏软件采集的视频数据量是很大的，并且这些视频数据都以紧耦合方式存在，难以分析、合并、搜索、计算，做矢量处理；从学习认知角度分析，更关键的是难以从这些数据中抽取学生的学习认知过程的本质操作，比如，操作对象、操作精细过程。因此，如何在视频、照片等模式之外，创新采集远程人机学习情境技术是我们研究的基础。

以上提出了人机交互学习观测、重构的“学习吧”疑难，希望对学习过程的观察、测量，不是依靠教师的眼睛或者摄像设备、录屏操作等采集视频信息，而是能够采集和学习过程本质关联的信息，建立学习过程的动力学过程，而不是仅仅把学习过程用视频来回放，或者像现在的考试等方式一样，仅仅是测试学习的结果。

“学习吧”的教学信息采集技术只是信息技术和教学深度融合的一个点，从中可以洞察到基于认知科学、人机交互技术带来的教育信息化新视角。在这个视角，将对移动终端、信息网络等等都进行“认知化、具身化”的“重定义”。

（一）具身设备

在具身认知视角，移动智能终端成了学生具身学习、探索生活社会环境的工具；基于移动终端，学生把生活环境、自我体验通过人机交互环境“投影”到信息空间，并在网络学习和课堂上和同学实现相互启发、体验分享，实现“文字—感知，文字—情境”等多元解读。

（二）镜像空间

信息网络的重要功能是数据存储，通过信息设备，包括具身设备采集“物理空间、心理空间”的信息，并重构。这样，信息空间就类似一面镜子把认知、学习情境记忆镜像出来。通过镜像功能，教师、学生能够比较简单地回忆、重整学习内容和过程。

（三）互启平台

学生之间相互学习是学习的重要形式，由于当前课堂人数多，用口语模式学生有心理压力，交流不方便，而采用文字、图形等数字化模式交流，心理负载轻，能够开展互动和交流。互动启发是信息技术平台带来的重要变化。

（四）外显工具

如何采集内隐的认知、学习活动过程是传统教育技术也没有突破的难题。基于认知外显属性，把基于信息技术，创新认知外显工具应用在课堂实践中，内隐的认知、学习过程外显将让教师的教学调控更加有效率。

以上基于认知角度重新定义了移动终端、信息网络，并探讨了信息技术在学习过程记忆、认知互动媒介、认知过程外显等方面带来全新功能，形成了全新的认知、学习技术环境，为信息技术和教学深度融合提供新框架。

四、基于认知技术的在线导学平台的构建

认知科学、认知技术是推进信息技术和教学深度融合的重要路径，必须基于以上的认知技术创新，设计在线导学平台，发展学生的高能学习能力。

（一）学习导图

用认知外显方法把抽象的导学过程用图表达。学习导图在平板、手机、桌面电脑都可以呈现。如图1所示，就是我们设计的小学数学的在线导学卡-“学习导图”。

图1 在线导学卡：《简单的搭配问题》

在线导学卡通过多媒体工具，教师依据教学设计，把文字、符号、图像、图形、视频等外显为学习目标结构；学生于课后通过移动设备进行现场拍照、录音、文字表诉等形式把感知觉的知识体系“记忆”到“数字空间”，完成课堂和课外，校内和家庭，抽象知识和具体情境的融合；课堂上教师通过展示学生采集“物理空间、心理空间”的信息，重整学生的学习内容和过程，完成知识的内化、分享。

（二）学习轨道

教师依据教学设计在”学习导图”上需要设置相关的学习轨道。一是推送学习资源：教师将学生接触课程前需要了解的知识设置成任务推送点，用图片、图表、文字、微课视频等清晰展示，让学生清晰看到课前预学任务，例如图1的①、②点。二是拉回学习结果：教师基于具身认知，将要学生掌握的知识点设置成反馈点，需要学生用图形、照片、录像、录音等方式，在现实生活中学习知识、收集相关资料，此重点在于要学生脱离本本模式，回到生活、家庭、社会用感知觉体验知识的学习，例如图1的③、④、⑤点。然后回到课堂，以学生给回来的反馈信息作为切入点，巧妙地引导学生进行合作探究，解决问题，提高教学效率，完成知识内化。

（三）互动资源

通过在线导学技术，学生把不同空间不同对象的资料都“映射”到在线导学卡空间后，可以驱动学生相互学习，即不仅自己在平台上完成相关知识的问题、资料的收集，还可以查看别人的学习状态、内容，学习别人的资源，并给予评价等等操作, 如图2所示。互动资源、互动启发学习在传统课堂上较难以展开，传统课堂更多是“生本学习、师生学习”，而缺少“生生学习”。“生生学习”是信息技术与学习融合的有效方式，是信息空间的重要学习模式。同时，这些学习资源可以通过信息技术存储，为学生以后的复习、总结，提供生动的作业资源；为教师的教学方向调整，集体备课等提供有价值的教学资源。

图2 互动资源

（四）无缝融合

以上具身设计框架中，在线导学卡将课程结构的学习任务、学习顺序、学习内容等以图形模式呈现，且和移动终端融合，可以在多样的物理环境，比如家庭、校园、野外等情境中，实现一一对应，推动学习发生在多维空间、多元感知状态，并在信息空间中实现学习内容的数字化，内隐认知外显化，便于生生、师生的互动学习。基于具身认知的在线导学，解决了传统课堂课内外分离的难题，使家庭学习与课堂学习互为信息空间，达到无缝融合。

五、结语

认知科学、学习科学、人机交互技术的发展给信息与教育的深度融合带来新的视角，在此基础上，创新基于“具身学习、深度学习、自主学习”的“高能学习”模式，把感知、图形、图式、情境列为重要认知加工对象；基于信息技术记录学习过程的多样对象、情境信息，并实现重构认知情境，推动学习过程从“文字、符号、语言”到“形象、情境、感知”的加工。

信息技术与教学深度融合使更多的认知技术、学习技术出现，实现“物理空间—具身设备—信息空间—学习空间”的情境信息流和认知思维的有机融合。在实际教学中，利用移动智能终端等具身设备，完成对物理空间的感知和信息采集，在“学习导图”上完成内隐的认知和学习活动过程可视化，实现师生之间、生生之间的互动。

[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.

[2]何克抗. 学习“教育信息化十年发展规划”：对“信息技术与教育深度融合”的解读[J]. 中国电化教育，2012，（12）：19-23.

[3]韦钰. 神经教育学对探究式科学教育的促进[J]. 北京大学教育评论，2011，（4）：97-117，186-187.

[4]董芬. 具身认知理论下的课堂教学意蕴及其策略研究[J]. 教育导刊，2013，（12）：19-21.

[5]李敏娇. 基于具身认知理论的教学活动设计研究[D].苏州：江苏师范大学，2014.

[6] 孟世敏，刘长勇，余文森，程仁贵，郭磊，邱龙兴，翁翔，沈志洪. 基于人机交互的认知数字流形[J].电脑与信息技术，2013，（1）：1-8，49.

[7] 杨升，刘长勇，孟世敏，程仁贵. 基于人机耦合的认知结构可视化研究[J]. 武夷学院学报，2013，（5）：61-65.

G434

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1008-7346（2017）03-0023-06

2017-04-26

陈凤燕，女，福建闽清人，福建省电化教育馆信息化教学研究室主任，高级教师。