學(xué)習(xí)的時間動態(tài)及其在教育技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

劉曦 張哲 高正秀 王以寧

（1.東北師范大學(xué) 計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130117；2.朝鮮金亨稷師范大學(xué) 遠程教育系統(tǒng)研究室，平壤；3.東北師范大學(xué) 傳媒科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130117）

學(xué)習(xí)的時間動態(tài)及其在教育技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

劉曦1張哲1高正秀2王以寧3

（1.東北師范大學(xué) 計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130117；2.朝鮮金亨稷師范大學(xué) 遠程教育系統(tǒng)研究室，平壤；3.東北師范大學(xué) 傳媒科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130117）

學(xué)習(xí)科學(xué)是一門關(guān)于教與學(xué)的交叉學(xué)科，以認知科學(xué)和計算機科學(xué)為基礎(chǔ)，最早起源于美國。美國國家科學(xué)基金會資助的學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心現(xiàn)主要共設(shè)立6個研究中心：教育、科學(xué)和技術(shù)中的卓越中心，非正規(guī)與正規(guī)環(huán)境學(xué)習(xí)中心，匹茲堡學(xué)習(xí)科學(xué)中心—強健式學(xué)習(xí)，空間智力與學(xué)習(xí)中心，學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心和視覺語言與視覺學(xué)習(xí)科學(xué)中心。學(xué)習(xí)的時間動態(tài)是學(xué)習(xí)科學(xué)的一個研究領(lǐng)域，主要從世界的時間動態(tài)、腦部的時間動態(tài)和行為的時間動態(tài)這三個角度研究時間動態(tài)影響學(xué)習(xí)的方式，其研究結(jié)果對于教育領(lǐng)域具有重要指導(dǎo)意義。

學(xué)習(xí)科學(xué)；學(xué)習(xí)的時間動態(tài)；教育改革與發(fā)展

一、學(xué)習(xí)科學(xué)的內(nèi)涵與價值

學(xué)習(xí)科學(xué)（Learning Science）是近十幾年興起的一門關(guān)于教與學(xué)的交叉學(xué)科，主要涉及的學(xué)科有認知心理學(xué)、發(fā)展心理學(xué)、教育心理學(xué)、計算機科學(xué)、教育學(xué)和神經(jīng)科學(xué)等。斯托克斯（Stokes，1997）認為，“學(xué)習(xí)科學(xué)是一種設(shè)計科學(xué)、一種綜合科學(xué)、一種社會認知科學(xué)、一種描述性科學(xué)、一種實驗科學(xué)，所有這些都在巴斯德象限中得以實施”[1]。根據(jù)斯托克斯對學(xué)習(xí)科學(xué)的描述，我們能夠發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)科學(xué)是一種復(fù)雜的、綜合的學(xué)科。國內(nèi)的學(xué)者韋鈺院士認為：“學(xué)習(xí)科學(xué)是一門主要由生物科學(xué)和教育交叉而形成的前沿學(xué)科，旨在建立心智、腦和教育（Mind、Brain and Education）之間的橋梁，將生物科學(xué)的最新成果，應(yīng)用于教育和學(xué)習(xí)過程，給學(xué)習(xí)、教育以及政策制定提供科學(xué)的指導(dǎo)，以迎接教育的重大變革。猶如150年前臨床醫(yī)學(xué)的誕生給醫(yī)學(xué)帶來了巨大變革一樣，學(xué)習(xí)科學(xué)的出現(xiàn)正給教育和學(xué)習(xí)帶來同樣的變革?！盵2]韋鈺對學(xué)習(xí)科學(xué)的界定更傾向于生物科學(xué)和腦科學(xué)對學(xué)習(xí)的研究。

學(xué)習(xí)科學(xué)的研究成果為教育教學(xué)研究提供了科學(xué)基礎(chǔ)，尤其是在教育技術(shù)學(xué)的研究領(lǐng)域中，有學(xué)者指出，“借助信息通信技術(shù)，在以學(xué)習(xí)者為中心的設(shè)計理念的催生下，學(xué)習(xí)科學(xué)逐漸演變成了教育改革與發(fā)展的核心動力與思想源泉”[3]。

二、學(xué)習(xí)科學(xué)的主要研究組織——學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心

目前，世界范圍內(nèi)進行學(xué)習(xí)科學(xué)研究的機構(gòu)與組織有很多，這其中美國國家科學(xué)基金會下設(shè)的六個學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心被認為是學(xué)習(xí)科學(xué)研究領(lǐng)域具有代表性的研究組織之一。通過對其研究內(nèi)容和成果的分析，能夠幫助學(xué)習(xí)科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的研究者了解該領(lǐng)域發(fā)展的前沿和趨勢。

學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心（The Science of Learning Centers）成立于2004年，由美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation）投資1億美元支持建立。此中心設(shè)立的目的是通過整合研究內(nèi)容來增加學(xué)習(xí)科學(xué)的邊緣內(nèi)容，將研究與科學(xué)、技術(shù)、教育和人力相聯(lián)系，使得研究組成員在面對新的挑戰(zhàn)時能夠利用新的機遇和發(fā)現(xiàn)。學(xué)習(xí)科學(xué)中心相關(guān)研究項目的研究成果，長期為學(xué)習(xí)科學(xué)的相關(guān)研究提供知識援助、組織架構(gòu)和物質(zhì)基礎(chǔ)設(shè)施的支持。研究工作主要是將跨學(xué)科的不同知識整合成基本原理，以幫助教育教學(xué)領(lǐng)域的研究者對教學(xué)有更深層次的思考和探尋。學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心從動物、人類和機器這三面分別對學(xué)習(xí)進行了解釋，主要探究學(xué)習(xí)的內(nèi)涵以及影響學(xué)習(xí)的相關(guān)因素，在不同階段學(xué)習(xí)是如何起作用的，學(xué)習(xí)原則是如何從生物體上導(dǎo)出并和人工系統(tǒng)相互間的傳導(dǎo)等問題。

目前學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心現(xiàn)主要設(shè)立以下6個研究中心：教育、科學(xué)和技術(shù)中的卓越中心（Center for Excellence for Learning in Education,Science,and Technology,CELEST），該中心主要目的是厘清真實學(xué)習(xí)情境中腦部的運作機制，并將其原理應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的開發(fā)。為實現(xiàn)這一目標，此中心創(chuàng)新性地將實驗、理論和技術(shù)方法相結(jié)合進行科學(xué)研究和研究生教育。該中心的首要工作是研究大腦，大腦作為一個完全自制的系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境或全新的環(huán)境中是如何進行學(xué)習(xí)的。CELEST收集實驗內(nèi)外的數(shù)據(jù)并通過集成的方式建模以探究大腦的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)支持學(xué)習(xí)的方式。此中心的研究集中于對社會有重大影響的技術(shù)開發(fā)，比如智能學(xué)習(xí)技術(shù)。因此CELEST將研究成果劃分為“基礎(chǔ)—模型—應(yīng)用”三類。非正規(guī)與正規(guī)環(huán)境學(xué)習(xí)中心（Center for Learning in Informal and Formal Environments，LIFE），該研究中心是一個由多元機構(gòu)的科學(xué)家們組成的，其主要工作是發(fā)展和測試人類在正式和非正式的環(huán)境下學(xué)習(xí)的社會功能原則，目的是提高人類從嬰兒到成人整個長成過程的學(xué)習(xí)效果。研究中心的研究者們以理解社會進程是如何影響著學(xué)習(xí)以及為什么會對學(xué)習(xí)有所影響為目的對人類一生的學(xué)習(xí)過程進行觀察。該中心的研究成果會形成理論，并影響教育實踐和技術(shù)的設(shè)計，最終達到加強學(xué)習(xí)效果的目的。匹茲堡學(xué)習(xí)科學(xué)中心—強健式學(xué)習(xí)（Pittsburgh Science of Learning Center for Robust Learning，PSLC)，該中心應(yīng)用認知理論和計算機建模，來確定可以強化學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)指導(dǎo)。研究者通過在動態(tài)實驗室中指導(dǎo)數(shù)學(xué)、科學(xué)和語言課程來研究強健式學(xué)習(xí)。通過開發(fā)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)超市分析學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)的輸入、輸出和可視化，統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘工具?？臻g智力與學(xué)習(xí)中心（Spatial Intelligence and Learning Center，SILC），該中心的目的是發(fā)展空間學(xué)習(xí)科學(xué)，并使用這些知識改變教育實踐，支持孩子和成人獲取科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)（STEM）所必需的技巧，以利于他們更好地融入日益加劇的高技術(shù)性社會和全球經(jīng)濟?？臻g學(xué)習(xí)領(lǐng)域研究者的主要工作是使用有關(guān)空間學(xué)習(xí)的研究成果來發(fā)展各種項目與技術(shù)以變革教育實踐,幫助學(xué)習(xí)者掌握那些在全球化經(jīng)濟競爭中必需的技能,如幫助不同層次的學(xué)生解決較難的STEM學(xué)科問題并提高學(xué)科成績。[4]視覺語言與視覺學(xué)習(xí)科學(xué)中心（The Science of Learning Center on Visual Language and Visual Learning，VL2），主要研究通過視覺方面處理人類高度認知方面是如何實現(xiàn)的，主要通過研究聾啞人和手語來研究人類思維的靈活性和思維結(jié)構(gòu)。該中心的創(chuàng)新之處在于研究重心是在高度認知、學(xué)習(xí)和讀寫能力的發(fā)展過程中，研究視覺過程、視覺語言和社會經(jīng)驗的角色。最后一個是學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心（The Temporal Dynamics of Learning Center，TDLC）。國內(nèi)外許多學(xué)者都對這六個中心的研究內(nèi)容、研究方法與研究成果進行了不同程度的分析，但國內(nèi)在針對學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心 的相關(guān)研究幾乎沒有研究者進行相關(guān)的梳理；然而，學(xué)習(xí)的時機問題的探究結(jié)論對于教育教學(xué)實踐中技術(shù)的使用具有較大影響價值，因此本文主要針對學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心（TDLC）及其主要研究內(nèi)容進行詳細介紹。

三、學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心（TDLC）

（一）TDLC的組成與研究目的

學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心（TDLC）是美國國家科學(xué)基金會（NSF）設(shè)立的六個學(xué)習(xí)中心之一，由加州大學(xué)伯克利分校、美國羅格斯大學(xué)、美國范德堡大學(xué)共同協(xié)作構(gòu)成，研究者們跨越多種學(xué)科，如機器學(xué)習(xí)、心理學(xué)、認知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、分子遺傳學(xué)、生物物理學(xué)、數(shù)學(xué)、教育學(xué)，分別在各自領(lǐng)域進行實驗研究。旨在研究時間元素和時機（timing）對學(xué)習(xí)的重要影響，研究領(lǐng)域涉及腦部系統(tǒng)和社會系統(tǒng)。本中心的科學(xué)目的是了解學(xué)習(xí)的時間動態(tài)，并應(yīng)用研究結(jié)論提高教育實踐水平。TDLC提出的主要研究問題有：1.關(guān)于世界的時態(tài)信息是如何習(xí)得的？2.腦細胞和腦回路的時間動態(tài)的本質(zhì)特征是什么，又是如何促進和抑制學(xué)習(xí)的？3.如何利用學(xué)習(xí)的時間屬性來促進教學(xué)？4.何種理論能在大腦內(nèi)部和大腦之間建立學(xué)習(xí)的時間動態(tài)？

研究者們認為，學(xué)習(xí)活動的產(chǎn)生是源于腦部發(fā)展和外界社會交互的一種積極動態(tài)行為，但至今關(guān)于腦部是如何協(xié)助教育實踐的內(nèi)容甚少。隨著時代的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)手段已經(jīng)達到前所未有的高度，如今的新興技術(shù)已能夠驗證學(xué)習(xí)過程中腦部的運作機理。因此TDLC召集了一批研究專家和教育專家，將科學(xué)基礎(chǔ)知識應(yīng)用到實際課堂中，并利用課堂中總結(jié)的經(jīng)驗來填補和修正知識內(nèi)容。

圖1 學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心負責人職責一覽表

此外，研究者們還得出了學(xué)習(xí)主要發(fā)生的階段，即突觸和神經(jīng)階段、腦系統(tǒng)中的記憶和回報（reward）階段、復(fù)雜動作行為階段、專業(yè)知識學(xué)習(xí)階段、通過社交的學(xué)習(xí)階段。

（二）TDLC的組織結(jié)構(gòu)

學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心是通過網(wǎng)中網(wǎng)這樣一種結(jié)構(gòu)構(gòu)建的，主要對學(xué)習(xí)的四個方面進行研究，分別是感知運動學(xué)習(xí)、交互記憶系統(tǒng)、知覺經(jīng)驗和與學(xué)習(xí)相關(guān)的社會交互系統(tǒng)。每一個分支網(wǎng)絡(luò)都包括來自不同機構(gòu)的項目負責人。不僅如此，所有的分支網(wǎng)絡(luò)包括腦部動態(tài)、數(shù)據(jù)分享和動作捕捉設(shè)備，還有教育和延伸中心中的信息資源和成果都是彼此相通且可以互相利用的。交叉資源是由TDLC研究中心開發(fā)并逐漸被更多的研究中心所應(yīng)用。圖1是學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心負責人職責一覽表。

圖2是四個分支網(wǎng)絡(luò)實驗室的人員構(gòu)成，交互記憶系統(tǒng)實驗室的組長是安德里亞?奇布阿（Andrea Chiba）和羅伯特?克拉克（Robert Clark），小組成員有杰弗里?埃爾曼（Jeffrey Elman）等人。該小組成員的主要工作是研究記憶系統(tǒng)間交互的時機。知覺經(jīng)驗實驗室的組長是來自范德堡大學(xué)心理學(xué)系的伊莎貝爾?戈捷（Isabel Gauthier）和湯姆?帕爾默瑞（Tom Palmeri），小組成員有馬琳?貝爾曼（Marlene Behrmann）等人。這個小組的調(diào)查者們研究聯(lián)機的知覺經(jīng)驗在時間進程方面的表現(xiàn)方式，如面孔加工。感知運動實驗室的組長是霍華德?波茲納（Howard Poizner），組員有丹?費爾德曼（Dan Feldman）等人。研究者們主要對突觸間的學(xué)習(xí)和知覺運動學(xué)習(xí)的時間動態(tài)進行研究。社會交互實驗室的組長是瑪瑞安?斯圖爾特?巴特利特（Marian Stewart Bartlett），組員包括哈維爾?莫維蘭（Javier Movellan）等人。該小組的研究者們主要探究時間是如何影響著教育教學(xué)環(huán)境下兒童和成人之間的交互。對學(xué)習(xí)的觀察是依賴于魯比（RUBI），它是一個在兒童早教中心用于教小朋友數(shù)字、顏色和其他基本概念的機器人。

圖2 實驗室人員構(gòu)成

TDLC研究中心的合作組織有加州大學(xué)伯克利分校、美國羅格斯大學(xué)和范德堡大學(xué)。附屬機構(gòu)有布朗大學(xué)、紐約州立大學(xué)、加州大學(xué)圣地亞哥分校、卡耐基梅隆大學(xué)、費城兒童醫(yī)院、科羅拉多大學(xué)、紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所、匹茲堡大學(xué)。教育機構(gòu)有楊梅中學(xué)、數(shù)據(jù)密集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中心、兒童早教中心、人類發(fā)展中心、高級技術(shù)中學(xué)、山脊中學(xué)、博物館中學(xué)、圣地亞哥新兒童博物館、普羅伊斯學(xué)校和維多利亞大學(xué)自閉癥技術(shù)和教育研究中心等。負責知識轉(zhuǎn)移的機構(gòu)是科學(xué)學(xué)習(xí)公司。

（三）時間因素影響學(xué)習(xí)的原因

當學(xué)習(xí)新的知識時，與老師和同事進行交流會談時，接觸新鮮的事物時，或沉浸于其他學(xué)習(xí)活動時，時機（timing）在神經(jīng)元功能、感覺系統(tǒng)、 大腦間不同區(qū)域交互中起到了重要作用。人們交流時使用的姿勢、表情和語言同樣受時機所影響。簡言之，時機在學(xué)習(xí)的各個階段都起到至關(guān)重要的作用，從學(xué)習(xí)聲音的精確時間格局到學(xué)習(xí)動作的順序，再到訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的時間表和在課堂中為提高學(xué)習(xí)效果而解釋社會符號的數(shù)據(jù)流，這些都充分體現(xiàn)了時機的有力角色。

大腦對感知經(jīng)驗的時間結(jié)構(gòu)非常敏感，比如，聽覺系統(tǒng)在毫秒范圍內(nèi)便可感知，學(xué)習(xí)的強化在秒的范圍內(nèi)便可發(fā)生，動覺和知覺在分鐘范圍內(nèi)就可適應(yīng)，在日和周的時間范圍內(nèi)就能鞏固和達到成熟。

每一階段的學(xué)習(xí)都各自具有自己的時間動態(tài)，并且自身的時機約束都會對學(xué)習(xí)產(chǎn)生影響。然而，這些學(xué)習(xí)階段并不是獨立自主的，恰恰相反，時機約束以一種嵌套的方式存在于每個階段中并相互影響著。比如，在細胞階段的時間動態(tài)，其感知時間在毫秒范圍內(nèi)，而整個大腦階段和行為階段其時間范圍更廣，其中記憶的反應(yīng)時間伴隨著個體終生。

通過過去幾十年中對神經(jīng)科學(xué)的研究，數(shù)據(jù)表明大腦內(nèi)部所固有的時間動態(tài)對學(xué)習(xí)不僅有強化作用，而且還有抑制作用。比如，研究者們發(fā)現(xiàn)某些學(xué)習(xí)者接受知識較慢的主要原因是他們大腦領(lǐng)會信息和處理信息的速度慢。這種問題同樣困擾著那些閱讀能力較差的人，他們不具備快速感知聲音變化的能力，而這一能力的基本原理與閱讀能力的原理基本相同。如果對這類人進行神經(jīng)系統(tǒng)方面的訓(xùn)練，可以提高他們時間處理的能力，同時，他們在聽、說、讀、寫等方面的能力也能提高。

時機是否在一個連續(xù)的時間框架下發(fā)生都對學(xué)習(xí)的有效性起著決定性的作用，因此該中心的研究者就對學(xué)習(xí)的時間動態(tài)進行調(diào)查和分析，并企圖通過改變小孩子對時間敏感度的能力和環(huán)境來幫助和提高他們的學(xué)習(xí)。然而時間動態(tài)對于學(xué)習(xí)靈活性和適應(yīng)性的重要影響卻只是在近幾年才被科學(xué)家們所重視，而且也只是局限在教學(xué)環(huán)境設(shè)置這一單一領(lǐng)域，但事實上與時間因素有關(guān)的很多方面如學(xué)習(xí)、活動和神經(jīng)編碼，這些都具有深刻的研究價值和意義。

（四）TDLC的實驗室

學(xué)習(xí)的時間動態(tài)中心下設(shè)四個實驗室：交互記憶系統(tǒng)實驗室、知覺經(jīng)驗實驗室、感知運動實驗室和社會交互實驗室。四個實驗室分別從記憶系統(tǒng)間的交互、知覺經(jīng)驗、突觸間的學(xué)習(xí)和知覺運動學(xué)習(xí)還有教育教學(xué)環(huán)境下兒童和成人之間的交互四個方面對時間動態(tài)對其的影響和影響方式進行研究。每個實驗室下還分別設(shè)立了多個子實驗室從不同角度進行深層次的研究，下面是對每個實驗室下的幾個重點子實驗室的詳細介紹。

1.交互記憶系統(tǒng)實驗室

（1）布茲薩基實驗室（Buzsaki Lab）

該實驗室以探究腦部神經(jīng)電路是如何支撐腦部認知能力為主要研究方向，其研究工作為對腦部的認知功能從合理性和機械性角度進行解釋。該實驗中心的研究者們認為在認知能力方面，對于科學(xué)探究最有研究前景的便是記憶力，因為記憶力容易被界定并且可直接在動物體上進行實驗，最主要的是在突觸可塑性的分子機制方面已經(jīng)存有大量的材料和資源。為解決以上問題，研究者們?nèi)嬗涗泟游镌谛袆訒r腦部的神經(jīng)元和局部場電位。

（2）語言研究中心（Center for Research in Language）

語言研究中心是一個由對語言的本質(zhì)、獲取和使用過程及語言的中介作用有濃厚興趣的老師、學(xué)生和研究者構(gòu)成的組織，其地點坐落于圣地亞哥州的加利福尼亞大學(xué)瑟古德?馬歇爾校區(qū)的認知科學(xué)大樓。語言研究中心的教學(xué)人員都是來自加利福尼亞大學(xué)認知科學(xué)、計算機科學(xué)、溝通紊亂學(xué)、發(fā)展心理學(xué)、語言學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、通信專業(yè)、小兒科學(xué)和語言心理學(xué)的專家學(xué)者。

（3）皮質(zhì)處理實驗室（Cortical Processing Lab）

從20世紀開始，大量關(guān)于腦部功能的文獻如雨后春筍般涌現(xiàn)。但只是在近幾年科學(xué)家們才能夠通過記錄大量的神經(jīng)元細胞來驗證理論的準確性。伴隨著這前所未有的機遇而來的便是新的挑戰(zhàn)和問題——如何從千兆字節(jié)的實驗數(shù)據(jù)中得出簡單明了的實驗結(jié)論。

在神經(jīng)科學(xué)實驗研究中，信息數(shù)據(jù)如洪水般噴涌而來，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法不能夠應(yīng)對這種挑戰(zhàn)。不過幸運的是，現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)和機器學(xué)習(xí)理論恰巧解決了處理多元數(shù)據(jù)庫這一難題。因此將現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)和機器學(xué)習(xí)理論這兩種方法應(yīng)用于處理神經(jīng)元細胞有助于驗證關(guān)于腦部功能的很多長期存在的假設(shè)。

左小龍成天叼著一只煙，戴著帽子，騎著摩托車無所事事。這是一種真正的無所事事，無所事事到讓外人看著就仿佛是在謀劃著干大事。

（4）木澤實驗室（Mozer Lab）

木澤實驗室在計算機建模的幫助下對人類學(xué)習(xí)和人類認知方面有了一定的理解和認識，因此該實驗室的研究重點是視覺感知、選擇性注意、記憶力和行政控制。而研究人員的主要工作是通過開發(fā)計算機軟件來促進人類個體的學(xué)習(xí)和提高辦事效率。實驗室現(xiàn)正在進行的項目有探索實踐（drill-and-practice）軟件，主要特點是人們可以利用一些片段時間來學(xué)習(xí)，最終達到優(yōu)化學(xué)習(xí)的目的；視覺突出技術(shù)，主要特點是針對一些復(fù)雜度較高的視覺任務(wù)，此項技術(shù)可以提高訓(xùn)練的效率；圖像效果增強裝置對分析員有很大幫助，比如衛(wèi)星圖像方面；提高關(guān)于概念學(xué)習(xí)方面的方法；通過自動機械剔除人們的偏見以提取出最真實的價值判斷。以上所有的實驗項目并非僅僅基于計算機建模的觀念，還依據(jù)了最先進的統(tǒng)計技術(shù)方法，如協(xié)同過濾算法、深層網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯定理模型。

在過去幾年的研究中，該實驗室已經(jīng)在機器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用方面有所突破并解決了很多實際問題。比如，在自適應(yīng)房子這個項目中，研究人員們設(shè)計并開發(fā)的控制系統(tǒng)能夠控制整個房間的能量資源，比如室內(nèi)溫度、水溫、燈光和通風(fēng)設(shè)備，這樣不僅能夠提高住戶對居住環(huán)境的滿意度，更重要的是解決了能源浪費的問題。

2.知覺經(jīng)驗實驗室

（1）物體知覺實驗室（Object Perception Lab）

物體知覺實驗室主要研究人類的知覺，還會根據(jù)不同孩子對物體的分類特點定義一些專有名詞。該實驗室使用一種綜合的研究方法對孩子在面對不同的任務(wù)和物體時，研究他們的表達方式和策略加工是如何變化的，主要的研究工作是對變化過程的功能和神經(jīng)軌跡進行調(diào)查。

（2）認知神經(jīng)科學(xué)實驗室（Cognitive Neuroscience Lab）

認知神經(jīng)科學(xué)實驗室的研究重點是人類在面對多種復(fù)雜的物體和人物是如何能夠準確并快速地識別和區(qū)分的，并探究這種潛在的能力發(fā)生時所必要的心理過程和主要表現(xiàn)，潛在能力主要包括物體分割和面貌識別、心理意象、讀寫能力還有空間記憶。此實驗室還同時進行著腦損傷的復(fù)原研究，精心設(shè)計的實驗研究為視覺認知的機制等相關(guān)研究提供強有力的信息支持。

3.感知運動實驗室

大薩實驗室（de Sa Lab），該實驗室的主要研究內(nèi)容是對人類感知和人類學(xué)習(xí)的神經(jīng)基礎(chǔ)進行更準確的解釋，并分別從神經(jīng)和計算機科學(xué)的角度對學(xué)習(xí)的發(fā)生方式進行探究。實驗室的研究人員們主要研究機器學(xué)習(xí)算法的計算屬性，還對人的生理行為和人類行為的限制與約束進行探究，這兩方面的研究結(jié)果有助于腦部學(xué)習(xí)方式的研究。機器學(xué)習(xí)算法是基于人類學(xué)習(xí)和腦生理學(xué)理論，關(guān)于人類及動物學(xué)習(xí)和計算的研究則以計算算法的觀點為基礎(chǔ)。

4.社會交互實驗室

加利福尼亞大學(xué)的認知發(fā)展實驗室（Cognitive Development Lab）是由教師、助教、研究生、本科生所構(gòu)成的，他們的主要工作是研究嬰兒和學(xué)前兒童的認知和語言發(fā)展?，F(xiàn)正在運行的研究內(nèi)容有家長與孩子之間的共享機制，孩子學(xué)習(xí)單詞和符號的方式，還有他們是如何形成和發(fā)展自動轉(zhuǎn)換功能的，如在適應(yīng)新的環(huán)境或者面對前所未有的情況時，小孩子是如何通過轉(zhuǎn)變自己的行為來解決這些問題的。

（五）TDLC的研究項目

科學(xué)知識是實現(xiàn)目標的基礎(chǔ)，但學(xué)習(xí)時間動態(tài)的系統(tǒng)性觀點尚不存在，而且靠預(yù)測猜想的方式并不現(xiàn)實。因此，此研究中心選擇了三個方向以解析學(xué)習(xí)的時間動態(tài)，分別是外在世界的動因（感官刺激，人際互動，獎勵）、腦內(nèi)固有的動因和后天習(xí)得的動因、肌肉和身體活動的動因。于是研究中心便設(shè)立了三個中心項目：世界的時間動態(tài)、大腦的時間動態(tài)和行為與探究的時間動態(tài)。研究中心的最終目的是將其科學(xué)理論應(yīng)用到教學(xué)實踐中，所以TDLC又設(shè)立了一個中心項目——教育、延伸和差異（Education, Outreach, and Diversity），以完善這個科學(xué)研究工作。

1.世界的時間動態(tài)

該項目探究的研究問題為人類如何習(xí)得關(guān)于世界的時間動態(tài)以及世界的時間動態(tài)如何影響學(xué)習(xí)。我們的這個世界蘊含著豐富的時間格局，這些時間格局為人類的正常生 活提供準確的信息，如感知感覺、社會交流和社會生存。時間格局所提供的信息還引導(dǎo)著有意學(xué)習(xí)或無意學(xué)習(xí)的思 維與行為。比如，在語言感知方面，嬰兒是通過在毫秒內(nèi)識別出時間格局的頻率，再將一個連續(xù)變化的聲波解析成一個基本的語言發(fā)音（音素）。而且，人類對時序和序列的最長記憶時間范圍也是從毫秒到秒。比如，記一段歌曲、電話號碼或者一首詩。

該項目的另一個研究重點是探索世界的其他時間特性，如行為和回報（reward）的相應(yīng)時機，此研究內(nèi)容對于學(xué)習(xí)有十分重要的影響。比如，學(xué)生在課堂中學(xué)習(xí)、測試和復(fù)習(xí)的順序以及時機可以直接影響學(xué)習(xí)的持續(xù)時間,這就是間隔效應(yīng)。間隔效應(yīng)就是當你將這部分知識重復(fù)地去學(xué)習(xí)、去吸收，隔一段時間就回來溫習(xí)，除可以強化它在你大腦里所待的時間，還加強了它在大腦里的重要性。[5]因此在對世界的時間特性有了深入理解后，會提高教與學(xué)及記憶保持的效果。

2.大腦的時間動態(tài)

該項目探究的研究問題為腦細胞、腦系統(tǒng)和行為的時間動態(tài)，以及學(xué)習(xí)過程中，他們是如何變化的，又是如何影響學(xué)習(xí)的。外界環(huán)境的時間動態(tài)必然是與大腦內(nèi)部的時間動態(tài)相聯(lián)系的。因此若想提高學(xué)習(xí)效率，可根據(jù)大腦的內(nèi)部動態(tài)來調(diào)整外部環(huán)境的時間動態(tài)。多年來，理論家們認為感官世界能夠通過神經(jīng)編碼來表現(xiàn)，神經(jīng)生物學(xué)研究者們認為這種形式是通過神經(jīng)元的放電頻率表現(xiàn)的。生物物理學(xué)模型提出一個名為脈沖時間依賴的突觸可塑性（STDP）的學(xué)習(xí)機制，即突觸前和突觸后脈沖發(fā)放的相對時間差對神經(jīng)元之間突觸的改變方向和大小起著關(guān)鍵作用。[6]這種取決對突觸前后脈沖發(fā)放時間差的學(xué)習(xí)規(guī)則稱為脈沖時間依賴的突觸可塑性(spike-timing dependent plasticity)。[7]突觸效用的增強和減弱都遵循這種學(xué)習(xí)規(guī)則,并且不管是增強時還是減弱時均發(fā)生在突觸前后神經(jīng)元脈沖發(fā)放時間的毫秒級時間差的范圍內(nèi)。[8]突觸前若在突觸后之前放電，突觸的效用增強；突觸前若在突觸后之后放電，突觸的效用減弱。根據(jù)此科學(xué)原理，便可利用精確的時間編碼來調(diào)節(jié)神經(jīng)編碼，以達到學(xué)習(xí)和記憶的最佳狀態(tài)。早些年前，研究中心的主要工作是驗證腦皮層的動態(tài)能夠影響STDP的學(xué)習(xí)機制。因此，在這一研究階段的重點是整體的動態(tài)，集中精力于脈沖時機和整體動態(tài)的集成。

通過脈沖間的精確放電時機或神經(jīng)元在一定的頻率下集體發(fā)生脈沖的時間相位編碼，我們發(fā)現(xiàn)細胞集合和神經(jīng)元集群的一個顯著特點就是，甚至在沒有外部刺激的情況下，每個成員都處于高度脈沖狀態(tài)。研究表明，一個神經(jīng)元脈沖時間的時間窗口是10赫茲～30赫茲，這意味著神經(jīng)元集群在這一時間范圍內(nèi)同步。這個時間窗口與突觸可塑性形成的時間窗口相匹配，因此可假設(shè)在腦皮層回路中存在著關(guān)于信息轉(zhuǎn)移和存儲的精確的時間范圍。通過對腦電圖頻率或者腦電圖的調(diào)節(jié)頻率是如何影響信息處理過程的了解，可深入理解大腦中不同系統(tǒng)的信息呈現(xiàn)形式。

學(xué)習(xí)過程中，腦部系統(tǒng)的處理會對大腦的投入程度以及行為表現(xiàn)的程度有所影響，目的是能夠正確地認識到知覺、學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)，而這是需要信息呈現(xiàn)的時間特性、強化相依和神經(jīng)回路的投入與促進行為這三部分知識的支撐。信息通常是在社會環(huán)境中被呈現(xiàn)的，因此選擇既與影響因素相關(guān)又準確的時間窗口十分重要，影響因素可以是社會個體間的強化及反應(yīng)。

知覺的時間動態(tài)與決策的時間動態(tài)之間是如何相互關(guān)聯(lián)的，伴隨著經(jīng)驗的變化他們又是如何影響大腦和行為的時間動態(tài)。解決了以上兩個問題，便能得知經(jīng)驗是如何影響行為，如何塑造快速判斷的能力，如何獲得準確的記憶甚至可以改變情緒效價。

3.行為與探究的時間動態(tài)

該項目解決的問題為行為與探究的時間結(jié)構(gòu)以及人類習(xí)得行為與探究的時間結(jié)構(gòu)的方式。人類的行為是無法受預(yù)設(shè)規(guī)定所控制的，而是由傳感器、驅(qū)動器和內(nèi)在表現(xiàn)共同作用?？刂普撝械拈]環(huán)控制原則解釋了這部分內(nèi)容。閉環(huán)控制指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系。在控制論中，閉環(huán)通常指輸出端通過“旁鏈”方式回饋到輸入。輸出端回饋到輸入端并參與對輸出端再控制，這才是閉環(huán)控制的目的，這種目的是通過反饋來實現(xiàn)的。也就是在感覺信息、內(nèi)部狀態(tài)和控制信號間進行及時調(diào)整，再將其發(fā)送給驅(qū)動器。皮亞杰和維果斯基認為感覺運動階段為更高級別的認知發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

此項目主要研究人類是如何習(xí)得感覺運動控制規(guī)律的，這些規(guī)律又是如何與感知的過程和象征性過程相互作用的。不僅關(guān)注學(xué)習(xí)的特定順序（開環(huán)控制），還關(guān)注學(xué)習(xí)知覺與行為間的調(diào)節(jié)（閉環(huán)控制）。研究者們希望感覺運動控制規(guī)律的學(xué)習(xí)能夠“因地制宜”。比如，在學(xué)習(xí)走路或者騎自行車時不是簡單的動作模仿與輸出，而是在時間上控制和約束人的行為。通過不同領(lǐng)域的研究，研究者們總結(jié)出一些一般原則并設(shè)計一個模型，以解決這些原則是如何在感覺運動學(xué)習(xí)、知覺學(xué)習(xí)、社會交互和符號處理中應(yīng)用的。研究方法則是記錄人類在不同領(lǐng)域、不同時間段的行為表現(xiàn)，分析統(tǒng)計的數(shù)據(jù)以便用來解決實時控制的問題。

4.教育、延伸和差異

此項目的主要工作是以社會、教育專家、科學(xué)家、實習(xí)生和預(yù)科學(xué)校（包括學(xué)前教育、小學(xué)和高中）為教育對象，將上述項目的研究成果進行教育領(lǐng)域的應(yīng)用及延伸研究，同時確保教育以及教育的延伸能夠反映觀點的差異性和社會的差異性。該項目的研究方法是將問題逐步細化，分成若干的分支分別進行研究，具體劃分依據(jù)為研究對象的不同，包括k-12的學(xué)生和教師、本科生、研究生、博士后、研究人員和社會大眾。

為保證研究項目的順利實施，該研究中心還具備以下幾個特點：（1）項目的合作學(xué)校加州大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）的特許學(xué)校，普魯斯學(xué)校（Preuss School）每年升入大學(xué)的升學(xué)率幾乎達到100%，而72%的學(xué)生是少數(shù)民族。（2）與項目合作的教育技術(shù)公司、學(xué)習(xí)科學(xué)公司（Scientific Learning Corporation）為研究中心提供成千上百名教師和學(xué)校系統(tǒng)。（3）由多麗絲?阿爾瓦雷斯（Doris Alvarez）開發(fā)的教育者網(wǎng)絡(luò)連接了教育專家和科學(xué)家，使他們能夠溝通順暢。（4）由羅杰?賓漢（Roger Bingham）設(shè)計的科學(xué)網(wǎng)絡(luò)是一種基于網(wǎng)絡(luò)并用于呈現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的通道。這些合作者們?yōu)榻逃龍F體和大眾提供可以增加少數(shù)人在科學(xué)方面的言論的平臺。

四、學(xué)習(xí)科學(xué)研究對我國的啟示

學(xué)習(xí)科學(xué)在國外尤其是美國已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，許多研究者已經(jīng)意識到學(xué)習(xí)科學(xué)對人類學(xué)習(xí)以及以此為基礎(chǔ)的教育實踐具有深刻影響。其中，就教育教學(xué)中技術(shù)使用問題而言，學(xué)習(xí)科學(xué)的相關(guān)研究結(jié)論也為其提供了決策的科學(xué)依據(jù)。雖然學(xué)習(xí)科學(xué)的研究與教育技術(shù)的研究在方法上有所不同，但他們共同的目的都是為了改善和促進人類的學(xué)習(xí)，因此將學(xué)習(xí)科學(xué)的研究結(jié)論引入到教育技術(shù)研究中能夠發(fā)揮事半功倍的作用。筆者認為教育技術(shù)的研究者們不應(yīng)僅將研究視野局限于教育學(xué)與計算機科學(xué)兩個領(lǐng)域，可以嘗試在學(xué)習(xí)科學(xué)這個新興領(lǐng)域進行探索研究，進一步發(fā)掘能夠為教育技術(shù)服務(wù)的理論和方法，以更好地實現(xiàn)應(yīng)用技術(shù)促進人類的學(xué)習(xí)提升績效的目標。

然而，在我國此領(lǐng)域的研究甚少，尤其是在學(xué)習(xí)的時間動態(tài)方面幾乎是空白。因此我國有必要對學(xué)習(xí)科學(xué)研究投入更多和資金的支持，以鼓勵國內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域的研究者的探索研究。在研究方向和方法方面，對學(xué)習(xí)的研究必須深入問題本身，從科學(xué)的角度探究學(xué)習(xí)的本質(zhì)，否則學(xué)習(xí)科學(xué)的研究只能是紙上談兵。

[1]焦建利，賈義敏.學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域及其新進展——“學(xué)習(xí)科學(xué)新進展”系列論文引論[J].開放教育研究，2011，Vol.17.No.1：33.

[2]焦建利，賈義敏.學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域及其新進展——“學(xué)習(xí)科學(xué)新進展”系列論文引論[J].開放教育研究，2011，Vol.17.No.1：34.

[3]焦建利，賈義敏.學(xué)習(xí)科學(xué)領(lǐng)域及其新進展——“學(xué)習(xí)科學(xué)新進展”系列論文引論[J].開放教育研究，2011，Vol.17.No.1：40.

[4]焦麗珍，江麗君. 空間學(xué)習(xí):三維世界的“潛行者” [J].開放教育研究，2011，Vol.17.No.3：35.

[5]王愛平,張厚粲.在漢字加工中間隔效應(yīng)對重復(fù)知盲效應(yīng)的影響[J].心理科學(xué),2002，(6)：646.

[6]阮承妹.基于STDP的脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法的研究[D].福州：福建師范大學(xué),2013.2.

[7]Song S.Miller,K.D.,Abbott,L.F.Competitive Hebbian learning though spike-timing dependent synaptic plasticity [J]. Nature Neuroscince,2000：919-926.

[8]Bi Q,Poo M-m.Precise spike timing determines the direction and extent of synaptic modifications in cultured hippocampal neiffons[J].Neuroscience,1998：10464-10472.

（責任編輯 杜丹丹）

A Study on the Temporal Dynamics of Learning and Application in Educational Technology

LIU Xi1, ZHANG Zhe1, GAO Zhengxiu2, WANG Yining3

(1.School of Computer Science and Information Technology,Northeast Normal University,Changchun,Jilin,China 130117; 2.Research Office of Distance Education System,Kim Hyong Jik University of Education,Pyongyang,DPRK; 3.School of Media Science, Northeast Normal University,Changchun,Jilin,China 130117)

Learning science is an interdisciplinary subject about teaching and learning based on cognitive science and computer science originated from America.A total of six research centers of learning science have been founded by USA National Science Foundation that is Center of Excellence for Learning in Education,Science and Technology;Center for Learning in Informal and Formal Environments;Pittsburgh Science of Learning Center for Robust Learning; Spatial Intelligence and Learning Center;the Temporal Dynamics of Learning Center and the Science of Learning Center on Visual Language and Visual Learning.The Temporal Dynamics of Learning Center is one of the learning science areas.It mainly explores the way of temporal dynamics that impacts on learning from three angles such as temporal dynamics of the world,temporal dynamics of the brain and temporal dynamics of behavior.As a result,it offers a significant instructional meaning in the field of education.

learning science;the temporal dynamics of learning;reformation and development of education

G434

A

2096-0069（2015）02-0018-09

2014-12-11

本論文獲得2011年度教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金課題“信息技術(shù)深層整合教學(xué)結(jié)構(gòu)與教師教育技術(shù)學(xué)科化研究”（課題號20110043110013）、東北師范大學(xué)哲學(xué)社會科學(xué)校內(nèi)青年基金團隊項目“文化公平觀與完善公共文化服務(wù)體系建設(shè)研究”（課題號12QN043）、國家社會科學(xué)基金項目一般項目“全媒體語境下日媒對中國形象塑造及中國對日傳播策略研究”（課題號11BXW022 ）資助。

劉曦（1990— ），女，遼寧鞍山人，東北師范大學(xué)計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院碩士研究生，研究方向為遠程教育、教育信息；張哲（1988— ），女，黑龍江哈爾濱人，東北師范大學(xué)計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院博士研究生，研究方向為教師教育技術(shù)；高正秀（1976— ），男，朝鮮民主主義人民共和國人，朝鮮金亨稷師范大學(xué)遠程教育系統(tǒng)研究室主任，研究員，碩士，研究方向為遠程教育系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)；王以寧（1957— ），男，吉林長春人，教授，東北師范大學(xué)傳媒科學(xué)學(xué)院博士生導(dǎo)師，研究方向為教師教育技術(shù)。