基于智能技術(shù)的“新工科”研究生學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計研究

逯 行，沈 陽

(北京師范大學(xué) a.互聯(lián)網(wǎng)教育智能技術(shù)及應(yīng)用國家工程實驗室;b.教育學(xué)部，北京 100875)

近年來，新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命要求從國家發(fā)展層面提出戰(zhàn)略性應(yīng)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(yīng)時代發(fā)展的號召，推進“新工科”建設(shè)，形成了“復(fù)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(zhì)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(xué)習(xí)環(huán)境提出了新的需求。智能技術(shù)發(fā)展為變革“新工科”研究生培養(yǎng)學(xué)習(xí)環(huán)境，提升研究生培養(yǎng)效率提供了技術(shù)基礎(chǔ)。人類需求的不斷滿足是時代進步的內(nèi)驅(qū)動力，技術(shù)服務(wù)于人類需求是技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的重要維度[1]。技術(shù)的快速發(fā)展是推動學(xué)習(xí)環(huán)境研究的重要驅(qū)動和支撐[2]，技術(shù)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(shù)在教育場景的重要切入點。“新工科”研究生培養(yǎng)中，學(xué)習(xí)者和培養(yǎng)者越來越不再滿足于傳統(tǒng)的學(xué)校建筑、教室布局、環(huán)境設(shè)計，從形式到內(nèi)容不斷地詬病舊工業(yè)時代發(fā)明出的這種現(xiàn)代學(xué)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(xué)空間和學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計上有所突破，以承載更加具有創(chuàng)新意義的教學(xué)內(nèi)容和課程活動。本研究關(guān)注如何將智能技術(shù)融入“新工科”學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計中，探討智能技術(shù)在新時代工科院校的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計中承擔著何種角色、以及智能技術(shù)如何變革“新工科”研究生培養(yǎng)的學(xué)習(xí)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(shè)的內(nèi)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(shè)計與學(xué)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(chǎn)生了重要影響，如工科研究生教育發(fā)展路徑需要依據(jù)制造業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化工科研究生教育結(jié)構(gòu)，包括學(xué)科結(jié)構(gòu)對接產(chǎn)業(yè)布局、人才結(jié)構(gòu)對接市場需求、課程結(jié)構(gòu)對接職業(yè)發(fā)展等[4]。近年來，“新工科”建設(shè)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(shè)了多種新興工科專業(yè)，如機器人工程、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能制造工程、網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)業(yè)界資源，支持“新工科”建設(shè)，深入實施產(chǎn)學(xué)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?？梢园l(fā)現(xiàn)，“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(diào)多元主體協(xié)作，一些地方還成立了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院、未來技術(shù)學(xué)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(guān)注了工科研究生認知能力培養(yǎng)，如數(shù)學(xué)能力培養(yǎng)，關(guān)注學(xué)生數(shù)學(xué)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(chǔ)理論水平、學(xué)術(shù)研討和學(xué)術(shù)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(shè)、開展學(xué)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(xué)習(xí)場所是校園實驗室、產(chǎn)學(xué)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(shù)沖擊下的工科院校研究生學(xué)習(xí)環(huán)境發(fā)生了巨大變化，學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計能否滿足研究生學(xué)習(xí)、實踐的需要直接關(guān)乎研究生培養(yǎng)的質(zhì)量。

二、工科研究生學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計現(xiàn)狀與問題

(一)工科研究生培養(yǎng)的學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)

已有研究較多地在探討工科教育的內(nèi)容，較少關(guān)注工科研究生培養(yǎng)的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計。工科人才的培養(yǎng)過程通常伴隨實驗教學(xué)、科學(xué)探索等活動發(fā)生，較為強調(diào)動手實踐等能力的培養(yǎng)，這一點上與人文學(xué)科教學(xué)形成鮮明的差異性。工科的教與學(xué)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(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，工科研究生培養(yǎng)的教與學(xué)環(huán)境發(fā)生了變化，互聯(lián)網(wǎng)、智能技術(shù)等對工科研究生培養(yǎng)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的沖擊。較早時候有研究者探討了基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論與分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建工科研究生培養(yǎng)的開放式教育系統(tǒng)，以創(chuàng)新教學(xué)模式、支持學(xué)生自主探究、協(xié)作學(xué)習(xí)等[9]。這些都是通過變革教室、實驗室等學(xué)習(xí)環(huán)境，創(chuàng)新學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，以期提升研究生培養(yǎng)的質(zhì)量和效率。以工科院校的實驗室為例，作為學(xué)生學(xué)科、科研最重要的場所之一，實驗室在學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計、實踐能力培養(yǎng)、操作訓(xùn)練等教與學(xué)活動中扮演著非常重要的角色[10]。但是傳統(tǒng)實驗室的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計過于封閉，只是將各種實驗或科研需要的軟硬件設(shè)備進行了羅列，并沒有很好地考慮到學(xué)生的需求，因此學(xué)生使用起來體驗較差。“新工科”研究生培養(yǎng)面臨學(xué)習(xí)環(huán)境單一、線性設(shè)計思維嚴重、忽略學(xué)生用戶體驗等問題，直接影響了研究生培養(yǎng)的效率和質(zhì)量。

(二)工科院校學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)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(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計時，往往優(yōu)先考慮了學(xué)習(xí)環(huán)境的社會效益，忽略了學(xué)生的個性化偏好和需求，這往往直接導(dǎo)致培養(yǎng)質(zhì)量和效率的降低。學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計需要在“新工科”研究生群體(學(xué)生)和其他利益之間不斷平衡。每一個學(xué)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(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計時很少考慮學(xué)生的個性化需求，同時，社會效益等因素總會凌駕于學(xué)生體驗之上。工科學(xué)校的設(shè)計者和建設(shè)者的服務(wù)對象與對話方都是學(xué)校管理者，但是學(xué)習(xí)環(huán)境的最終使用者卻是從事工科專業(yè)學(xué)習(xí)和研究的學(xué)生，學(xué)校從最開始的設(shè)計階段就容易忽略學(xué)生的生理訴求和心理訴求，這種設(shè)計和“新工科”研究生群體的脫節(jié)直接導(dǎo)致了學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計進展的緩慢。學(xué)校設(shè)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(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計中，不平衡嚴重存在，直接影響了工科院校學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，如操作技能、理論實踐等能力跟產(chǎn)業(yè)需求的脫節(jié)。

(三)學(xué)習(xí)環(huán)境對“新工科”研究生需求的滿足

“新工科”院校的學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計者不能盲目遵從社會效益導(dǎo)向，直接引入企業(yè)的學(xué)習(xí)環(huán)境解決方案，在設(shè)計前期應(yīng)當與學(xué)生盡可能多地交流，了解學(xué)生對學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的想法以及他們結(jié)合自身學(xué)習(xí)支持條件對學(xué)習(xí)環(huán)境提出的訴求。設(shè)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(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計以學(xué)校教室等建筑設(shè)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(xué)習(xí)環(huán)境一體化設(shè)計的結(jié)合，不能站在學(xué)習(xí)者的視角進行設(shè)計，也就無法在教育目標與物理環(huán)境之間有效轉(zhuǎn)化[12]。有研究者認為，從建筑學(xué)的視角看，學(xué)校除了有可持續(xù)性的要求，還應(yīng)當具有健康、體現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)、滿足使用者群體需求與個性化需求等屬性，同時還應(yīng)該是靈活且能夠適應(yīng)變化的[13]。設(shè)計者需要做的最主要的工作之一，就是平衡學(xué)生的主觀需求與客觀質(zhì)量等指標，其中需要指出的是，學(xué)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(shè)計具有重要的影響和價值[14]。

三、智能技術(shù)驅(qū)動“新工科”研究生學(xué)習(xí)環(huán)境的變革

(一)學(xué)習(xí)者內(nèi)外需求與學(xué)習(xí)環(huán)境的動態(tài)平衡

人類內(nèi)外需求的動態(tài)平衡機制是“新工科”研究生培養(yǎng)學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的重要原則。學(xué)習(xí)者需求與學(xué)習(xí)環(huán)境形成交互，環(huán)境通過滿足學(xué)習(xí)者需求來獲得改變，學(xué)習(xí)者需求通過影響學(xué)習(xí)環(huán)境來獲得滿足。以物理學(xué)習(xí)環(huán)境為例，“新工科”研究生所接觸的學(xué)習(xí)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(xué)生在特定的物理學(xué)習(xí)環(huán)境中的一種或多種需求。

圖1 工科學(xué)習(xí)與環(huán)境需求的交互依存：向內(nèi)與向外

學(xué)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(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)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(guān)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(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的物理環(huán)境和非物理環(huán)境均有關(guān)，解釋了學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的根源問題，并通過分析潛在行為相關(guān)模式，為解決學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計中的問題提供了新范式，在工科學(xué)習(xí)環(huán)境中各核心需求可表現(xiàn)如表1所示。這一設(shè)計原則遵循層次化且相互關(guān)聯(lián)的生長路徑，以實現(xiàn)內(nèi)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(xué)習(xí)環(huán)境有關(guān)系，如課桌、教室、走廊、外觀設(shè)計、游樂場、學(xué)校以外的拓展空間等，其中每一種學(xué)習(xí)環(huán)境均不同程度地與現(xiàn)代信息技術(shù)進行了結(jié)合。

表1 工科研究生學(xué)習(xí)環(huán)境中各核心需求的表現(xiàn)

(二)以智能學(xué)習(xí)環(huán)境解決“新工科”研究生培養(yǎng)的需求沖突

智能技術(shù)變革“新工科”研究生學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)環(huán)境是學(xué)習(xí)環(huán)境發(fā)展的未來階段，包含物理學(xué)習(xí)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境等空間形式。有研究者認為，未來學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計具備無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能計量、物聯(lián)網(wǎng)等智能技術(shù)多點并行的顯著特點，對于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)環(huán)境緩慢向技術(shù)驅(qū)動的轉(zhuǎn)變體現(xiàn)在環(huán)境設(shè)計的各個方面，如建筑、軟硬件設(shè)施、光線管理、濕度管理等。此外，通過可穿戴設(shè)備等智能設(shè)備收集個性化數(shù)據(jù)，不斷提高“新工科”學(xué)習(xí)環(huán)境的異質(zhì)性適應(yīng)性，是未來智能技術(shù)切入學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的重要角度[16]。智能技術(shù)作為中介調(diào)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(xué)習(xí)環(huán)境需求沖突與智能技術(shù)平衡機制

四、“新工科”研究生培養(yǎng)學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計策略

(一)構(gòu)造線上線下相結(jié)合的智能學(xué)習(xí)空間

利用線上線下相結(jié)合的智能學(xué)習(xí)空間記錄“新工科”研究生在科研、學(xué)習(xí)、娛樂、實踐等不同活動中的過程性數(shù)據(jù)，形成適配性、個性化的數(shù)據(jù)庫?；A(chǔ)數(shù)據(jù)為智能環(huán)境識別學(xué)習(xí)者特征、教師及在線平臺提供合適的學(xué)習(xí)資源與便利的互動工具提供了依據(jù)。在科研和學(xué)習(xí)過程中，依據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)測出的學(xué)習(xí)者特征，利用線上平臺提供課程、數(shù)據(jù)等，同步定向推送科研與學(xué)習(xí)資源。同時，為學(xué)習(xí)者提供基于在線平臺的學(xué)習(xí)社群、教學(xué)社群等，建立“研究生-導(dǎo)師-信息-環(huán)境”等多極之間的相互作用。

(二)利用智能技術(shù)提升學(xué)習(xí)環(huán)境的沉浸體驗

在研究生實驗室、產(chǎn)學(xué)研實踐培養(yǎng)等環(huán)境設(shè)計中，充分利用AR、VR等智能技術(shù)，增強研究生學(xué)習(xí)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(guān)專業(yè)的實踐與科研中，教學(xué)資源強調(diào)直觀性和可視化、思維培養(yǎng)強調(diào)空間想象、設(shè)計思維等。這類專業(yè)對于智能技術(shù)變革學(xué)習(xí)環(huán)境的需求較為旺盛，應(yīng)當在設(shè)計與實施中著重考慮學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)分析技術(shù)等，創(chuàng)新性構(gòu)建智能交互、沉浸體驗的智能化學(xué)習(xí)環(huán)境、科研環(huán)境、產(chǎn)學(xué)研實踐場景。增強立體化學(xué)習(xí)資源、虛擬教具、多為互動、電子檔案袋等在個性化學(xué)習(xí)、個性化科研、個性化實踐中的支持作用，推動智能技術(shù)對工科學(xué)習(xí)環(huán)境的變革與創(chuàng)新。

(三)基于多模態(tài)數(shù)據(jù)提升學(xué)習(xí)環(huán)境的交互功能

“新工科”學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(shù)據(jù)。在基于智能技術(shù)設(shè)計“新工科”研究生學(xué)習(xí)環(huán)境時，強化多模態(tài)數(shù)據(jù)的利用，增強研究生學(xué)習(xí)者對科研環(huán)境、產(chǎn)學(xué)研實踐環(huán)境的感知識別能力，從而匹配相應(yīng)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(shè)備，實時收集實驗室儀器設(shè)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

五、總結(jié)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(xué)習(xí)環(huán)境中運用越來越多的智能技術(shù)將會是未來發(fā)展的趨勢。而且隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于利用智能技術(shù)變革未來學(xué)習(xí)環(huán)境更有信心。有學(xué)者曾經(jīng)就未來學(xué)習(xí)環(huán)境的確定性進行過發(fā)問：教室可能是學(xué)校會保留到最后的學(xué)習(xí)環(huán)境嗎？[17]可以看出，教室作為學(xué)習(xí)環(huán)境的重要組成部分，是所有研究未來學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)者避不開的內(nèi)容。不可否認的是，教室作為當下時代最重要的學(xué)習(xí)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(xué)活動和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動，但隨著智能技術(shù)的發(fā)展，類似于教室這類較為固定范式、可轉(zhuǎn)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。或許，利用智能技術(shù)取代任何實體的學(xué)習(xí)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(shù)單純考慮“新工科”學(xué)習(xí)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(shè)計者偏好的多種設(shè)計模式，如以生物適應(yīng)性為核心的模式、以高科技技術(shù)應(yīng)用為核心的模式、以社會體驗為核心的設(shè)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(xué)習(xí)環(huán)境研究者的下一步關(guān)注方向。