基于教学动力优化的智慧教学空间功能模型构建

何福男 高欣怡 丁云鹏 郝敬峰 张璠争 冯国铜

摘    要  社会正进入智能时代，高质量发展迫切需要高质量教育，但与各行各业的智能化相比，教育的智能化相对滞后。文章依据教育的生理学、心理学基础，遵循认知规律和教育科学规律，结合智能技术使用，沿着优化教学动力、提高教学效率、服务智慧型人才培养这一思路研究智慧教学空间。在此基础上，归纳出智慧教学空间应有的四项根本性转变和七项性能升级。借助以智能技术为代表的现代科技，从八个方面建构智慧教学空间，得出包含八项核心功能的功能结构模型，完成教学空间从原始的教学要素容器到教学智慧生发器的革命性变革。各教学机构、教育服务商可以参考这一模型，设计建设符合智慧教学需要的新型教学空间。

关 键 词   智慧教育；智慧教学；教学空间；教学动力；教学情境

引用格式  何福男，高欣怡，丁云鹏，等.基于教学动力优化的智慧教学空间功能模型构建[J].教学与管理，2024（09）：1-6.

教学空间不仅是集成各种教学要素的场所，更是各种要素共同发挥作用的场所。从本质上讲，是各种教学要素形成了合力，推动了教学过程的开展。从教学动力着眼，研究教学空间的构建，是基于教学本质规律的应有途径。

一、教学动力

1.教学动力及其构成

教学动力亦称教学过程的动力，是教学过程运行和发展的动力[1]。没有教学动力，教学无法进行。教学动力大小，直接决定了教学进展的快慢，决定了学生能否学得更多、学得更深、学得更好，教学动力是教学能否达成教学目标的根本性因素。教学动力来源多元，如学生的心理动机、人类社会的需要、教师的推动等等。他们种类繁多，并按一定的规则，组合在一起，形成一种有别于个别动力的结构性动力。

教学要取得好的成效，离不开合适的教学动力结构。众多教学动力中，有来自学生的自发性动力，有来自外部世界的外部动力，还有学生与各种教学元素的关系动力[2]。其中自发性动力包括价值观、兴趣、爱好等各种心理动力，外部动力包括教师教的动力，社会规则、制度等约束力和工作生活竞争压力等。这些动力的方向、大小和持续时间各不相同，如果任由其原生态地作用于教学，很多动力很可能成为阻力。

关于教学动力及其结构的详细分析，限于篇幅，此文不便进一步展开，具体可参见文献“智慧教学动力解析”[3]。在此，引用几个与本文相关的核心观点：第一，以心理动机为主的学习动力有个体差异性，容易随情绪波动，具有随意性，而社会规则、制度等社会性动力，具有约束性、稳定性和刚性；第二，众多的教学动力中，学生的学习动力，是驱动教学开展的核心动力，所有其他动力，包括制度规则等社会性动力、教师教的动力等，只有能转化成学习动力的那部分，才能促进学习；第三，智能技术能对教学动力、特别是学习动力起激励和保护作用，是智慧教学需要重点开发的动力；第四，学习就是建构的过程，学生在学习中需消耗大量的能量和精力，疲劳必然产生，即学习阻力天然存在。

2.教學改革的本质是优化教学动力

因为学生的学习动力是教学的核心动力，所有的外力都要转变成学生的学习动力才能起作用，所以一旦学生因长期疲劳、困难久攻不克或所学内容枯燥乏味等原因，导致其学习积极性消失，其他教学动力也就很难发挥作用。虽然教学动力构成元素丰富，但是极易受损，“学习动力系统的结构受损”“学习动力系统功能失调”[4]，会使教学失去教学动力，影响教学效果。近40年来，“以学生为中心”的一系列教学改革，包括项目教学、案例教学、翻转课堂等，尽管方式方法有所不同，最终都是在努力优化教学动力结构，提高学生的学习动力。有关教学空间设计，在依据相关脑科学、心理学、认知科学、教育学知识与规律的基础上，也应以优化教学动力结构，提高学生学习能力和学习动力为原则进行设计。

智能技术对优化教学动力结构有重要作用。实证调查显示，教师感知到技术支持的学习空间中学生参与度显著高于传统教学空间[5]。信息技术、智能技术能用诸如实验、动画、仿真、虚拟现实等方式，生动形象地展示教学内容，帮助学生理解消化所学内容，甚至还能用智能算法、专家系统等智能化手段发现和解决教学问题。无论是技术性地帮助学生克服学习难题，还是策略性地优化教学方案，都能激发学生的求知欲，及时取得学习进展，获得成就感，保护积极性，减少教学过程中的动力损耗，有效维持并增强教学动力。

二、教学空间

教学空间是开展有组织教学活动的场所，主要有教室、实验室、实训室、学术报告厅、研讨室等。作为教学活动的主要载体，教学空间对教学有着特殊的作用和意义。

1.教学空间是学生认知世界的重要窗口

教学空间对学生认知模型构建有重要影响。教育系统包含学校教育、家庭教育、社会教育等多个组成部分，但是最重要、最核心的是学校教育[6]。相应地，学生主要从家庭空间、社会空间、自然空间、学校教学空间获得知识与技能，其中学校教学空间是学生获取科技知识和进行思维训练的核心空间。

从教学主体角度看，学习者是在特定社会与文化环境中学习的，人的发展就是人脑与环境之间的互动，学习是人脑适应外部环境的功能和途径[7]，可见，教学环境和教学空间对教学有重要影响。由此，我们也很难想象，如果没有智能化的教学空间，如何才能实现智慧教学。

学校通过构建教学空间，将现实世界、数字世界连接起来，为学生构建和完善认知世界服务。这三个世界，现实世界是根本，数字世界是现实世界的信息化表达，或是现实世界的虚拟和仿真，认知世界是现实世界的投影。当虚拟与仿真高度逼近真实世界时，数字世界就成为现实世界的数字孪生世界，当然，当前离建成数字孪生世界距离还比较远，只能实现部分设备、产线、产品的数字孪生。教学空间将这三个世界连接起来，一可以提供真实的学习情境，二可以帮助学生加快、加深理解，三可以拓展学生眼界。这些对提升教学效率和教学质量至关重要。

2.教学空间对教学及教学改革具有支撑作用

教学空间是教学的载体，是教育组织方式的具体体现，对教学模式和教学方法有支撑和限制作用。没有教学空间的支持，教学改革很难落到实处。比如说，在固定座位的阶梯教室里，可以讲授、演讲，但不宜开展项目教学，也不适合开展分组研讨。在只有粉笔黑板的教室里，难以讲清汽车发动机的构造和原理。在没有信息化的教学空间，所谓翻转课堂根本就没办法实施。因此，要进行教学改革，就需要相应教学空间来承载。

教学空间是教学的载体，是教学动力系统“发力”的主要场所。教学空间不仅仅是各种教学要素的简单堆积，而是各种教学要素所产生动力的合成器。好的教学空间，能将规章制度等社会性约束性动力，教师教的动力，先进技术的助学助教动力，学生的自主驱动力聚合在一起。而所谓教学改革，就是教学组织者重构这些动力的结构和关系，精心安排、协调发力，努力保持强劲的教学动力。

教学空间的建设是在推进智慧教学过程中需要和教学动力优化、教学模式改革等一并考虑的问题。加快新一代课堂教学环境的构建，带动教学模式、评价方式、管理方式的变革创新，是未来教育发展的必然趋势[8]。

3.教学空间建设研究现状与趋势

早期的教学空间是与生产生活紧密结合的，就在田间地头、工厂作坊。如孔子经常在杏坛讲学，柏拉图授课的阿卡德米学院就在雅典城外的阿卡德摩斯森林中。然后，在东方，科举制度使读书成了改变命运的一条捷径，专用于读书的书院和私塾应运而生；在西方，随着工业化的到来，捷克教育家夸美纽斯提出的班级授课制，因能实现人才的规模化培养，得到了广泛欢迎。从此教育从原来的生产生活现场，转移到了专门的教室和学校。

随着信息技术的快速发展，有关教学空间的问题，得到了教育专家的持续关注。以众多专家意见为主的《地平线报告》，从2015年起持续关注教學空间改革。国内，许多著名的教育信息化和智慧教育专家均对教学环境、学习环境有专门研究，提出了众多观点和建议。如：黄荣怀主张通过智慧学习环境传递教育智慧，通过新型教学模式启迪学生智慧，通过现代教育制度孕育人类智慧[9]；祝智庭、彭红超主张利用AR/VR/MR技术、5G+感控技术、边缘计算等技术实现学习环境生态化，开展体验式情境学习[10]；杨现民、赵瑞斌通过技术的融合应用，将不同时空、不同形态的要素进行跨时空重组，支持教育走出校园，走向泛在真实场景，通过“人—机—物”智联智融，促进教育环境迈向智能化[11]。国内有关智慧化教学空间、学习空间的研究还在不断深入之中，呈现从教育信息化向教育技术、建筑、环境设计领域扩展的趋势[12-14]。

在企业界和学界研究实践的同时，政府也在持续推进新型教学空间的建设。如：2017年7月，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，提出“开发立体综合教学场”“建立以学习者为中心的教育环境”。2022年8月，科技部的《关于支持建设新一代人工智能示范应用场景的通知》中提出“运用学习认知状态感知、无感知异地授课的智慧学习和智慧教室等关键技术，构建虚实融合与跨平台支撑的智能教育基础环境”。

随着对教学空间研究的不断深入，人们认识到了现代技术对教学空间建设的重大影响，发现未来教学空间需要新的形态、新的功能，认同支持学生的个性化发展是未来学校空间的发展趋势[15]。但是，这些研究还没有建立起教学空间新的运行机制[16]，理论上还处于摸索阶段，实践中还处在企业技术的推广阶段，未能有效满足师生的多元化教育与个性化学习的需要[17]。有关教学空间对教学的本质作用需要更深刻的认识。

三、智慧教学空间的功能模型构建

智慧教学空间的建设目标是建设能提供舒适（合适）的教学基础条件，具备教学智能，服务于智慧型人才培养的新型教学空间。培养智慧型人才是智慧教育的总目标，具备教学智能是智慧教学空间的核心特征。智慧教学空间，应是懂学生、懂教学，具有一定“思考”能力的。舒适是一般教学空间的基本要求，在舒适的环境中，教学就不容易受恶劣环境的干扰。合适是一些特殊教学的需要，如军事和体育训练场合，就需要营造与提高耐受力等素质相关的教学环境。

智慧教学空间服务于智慧教学的需要。智慧教学相比传统教学，在许多方面都将产生变化，其中在培养目标、教学内容、教学主体、教学方式等方面将产生根本性变化（见表1）。

为服务好上面的这些根本性变化，达成智慧教学空间的建设目标，教学空间需要进行多方面的升级（见表2）。

上面这些升级中，智能化升级是关键，动力升缦是核心，各项升级最终是为了实现动力升级。动力升级是为了通过据高教学效率来丰富教学内容，从而为实现培养智慧型人才这一目标提供充足的时间，充实的内容。这是智慧教学及其各项相关改革、建设的基本逻辑。

为实现这些转变和升级，须依据脑科学、心理学原理，遵循认知科学、教育科学规律，以学生为中心，以优化教学动力结构为出发点，合理利用智能技术，从以下八个方面构建教学空间。

1.建设舒适学习环境，减少教学动力损耗

教学空间其最重要的作用是为教学提供场所，保障教学过程顺利完成，使师生在这个空间中安心于教学，免受其他因素的干扰。

干扰会使人分心，这是常识，同时也得到了一些心理学研究的证实，每当大脑从关注甲项转到关注乙项再回头关注甲项时，就会产生认知损耗[18]。有研究表明，一个人在完成任务时被打断，需要多花50%的时间来完成任务，而且多犯50%的错误[19]。在一项与驾驶有关的关键脑区的研究中，当司机交谈时大脑（关键脑区）活动减少了37% [20]，可见干扰因素对人的正常工作造成了较大影响。因此，教学空间可以借用智能感知技术和自动调控技术，提供适当光、声和温湿度环境，减少噪声、闪光、忽冷忽热等因素对教学的干扰，使学生能静心学习的环境。当然，如果要进行专门的抗干扰训练、忍耐力训练，也完全可以利用智能技术，专门建设符合这些专项训练需要的专业化的教学空间。

2.创设多层感知智能，准确把握教学状态

在有限的教学时间段内，教师更多关注知识如何解构才能让学生理解，学生则关注如何重构自己的认知结构以便掌握老师正在教的知识。在这个过程中，师生都会忽视期间产生的其他问题。就像一个乒乓球运动员，比赛时主要关注对手的击球动作，很多细节需要事后从录像中观察。教学，也需要一个记录机构，能把师生的过程信息记录下来，以便日后研究改进。这个记录机构，正是教学空间本身，一个具有智能感知能力的教学空间。

感知能力的建设有个原则：解决教学问题，提高教学质量。即教学空间感知能力的设计及相应传感装置的布置要围绕着解决教学问题展开。

教学空间的感知能力可以根据需要进行设计，由低级到高级，分五层设置。第一层：物理环境感知，感知教学空间的温度、湿度、光照、噪声等，为环境调适作准备；第二层表象感知，感知出缺勤、注意力集中度、参与度等，研究学习态度问题；第三层心理感知：监测的信息包括血压、心跳、肢体、脸部、眼部动作和脑电波等，研究教学过程、内容对学生生理心理的影响；第四层过程感知，感知教学过程中师生交互情况、交互热点，研究过程优化；第五层效果感知：监测教学过程语言、学生作业作品内容，研究学生认知水平。

3.营造深厚文化氛围，提高环境育人效力

激发人们创新创造活力，最直接的方法莫过于走入不同文明，发现别人的长处，启发自己的思维[21]。符合人类命运共同体意识的多元文化，都应该都可以出现在教学空间中。

环境育人是教育的基本组成部分，传统教学空间营造一定的文化氛围，一般都以字画、宣传画等形式，展示名言警句，名人故事。但是，这种固定呈现的方式，长时间一成不变，育人效率低下。另外，参照德国心理学家艾宾浩斯的遗忘曲线，让一个知识分别在一两小时、一天、七天、一月等的时间點分次呈现，即可达到长期记忆的效果。因此在智慧教育时代，完全可以用先进的显示设备轮流呈现，包括名言警句、名人事迹、著名字画、科学知识、专业知识、前沿科技等方面的内容。使学生在相同的时间段内，受到更多的包括优秀传统文化、革命文化、工匠文化、科技文化等一系列有利于智慧启迪的文化和科学知识的熏陶。文化内容的定期更新要根据学生的性质选择，也要选择合适的时机，防止对教学过程产生干扰。

4.构建紧密学习社群，提高学生认知能力

将学生聚集在一起，不仅是班级授课制的需要，也是实现人类社会性学习的需要。人类大脑中存在由镜像神经元构成的镜像神经系统，它是“自己做某个活动和看别人做同样活动时都会兴奋的那些神经元”[22]，这一神经系统使人类可以通过模仿进行学习。另一方面，认知模型理论也告诉我们群体学习的重要性。认知模型理论认为，大脑通过构建认知模型来认知、想象和表现外部世界，用认知模型来进行分析和推理，对外部世界做出预测和决策，并藉此与外部世界互动[23]。但是直觉思维、偏好倾向性偏见、思维惯性等都可能导致不完善甚至错误的认知模型[24]。师生之间、生生之间进行经常性的交流、辩论、研讨，有助于发现认知模型中的错误，继而修正模型，完善对客观世界的认识。

新的教学空间，在设计建设时要打破传统教学将学生固定在某排某座的僵硬的组织方式，采用可联接、可拼接桌椅，使师生可以方便地动起来，灵活地组织起来，按一定的规则开展合作学习、团队学习、小组学习，通过这些社会性学习，完善认知模式，提高教学质量。

5.连接真实工作场景，提高情境教学活力

目前，教学存在三个方面的问题。一是由知识抽象化、符号化引起理解掌握困难的问题；二是教育远离社会脱离实际问题；三是学生对教学内容产生怀疑的问题。

教学内容来自于社会，来自于生产与管理实践，通过纸质或电子媒体走向学生时，已通过前人或教师的加工，转变成认知符号。这个过程中，教师的知识结构起了很大作用，其中难免会失真和丢失信息，这样的缺陷，有可能导致学生学习困难。此时，将符号化的知识具像化、可视化，是帮助学生理解和掌握的有效方法。

在知识符号化的同时，教育也在远离实际，典型的结果是社会、企业普遍反映很难招到能胜任岗位工作的毕业生，“满大街都是人，但找不到需要的人”成为就业与招工市场的真实写照。因此，教育需要在一定程度上回归社会，在公司、企业的真实环境中开展教学。从心理学角度讲，学生对真实有用和具有挑战性的内容感兴趣，特别担心自己的精力花在学一堆无用的东西上面。

解决这些问题的方法是利用现代技术，将教室与不同的场景联接起来，实现教学空间和生活空间、生产空间、管理空间、数字空间的融合，开展基于真实工作场景的情境教学。通过现代通信技术，可以实时连接企业、商家、机构等社会场所及其相关人员，实时连接其他学校、实验实训室、图书馆等学习场所，还可以通过虚拟仿真技术，连接虚拟教学空间。

6.提供友好学习服务，提高自主学习动力

教学的动力有来自学生的内部动力（也称学习动力）和来自教师、社会组织等施加的外部动力。根据辩证唯物主义哲学观，一切外因通过内因起作用，所以学生的学习动力是决定教学成败的关键动力。但是学习是一件非常费力，同时也很容易“受伤”的事。学习的过程，也是耗费精力的过程，需要在关键时刻得到外界的支持。脑科学研究显示，人脑体积约为人体体积的2％，却消耗了人体20～25％的能量，而其中绝大部分（95％）用于思考，只有5％的能量用于指挥身体活动[25]。可见，学习作为一种思考活动，相当费力。大脑中有一种能让人感到快乐的名叫“多巴胺”的物质，当一个愿望得到满足，中脑就会让神经元分泌多巴胺。学习过程中如能取得进展，或考试测验中取得好成绩，大脑就会分泌多巴胺，进而产生成就感，反之，就产生挫败感，影响学习积极性。如果学习难题久攻不克、越积越多，与同学的差距越来越大，学生就会感到恐惧。此时，学生就掉入了前苏联心理学家维果茨基所说的学习恐怖区。

智慧教育时代的教学空间，就要有一种择机给予支持的能力，帮助学生攻克学习难关，取得学习进展，获得成就感，保持高昂的学习积极性。以往的教学空间很难做到这一点，那是因为传统空间缺少智能化的设计和智能技术的应用。现在，智能传感技术、人工智能算法以及专家系统、辅助决策系统得到了快速发展和广泛运用，将来的教学空间能够、也必须做到这一点。智慧教学空间至少应提供四层助学智能：一是净化教学资源并向学生提供优质教学资源；二是通过智能机器人、连接专家库等形式，为学生答疑解惑，解决难题；三是通过分析教学过程数据，查漏补缺，帮助学生寻找薄弱环节；四是对比教学目标和学生当前状态，为学生指出后继努力的方向。

7.提供优质助教服务，提高教学主导能力

虽然从教学的本质来看，学生是教学的主体，教学需以学生为中心，但并不能因此否定教师的作用。在诸多外在要素中，教师是对学生学习作用最大的因素，对学习有定向把舵、指点迷津的作用。教师对教学的主导作用，始终都很重要。为更好地发挥教师的主导作用，就需要帮助教师提高主导能力。智能化的教学空间，需建设三种智能，向教师提供助教服务。

一是问题发现智能，依靠采集到的大量的教学状态数据，进行深入的教学统计与分析，发现问题。二是原因寻找智能，利用大数据技术，寻找问题与各教学要素的关联关系。有关联关系，未必就有因果关系，为此，可进一步利用人工智能算法和专家系统，寻找问题与各要素的逻辑关系，找准教学漏洞和薄弱环节。三是策略优化智能，在找到原因的基础上，对与此问题相关的教学资源进行优化，淘汰欠优资源；对教学策略进行优化，查漏补遗，调整教学重点、难点、关键点，改进教学方案。依靠教学空间提供的这些智能，教师能更好地找到问题、找准问题，并找到解决问题的方法，使教学更具针对性。

8.提供标准数据接口，提高教学管理能力

智慧教育时代，教学空间不再孤立存在，它们将依靠网络互相联通，并与各种教育教学管理系统联接。联接起来以后，具体的教学空间一方面输出自己收集到的教学信息，另一方面也接收与本教学空间相关（如人员、课程、资源等）的教学信息，从而更好地为当下的教学任务服务。

为实现联接，教学空间需提供标准化的数据接口，按照预定的协议，与教育教学管理系统交换信息。教育教学管理系统从此可以统合运用从各个教学空间得到的教学信息，既可以从宏观上观察整个教育教学态势，也可以从微观上更加详细地分析一门课程、一个老师或一个学生的综合情况。这有利于全面把握教学状态，为制定更加合理的教学制度，采取更有针对性的教学措施提供精准依据。而制度、措施等外力，也正是教学动力中必不可少、且当下需重点改进的组成部分。

综合上面分析可知，为优化、强化教学动力结构，智慧教学空间提供了八个方面的智能化功能，这些功能，是由若干子功能构成。现加以概括，得出其功能构成（见表3）。

根据上表这样的功能结构，各种教学机构、教育服务商可以设计、建造可应对未来教育挑战，符合智慧教学需要的教学空间。

利用智能技术，优化教学动力结构，提高教学效率，保证有足够的时间承载高阶教学内容，进而去追求培养智慧型人才的智慧教育目标，这是智慧教學的基本逻辑。智慧教学空间正是实现这个基本逻辑的载体。与传统教学空间相比，它力图实现革命性的升级和根本性的转变。升级的核心是教学的动力，实现从原生教学动力到结构化教学动力的升级；转变的根本是教学的目标，实现从培养知识型人才到培养智慧型人才的转变。

智慧教学空间应是智慧教育系统的一个智慧化组件。它既要能独立运行，为教学提供各种智能化功能支撑，也应能接入系统，为达成智慧教育目标提供数据支持。

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【责任编辑  孙晓雯】

*该文为2020 年教育部首批国家级职业教育教师教学创新团队重点课题“新时代高等职业院校工业机器人应用与维护专业领域团队教师教育教学改革创新与实践”（ZD202001010）、2020 年全国职业院校教师教学创新团队建设体系化课题“工业机器人应用与维护专业团队共同体‘科教协同、团组协作模式与机制研究”（TX20200103）、2023年江苏省高等教育教改研究重点课题“智慧教学空间构建研究与实践”（2023JSJG798）的研究成果