智能技術支持下具身學習的特征、形態及應用

趙瑞斌 張燕玲 范文翔 楊現民

摘要：作為第二代認知理論，具身認知為人們理解“學習”、促進“學習”提供了一個新的視角，并逐漸孕育出具身學習這一新范式。人們從現象哲學、認知科學、神經科學等視角研究了身體與心智的關系，強調了身體感知運動系統、身體與環境間的互動以及身體經驗的積累對認知的重要性。作為一種新范式，具身學習具有要素的耦合性、交互的具身性、主體的體驗性、情境的多元性以及過程的動態性等基本特征。新興智能技術，特別是混合現實、觸覺仿真、無線傳感、人工智能等技術的日趨成熟為具身學習的落地實施及推廣應用提供了良好的支撐。它們豐富了具身學習的環境類型、體驗方式、交互模態以及內容映射策略，衍生出基于智能感知、觸覺仿真、混合現實的具身學習應用場景。值得注意的是，具身學習是一個多要素耦合且動態演化的過程，其學習效果受多方面因素的綜合影響。在教學實踐中，不可一味追求新技術的應用和身體的高度參與，而應根據學習主題和技術條件，靈活設計體驗方式和交互模態，并聚焦于有效的內容映射策略和有意義的具身體驗。

關鍵詞：具身學習;具身認知;基本特征;主要形態;應用場景

中圖分類號：G434? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-5195（2021）06-0055-10? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.06.007

基金項目：教育部人文社會科學研究項目“具身認知視角下的混合現實學習環境構建及應用研究”（20YJC880131）;安徽省級教學研究項目“在線教學質量提升策略與評測方法研究”（2020jyxm0633）。

作者簡介：趙瑞斌，博士，副教授，碩士生導師，江蘇師范大學智慧教育學院（江蘇徐州 221116）;張燕玲，講師，滁州學院計算機與信息工程學院（安徽滁州 239000）;范文翔，博士，講師，杭州師范大學教育學院（浙江杭州 311121）;楊現民（通訊作者），博士，教授，博士生導師，江蘇師范大學智慧教育學院（江蘇徐州 221116）。

一、引言

認知科學領域的研究進展一直影響著人們對“學習”的理解，也推動著學習范式的轉型升級。早期，在行為主義的影響下人們認為“學習是反應的強化”。20世紀中期以來，在認知心理學和計算機科學的影響下，逐漸形成了以“計算隱喻”為典型特征的第一代認知科學，亦稱經典認知科學，其將學習過程視作大腦對抽象化表征符號的加工運算。無論行為主義范式還是信息加工范式，都忽視了學習者的主體意向性、體驗性以及身體與環境交互的重要性，即具有離身性的傾向（李曼麗等，2018）。隨著哲學研究的不斷深入以及知覺現象學、認知語言學、神經生物學等領域研究工作的推進，人們越來越強烈地意識到身體及其與環境的交互對人類認知具有重要的作用和意義，進而在20世紀末期逐漸形成了具身認知理論。該理論認為身體是認知的主體，其不僅參與了認知、影響著思維、塑造著心智，而且不同的身體構造和不同的身體參與方式會形成不同的認知結果，即認知是具身的。

具身認知理論為人們理解學習、促進學習提供了一個新的視角，并逐漸孕育出一種新的學習范式，即具身學習。目前，國內外研究者已經就具身學習開展了系列探索研究，并成功應用于語言學習、醫學教育、STEAM教育等領域（Duijzer et al.，2019）。其中，混合現實、觸覺仿真、體感交互、人工智能等技術的日趨成熟為具身學習的開展提供了良好的支撐。本文在分析具身學習范式的學理及其特征的基礎上，從學習環境類型、具身體驗方式、感知交互模態、學習內容映射等方面闡述了智能技術影響下具身學習的主要形態，并結合國內外最新研究成果，提出了智能技術支持下具身學習的典型應用場景和實例。

二、具身認知理論發展的學理基礎

受笛卡爾“身心二元論”的影響，經典認知科學通常將身體和心智視為兩種不同性質與功能的實在。心智屬于精神范疇，類似于計算機軟件，主要用于“符號化認知表征”的加工運算;身體屬于物質范疇，類似于計算機硬件，主要為心智提供一個物理載體。由于認知表征是抽象化的符號，其加工運算過程可獨立于承載它的身體，這意味著在經典認知科學中認知是“不具身的”或“離身的”（葉浩生等，2018）。

上世紀末，隨著研究工作的推進，傳統的離身認知觀受到越來越多的質疑和挑戰。與此同時，知覺現象學、認知語言學以及認知科學、神經科學等領域的學者從不同的學理背景出發揭示了身體與認知之間的密切關系，并提出了相應的具身認知觀。這些認知觀盡管在學理背景、闡述方式、側重點等方面有所差異，但它們之間卻有著內在的一致性和共同的訴求。

1.基于知覺現象學的具身認知觀

知覺現象學是由法國現象學家梅洛—龐蒂提出的一種哲學思想，其主張身體、知覺和世界是辯證統一的，身體是知覺的主體，知覺是身體的基本技能，人類對世界的認知依靠身體知覺和具身經驗（唐佩佩等，2012）。現實生活中，人們通過身體活動與世界中的其他物體產生互動，并利用觸覺、動覺、視覺、聽覺、嗅覺等器官不斷地感知世界。正是在這些交互感知過程中，人們根據身體的位置與狀態、肢體的動作與姿勢，以及其感知信息不斷地提煉身體運動圖式，持續地積累各種身體經驗。同時，這些身體化的圖式和經驗賦予人類新的靈活性和可能性，從而讓人們能夠不斷獲得新的技能和認知。

可見，在知覺現象學中，梅洛—龐蒂把人類的認知過程與具有能動性的身體器官結合起來，并認為認知過程是人類通過身體與世界的互動而提煉運動圖式、積累鮮活體驗的（劉勝利，2011）。學習在本質上是由具體情境引發身體回應，身體進一步辨別情境的動力循環過程，即一個具身性、情境性的體驗過程（陳醒等，2019）。這與將認知視為人們在大腦中對抽象化表征符號的加工與運算的經典認知科學有很大不同。不難發現，梅洛—龐蒂將經典認知科學中抽象化的符號表征置換為具體的身體體驗，并以此來強調身體體驗對人類認知過程以及認知結果的重要性。另一位學者巴薩盧于上世紀末提出的知覺符號系統理論也強調認知在本質上是知覺性的，認知過程是對外界刺激形成無意識的神經表征和有意識的知覺經驗，并通過整合知覺、運動、情感等多種信息對外界事物形成具有模式性、類似性的認知結果（Barsalou，1999）。

2.基于認知語言學的具身認知觀

認知語言學堅持體驗哲學觀，以身體經驗和認知為出發點，以概念結構和意義研究為中心，通過感知體驗、意象圖式、概念隱喻等理論創造性地解釋語言事實后面的認知方式（王寅，2005）。認知語言學中的思想，特別是意象圖式和概念隱喻，鮮明地體現了人類認知活動的具身性。

意象圖式。意象圖式是在人類與外界交互過程中反復出現且賦予人類經驗一致性結構的某種構架模式，亦是人類通過具體概念來理解抽象概念的橋梁。例如萊考夫等人（2015）歸納出來的容器圖式、上下圖式、前后圖式、部分整體圖式、中心邊緣圖式、連接圖式等。不難發現，這些意象圖式與人類的身體結構及運動體驗密切相關。

概念隱喻。隱喻本是語言學中的一種修辭手段。然而，在《我們賴以生存的隱喻》一書中，萊考夫等人開創性地認為：隱喻不僅是一種修辭手段，更是人類認知事物的一種重要方式，是具體概念向抽象領域的系統投射（喬治·萊考夫等，2015）。與此同時，隱喻根植于社會生活和身體體驗，人們擁有何種隱喻本質上取決于個體的身體體驗、個體與事物的交互作用以及個體所處的社會和文化環境。

由此可見，在認知語言學的視角，意象圖式和概念隱喻是人類認知抽象概念、形成高級思維的重要方式，而這兩種方式是人們在自然、無意識狀態中通過身體體驗習得的。這意味著認知是無意識的、思維是隱喻的、心智是具身的。

3.基于生成論的具身認知觀

受知覺現象學、認知語言學以及知覺生態學的影響，智利著名的神經生物學家瓦雷拉在其創立的生命自創生理論的基礎上進一步提出了心智生成論的思想。生成論主張：心智和世界不是表征與被表征的關系，它們是在“感覺—行動”的循環中同時生成的;認知也不再被視為一種抽象符號的加工運算，而是有機體適應環境的一種活動（劉志斌等，2015）。在生成論中，通過“身體與環境的耦合關系”以及“心智與身體的具身關系”將心智、身體與環境融為一個緊密的聯合體。

第一，身體與環境的耦合關系。有機體的身體與其生存環境之間存在著相互影響、彼此約束的緊耦合關系。有機體根植于環境，并利用其獨特的身體結構與身體行為不斷地感知和影響著環境。正是在此過程中，有機體塑造了其豐富的心智內涵，也造就了其獨特的生存環境。它們在同一個過程中生成，而且一經生成便成為一個整體，不可分離，并構成未來共同演化的前提。正因為此，人類的認知結果，例如個體所理解的事物屬性和意義，既不是環境中客觀存在的，也不是人類心智主觀賦予的，而是在有機體與環境共同演化過程中形成的產物。

第二，心智與身體的具身關系。瓦雷拉等認為“身體”具有雙重意義：“它既包含身體作為一種活生生的、經驗的結構，也包含身體作為認知機制的情境與背景。”（F.瓦雷拉等，2010）可見，身體既是一種生物結構，亦是一種經驗結構。在此基礎上，瓦雷拉使用“具身行動”來說明這種生物視域與經驗視域的交織和轉換。使用“具身”，意在強調經驗來自具有各種感覺運動能力的身體，而這些能力自身內含在一個更廣泛的生物、心理和文化的情境中;使用“行動”，意在強調感知與行動在認知過程中的循環約束（德莫特·莫蘭，2019）。

不難發現，生成論以一種全新的視角解釋了身體與環境的關系以及認知過程。在此視角下，個體不是一種獨立的、被動的存在，而是與環境處于共同演化之中且主動地構建一個自己的世界。在演化進程中，個體與環境是緊密耦合的，個體心智在其與環境的耦合過程中生成。

4.基于鏡像神經元的具身認知觀

自上世紀末，神經生理學家逐漸發現在靈長類動物大腦中存在一類特殊的神經元，即鏡像神經元，其能夠在個體執行某一動作或觀察其他個體執行該動作時被有效激活。例如，當一只猿猴自己撿起食物或觀察到有人撿起食物時，位于其大腦腹側運動前皮層的一些神經元會表現出電生理效應（Rizzolatti et al.，1996）。后續研究證實在人類大腦中也存在類似功能的鏡像神經系統，其在認知過程中具有重要意義。鏡像神經元能夠將動作感知和動作執行進行有效匹配和融合，從而把傳統意義上抽象的心理模擬發展成為以鏡像機制為基礎的具身模擬。

作為神經科學研究領域的里程碑事件，鏡像神經元的發現為人們理解身體與心智、動作與認知提供了一個新視角。正如葉浩生教授所說：“由于鏡像機制把動作知覺和動作執行進行匹配，觀察者僅僅通過對他人行為的知覺，就激活了執行這一動作的神經環路，產生了一種他人動作的具身模擬，進而可以直接把握他人的行為意圖。”（葉浩生，2016）可以說，鏡像神經元的發現既揭示了傳統身心二元論的缺陷，又為具身認知理論提供了堅實的生物學證據。與此同時，鏡像神經元所表現出來的雙重激活功能，即執行動作和觀察動作，進一步豐富和完善了具身認知理論。

綜上所述，人們已經從現象哲學、認知科學、神經科學等視角研究了身體與心智的關系，并就“具身認知”給出了各自的理論解釋和支撐依據。盡管研究者的領域和視角不同，但不難發現這些認知觀有著內在的一致性和共同的訴求，即都強調身體感知運動系統、身體與環境間的互動以及身體經驗的積累對認知的重要性。由此可見，身體不再是邊緣化的、無關緊要的“物理載體”，而是具有重要意義及影響的認知參與者和心智塑造者。

三、具身學習范式及其基本特征

在具身認知理論的影響下，具身學習已成為教育界近年來研究和實踐的一種新興學習范式。究竟何為具身學習？人們從不同視角出發，給出了不同的解讀。例如，鄭旭東等人認為：“從具身認知的觀點看，學習是基于身體感知的即時性行動和借助技術工具的結構化反思兩種認知模式的協調運作”（鄭旭東等，2019）;葉浩生認為：“作為身體學習的具身視身體為學習發生的部位，把身體視為知識的淵源，通過身體活動獲取對各種‘活’的生活體驗”（葉浩生，2014）。

作為一種新范式，具身學習在表現形態、實現途徑、應用模式等方面都具有多樣性和靈活性，難以給出一個明確、統一的定義。這里，筆者根據上文所梳理的不同視角下的具身認知觀，在歸納和提煉其核心理念與共同訴求的基礎上，構建了如圖1所示的具身學習范式描述模型，并以此來把握和反映具身學習范式的基本特征。

第一，要素的耦合性。與其他學習范式一樣，具身學習也包含學習者、學習環境、交互活動、學習情境、支持技術等要素。特別之處在于，在具身學習中，這些要素是相互關聯、相互影響且緊密耦合的。如圖1所示，外部虛線圓盤代表開放式具身學習環境，內部漸變圓環表示學習者與環境間的具身交互。可以看出，學習者置身于學習環境之中，通過具身交互與環境融為一體，且身體的“感覺—運動”系統和環境的情境、技術等要素涉入具身交互之中并影響著具身交互。換言之，在具身學習中，環境似土壤、似源泉，學習者根植其中并通過根系般的具身交互將各要素緊密耦合、融為一體。

第二，交互的具身性。具身性是具身學習范式最鮮明的特征。如圖1中漸變圓環所示，具身學習正是通過根系般的“具身交互”將學習各要素緊密耦合起來，實現了學習者與學習環境的交融共生，即學習者形成了鮮活的具身經驗，環境也成為適于學習者生存的具體環境。因此，在具身學習范式中，要秉持“身心一體”的理念，鼓勵釋放學習者的身體，讓學習者通過“身體運動”和“具身模擬”與環境進行交互。前者主要是指讓學習者通過親身的運動、動作、姿態、表情等參與交互，后者指通過觀察他者的身體運動產生與他者相一致的具身體驗。

第三，主體的體驗性。在經典認知科學視角下，學習被視為學習者在其大腦中形成對外部客觀事物的抽象化符號表征的過程。在這種身心分離的離身學習中，學習者往往處于被動的接受狀態，易導致對學習者生命特征以及對人類認知意向性與體驗性特征的漠視。相反，具身學習尊重學習者生命，關注學習者個體差異，強調釋放學習者的身心，讓其融入環境并在具身交互過程中體驗式地感知世界、積累經驗、促進認知。因此，具身學習要求樹立學習不是為了形成對外部世界的抽象表征，而是為了積累身體體驗并更好地服務于個體實踐的理念。總之，具身學習既體現了“人為性”的認知特點，又秉持“為人性”的學習理念。

第四，情境的多元性。正如瓦雷拉所說：“經驗來自具有各種感覺運動能力的身體，而這些能力自身內嵌于一個更廣泛的生物、心理和文化的情境中”（F.瓦雷拉等，2010）。可見，情境對具身學習具有重要的意義，其不僅直接影響著具身學習能力，更是學習者進一步獲得鮮活具身經驗的前提條件。具身學習不能脫離學習情境而獨立存在。這種情境既包括學習場景、物質資源、環境狀態等外部物理情境，也包含學習氣氛、人際關系、心理狀態、文化背景等社會文化情境。此外，在具身學習中，這些情境并非固定、預設的，而是隨著具身交互而動態更新的。

第五，過程的動態性。在傳統的教學設計中，往往會強調預先設定好學習內容、學習情境、教學方法、學習目標甚至學習進度。然而，具身學習更強調學習過程的動態生成性（鄭旭東等，2016），即學習是學習者、學習環境、學習資源等要素在交融過程中相互影響、動態創生的過程。在具身學習過程中，學習者及學習同伴不斷緣遇著、創造著、體驗著、解釋著各類學習事件，與此同時環境不斷變化、意義不斷生成、經驗不斷積累。可以說，學習就是這一系列的動態生成的學習事件以及由其產生的意義和影響。在圖1給出的具身學習范式描述模型中，筆者用一條向上延伸的射線來表示學習活動沿著時間軸的動態演化過程。在此過程中，學習者、學習環境以及各要素均處在不斷創生、演化和發展之中。

四、智能技術影響下具身學習的主要形態

如上所述，具身學習強調學習者要根植于情景化的環境之中，并通過具身交互驅動教學要素的交融與具身體驗的積累。顯然，不同的技術條件會衍生出不同形態的具身學習。這里，筆者重點圍繞學習環境類型、具身體驗方式、感知交互模態、內容映射策略等方面，闡述新興智能技術，特別是混合現實、觸覺仿真、體感交互、人工智能等技術對具身學習形態的影響。

1.學習環境類型

學習環境是具身學習活動實施的場所，更是影響具身認知發生的重要條件。不同類型的學習環境能夠為學習者提供不同的感知信息和交互模態。隨著虛擬現實，特別是混合現實技術的發展與應用，構建新型學習環境已經成為可能。依據知識呈現方式與感知交互模態方面的差異，筆者將具身學習環境大致分為三類：真實物理環境、虛擬仿真環境和混合現實環境。

真實物理環境。作為一種傳統而又常用的學習環境，其通常包含物理的學習場所、學習資源、學習情境及其事物原初、真實的狀態特性，能全面支持觸覺、嗅覺、聽覺、視覺等感覺器官，且能讓學習者在自然狀態下通過身體器官及運動系統進行交互體驗。不足之處在于，其難以對抽象概念、內部原理、動態過程進行可視化呈現及多模態感知。

虛擬仿真環境。通過虛擬現實技術和系統仿真技術，可以在一定程度上模擬并可視化抽象概念、內部原理和動態過程，從而增強對學習內容的表征能力。然而，由于真實物理存在的缺失以及當前技術水平的限制，這種只見虛不見實的學習環境通常只能提供對虛擬對象的視、聽覺體驗，缺少觸、嗅覺感知。

混合現實環境。目前，借助混合現實技術可以將虛擬的、數字化的對象和信息自然、實時地融入到身邊的三維物理空間。這種虛實融合的混合式學習環境，綜合了上述兩類環境的優點，既增強了學習內容的表征與學習環境的體驗能力，又支持多模態感知、具身運動以及自然交互。正因為此，混合現實環境成為具身學習的理想場所。近年來，國際上多項研究成果表明混合現實環境能夠有效支持具身學習，并顯著促進STEAM相關內容的學習效果（Johnson-Glenberg et al.，2014;Lindgren et al.，2016）。

可見，雖然具身學習可以在多種類型的學習環境中開展，但是從知識表征和交互模態兩個維度考量，混合實現環境具有更高的具身度，也更有利于促進具身學習。當然，在設計混合現實學習環境時，為了更好地支持感知與交互體驗，應遵循“能實不虛”“以虛補實”以及“虛實融合”的原則。

2.具身體驗方式

具身認知強調在身體與環境互動過程中獲得與積累身體體驗，故身體的參與程度和參與方式對具身學習具有特殊意義。一方面，從參與程度的維度可以將身體運動分成自然、無約束狀態下的全身運動和安坐狀態下的有限姿態動作。另一方面，具身認知理論以及鏡像神經元領域的研究表明，除親身參與運動之外，學習者還可以通過具身模擬的方式獲得具身體驗，即通過觀察或想象他者在特定環境及情景中的身體運動來獲得相應的具身體驗。基于此，筆者以參與程度和參與方式為坐標軸，將具身體驗分成如圖2所示的四種類型。

就具身度而言，學習者親自參與的全身運動顯然具有更高的具身度，其能調動更多的身體參與，獲得更豐富的具身體驗。在智能時代，通過體感交互設備和技術，例如Kinect傳感器，可以采集和識別學習者各肢體的空間位置、姿態動作和運動軌跡，從而更智能、更有效地支持身體參與并獲得具身體驗。與此同時，需注意的是具身學習是一個多因素影響下的復雜過程。在具體實踐中，除了身體參與方式、參與程度之外，實際學習效果還受到具身體驗的有效性、認知負荷的程度等因素的影響。因此，具身學習不能一味地追求身體的高度參與，而是要根據學習者、學習內容、學習環境等要素的特點，合理地選擇身體的參與方式和參與程度。

3.感知交互模態

感知交互是學習者與環境之間相互影響、交融共生的橋梁，亦是形成具身體驗、實現具身學習的根本途徑。具身認知理論強調，學習活動開展過程中，學習者應通過身體運動、姿態動作、面部表情等方式直接感觸和操控學習對象及其可視化、語義化的表示模型;同時，學習者也應通過其“感覺—運動”系統實時、同步地接受相應的反饋信息。這種交互模態是高具身的，是利于有意義學習的。然而，在實踐過程中，由于學習環境、學習資源、活動類型、可用技術等方面存在的差異和限制，交互模態也存在一定的差異，其主要體現在感知通道和交互形式兩方面。

第一，感知通道。在與環境交互過程中，學習者主要通過觸覺、動覺、視覺、聽覺、嗅覺等感知通道接收環境的反饋信息，形成意象圖式并積累具身體驗。按照具身認知理論，與環境交互涉及的感知通道越多，形成的具身體驗就越鮮活、越完整。然而，在一些具身學習中，往往只涉及部分感知通道，例如大多數的虛擬仿真環境通常只支持視、聽覺感知。

第二，交互形式。交互形式大致可分為直接交互和間接交互。前者指學習者通過身體器官、動作系統和姿態動作直接感觸和操控學習對象，后者指學習者通過鼠標、手柄或其他第三方媒介間接地感觸和操控學習對象。具體實施過程中，交互形式往往取決于學習環境類型、內容呈現方式、技術設備供給等因素。

多通道感知、直接操控實時響應的交互模態是具身學習的一種理想狀態，其不僅能夠提升學習體驗、形成鮮活認知，而且有助于延長記憶時間并促進知識的遷移 （Anastopoulou et al.，2011）。近些年來新興的智能技術，特別是觸覺仿真、無線傳感、混合現實等技術，有望為實現這類高具身度的交互形式提供良好的支持。

4.內容映射策略

具身學習主要通過獲得并積累“感覺—運動”體驗來實現。因此，在具身學習活動開展過程中，需要在學習內容與“感覺—運動”體驗之間建立有效的映射關系。這種關系的建立及其產生的效果主要取決于知識呈現的媒介形式。具身學習通過融合無線傳感、虛擬現實、3D打印等技術，不僅能以三維動畫、全息影像、打印制品等媒介形式逼真地呈現教學內容，而且能支持師生通過身體行為驅動知識呈現媒介的動態變化。這為構建學習內容與“感覺—運動”體驗之間的映射關系提供了新途徑。

第一，身體運動驅動知識表達。對于抽象概念及相關原理，在根據數學模型構建其可視化表示形式的基礎上，借助無線傳感技術與可視化技術可將學習者的身體位置、動作姿態與知識的呈現形式以及動態變化過程相關聯，并通過學習者的身體運動實時地驅動知識的生成、表示及呈現。例如，在學習速度、加速度等概念時，通過實時采集學習者的位置信息，讓學習者通過身體運動來驅動并體驗運動曲線的繪制過程（Espinoza，2015）。

第二，身體器官模擬學習對象。在智慧教學環境中，通過行為感知設備與智能分析技術，可以讓師生更加便捷、有效地利用動作、手勢、姿態、表情、聲音以及多人協作扮演等方式模仿學習對象的屬性及行為特征，從而實現教學內容與身體體驗之間的映射。例如，在外語教學中，讓學生通過模仿小鳥的飛行動作加深對“Bird”“Fly”等單詞的理解與記憶。

第三，身體經驗隱喻學習內容。基于意象圖式和概念隱喻理論，可以將新的、抽象的概念與熟悉的、具體的概念相關聯。此外，通過有效設計概念的呈現方式，將其與身體體驗建立“隱喻”，也可以促進概念的理解和推理。例如，將概念呈現在厚重的媒介上可以突出其重要性、呈現在溫馨的背景中更能形成積極的判斷等。在傳統教學環境下，有限的資源和特定的時空限制了這類媒介的制作與應用，混合現實與3D打印技術的結合能夠有效突破這種限制，從而更廣泛、便捷地創建知識與學習體驗之間的有意義映射。

學習內容和“感覺—運動”體驗的映射關系對具身學習具有重要意義，能夠讓學習者在親身體驗或觀察這種關系及其動態變化的過程中，以“身體書寫”般的方式就學習內容形成深刻、鮮活、持久且有意義的具體體驗。目前，一些研究成果已經表明建立有意義的映射關系能夠有效促進學習效果（李青等，2016;Skulmowski et al.，2018）。相反，若缺失這種關系或者這種關系是無意義的，則不能形成有意義的具體體驗，甚至會對學習過程帶來干擾或額外的認知負荷（Johnson-Glenberg，2018）。

五、基于智能技術的具身學習典型應用

具身學習既是一種新的學習范式，亦蘊含著創新教育理念。其形態的多樣性賦予了應用領域的廣闊性和實現途徑的靈活性。換言之，在實踐中，只要秉持具身認知的觀念，理解具身學習的基本特征、實現形態以及影響要素，便可以靈活、有效地開展具身學習。這里，筆者結合具體的學習環境、學習主題以及技術條件，分析并闡述了智能技術支持下具身學習的幾種典型應用場景和實例。

1.基于智能感知技術的具身學習

在傳統課堂教學活動中，教師通常會強調學生坐姿端正、少講話并認真聽講。對教師而言，這種模式有利于維護良好的課堂秩序，有利于知識的講解和傳輸。然而，此模式卻可能忽視學生鮮活的生命特征以及學習的主體性，從而將學生變成了一種被動的、冷漠的、機器般的信息接收者。從具身學習的視角出發，傳統課堂教學應尊重學生的主體性，鼓勵學生具身交互，讓學生以自然的身心狀態參與到課堂教學活動中，從而實現學生、教師以及教學內容的有機交融以及具體經驗的積累。

具體而言，師生可通過身體運動和具身模擬兩種途徑在傳統課堂中實現具身學習。身體運動指激活學生的感知運動系統，讓學生通過有意義的身體運動而參與課堂活動，積累身體經驗，學習課堂內容。例如，在外語課堂上學習動物單詞時，教師一邊講授相關內容，一邊鼓勵學生通過身體運動或手勢動作來模仿動物的行走、跳躍、飛行等行為，并通過發音來模擬動物的叫聲或跟讀相應的單詞。具身模擬是指讓學生通過觀察或想象教師、同伴的具身表演以及視頻、動畫等動作行為而產生相應的身體體驗。例如，教師在課堂上講述相關內容時，不僅通過語言的方式進行描述，更通過身體的表演，手勢、表情的模擬甚至配合相應的視頻、動畫，讓學生通過觀察、模仿進行學習。目前，各種智能感知設備與技術已經廣泛應用于智慧教室建設之中，這為師生在教室環境中常態化地開展具身學習提供了重要支持。其中，借助高清攝像頭、無線傳感器、大屏顯示器等設備以及人工智能、大數據等技術，不僅能有效地感知教學過程中師生的身體姿態、動作行為、言語表情等信息，而且能對這些信息進行及時、準確地挖掘與分析。在這種技術環境中，師生不僅可以有效開展具身交互，實現具身教學，同時也能夠對具身教學過程及其效果進行精細化分析和評估。近年來，國際上多項研究成果表明在課堂上實現具身教學可以有效提高學生的學習動機、學習投入以及對學習內容的理解和記憶（Mavilidi et al.，2015;Schmidt et al.，2019）。

2.基于觸覺仿真的具身學習

在具身理論中，觸覺對認知具有特殊的作用及意義。究其原因，觸覺是人類與外界物理環境交互所采用的一種最原初、最直接且最重要的感知系統。通過刺激身體動覺系統中的肌肉、肌腱、關節等感受器，人們可以感知、探究并識別物體的材質、硬度、重量、形狀、溫度等物理屬性以及物體的彈力、形變、運動等行為特征，從而形成直接的、鮮活的、豐富的具身體驗。與視覺、聽覺等“遠端”感知系統相比，觸覺感官與身體聯系更緊密，即具身度更高。因此，在知覺現象學中，觸覺被認為是具身性的一個關鍵特征，其在身體構造和認知過程中具有某種本體論的優先性，即身體在觸覺中“成為身體”（德莫特·莫蘭，2019）。

近年來觸覺仿真技術的興起為人們設計和開展基于觸覺交互的具身學習提供了可能。如圖3（a）所示，觸覺仿真主要依靠一個支持人機雙向交互的特殊機電設備，通過操縱桿、數據手套、鼠標、方向盤、手指膜等將學習者與虛擬物體相連，讓學習者在交互式操控過程中感知虛擬物體的物理特性和機械行為。在觸覺仿真技術的支持下，可以通過如下途徑開展具身學習：

第一，在虛擬仿真學習環境中，實現多模態感知與交互。目前，在大多數的虛擬仿真學習環境，學習者只能通過視覺、聽覺進行感知。融入觸覺仿真技術之后，學習者可以實現對學習內容和認知對象的多模態感知與交互，從而提高學習環境的沉浸感并促進知識的深度學習和遷移。如圖3（b）所示，Tinguy等人通過穿戴式指尖觸覺仿真器實現對人體器官的硬度、彈力等屬性的感知，并將其成功應用于VR觸診模擬器并支持醫生的仿真培訓（Tinguy et al.，2018）。

第二，在STEAM課程教學中，促進抽象概念的學習和理解。對于STEAM課程中的一些抽象概念，例如摩擦力、阻尼、電磁場等，通過觸覺感知技術將概念以及概念間的因果關系與學習者的觸覺感知關聯起來，讓學習者在交互感知的過程中，形成對抽象概念的具身經驗及深度理解。例如，在圖3（c）中，讓學生通過旋轉一個操縱桿來交互式地控制齒輪的轉動，并在此過程中通過力的輸入與反饋力的感知來體驗兩個齒輪的聯動和學習相關物理知識（Han et al.，2011）。

3.基于混合現實的具身學習

目前，在計算機視覺、空間感知、人工智能以及可視化等技術的支持下，已經可以構建出一種將人、環境和計算機三者融為一體的混合現實環境。在此類環境中，來自物理世界的各類信息和來自虛擬世界的各類信息在時間、空間、視覺、聽覺等維度上實現了自然的匹配和有機的融合，能夠支持人們進行實時、多模態的交互以及具身、沉浸式的體驗。可見，混合現實環境為具身學習提供了良好的支撐條件，不僅能拓展具身學習的應用范圍，而且能夠提升具身學習的實際效果。目前，面向具身學習的混合現實學習環境構建已經成為國際研究熱點，并已取得一些成果。其中，以美國馬里蘭大學人機交互實驗室構建的SharedPhys（Kang et al.，2016）和美國亞利桑那州立大學研發的SMALLab（Kelliher et al.，2009）最具代表性和影響力。

基于此類混合現實學習環境，人們可以開展多種類型的具身學習。在具身學習實施過程中，針對學習內容及其特點，教師需要系統性地考慮知識的呈現方式、內容的映射策略、具身體驗途徑、交互感知模態等因素。如圖4所示，在SharedPhys環境中，針對人體呼吸及血液循環這一學習主題，Kang等人設計了一種高具身的協作式學習活動（Kang et al.，2016）。在此學習活動中，學習者站在大屏幕前自由地移動、跳躍、跑步，并通過相互協作、角色扮演等方式進行體驗式的學習;SharedPhys利用便攜式傳感器實時采集學習者的心率、呼吸頻率、心電、體溫等生理數據，利用Kinect體感技術識別學習者的身體位置、運動狀態以及手勢動作等信息。同時大屏幕上以三維模型、語音、文本的形式呈現學習內容、學習任務，并以圖形、動畫的形式實時、動態地呈現學習者身體運動狀態與其呼吸、血液系統之間的關系。在該學習活動中，將學習內容與學習者的身體運動密切地聯系起來，讓學習者通過控制身體狀態來驅動知識的生成與表示，通過觀察和體驗探究科學知識并積累豐富、鮮活的具體體驗。

六、總結

具身認知理論揭示了身體及其與環境的交互對人類認知的重要性，這使得人們認識到身體不僅僅是認知活動的“物理載體”，更是認知的參與者和心智的塑造者。具身學習逐漸成為一種新的學習范式。具身學習鼓勵并支持學習者的具身交互和感知體驗，目的是實現學習者、學習環境、學習資源等要素的緊密耦合和動態演化。無線傳感、虛擬現實、人工智能等新興智能技術在教育教學環境中的逐步應用，為有效開展具身學習并促進教學創新提供了重要契機。它們豐富了具身學習的環境類型、體驗方式、交互模態以及內容映射策略，衍生出基于智能感知、觸覺仿真、混合現實的具身學習應用場景。值得注意的是，具身學習是一個多要素耦合且動態演化的過程，其學習效果受多方面因素的綜合影響。在教學實踐中，不可一味地追求新技術的應用和身體的高度參與，而應根據學習主題和技術條件，靈活設計體驗方式和交互模態，并聚焦于有效的內容映射策略和有意義的具身體驗。

參考文獻：

[1][愛爾蘭]德莫特·莫蘭（2019）.現象學核心概念——具身性與能動性[EB/OL].[2020-05-23].http：//ex.cssn.cn/zhx/ zx_lgsf/

201907 /t20190723_4937673_1.shtml.

[2][美]喬治·萊考夫，馬克· 約翰遜（2015）.我們賴以生存的隱喻[M].何文忠.杭州：浙江大學出版社：3-7.

[3][智]F.瓦雷拉，[加]E.湯普森，[美]E.羅施 （2010）.具身心智：認知科學和人類經驗[M].李恒威，李恒熙，王球等.杭州：浙江大學出版：139.

[4]陳醒，王國光（2019）.國際具身學習的研究歷程、理論發展與技術轉向[J].現代遠程教育研究，31（6）：78-88，111.

[5]李曼麗，丁若曦，張羽等（2018）.從認知科學到學習科學：過去、現狀與未來[J].清華大學教育研究，39（4）：29-39.

[6]李青，趙越（2016）.具身學習國外研究及實踐現狀述評——基于2009—2015年的SSCI期刊文獻[J].遠程教育雜志，34（5）：59-67.

[7]劉勝利（2011）.身體經驗與身體表象——梅洛—龐蒂對傳統心理學的身體模型的方法論批判[J].科學技術哲學研究，28（2）：51-55.

[8]劉志斌，高申春（2015）. 從心智進化到心智生成——瓦雷拉的心智生成觀及其對具身認知的啟示[J].心理學探新， 35（6）：488-492.

[9]唐佩佩，葉浩生（2012）.作為主體的身體：從無身認知到具身認知[J].心理研究，5（3）：3-8.

[10]王寅（2005）.語言的體驗性——從體驗哲學和認知語言學看語言體驗觀[J].外語教學與研究，（1）：37-43.

[11]葉浩生（2014）.“具身”涵義的理論辨析[J].心理學報，46（7）：1032-1042.

[12]葉浩生（2016）.鏡像神經元的意義[J].心理學報，48（4）：444-456.

[13]葉浩生，麻彥坤，楊文登（2018）.身體與認知表征：見解與分歧[J].心理學報，50（4）：462-472.

[14]鄭旭東，王美倩（2016）.從靜態預設到動態生成：具身認知視角下學習環境構建的新系統觀[J].電化教育研究，37（1）：18-24.

[15]鄭旭東，王美倩，饒景陽（2019）.論具身學習及其設計：基于具身認知的視角[J].電化教育研究，40（1）：25-32.

[16]Anastopoulou， S.， Sharples， M.， & Baber， C. et al. （2011）. An Evaluation of Multimodal Interactions with Technology While Learning Science Concepts[J]. British Journal of Educational Technology， 42（2）：266-290.

[17]Barsalou， L. W. （1999）. Perceptual Symbol Systems[J]. Behavioral and Brain Sciences， 22（4）：577-609.

[18]Duijzer， C.， Marja， H. P.， & Veldhuis， M. et al. （2019）. Embodied Learning Environments for Graphing Motion： A Systematic Literature Review[J]. Educational Psychology Review， 31：597-629.

[19]Espinoza， F. （2015）. Graphical Representations and the Perception of Motion： Integrating Isomorphism Through Kinesthesia into Physics Instruction[J]. Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching， 34（2）：133-154.

[20]Han， I.， & Black， J. B. （2011）. Incorporating Haptic Feedback in Simulation for Learning Physics[J]. Computers & Education， 57（4）：2281-2290.

[21]Johnson-Glenberg， M. C. （2018）. Immersive VR and Education： Embodied Design Principles That Include Gesture and Hand Controls[J]. Frontiers in Robotics and AI， （5）：1-19.

[22]Johnson-Glenberg， M. C.， Birchfield， D.， & Tolentino， L. et al. （2014）. Collaborative Embodied Learning in Mixed Reality Motion-Capture Environments： Two Science Studies[J]. Journal of Educational Psychology， 106（1）：86-104.

[23]Kang， S.， Norooz， L.， & Oguamanam， V. et al. （2016）. SharedPhys： Live Physiological Sensing， Whole-Body Interaction， and Large-Screen Visualizations to Support Shared Inquiry Experiences[C]// The 15th International Conference on Interaction Design and Children. ACM：275-287.

[24]Kelliher， A.， Birchfield， D.， & Campana， E. et al. （2009）. SMALLab： A Mixed-Reality Environment for Embodied and Mediated Learning[C]// ACM International Conference on Multimedia. ACM：1029-1032.

[25]Lindgren， R.， Tscholl， M.， & Wang， S. et al. （2016）. Enhancing Learning and Engagement Through Embodied Interaction Within a Mixed Reality Simulation[J]. Computers in Education， 95：174-187.

[26]Mavilidi， M.， Okely， A. D.， & Chandler， P. et al. （2015）. Effects of Integrated Physical Exercises and Gestures on Preschool Children’s Foreign Language Vocabulary Learning[J]. Educational Psychology Review， 27（3）：413-426.

[27]Rizzolatti， G.， Fadiga， L.， & Gallese， V. et al. （1996）. Premotor Cortex and the Recognition of Motor Actions[J]. Cognitive Brain Research， 3（2）：131-141.

[28]Schmidt， M.， Benzing， V.， & Wallman-Jones， A. et al. （2019）. Embodied Learning in the Classroom： Effects on Primary School Children’s Attention and Foreign Language Vocabulary Learning [J]. Psychology of Sport and Exercise， 43：45-54.

[29]Skulmowski， A.， & Rey， G. D. （2018）. Embodied Learning： Introducing a Taxonomy Based on Bodily Engagement and Task Integration[J]. Cognitive Research： Principles and Implications， 3（6）：1-10.

[30]Tinguy， X. D.， Pacchierotti， C.， & Marchal， M. et al. （2018）. Enhancing the Stiffness Perception of Tangible Objects in Mixed Reality Using Wearable Haptics[C]// 2018 IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces （VR）. IEEE：81-90.

收稿日期 2021-08-25 責任編輯 汪燕

Embodied Learning Supported by Intelligent Technology： Characteristics， Forms and Applications

ZHAO Ruibin， ZHANG Yanling， FAN Wenxiang， YANG Xianmin

Abstract： As the second-generation cognitive theory， embodied cognition provides a new perspective for people to understand and promote learning， and has gradually nurtured a new paradigm of embodied learning. People have studied the relationship between body and mind from the perspectives of phenomenology， cognitive science and neuroscience， and emphasized the importance of human sensorimotor system， interaction between body and environment， and accumulation of body experience to cognition. As a new paradigm， the embodied learning is typically characterized by coupled elements， embodied interaction， subject’s experience， diverse situations， dynamic processes and so on. In recent years， the growing maturity of emerging smart technologies， especially mixed reality， haptic simulation， wireless sensing， and artificial intelligence， provides great support for the implementation and promotion of the embodied learning. These technologies have enriched the type of environment， the way of perceptual experience， interaction modalities， and content mapping strategies， and have derived embodied learning application scenarios on the basis of smart technologies， such as intelligent perception， tactile simulation， and mixed reality. It is worth noting that the embodied learning is a multi-factor coupling and dynamic evolution process， and the learning performance is comprehensively affected by many factors. As a result， teachers should not blindly pursue the application of new technologies and the frequent engagement of the physical body in teaching practice. Instead， they should flexibly design the interaction modalities and the perception methods， and focus on the effective content mapping strategies and the meaningful embodied experiences according to the actual learning topics and technical conditions.

Keyword： Embodied Learning; Embodied Cognition; Common Characteristics; Main Modalities; Application Scenarios