指數型（ET）智慧學習環境多模態構建路向探究

李軍　楊濱

[摘? ?要] 4G時代學習環境的變遷大幅提升了在線教學的用戶體驗，5G時代人工智能將助力學習環境的大變革，一系列由學習環境引發的教學問題將迎刃而解。從科學技術、人類社會和教育發展三個維度均可推演出人類必將邁入智能互聯網時代，構建智慧學習環境是大勢所趨。研究分析了新時代學習環境建設中的困境，提出了指數思維引領下的解困三策論，創設了5G網絡與AI加持下的指數型（ET）智慧學習環境構建模型，該模型以技術為作用點，發揮技術的指數級倍增效應，進而衍生出多模態智慧學習環境。研究基于模型，根據教學需求，設計出五種智慧學習環境，分析了不同環境的教學應用場景和適宜的學習方式，既探索了5G時代學習環境建設的發展趨勢，又為智慧教育發展提供了新的研究路向。

[關鍵詞] 5G; 人工智能; 指數型（ET）智慧學習環境

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 李軍（1978—），男，甘肅慶陽人。副教授，碩士，主要從事信息技術與教育應用研究。E-mail：48978056 @qq.com。楊濱為通訊作者，E-mail：yangtt@sina.com。

一、引? ?言

《荀子·勸學》有云“蓬生麻中，不扶自直;白沙在涅，與之俱黑”，兩千多年前，荀子已經意識到“學習環境”的重要性。弗雷澤（Fraser）和沃爾伯格（Walberg）認為“學習環境”是具有社會心理背景的學習發生的場所，在正式教育中學習環境可以用學校或者教室的基調、文化、氛圍或者氣氛來描述[1]。本研究所指的學習環境是影響學習者學習的外部環境，是促進學習者主動建構知識意義和促進能力生成的外部條件[2]。隨著科學技術的不斷進步，人類不斷的更替、重組與優化學習環境。當5G時代來臨，人工智能賦能教育時，學習環境將呈現出怎樣的變化？如何引領學習環境建設才能滿足新時代教學需求？需要未雨綢繆深入思考，而針對學習環境構建路向的探究將是研究5G時代人工智能與教育發展的邏輯起點。

二、人類學習環境的演變

建構主義認為，學習環境是一個支持和促進學習的場所，學習者可以在其中進行自由探索和自主學習，在此環境中學生可以利用各種工具和信息資源來達到自己的學習目標[3]。因此，可以橫向分析，將家庭、學校、班級學習環境乃至社會學習環境分而論之，剖析學習環境的構成要素，在硬件、參與者、功能等要素中找到共性。但不同的學習環境究竟是如何發展形成的，卻需要縱向分析，在厘清學習環境與人類社會、科學技術、教育發展的千絲萬縷的聯系中把握學習環境的發展脈絡。

（一）人類科技發展推動學習環境的變遷

從人類科技發展的維度可以清晰地看到學習環境的演變過程（如圖1所示）。隨著技術的更替，人類歷經了多輪信息革命，第一輪信息革命，語言成為人們學習和掌握的交流技能。此時，團隊生存環境是人類的主要學習環境，一切出自本能的學習活動均服務于生存需要。文字的創造與應用催生了第二輪信息革命，人類的學習有了“專屬”的時空環境，文字編寫，生成了團隊交流環境，抽象與創生在不斷的交流中促進了學習。第三輪信息革命在造紙術、印刷術的支持下，深刻地影響著人們的生產、生活與學習方式，書籍的產生使得全社會生活環境衍生為人類的社會學習環境，學習的時空得到了極大的拓展。1901年，隨著馬可尼橫跨大西洋無線電通訊的成功，人類進入了第四輪信息革命。無線電技術創生了大眾傳播的學習環境，尤其是廣播實現了語音的遠程傳播，解決了信息傳輸距離和延時的問題，遠程學習初見端倪。影像傳播技術的迅速崛起將人類帶入第五輪信息革命，電視在滿足人們視聽享受的同時構建了遠程學習環境。1995年互聯網進入人們的生活，第六輪信息革命席卷全球，網絡學習環境逐步形成。2014年初，隨著第四代移動通信系統（4G）網絡業務的全面開通，“互聯網+智能手機”成為網絡學習環境的有效終端之一。遵循前六輪信息革命的技術路線，可以推測智能互聯網時代必將掀起第七輪信息革命。第五代移動通信技術，即5G是新一輪信息革命的基礎，是智能互聯網的建設保障，5G+人工智能將創建安全、管理、高效、方便的智慧學習環境，這既是智能互聯網的核心價值[4]，也是智慧學習環境構建的基本準則。

（二）社會形態變遷與學習環境的演變

從社會生產力發展的角度，按照人類社會每個階段的時代特征來劃分人類社會的變遷，每個時代都產生了與之相適應的大學習環境（如圖2所示）。原始社會有成均之教，所依托的環境是原始部落居住環境中的學習與交流環境，可以是一小塊空地，或是一些簡單設施場所，用來舉行集會、召開會議，采取某項行動前的動員、誓師等，具有顯著的教育作用[5]。農業時代早期，家庭與社群聚居環境成為主要的學習環境，農業時代中后期，造紙術、印刷術、書籍的普及，使得這種家庭、社群學習環境在時間和空間上得到了拓展，成為主要的學習環境形態。期間學校作為獨立的學習環境逐漸形成，但只能為少數人提供服務。工業時代，學校成為社會學習環境的主要形態，此時，家庭學習環境和社會學習環境依然存在，但只是對遵循工業化發展的學校環境的有益補充。進入信息時代，通信技術、計算機技術、信息技術的飛速發展，各種數字化終端設備為人們構建了學習的數字化環境。互聯網時代，網絡通訊帶給人們生活、學習等方方面面巨大的變革，地球聯通為地球村。“互聯網+”成為催動各行各業變革的新引擎。互聯網的發展從傳統互聯網到移動互聯網（智能手機為終端）必將迎來智能互聯時代，移動互聯、智能學習、大數據、智能感應將共建虛實結合、人機協作的智慧學習環境。

（三）人類教育形態的變遷與學習環境的演變

人類的教育有三種基本形態，即家庭教育、社會教育和學校教育。三種教育形態既獨立存在，又互相交融，都可構建不同的學習環境，從人類教育形態的變遷來看學習環境的演變，可以深切感悟學習環境的時空擴展與功能迭代（如圖3所示）。

人類最早的教育是傳帶教育，屬于家庭教育，教育信息以經驗為主、口耳相傳，言傳身教，形成了族群學習環境。私塾是我國古代私人設立的教學場所，教書先生會根據每個學生的年齡、資質調整學習進度，因材施教;書院教育性質與私塾相似，均能為每個學生構建個體授業的私學環境。隨著學校教育的出現，集體授業學習環境逐步形成，統一、規范的學習環境呈規模化發展。然而，學校教育所暴露出的一些問題，如時空限制、集體學習中缺乏個性化學習等，可以通過網絡開放教育所依托的遠程學習環境予以補充，廣播、電視等媒體成為遠程學習環境中的主要信息載體。在移動通訊領域人們經歷了1G模擬移動、2G數字通訊、3G數據通訊、4G數據業務互通，并迎來5G智能互聯[6]。4G為“互聯網+”奠定了基礎，互聯網+教育為師生創設了教與學的網絡學習空間，構建了泛在學習環境。5G為智慧教育插上了翅膀，智慧學習環境逐步形成，家庭教育、社會教育、學校教育將深度融合。

從科學技術、人類社會和教育發展三個維度推演人類學習環境的變化，均可發現人類必將邁入智能互聯時代，這正是科技、社會、教育三方發展對重構學習環境的內在訴求。最終，必將在5G+AI支持下構建起智慧學習環境，并在真正意義上實現融合家庭教育、社會教育和學校教育的智慧教育。

三、新時代學習環境建設之困境

教學總是發生于一定學習環境之中，而學習環境的創設也往往為滿足某種教學而服務。每一次教學改革都伴隨著學習環境的改良，似乎只要有良好的學習環境就一定能夠促進教學。但事與愿違，現實的學習環境在滿足教學需求時總顯得力不從心。因為需求是動態的，而學習環境具有穩定性，二者之間存在供需矛盾。目前常見的家庭學習環境、學校學習環境和社會學習環境等都無法滿足新教改的動態需求。究其原因主要存在以下四個方面的問題：

（一）學習環境建設中的線性思維

目前，學習環境構建的基本思路為：首先進行學習環境用途分析、其次選擇場地、然后配備設備、最后投入教學。這種線性建設思路過多地寄希望于設備的使用和技術功能的發揮，一旦投入教學，環境設施就很難改變。同時，忽視了教育者與學習者在環境建設中的作用，因而呈現出諸多弊端。例如：一些學校建設的智慧教室與普通計算機教室（計算機機房）發揮著同樣的教學功能，因為它們是在相同思路下建設而成，其使用者（教師等）以同樣的方法，用著同樣的功能。因此，需要跳出線性思維，探尋購、建、管三位一體的學習環境非線性建設路徑，設計靈活多樣的學習環境建設途徑與方法，讓學習環境建設優先于教與學的需求，為教學改革提供更加便利和寬廣的空間。

（二）學習環境建設的單一模式

目前，學習環境的建設基本依靠政府、企事業單位、教育部門等機構的投入與實施，而具體的學習環境應用者（教師、學生）等卻很少有機會參與其中。然而，學習環境一旦形成，應用者們就只能適應環境和改良環境。因此，更新學習環境建設模式，給予學習環境使用者充足的建設權限，創設參與式多元學習環境建設模式，為師生共同構建多樣化的學習環境提供條件。

（三）固化的學習環境設計

目前的學習環境，無論線上還是線下都是一種固化的學習環境，所謂固化就是使用者只能竭盡全力地適應環境，基于環境變換教與學的方法，而無法根據需要創設學習環境。如果一種學習環境只適宜某種教與學，而環境本身卻無法靈活變動，這種固化的學習環境設計，不利于教學創新，也不利于學習環境的更新升級。因此，需要充分利用AR、VR、XR等技術，創設虛擬與真實學習環境相融合的虛實環境，在增強現實的幫助下構建可設計、可變的學習環境。如此，1人、1筆記本，外加1套虛擬設備，就能構筑起一個個可靈活使用的多模態移動學習環境。

（四）學習環境孤島窘境

現有的學習環境之間，常因硬件環境而孤立，無法聯通和信息共享，學習環境與師生之間無法聯通與交互。各種學習環境構筑了一座座信息孤島。例如，網絡學習空間人人通建設已基本實現“一生一空間”，教師們也擁有不止一個網絡空間，但空間之間信息不連通、互相不關聯。這些環境帶給師生的不是便利，而是負擔和壓力。因此，可以引入區塊鏈技術，促進教育教學信息共享，構筑5G時代公開、安全、防篡改的全新教學資源數據庫，助力聯通學習環境，打破信息孤島，實現學習環境的互聯互通。

四、5G賦能AI重構智慧學習環境

（一）5G助力人工智能+教育

2020年7月27日，華為輪值董事長郭平在2020共贏未來全球線上峰會開幕致辭中指出，截至7月份，全球5G用戶已經超過了9000萬，全球5G部署已告一段落，下一階段的重點是發展行業應用，釋放5G網絡紅利[6]。每當新技術、新媒體引發醫療、家居、交通、金融等各個領域巨大變革之時，教育領域的變化似乎并沒有人們預想的那樣深刻，細思原因主要在于網絡延時、傳輸速率、網絡帶寬、終端能耗供給等一系列技術瓶頸制約了技術在教育領域的應用，但5G網絡紅利在行業的釋放將會徹底突破上述瓶頸。

1. 人工智能教育應用

人工智能教育應用是人工智能與教育深度融合的產物，并且以人工智能在教育領域的場景化應用為特征，其目標是提高教育績效，實現教育的最優化[7]。一方面人工智能的發展需要教育系統為其輸送人才、提供新的思想、理論與技術;另一方面，人工智能為教育的發展帶來足以改變其業態、形態的新技術、新應用，隨著人工智能對社會的影響日益加深，也對人的發展，繼而對教育的發展提出了全新要求[8]。因此，AI時代的教育需注重三個問題，即（1）如何設計與實施能夠滿足學生需要的個性化、定制教育;（2）面臨就業壓力、失業危機，如何發展可持續化教育;（3）如何建設兼顧全社會公平性的教育體系[9]。

2. 5G+AI助力教育發展

5G能夠促進人工智能與教育的深度融合，例如，涵蓋了虛擬現實、混合現實、增強現實的XR技術（擴展現實）將會與人工智能技術、物聯網技術高度融合，數字內容將以更為直觀可感的形式出現在真實空間中[10]。這種集視、聽、觸、嗅覺于一體的擴展現實技術能夠創設智慧學習環境，使學習者感受虛實無縫鏈接的沉浸式教育體驗。

總體而言，5G時代的人工智能將在五個方面影響教育。第一，學習環境將呈現多模態發展、泛在分布的趨勢。不同類型的智慧學習環境將為不同的學習需求提供全方位的支持與服務。第二，強大的學習分析體系逐步形成，會更加精準而持續地變革教和學，支持優化教學設計，最終服務學習績效的提升。第三，教與學的方式將更加靈活多樣，以滿足師生創新性需求。第四，教學評價方式更加多元。學生評價不僅僅來源于學校，還有社區、家庭，甚至是學生消費過的超市和書店。第五，學習路徑呈非線性發展。在智慧學習環境中AI助理、AI學伴等多種形式的人工智能終端將改變學生學習過程，使其不再是傳統的線性發展，而是充分滿足學生個性化和定制化學習的非線性發展過程。

（二）解困之策

針對新時代學習環境建設之困境，研究引入指數思維，利用5G賦能AI構建指數型多模態學習環境，通過三種策略解決上述問題。

策略一：重構指數型學習環境要素。指數思維，既不是線性思維，也不是零和思維，指數型思維是指以次方的方式思考問題，使用指數技術從多元多變的情境數據中學習規律，自動發現模式并用于預測，其本質特征是多點發散。指數增長是常數的重復乘法，即指數級飛速增長。重構指數型學習環境要素，需要突破已有束縛，以需求為導向設計環境要素，每個要素又能生發新的要素，進而激發指數效益。例如：助教（人工、AI）、助理（實驗、AI）、學伴、智能終端（手機、平板、班牌）、云平臺、可穿戴設備、物聯網等。每種要素下均可激發出多個要素，進而組合形成多元學習環境，滿足多樣需求。

策略二：5G+AI全場域智能化學習環境建設。5G助力人工智能，可有效突破學習環境孤島，構建全場域智能化學習環境，借助人工智能技術、物聯網技術以及各種感應終端，山川河流亦可傳遞大量數據，全場域聯通將極大地提升學習環境的智能化水平。

策略三：5G+AI助力學習環境多模態建設。5G+AI賦予教師和學生學習環境多點建設權限，全息投影技術、可穿戴設備、智能終端與智能應用、教育機器人、物聯網等技術將大顯神通，以指數級的速度創建浸入式學習環境、深度交互學習環境、全場域互聯互通學習環境以及小私域智能學習環境，實現學習環境的多模態建設。

五、5G時代人工智能多模態

智慧學習環境的構建

學習環境設計是以每一個學習者的學習得以形成為目的，通過明晰當下學習者體驗的學習環境，來協調整個學習活動的一種創造性實踐[11]。《2015智慧學習環境白皮書》[12]分析了智慧學習環境框架，指出一個完整的智慧學習系統以學習者為核心，從內到外包含學習者體驗、數字學習支持技術、學習情境要素、教與學邏輯關系四個層次[13]。在智慧學習環境中，人們能夠進行4A&3E學習[14]。智慧學習環境和學習過程密不可分，也包括物質和非物質兩個方面，研究將綜合考慮學習情境、AI時代的教育問題、教與學的需求、教與學方式變革及師生體驗、5G時代的人工智能技術等多方因素，應用指數思維來創設AI支持下的學習環境，利用多樣化的學習環境構成要素通過開展多點發散的學習環境建設，為不同條件、不同需求的學習環境創建提供路向。

（一）構建指數型（ET）智慧學習環境模型

構建學習環境可從物理構成及其構成要素關系兩個維度展開，物理構成方面已有研究指出智慧學習環境基本結構包括：數據庫等基礎數據存儲模塊、計算模型或者代理模塊、用戶數據采集模塊、課程內容模塊、智能決策模塊以及用戶交互模塊等[15]。目前，學習環境的物理構成隨著5G+AI的加持，使得智慧學習環境更加適宜自主、合作、個性化學習的開展。指數思維強調多點發散，無形中催生了學習環境構成要素的指數型嬗變，因此，基于現有的物理基礎設計指數型智慧學習環境（以下簡稱ET智慧學習環境）的構建模型，有利于按需創設多模態智慧學習環境，克服傳統學習環境的弊端。如圖4所示，指數型（ET）智慧學習環境包含五個模塊，可通過五個步驟來構建，即首先要以學習者為中心建設教學需求分析模塊，使得學習環境的建設以需求為導向;其次，需要創設基礎信息輸入模塊，包括教與學的各種信息及過程性學習資料等;第三步建設指數型設計模塊，該模塊包含信息化環境基礎分析、信息技術應用分析、學習環境要素結構分析等，其中學習環境要素結構隨著技術的變化，會不斷地更迭，發散性衍射出多種多樣的學習環境結構。第四步，建設用戶體驗分析模塊，詳細獲取學習者對學習環境的應用體驗，并收集相關數據，以備智能分析應用。第五模塊需要其他模塊的過程性數據，借助AI技術進行智能分析，并將數據實時反饋至其他模塊，同時為教學提供教學評價。該模型有利于以技術為作用點，發揮技術的指數級倍增效應，建構多模態學習環境。ET智慧學習環境=ILE（Intangible Learning Environment）+PLE（Physical Learning Environment）即非物質學習環境+物理學習環境。模塊一、四、五構建ILE;模塊二、三構建PLE。

（二）多模態指數型智慧學習環境

基于ET智慧學習環境構建模型（如圖4所示），通過變換學習環境構成要素，根據用戶需求，可動態衍生建構多模態智慧學習環境。圖5為五種衍生而成的學習環境案例。表1則闡明了衍生學習環境的要素。

1. 5G時代的AI全息學習環境

20世紀40年代全息投影技術就已經進入人們的視野，時至今日，該技術廣泛應用于博物館、紀念館、展覽館、專賣店等場館的場景再現[16]。5G時代技術成本呈指數級下降，科幻影視作品中常見的全息影像技術（HD）將大放異彩，這種立體成像技術可使觀看者從不同角度觀察甚至進入影像內部。2014年5月19日，HD技術再現了已逝歌星邁克爾·杰克遜熱舞場景，技驚四座[17]。

應用場景：全息影像技術基于5G網絡，結合人工智能終端、設備等能夠增強教學實景應用，即AR（增強現實技術）。利用智能終端、AI學伴便可為學生在家構建虛實結合的學習環境，AI家教既可以是智能機器，也可以是真人全息影像。AI助教、AI助理、實驗助理、學習空間、實驗耗材都可以通過全息影像技術與現實的學習環境相融合，為學習者創建虛實混合的學習環境。AI全息學習環境中教師可以分身，資源可以共享，學習環境在虛實之間可靈活變化，使得教育多類型主體（學生、教師、家長、管理者、教育企業人員）相互配合，為教與學提供全方位服務與支持。該學習環境中每一個個體既是學習者，也是創作者。同時，教與學的資源、教學效果等都將呈現指數級增長。

適宜學習：遠程學習、個性化學習等。

2. 5G時代的AI沉浸式學習環境

浸入式學習環境為學習者創設語言環境，幫助學習者感知學習情境，體驗學習過程。

應用場景：基于5G云平臺的AR、VR、XR等智能技術能夠創設更多的浸入式學習環境，結合可穿戴設備如智能手環、智能鞋、谷歌眼鏡、智能手表、第六感系統等為地理、生物、科學等多學科教學提供便利。同時，通過邊緣云服務器，可以極大地降低時延，使得虛擬環境與真實的教學場景無縫銜接，場景物聯為學習者提供真實的臨場感體驗。

適宜學習：自主學習、語言類學習等。

3. 5G時代AI深度交互學習環境

基于5G云平臺可創建課堂內外深度交互學習環境。人工智能環境下的人—機、人—人及人—機—物等多模態交互，能夠促進學習者對知識與能力的深度學習與理解，在對深層知識的挖掘、傳輸、學習與吸收中，知識背景的深層挖掘對于知識的理解意義深遠，并將由此引發深度學習[18]。

應用場景：班牌終端、移動展示終端、互動教學終端、錄播設備和反饋終端等多應用于課內交互學習環境的構建，而智能平板、智慧學習筆、邊緣分布云平臺、智能手機、教育機器人等既可用于課內，也可用于課外的交互學習環境中。

適宜學習：合作學習、研討學習、在線學習等。

4. 5G時代AI全場域聯通學習環境

勒溫的社會學場域理論認為人的行為主要受到個體和環境兩個變量的影響，所以，學習行為必須建立在學習者和學習環境之上，5G為人工智能插上翅膀的同時，也為學習者構建全場域互聯互通學習環境提供了條件。所謂全場域聯通，是指包括社會、家庭、學校、企業、場館、研究機構，甚至城鎮、鄉村以及自然界的萬物互聯。

應用場景：5G是基礎，AI是動力，即基于5G網絡全覆蓋，借助人工智能技術、物聯網技術以及各種感應終端，山川河流亦可傳遞大量數據，全場域聯通將極大地提升學習環境的智能化水平。例如：5G時代場館建設將從硬件建設向數字化、網絡化、智能化方向轉變，為場館智慧學習創造條件，“永不閉館”的博物館、科技館成為現實。通過語音或視頻平臺、智能手機打造“流動博物館、科技館”。場館智慧學習環境建設將更加個性化，強調學習體驗[19]。并利用區塊鏈技術實現教與學的數據分布式存儲和點對點傳播。在信息安全的前提下保證了全場域的互聯互通。

適宜學習：研究性學習、實踐體驗性學習、專業技能學習等。

5. 5G時代AI小私域智能學習環境

5G時代的萬物互聯為學生構建極富個性化的小私域智能學習環境。智能桌椅、智能文具、智能書包、智能校服、智能護眼燈、智能筆等生活與學習用品互相聯通，不再是簡單的工具，而成為具有特定思維、能計算、能服務的動態學習資料，與助學機器人相結合，更能將諸多學習者數據及時分析與推送，為學習者提供小范圍的助學服務[14]。

應用場景：智能監控與家長的智能手機互聯互通，是小私域智能學習環境對外聯通的一個接口，其功能將遠超監視，更多在于智能監控。小私域智能學習環境能夠很好地解決智能學習環境的安全問題，重要的私屬信息可以在該學習環境下安全流通與存儲。利用5G網絡切片技術，為小私域智能學習環境專設服務云，能夠保證該學習環境內外信息的高速傳輸與安全交互。

適宜學習：自主學習、專業化學習、在線學習等。

六、結? ?語

可以預測以人工智能為代表的新時期學習環境必將成為融合學校、家庭、社區、企業等多方要素的綜合環境，成為5G時代人工智能支持下的新型教育生態的重要組成部分。但如何構建滿足多種教學需求、具備不同功能和特長的學習環境，仍然是困擾教育者的一大難題，指數思維為技術支持的學習環境建設探尋了突破口，5G+AI助力下的學習環境建設呈現出指數型發展趨勢。因此，研究ET智慧學習環境的建設與應用既是指數思維指導教育變革的實踐探索，又為研究智慧教育提供了新路向。

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