学习工程如何加速教育变革

陈姿颖 王树涛

摘要

随着当今社会的飞速发展，新技术的不断涌现，新的社会问题与需求不断产生，这呼唤教育变革予以回应，以保障教育质量，培养能应对未来生活挑战的人才。当前，我国教育发展正处于科技与教育深度融合的关键时期，受教育者对教育的需求越来越转向灵活、多样、开放、终身的个性化教育，因此，教育变革必须充分利用科技发展成果，推动学习科学、信息技术与教育教学的深度融合，促进教学理念、方法和工具的改进，赋能教育发展。在此背景下，学习工程这一融合了学习科学、计算机科学、数据科学和系统工程的交叉领域得到了愈发广泛的关注与应用。

背景与发展

“学习工程”这一术语最早由诺贝尔经济学奖、图灵奖得主赫伯特 • 西蒙（Herbert Simon）于上世纪 60年代提出，强调利用计算机科学、学习科学和数据科学等的进展推动教育快速而持续的变革。有感于当时的大学对专业技能培训的忽视以及大学教师教学能力培养的缺失，西蒙期望寻找到更好的教与学的方式，并为此提出了“学习工程”这一概念，从此投身于相关研究，力求引入工程思维以改进教学。多年来，尽管学习工程在西蒙工作的卡耐基 • 梅隆大学和美国学界引发了诸多反响，但受限于科技水平，直到 21 世纪初，随着学习技术不断发展，学习研究的工程化取向日趋明显之后，学习工程才逐渐进入更多人的视线。

近年来，随着人工智能、计算科学、数据科学、网络通讯等技术的不断发展，学习工程的推进与实施具备了现实土壤，变得便捷且迫切。在没有这些技术前，我们对“人是如何学习的”这个问题知之甚少，而一旦有了大量学习行为的数据以及分析数据的技术，我们便得以对这个“黑盒子”一探究竟了。如今，学生使用教育技术平台进行学习，在这些数字化环境中的任何举动都会留下痕迹，从而产生大量可以分析的数据；同时，计算科学的进步使得大型数据分析变得可能。理想情况下，大量数据的采集与分析可以帮助研究人员和授课教师更好地追踪学生的学习情况，以便对教学进行相应调整，从而产生更好的学习效果。而现实情况是，在相关学习研究已经得出可以提高教学效果的 成果之后，很多理论发现也并未转化为推动学生更好学习的教育实践。造成这一现象的原因有很多，可能是教师们不知道应该如何改进自己的教学方法，也可能是部分教师满足于自己现有的教学方式，拒绝尝试新的模式。另外，教师是否认同新的教学理念、能否实施创新的教学方式也将直接影响教育教学的效果。有鉴于此，推广致力于改进教学实践的、应用导向的学习工程就显得尤为重要。

与此同时，随着高等教育系统的不断发展，各国对高等教育的资源投入越来越多，高等教育入学率持续提升。如西蒙所言，“国家有权对高等教育期待更多，而不只是培养业余人士。”诚然，西蒙对教育目的的认识带有职业化训练的倾向，有一定的局限性，但其对高等教育形式与内容的反思值得关注。教育是为未来培养人才的，接受过高等教育的人被寄予应对瞬息万变的社会的各种挑战的高期望。并且，高校具有教学与研究的双重使命，高校教师和研究者能在第一时间接触到提升人类学习效果的新研究、新成果，但高校内部固有的结构和程序往往会阻碍教师将新理论运用于教学实践。对高等教育及其培养人才的期望、高校的双重使命，促使他们必须投入到学习发生方式、发生情境的研究中，并采用相关教育干预措施，而这正是学习工程的要义所在。

内涵与原则

随着科学技术的发展和新冠肺炎疫情催生的大规模在线教学活动的普遍化，学习工程的内涵、原则，以及推动教育变革的作用机制等都受到了越来越多的关注。概而言之，学习工程是一种体系化的培养理念，是指运用学习科学策略、各种信息技术、教育数据，助力教师改进教学，从而让学生的学习更有成效。在学习工程框架内，教师或课程设计者须整合来自多个相关领域的核心原则、概念和实践，系统地应用学习科学和教育技术学的循证策略，适配创新的教学法，结合真实的学习场景和个性化的学习需求，创造有吸引力的、有效的学习体验，从而帮助学习者应对学习中的困难和挑战，完成高标准的学术目标；在此之中，教师也得以更好地理解学习者和学习发生的机制。为此，学习工程强调以学生为中心的设计方法，在实际应用中，学习工程会结合大数据分析技术，开发并持续改进其设计，以回应具体的学习需求，并提供学习机会、解决学习过程中的问题。

本质而言，学习工程旨在改善科学和工程的思维方法在教育中应用不足的弊病，希望通过学习数据分析提高精准教育的水平，并大幅提高学习科学作为一门学科的应用程度和有效性。其中，最为关键的是教育数据和相关学习行为的证据。此外，学习工程还致力于为学习者提供容易获得、能够负担且有效的优质慕课。学习工程也致力于利用数据和技术来提高教师教学的效率，从而提升学生的学习成果，这在全社会对教育期待提高的当下，显得尤为重要。

过去，教育者在很大程度上仅能靠学生的反馈来感知教学的效果，而学生的主观感受与实际效果之间往往存在偏差。因此，学生对不同教育模式、资源、工具的评价很难成为教师判断效果或据此改进的有意义的依据。学习工程的优势在于利用技术、标准化评价和科学方法来提出、测试和实施适切的教学模式及配套教学法。

有了学习工程的帮助，学生可以更有效率地学习，学习的途径更为多样，方式更为便捷，更多人可以取得更大幅度的进步。而教师可以更直观、精准地掌握学生的真实情况，据此有针对性地改进自身的教学法，从而实现学生学习反馈和教师教学改进的有机结合。半个多世纪前，西蒙在首倡“学习工程”概念时就卓有远见地预测到，如果学习工程能得到蓬勃发展，高校的教学方式将会发生重大变化：教授们将从“讲台上圣人般的单打独斗”变成“协同完成学习体验设计的团队合作”。这就催生了一个新的角色：学习工程师，以弥合高等教 育中学习研究和教学实践间的鸿沟。在西蒙看来，学习 工程师将和研究者、教育从业者一起，设计学习环境和数据系统，以建构预测、解释学生学习过程的模型，从而促进课程的改进、教师洞察力的提升、学生学业表现的提高，以及对人类学习科学认识的深化。

然而，教学和学习的过程中会产生许多变量，学习工程的应用并非一件易事。卡耐基 • 梅隆大学的肯尼斯 • 科丁格（Kenneth Koedinger）在观察、调研中发现，一位典型的大学老师在对课堂教学进行设计时，面临着成千上万的选择：使用何种教学手段；何时、如何给予学生反馈；何时、如何检测学生的知识掌握程度等。对于上述选择，教师还需考虑使用的媒介、是否举例等其他因素。为此，研究者和实践者都应当对学习工程进行概念解构，以便进行目标导向的一体化设计。

科丁格提出，学习工程有三个重要的组成部分：认 知（cognition）、元 认 知（metacognition）和 激 励（motivation）。与此相对应的，教师也可以从这三个方面出发，把握学生的学习规律，进行针对特定目标的教学设计。“认知”是指明确界定并强化学生需要学习的内容；“元认知”是指改进学生接受和保留这些信息的策略；“激励”是指当学生被学习材料难住时，促使学生继续向前的推动力。科丁格认为，要想在学习中取得长足进展，就需要关注这三个部分的所有重要细节。

此外，多种因素都会对学习工程策略的应用效果产生重要影响。

教学的具体情境（context）对学习工程效果的发挥具有重要影响。麻省理工学院教授贾斯汀 • 赖克（Justin Reich）及其研究团队完成了迄今为止最大规模的高等教育在线教学技术的分析研究，该研究涉及近25 万名学生，几乎涵盖世界上所有国家。研究团队意在通过这一研究揭示或验证一些微小行为的干预效果。如在某所大学，课前要求学生讲述他将在何时、如何将所修读的课程融入自己的生活，是否可以以及在多大程度上提高大规模在线课程的完成率。他们初步研究的结果证实提升效果呈统计学上的显著性。另一项大规模、长达数年的研究结果表明，“预先规划”这项干预措施对学生总体课程完成率没有显著影响。该措施的确可以提升学生在最初几周课程中的参与度，但随着课程的推进，这样的效果却逐渐消失了。此后，麻省理工学院研究团队在另一所大学实施了前面提到的“有关课程融入生活的叙事”干预措施，也没能复现之前的结果。

对此，赖克指出，针对不同的学习群体，应采取不同 的干预措施。选择干预措施时，必须将学习者的具体背景纳入考量。若发现一种干预办法对某一个群体有效，为了使该措施在其他情境中也发挥作用，必须对措施进行本地化改良。此外，为了进一步基于实证改进教学效果，教育研究者还应当深入探析背景差异影响学习效果的作用机制。

教师教学对教学内容的清晰认知也至关重要。大多数教师可以初步评判学生是否正成长为自己所授学科的专家，并清楚自己需要做些什么来帮助学生获得所需的专业知识，形成专家思维。但教师们很少有机会阐明自己的想法。学习工程要求教师清楚地了解自己在教授什么技能，以及学生将如何学习这些技能。对教学内容和方式的明晰是学习工程的核心，教师对学生学习方式认识的准确程度将影响教师教学的改进质量。换言之，学习工程给予教师根据学生学习效果反思自己教学内容、教学法的机会，并要求教师对所授知识拥有清晰认识，以便为学生提供不同的反馈和点拨，促进他们学业发展。

总之，在合适的情境下，学习工程可以显著强化教师的教学效果，提升学生的学习效率，因而他们可以更快速、方便地习得知识，更多人将有可能精通所学领域。卡耐基 • 梅隆大学的相关研究发现，使用学习工程的策 略，可以大幅提高学生的学习速度，使他们在单位时间内接收的知识大大增加。在过去十几年的实践中，该校也已经探索出了切实可行的办法：在教室中使用电子设备，实时追踪学生的学习行为，比如阅读电子教科书、使用在线实验室等，并分析哪些行为可以帮助学生在学业测试中脱颖而出。作为先行者，卡耐基 • 梅隆大学不仅提升了本校学生的学习效率，也为学习工程应用提供了典范案例。

当前实践、展望与建议

在教育实践层面，在线教育、电子白板、各类学习软件等都是学习工程的现实应用。近年来，世界各国也涌现了许多大规模测量和改善教学的数字平台，得益于智能学习管理系统和人工智能工具，各类电子学习平台可以自动追踪学生的学习轨迹，帮助教师更直观地观察、理解学生的认知过程。通过分析这些记录，教育研究者可以进一步了解人是如何学习的；教师也可以厘清促进学生学习发生的关键变量，并在今后的教学中有针对性地调整自己的教学法。

与此同时，教育研究者们还将继续深入探究人脑学习的方式，设计出最适合学习者的教学模式，从而使课堂学习更加真实、有效。只有学习者将学习工程思维内化于心，认可技术可以帮助改善学习，才能掌握高效的学习法，以促进自身学业成就的提升。

目前，美国学界正在大力推广学习工程：包括加州大学欧文分校、卡内基 • 梅隆大学在内的诸多高校，都已经或正在着手创办学习工程硕士项目，以培养相关专业的人才。美国部分高校还招聘了一批专职学习工程师，要求他们根据学习研究的最新成果设计课堂的学习材料和活动，帮助改善教授们的课堂教学实践。截至2020 年，全美约有超过 10000 人从事该项工作，而 10年前，这一数字仅为 1300 名左右，显示出美国高校对学习工程日益重视的趋势。但即便如此，我们离成熟的学习工程实践还有相当一段距离。

毫无疑问，正确应用学习工程策略可以改善学生的学习，但在此过程中，学生所处的情境也发挥着至关重要的作用，因此，在进行教学实践时应将环境因素充分考虑进来。教师如何精准找到教学中的关键之处，学生的学习如何发生，学生如何快速适应科学技术助力的学习模式，这些都有待后续深入的实证研究。

在这个智能时代，学习正在往深度化、个性化发展，个体对自由发展的向往与日俱增，学习工程必将赋能教育教学变革，拥有广阔发展前景，引领新一轮教育创新。但同时，也必须意识到，学习工程在隐私、伦理、偏见等方面不乏争议：追踪学生的学习数据是否会窃取电子设备中的其他信息、获取学习数据前是否征得了学习者同意、随机分组的算法是否有歧视倾向，这些问题都需要学习工程研究者及其实践者多加注意，并进行完善。

此外，虽然数字学习平台的数量激增，但其在设计和实施过程中对学习科学的关注依然较少。在搭建平台时，建议充分听取学习科学研究人员的意见，使平台的建设更具科学性；平台的设计与使用也可以为学习科学研究者提供数据和实验环境，这样一来，他们就能对通过学习平台采集到的数据加以分析，既加深人们对学习、教学的认识，同时推动平台完善自身。由于环境在学习工程推广的过程中会发挥较大作用，在进行相关研究时，应当采取精细分析和长期实验的办法，厘清真正重要的影响因素，为社会育全人、为未来备人才。

同时，教师对新教育理念的认同与采纳是高质量教育体系建设、新教育理念推广的基础，也是从根本上确保、提升教育教学质量的关键所在。推进学习工程不可避免地会遭到来自教师的阻力，因为部分教师们拒绝接受新观念，认为自己对课堂教学已有充分的了解，有些教师还会以环境不同为由推脱变革责任。

因此，应当加强面向教师的宣传、培训和引导，使教师充分了解学习工程的要素和适用条件，从而更好地运用到自己独特的教学情境中。此外，在推广学习工程时，专家组及相关部门应加强对师生的调研，了解他们面临的真正困境和心中所想，再进行基于需求的解释和宣讲。如能在研制学习工程配套教学法、教学策略时，将师生们的诉求体现出来，也能使推广与落地过程更加顺畅。

参考文献

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[2]Young, J. How “Learning Engineering” Hopes to Speed Up Education. 2022-8-22.

[3]Thille C. Bridging learning research and teaching practice for the public good: The learning engineer[J]. 2018.

出处：《上海教育》杂志2022年28期

摘录者：太仓市城厢镇幼教中心新毛幼儿园 奚秋雯

推荐理由：随着社会的进步，科技的迅猛发展，对于人才培养的方式有了更多的变化，教育方式更加多样化，从而满足不同受教育者的发展需求。通过文章的讲解，帮助我们理解学习工程的背景、发展、原则、内涵等多方面的内容，关注到学习工程在当前教育中的实践意义。