作者：邓晓棠 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所
研究生导师：柏毅 夏小俊
【推荐摘要】：
STEM教育促进了科学、技术、工程、数学和艺术之间的融合。后者旨在通过K-12科学教育的课程整合，促进学生的深度和协作性学习。能动和生态心理学的教育方法关注教师、学习环境和社会文化环境在塑造生活学习体验中的作用。该方法将教育描述为一个由指导的感知和行动组成的具体化认知集合的过程。后一过程取决于学习者与社会技术环境中现有的数字和/或模拟学习负担的互动。本文提出，主动生态方法的范围可以扩展到学习科学、技术、工程、艺术和数学(STEAM)的领域，特别是当涉及到理解学习过程的深层根源时。
我们首先介绍了关于能动学习理论和生态学习理论的基础的文献综述，以及它们的区别和主要的相似之处。我们描述了综合STEAM教学法的基本原理和最新研究进展，以及作为一种新兴的教育技术方法的混合现实(XR)的概念，提供了对其当前基础的理解。其次，在圣地亚哥认知学派的框架下，我们提出了一种系统的理论方法来整合STEAM教学法中的能动-生态方法，关注学习者之间发生的互动动态以及他们与教育媒介中存在的学习负担的互动，确立感觉运动偶发事件和注意锚对于限制感觉变化和稳定学习概念是重要的。最后，我们考虑了两项实证研究，一项来自智利，另一项来自新西兰，在这两项研究中，我们展示了建立在系统论观点之上的能动-生态方法如何帮助理解STEAM教育的根源并为其学习设计提供信息。
一
介绍
STEM / STEAM教育强调学生有科学技能的坚实基础，对于应对后工业社会的技术挑战至关重要。Frey和Osborne（2013）发表了一项关于美国劳工部列出的702种职业的研究，估计47%的职业在未来10-20年内作为计算机化和自动化的产物有很高的消失风险。这项研究报告了基于感知和操作技能、创造性智力和社会智力的发展，实施教育计划的必要性。Abrahamson等人（2020）对基于感知和行动设计的不同研究方法进行了详尽的审查，这对STEM教育非常有用。研究人员建议，我们学习如何以新方式研究可以帮助我们更好地设计、测量和理论化支撑STEM的学习，特别是主动和生态方法。
尽管 Hutto 等人 （2015） 和 Abrahamson 等人 （2020） 的主动和生态方法框架的研究为具体研究和感觉运动动力学提供了确凿的证据，但我们认为有必要在 STEAM 教学法的主动生态方法框架内说明一些未经处理的方面。我们考虑了经验证据中的某些知识差距，这些差距对于STEM / STEAM领域的研究人员和希望采用这些方法的教育组织非常有用。下面我们列出了这些知识差距及其相关的知识背景：
1）缺乏从主动生态学角度对STEAM框架的研究。
2）在课堂内外的STEM/STEAM环境中综合教学原则的技术基础。
3）将混合现实（XR）作为STEAM框架内的教育技术方法纳入其中。
4）来自动态系统理论的统一主动生态模型，可以理解学生如何在数字和模拟STEAM环境中重新配置他们对有效行动机会的感知。
考虑到上述情况，我们的目标是提供一个概念证明，说明如何将统一的主动生态方法有效地扩展到STEAM教育领域，特别是在理解感觉运动学习的深层根源时。
二
相关概念释义
2.1主动方法
从行动主义来看，每个人都被认为是自我指代的认知系统，通过从感知作用中产生的意义适应创造过程，定义自己的系统身份并代表自己固有的重要环境。这种方法是从循环认识论构建的，其中大脑、身体和世界是纠缠关系网络的一部分，其中神经、非神经元和非生物元素都可以在行动和感知中发挥强大的因果和构成功能。行动主义的基本原则是：“由感知引导的行动组成、认知结构来自反复出现的感觉运动模式”，行动主义对STEM/STEAM教育的重要性在于，教师、学校、学习工具和提供是负责创造教育环境和背景的文化集体，能够激发学生的自然感知能力，从他们自己的经验中重新配置有效参与跨学科概念实践的新方式。
2.2生态心理方法
吉布森的生态心理学提出，认知是通过有机体与环境之间的相互作用来塑造和构建的。通过这种方式，生态心理学在STEM/STEAM发展框架中的重要性在于设计教育环境，提供丰富的信息来开展科学技能，从而扩大每个学习者的生态位。这是通过数字和模拟环境改善有效的动态运动而产生的，这是限制感官多样性和改善适应性的注意力锚出现的产物。
2.3通过STEM/STEAM教育整合科学教育
美国国家科学院在“K-12教育中的STEM整合报告（2012）”中揭示，使用综合教学来解决实际问题有助于学生将策略，知识和技能转移到新情况下，艺术和STEM之间的联系使教师之间的合作学习成为可能，鼓励学生通过创造性地解决科学，技术，工程，数学和艺术的问题来学习。为了在具有学习目标的学校课程中开展STEM/STEAM的综合教学，数学建模的能力将成为连接各个学科的必要条件。数学建模从一个现实世界的问题开始，它被简化，结构化，并形式化为一个理想的模型。通过这种方式，数学建模已被公认为PISA（国际学生评估计划）研究的基础，是学生将数学应用于复杂情况的有力工具。
三
经验背景一：课堂上的STEM测功机
Videla 等人（2021 年）报告的智利初等教育中的 STEM “测功机项目”是一项基于数学经验的主动方法和学习经验的生态方法，体现了设计的教育模型用于解决数学建模和比例推理的学习问题。这是一种新颖的STEM设计，考虑构建一个测功机（技术），通过数学建模（数学）估计每种食物的热量部分（科学）。
在此模型中，我们强调课堂内的STEM设计，给予了学习者从探索到理解的体验。这确保学习者能够逐步参与工作，从而在实践中学习。我们认为，参与课程整合研究计划的学习目标有助于确定教学策略的方向，最大限度地提高学习者与工作之间互动的规范性水平。
在图1A中，关于在“感觉运动环境”的偶然性中出现的探索技能和手动控制的状态，可以在没有老师任何指导的情况下观察学习者的自发运动。在这里，操纵和看到的感知在感官多样性的环境中占主导地位，学生未掌握物理对象的含义，因此它们的内在动力在自发行动过程中并不占上风。学习者缺乏来自与“测功机部件”相对应的物体的感官反馈，这是因为有助于限制感官多样性，并促进有效运动控制的最佳耦合的注意力锚尚未出现。
图一：STEM测功机
图1B所示，老师鼓励学生在感性地探索测功机各部分的用处时，对它们进行猜想和假设。例如，通过一名学生由食指和拇指打开和关闭触发的悬架运动，来询问弹簧的功能。学生将他的自发动作，重新配置为有意义的动作，使他能够与以前的经历联系起来。这些运动发生在“感觉运动栖息地”的框架内，因为出现的第一级感官来自与环境相互作用的特定模式。在这里，由于运动变化和感官反馈，耦合循环产生了重复动作。对于通过移动手指模拟弹簧悬架功能的学习者，可以确定他的内部动力学会产生感觉和运动限制，这些限制由于长时间的耦合而产生全新的行为。
图二
图2A是关于战略认知成就的状态，学习者逐渐开始重新配置他们对材料功能的探索，探索具有感知和行动专业化的科学实用产品。这是由于在学习者的内部动力学和环境之间插入的注意力锚的出现，限制了感官的多样性。学习者的行动开始更加具体，并以感知为指导，这使他们能够通过组装测功机部件来掌握环境。这些动作是感觉运动协调的偶然事件，因为它们有助于学习者的表现或目标。从而最大限度地提高注意力，以反映测功机的功能。
图2B所示，关于概念理解的图像，学生将食物的各个部分放在塑料袋中。他们仔细观察代表不同重量的厘米变化。他们不断关注不同的食物并注意变化。这是由于注意力锚的功能有助于在感知 - 行动耦合期间引导注意力。学习者观察到“当称重100克时，测功机报告2厘米。老师问他们，如果重量增加到400克，测功机的量级（厘米）应该报告多少。在这些行动中，学习者经常使用的运动协调模式的出现，并根据能力、效率和稳定性水平进行规范组织。这种类型的偶然性称为感觉运动策略，它描述了学习者必须如何重新配置他们的行动以应对特定情况，就像比例推理的情况一样。
四
经验背景2 使用混合现实的STEM自由学习
这项研究是通过启发式或自主学习获得的，使用数字工具和遵循混合现实 （XR） 方法的启示;以及EOTC环境中的自由选择学习，即位于新西兰奥克兰附近海洋保护区的海洋探索中心。研究小组与一名小学教师，并与两名海洋科学教育工作者，两名海洋科学家和一名移动学习专家合作，建立了一个实践社区。我们强调课堂外的STEAM应当具有多种互动方式，我们相信，自然浮潜环境与海洋探索中心相结合，扩大了可利用性，有助于最大限度地发挥STEAM活动与学习体验的共鸣。
图3A显示了参与体验式学习浮潜活动的学习者，他们在其中探索和导航以了解海底世界和这个受保护环境中存在的不同物种。在这里，学习者在开放探索和手动控制的流程中，这些流程来自感觉运动环境偶然性构成的视觉和触觉。在这种开放的感觉运动中，动作不关注学习者的内部动力，感官多样性最大化，运动失衡增加。一旦受训者在水下部署期间协调了他们的整个身体运动，感觉运动栖息地的偶然性就会因感觉反馈而出现。起初，所显示的运动通常是不稳定的，没有特定的目标，除了保持漂浮和在这种新奇的环境中航行之外。他们逐渐参与水下环境，通过协调的行动模式向目标部署有意义的运动。
关于图3B，学习者在海洋博物馆中被描绘成协作参与虚拟现实体验，补充了浮潜体验期间体验到的知识。这项活动中出现的技能是关系对象概念化，因为学习者沉浸在海洋中短暂观察到的水下生态系统与他们可以通过虚拟现实详细体验的叙事之间建立关系。在某种程度上，探索环境对视觉感知流是封闭的，例如，在海底有指定类型物种的某个空间中，学习者执行的动作往往会达到一定程度的阻力，这种阻力会逆转动作模式的运动方向，产生感官反馈。
图3A：学生浮潜活动
图3B：参与世界海洋VR体验
图4A所示，可以看到学习者在操作数字平板电脑，同时参与基于应用程序的增强现实 （AR） 体验，触觉感知对象的规律并塑造他正在学习的内容。通过这种方式，他们的学习通过对数字提供的功能锚产生的感官多样性的更大限制来巩固，即在他的真实体验之间，虚拟现实和增强现实之间。这种相互关联的串联动作的循环反映在一种节奏模式中，这种模式面向某些目标，因为感觉运动协调的偶然性突出了为实现目标而选择的过渡机制。
图4
图4B所示，为学生们描绘在海洋探索中心的触摸部分，在那里他们可以实时集成容器中真实海洋环境的视觉触觉探索，并使用例如一组 AR 活动来补充这种模拟动手体验，以最大限度地提高学习效果。学生进行的活动受到有效的运动控制的调节，有助于概念稳定。学习者和真实虚拟环境的动态平衡为概念理解整合提供了必要的脚手架。最后，在探索和理解技能的不断重组中出现了广泛的主动生态学习，在连贯的海洋保护叙述中最大化行动的可能性和学习的有效性。一旦感觉运动策略适应了学习者的经验，他们就可以利用海洋保护的概念作为“熟练的知识”。熟练的知识包括感知调制的行为，这些动作根据特定情况进行调整，并通过动态平衡根据其性格逐步完善。
五
讨论
在智利进行的正规教育STEM案例和在新西兰进行的自由选择学习（非正规教育）STEAM示例案例中，提供了关于动态系统理论模型框架内的学习过程的描述，该模型整合了被视为连续体的主动和生态方法。我们将这些经验案例作为概念证明，以丰富我们的理论模型。我们认为与广泛的STEM/STEAM教学法相关，以提供解释模型，有助于理解学生在使用数字和非数字工具练习时如何根据注意力锚的出现表现出更复杂的技能，这些注意力锚在感觉运动突发事件的框架内限制了感官多样性。
在我们的概念验证研究中，我们认为STEM和STEAM作为技术科学扩展的生态位形式的教育环境，以综合方式设计的活动与学习者的社会文化和社会技术经验产生共鸣。所介绍的案例展示了从体验中学习改进的经验，并辅以数字的可能性，结合在XR沉浸的连续方法中构建实际和有形的触觉（具身）体验。这提供了一个由多个“切入点”以及针对学习者的不同社会文化和识字背景量身定制的互动和情境的生态系统。我们结合了STEAM和理论模型，该模型统一了系统理论中的主动方法和生态方法，从而增强了基于设计的研究。
六
结论
在本文中，我们考虑了认识论基础上的系统理论框架内统一主动生态模型的概念证明，如果正确的话，表明该模型在STEM/STEAM教学法中具有真正的实践和经验意义教育环境。所提出的模型整合了设计研究领域的理论和实证基础。如果我们的结果是正确的，将有助于理解数字和非数字环境中的学习体验，我们呼吁它在对广泛的STEM/STEAM教学法感兴趣的不同地方进行潜在的推断和上下文适应。
【查阅原文】：本文于2021.09.24发表于frontiers Ronnie Videla, Claudio Aguayo and Tomas Veloz.
DOI: 10.3389/feduc.2021.709560
转自：“百研工坊”微信公众号
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