具身认知视域下促进高阶思维发展的多模态交互机制研究

赵雪梅 钟绍春

[摘   要] 新时代教育的诉求，已由单纯追求知识获取、技能习得转向追求思维发展。课堂交互活动有助于引发学生深度学习与高阶思维发展。通过对课堂交互实践现状与研究现状梳理分析，基于目前课堂交互现存的问题，提出了具身学习环境下促进高阶思维发展的多模态交互机制。从理论与技术依据、特征分析、给养高阶思维发展三个方面对支持多模态交互的具身学习环境进行了分析。基于此，从促进高阶思维发展的目标指向、课堂教学交互的过程要素、多模态信息加工的内部心理表征三个关键要素及其之间的相互关系层面阐释了促进高阶思维发展的多模态交互机制的运行机理。最后，基于具身学习环境分析了多模态交互机制有效运行的条件保障。

[关键词] 高阶思维; 多模态; 具身认知; 教学交互; 交互机制

[中图分类号] G434            [文献标志码] A

[作者简介] 赵雪梅（1991—），女，山东阳信人。博士研究生，主要从事智慧教育、智慧课堂研究。E-mail：306206725@qq.com。

一、引   言

新时代教育的诉求，已由单纯追求知识获取、技能习得转向追求思维发展，这势必要求教育者高度重视培养学生的“分析、评价、创造”等高阶认知思维。美国的《21世纪技能框架》强调，将批判思维与创新能力视为学生的必备技能[1]。《中国学生发展核心素养》指出，培养与提升学生的高阶思维能力是目前乃至未来较长时间的重要教育目标[2]。在课堂系统中，交互是课堂教学活动的重要组成部分，多模态信息协同的交互活动是引发学生深度学习、高阶思维发展的有效方式。适恰的学习任务情境、多模态交互体验的学习环境以及高交互的课堂教学活动，有助于学习者形成分析、归纳、评价等高阶学习能力。然而，目前课堂交互各要素之间的相互作用关系并不十分明确，尚未形成有效的交互机制，尚未充分发挥新兴技术赋予课堂交互的“新效能”，无法形成高交互、高沉浸的课堂学习环境。故研究从多模态信息协同与人类认知发展规律的视角出发，探索如何在多模态交互的具身学习环境下，重新审视课堂交互的关键要素，构建促进高阶思维发展的多模态交互机制，以期为课堂交互研究提供借鉴。

二、课堂交互的现状

教育家杜威认为，学习经验的习得是学习主体同环境、客体、自身对话的交互作用[3]。教学本质上即是教师、学生、教学内容间的一种交互过程，其交互方式、内容及效果在整个教学过程中占有重要的地位。

（一）课堂交互的实践现状

根据对“信息技术与教学融合创新优质课大赛”（https：//www.edusoa.com）课例的视频分析与长期的课堂实践观察发现，目前课堂交互过程中存在着如下问题与困境：（1）交互方式單一。多为以教师为发起者的师生交互。（2）交互参与度偏低。在有限的课堂时间与空间内，无法关注到每位学生的课堂表现，致使部分学生的交互活动参与度偏低;语言传递为最主要的交互方式，很大程度上阻碍了“身体参与认知”的课堂交互体验活动的进行，致使学生学习交互的认知参与度偏低。（3）交互深度不够。多为围绕教学内容本身的浅层交互，缺乏围绕复杂问题情境展开的深层交互;多为“你来我往”的浅层交互，缺乏涉及“分析、评价、创造”等高阶思维活动的交互。

（二）课堂交互的研究现状

根据对课堂交互文献的系统梳理发现，目前课堂交互主要集中于交互话语与交互行为、交互观测工具及交互影响因素等方面的研究。徐显龙等研究了电子书包对课堂交互行为模式的影响[4]，寇金南从对话内容、对话方式方面探讨了英语课堂学习的互动模式[5]，魏雪峰等从学习过程的视角对问答过程进行了分析[6];疏凤芳等采用内容分析法对网络课堂学习共同体的交互行为进行了分析[7]，李静等对不同环境下的教学交互行为进行了分析[8]，张屹等研制了新的教学交互行为编码表[9];王晓晨等设计了面向智慧教室的课堂互动观察工具[10]，刘清堂等设计了学习分析支持下的课堂互动工具[11]，朱广艳等分析了交互式电子白板对课堂互动的作用[12];张屹等研究了学生参与度与教学互动之间的关系[13]，杨鑫等研究了课堂交互中的鼓励机制[14]。可见，当前的相关研究更多的是关注交互过程中问答话语、行为模式、观测工具等单一要素，对于各要素之间关系及作用机制的综合研究关注度不够;其研究环境方面多基于电子书包、交互白板等低模态交互环境，对于多感官、高沉浸、高交互的多模态交互环境涉及较少。

（三）智能技术之于课堂交互的价值

智能技术的发展为打破交互方式单一、交互参与度偏低、交互深度不够等课堂交互的困境提供了良好的技术支撑与条件保证。智能技术具有诱发多感官协同参与、延展外部信息与心理表征的可达性、支持多模态学习与多模态数据分析的天然优势，打破了信息呈现的单模性、交互形式的单一性及交互过程的抽象性，实现了教学情境的抽象与具象、理性与感性、虚拟与现实的有机结合。通过听觉、视觉、触觉等进行声音、图像、动作等多渠道、多符号的交互，有效调动学习者多重感官协同参与，促进学习者对知识的多模态理解与多模态意义建构。

基于实践与研究两个层面的分析，结合智能技术之于课堂交互的价值与作用，研究对课堂交互进行了重新审视与深度解构：首先，把学习者作为课堂教学活动的中心，以复杂问题情境作为课堂交互活动的出发点，重新定位课堂交互要素之间的关系，重构课堂教学的交互机制;其次，发挥智能技术优势创设多模态交互的具身学习环境，促进学习者对知识的深度理解与多维加工，发展学习者的高阶思维能力。

三、支持多模态交互的具身学习环境

认知心理学家皮亚杰认为，认知始于主体与客体之间的相互作用[15]。维果斯基认为，技术凝聚着人的间接经验，改变了人与环境的交互[16]。学习是在以技术工具为中介的社会关系中进行的，学习者的思维发展与学习环境的具身建构不可分割。技术工具是身体的延伸，技术工具的具身性是学习环境具身的先决条件[17]。在具身学习环境中，学习者与学习环境是紧密耦合、交融创生、共同演化的。

（一）具身学习环境的理论与技术依据

具身认知理论认为，认知根植于身体行动，经验建构于具身交互，认知与思维是在身体、心灵和环境的交互作用中形成的。身体不仅参与着认知、影响着思维、塑造着心智，而且不同的身体参与会形成不同的认知结果。具身认知理论为具身学习环境的构建提供了理论依据，它要求学习环境支持学习者具身交互、深度体验，促进学习者进行更有意义的学习建构。

沉浸式技术与人工智能技术的发展为具身学习环境的构建提供了有力的技术支持。沉浸式技术作为一种未来的发展趋势，不断融入触、味、嗅等感觉通道，为学习者创设出更真实、自然、具身的沉浸式环境。人工智能使复杂的视景仿真成为可能，基于虚拟现实技术和人工智能的教育视景仿真为实现多模态的虚实交互、自适应学习体验、高交互的多维视景空间提供了技术支持。

以具身认知理论为依据，以人工智能与混合现实技术为支撑，提出了支持多模态交互的具身学习环境。从理论视角分析具身认知的发生机制，从技术角度分析具身学习环境的功能与特性，具身学习环境可实现：（1）为认知主体提供各类交互感知体验;（2）随认知主体的状态变化而不断创生与调整;（3）能够实现动态追踪学习者多模态的过程数据。

（二）支持多模态交互的具身学习环境的核心特征分析

具身认知理论重视身体及其经验，而借助技术环境的身体及其经验的“扩展”能够获得更多的感知体验。支持多模态交互的具身学习环境通过关注个体特征、延展感官通道、分析多模态数据，增强学习者深层交互、追踪学习全过程数据、发展学习者高阶思维，支持学习者在感知、交互和体验中获得具身认知经验，形成对外界事物的多模态具身表征（如图1所示）。

1. 延展感官效应，发展高阶思维

多模态的具身学习环境，以丰富的感官刺激与超自然的交互方式带来沉浸感受和交互体验，可有效地增加学习者注意力的广度，减轻学习者的认知负荷，激发认知冲突，帮助学习者重构自身的知识结构与思维框架。由外界环境的多重刺激作用引发，由认知主体的多重效应器官（眼、耳、手等）产生的一系列反应动作，是人体获取、传递、加工和应用外部信息的活动过程。在具身学习环境中的认知活动，能够将思维活动可视化，注重思维的变式与迁移过程，让学习者在分析、评价中激发创造。

2. 关注个体特征，形成深层交互

认知是学习者在其“感知—运动”系统与学习环境不断交互的过程中形成的。人工智能技术可模拟人脑组合的任务特征，通过动作捕捉、手势识别、眼球追踪等手段，利用不断自我学习的特性，判断学习者的学习情况与进展，为复杂状态下的感知决策提供解决思路，实现学习历程可视化与学习评价多维化。以学习者的认知状态、思维水平、学习风格等个体特征为依据，借助技术手段转换知识内容的承载媒介或呈现方式，為学习者提供高沉浸、高交互、高构想的个性化学习资源、问题情境及学习支架，通过探究体验、合作学习等高交互学习活动，促进学习者知识学习与思维发展的协同并进。

3. 多模态数据分析，跟踪学习全过程

支持多模态交互的具身学习环境不是静态的，而是根据学习目标、交互行为等不断动态变化的。学习输出不仅仅停留于知识的表面理解与简单记述，而是更多地关注学习者学习全过程的行为表现与思维发展，强调学习输出的多模态化。多模态数据的互补性决定了一种模态的数据只可提供某一现象、过程的部分解释。通过模态感知、模态分析、模态追溯、模态衍生等技术提供学习者全方位的信息，着重关注学习者在学习活动中的参与状态、学习交互、分析能力、批判能力以及突破原有框架的创造力。

（三）支持多模态交互的具身学习环境给养高阶思维发展

20世纪上半叶，维果斯基指出，身体与环境的相互作用会对思维活动产生作用[18]。神经生物学家瓦雷拉的“心智生成论”认为，认知主体是在环境的感知运动过程中发展思维、形成智慧的[19]。高阶学习是在身体多通道感知运动系统的作用下，以感知觉信息为基础形成的多模态神经表征[20]。身体是学习者与学习环境接触的纽带，是学习者与外界学习环境的“感觉探测器”。鲍贤清基于生态心理学理论提出了“学习给养”的概念，认为学习是学习者与环境给养相互作用的结果[20]。在具身学习环境中，不同的环境“供给量”会产生不同的学习效果。

学习工具具身是学习环境具身的基础与前提。学习工具作为学习者认知过程中最亲密的搭档，在学习交互过程中起着举足轻重的支持作用。通过增强人的感知能力，改变时空关系，使学习者产生不同的心理体验以及对外部世界的认知方式。支持多模态交互的具身学习环境是诸多元素组成的有机系统，为高阶认知发展提供了大量不可或缺的给养（如图2所示）。

在原有知识、思维的基础上，优化学习者思维框架与能力结构，有助于促进学习者的高阶思维发展。多模态具身学习环境具有给养高阶思维发展的先天优势，多模态具身学习环境为学习者提供身体行动的物理给养、感觉给养及时空静脉的情境给养，能更好地增强学习者的认知体验，提高其学习认同感;对事物的认知给养帮助学习者更好地掌握元认知知识、调节元认知策略;完成任务的功能给养能够协助学习者进行对自身学习过程的计划、监控和评估。多模态具身学习支撑环境能够有效地帮助学习者实现与物化要素、社会要素之间的多重互动活动及学习者的自我交互与反思，为认知活动策略、元认知策略和交互活动策略的组织与实施提供技术保障，有效确保教学过程由替代走向生成、学生认知思维发展由浅层走向深入。

四、促进高阶思维发展的多模态交互机制的

关键要素分析

国外学者罗兰（Rowlands）认为，“思维的认知过程是个混血儿，既有内部的动作，也有外部的操作”[21]。在多模态交互的具身学习环境下，身体类似于感应器，大脑类似于信息处理中心，实现对输入信息的感知、理解、编码、存储和输出等认知过程。研究从人类认知发展规律出发，诠释促进高阶思维发展的多模态交互机制的关键要素，即促进高阶思维发展的目标指向、课堂教学交互的过程要素、多模态信息加工的内部心理表征。

（一）促进高阶思维发展的目标指向

高阶思维是指在课堂教学活动中学习者高水平的认知能力或心智活动，是思维从具体思维发展到抽象思维的高级综合能力的体现。高阶思维发展是课堂教学活动组织的出发点与落脚点。思维发展具有一定的复杂性与不确定，在培养目标上体现为问题解决、批判性思维等能力的综合体，通常在深度学习、问题解决等学习活动中呈现螺旋上升式发展（如图3所示）。哈佛大学教授珀金斯认为，高阶思维能力的发展需要有相应目标指向的针对性训练与教学环境支持[22]。以促进学习者高阶思维发展为目标指向的教学活动与课程学习，是促进学习者高阶思维发展最有效的方式。在交互活动过程中，经历分析、评价、创造的高阶学习过程，充分调动学习者原有的知识基础与思维经验，有助于学习者认知冲突的产生与思维的变式迁移，有助于学习者批判思维、创新思维、问题解决能力的发展。

（二）课堂教学交互的过程要素

具身认知理论认为，认知过程是在真实场所、实践活动、社会文化之中发生的。哈贝马斯交往理论提到，人们的交往行为是在由客观世界、社会世界和主观世界构成的生活世界中形成的[23]。哈贝马斯交往理论的三层概念与课堂教学交互三个方面的含义一一对应，对课堂教学交互进行了很好的诠释。在课堂教学中，客观世界是由资源、工具平台等客观存在的事物组成，认知主体与客观世界的关系表现为学生与资源、工具之间的关系。认知主体与社会世界的关系对应在课堂教学环境下是学习者与学习伙伴、教师等之间的交互。认知主体与其自身内在本质的关系在课堂教学过程中体现为学习者头脑中新旧概念之间的相互作用，即主体对认识的同化和顺应过程（如图4所示）。因此，具身认知理论与哈贝马斯的交往行为理论的核心思想不谋而合，为课堂教学交互研究提供了有力的理论支持。课堂交互活动是基于教学内容的问题情境，学习者通过观察、探究、合作等方式在同客观世界、主观世界、社会世界的交互过程中达成对生活世界的综合认识，进而获得体验、形成认知、发展思维。

日本学者佐藤学认为，教学会话是发生在教师、学生、学习环境之间的交互事件[24]。结合哈贝马斯交往行为理论，基于对已有研究梳理分析的基础上（见表1），本研究把课堂教学交互的过程要素总结为：学习者与物化要素的交互、学习者与社会要素的交互及学习者个体层面的自我交互。

1. 个体层面的自我交互（新知与旧知的交互）

建构主义学习观强调，学习是认知主体主动建构知识意义的过程。不同的生活经历成为学习者知识意义建构的经验基础。对于同样的知识内容，不同个体建构的知识意义是不同的。在具身学习环境下，学习者通过多重感官对信息的初步感知成为知识意义建构的依据，以已有知识和经验为基础，进行重新编码与重组，完成知识意义的建构。在新旧知识、经验的交互作用过程中，主体图式不断变化，进而丰富知识结构、完善思维结构。个体层面的自我交互即个体自我知识建构的过程，使学习者认知结构数量的扩充（同化过程）与认知结构性质的变化（顺应过程）达到一种动态平衡。

2. 个体与物化要素（资源、工具、环境等）的交互

具身认知理论把认知视为身体、心理与环境持续交互的开放动态系统，认为思维活动是身体活动的内化。具身学习扩展了技术与教学整合的途径，指向了技术的“身体整合”。智能技术构建的具身学习环境，有利于促进学生眼、手、脑等多感官的认知。学习资源是教育场景中必不可少的要素之一，学习者通过多重感官通道来获取资源信息，是学习者与学习资源交互活动的过程方式。多模态的学习资源有利于学习者多角度地理解与阐释知识的结构与思维逻辑。学习工具是学习环境中的重要构成要素，学习工具具身是学习环境具身的前提条件。在学习活动中，学习工具与学习者在某种程度上是一种合作伙伴关系，起到分担学习者的认知负荷、促进知识情境化的重要作用，能够促进学习者知识与思维的表征。

3. 个体与社会要素（学习伙伴、教师等）的交互

个体的心理与思维发展与其所处的社会结构是相互影响、相互渗透的[35]。在课堂教学过程中，学习者的社会交互主要包括与教师及学习伙伴之间的交互。教师和学生作为教学活动的主体，决定了师生互动是课堂教学活动的关键环节。师生交互不再局限于单纯的语言传递，而是强调线上与线下、虚拟与现实、静态与动态相结合的多模态交互。通过小组合作、协商交流、角色扮演等形式的生生交互，是滿足个体自身发展需要的知识技能、思维态度的重要方式。认知心理学家安德森认为，分享、合作、激励等交互活动可有效提升学习者的人际交往、协作学习及综合评价等方面的能力[36]。

（三）多模态信息加工的内部心理表征

在多模态交互的具身学习环境下，从环境刺激到学习者心智形成经历了“环境刺激→感知刺激→形成心智模型→实施行动→新的环境刺激”等环节，各环节是彼此依赖、互动关联的耦合循环。在多模态具身环境下，认知加工过程主要涉及信息获取、意义构建、实践输出三个主要阶段。信息获取涉及人体通过视觉、听觉、触觉等感官对外界环境的互动;意义构建即人脑对外部不同模态信息的处理;实践输出即学习效果的外部行为表现，包括听、说、读、写等技能水平及信息输出所表现出的身体特征。多模态信息内容作用于人的各种感官，认知主体对获取的模态信息解码后，形成言语模型、图像模型、触觉模型等不同的感官模型，大脑对各种感官模型进行感知、重组、编码之后形成心智画像。这一过程体现了认知主体认识事物、获取信息的能力，为多模态实践输出奠定了基础。

五、促进高阶思维发展的多模态交互机制的

运行机理及条件保障

（一）促进高阶思维发展的多模态交互机制的运行机理

具身学习环境下促进高阶思维发展的多模态交互机制涉及高阶思维发展的目标指向、课堂交互的过程要素及多模态信息加工的内部心理表征三个相互作用、相互联系的组成部分。以发展学习者的高阶思维为目标指向，创设基于生活世界的复杂问题情境，组织课堂教学活动，是促进学习者思维发展的有效方式。学习者在具身学习环境下，通过多模态交互实现对客观世界、社会世界的综合认识，在多模态信息的内部加工过程中，实现对复杂问题的解决。研究在借鉴梅耶的多媒体学习认知模型的基础上，对课堂学习过程中的多模态交互的过程机理进行分析与阐释（如图5所示）。首先，从多模态信息加工的内部心理过程来看，从信息获取到实践输出是一个有效的循环过程;其次，多模态的实践输出为多模态数据分析提供了基础与前提，以多模态数据分析精准刻画学习者画像，以多模态评价反观学习者高阶思维的达成度，对课堂教学效果具有良好的反馈作用，对课堂交互具有良好的指导作用;再次，以促进学习者高阶思维发展的价值取向引领课堂教学活动的组织，有助于角色扮演、小组协商等多种交互策略的实施，进而促进课堂教学的主客体要素间的相互作用;最后，交互方式与策略、资源环境的多模态化有助于拓宽个体的认知输入，激发认知冲突，促进学习者高阶思维发展。

（二）多模态交互机制有效运行的条件保障

人工智能、虚拟现实等技术的成熟和应用，扩展了学习者获取信息、感知信息、加工信息、传递信息的方式和渠道。具身学习环境增强了信息模态的可用性，使多模态具身学习与多模态数据分析成为课堂教学的常态。在交互学习过程中，多模态信息的获取、多模态数据分析、多模态化交互等均离不开具身学习环境的支持。多模态具身学习环境成为探索与感知外部环境的媒介，延展了效应器官与外部信息交互的可达性。借助智能技术，将不同知识类型的复杂内容，以情境故事、仿真实验等形式呈现，将抽象概念与具体情境相融合，为学习者提供高沉浸、高交互、多感知的个性化学习内容，充分发挥学习者人体感官的补偿机制，诱发学习者的思维发展。智能测评、表情识别、模态追踪等智能技术为学习数据动态采集拓宽了途径，实现了全方位、全过程、多模态地采集学习者的结构化数据与非结构化数据，以此判断学习者在解决问题过程中对知识建构的层次、认知思维发展的状态。

六、结   语

海德格尔指出，“没有事物本身，只有在使用事物的情境中，用具才成其所是”[37]。具身学习环境通过增强学习临场感调动学习者的身心参与，使其感受不到学习工具、环境作为事物本身而存在。然而，在具身学习过程中，多模态的“多”是相对的，并非越多越好。在多模态学习环境创设与活动设计时，要依据教学内容、教学条件以及学习者作为生命个体的自主性，以适宜为原则选取、创设恰当的多模态学习环境，充分发挥不同模态信息的优势，为学习者营造“多感”的情境，充分调动学习者的多感官协同参与，但不能盲目地追求多、全、新，避免陷入“技术教学”的泥潭。

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