人工智能在環境設計中的應用精選(九篇)

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第1篇：人工智能在環境設計中的應用范文

【關鍵詞】設計科學；基于設計的研究；干預；教育技術研究

【中圖分類號】G40057 【文獻標識碼】A【論文編號】1009―8097 (2008) 09―0052―04

基于設計的研究（Design-based research，以下簡稱DBR）是一個國際性的前沿課題，國內學者對DBR的研究尚處于起步階段。DBR屬于設計科學的范疇，作為一種整合設計與研究、理論與實踐的研究方法論，對我國教育技術研究有著重要的借鑒意義。

一 設計科學概述

1969年西蒙在《人工科學》中，將自然科學與人工科學加以區分，并在此基礎上提出了設計科學這一門類。他認為要研究人類，在相當大程度上就要研究設計科學，因為它不僅是技術教育的專業要素，也是每個知書識字人的核心學科。同時指出設計科學是關于設計過程的學說體系，它在知識上是硬性的、分析的、部分可形式化的、部分經驗性的、可傳授的。

1994年Van Aken提出了一種更廣泛的科學分類，他根據不同的研究范式，將科學分為三類：形式科學、解釋科學、設計科學[1]。形式科學幾乎沒有經驗性元素，它們的研究范式是測試內在邏輯的一致性，如數學、哲學。解釋科學包括大部分的自然科學和一些社會學科，它們的研究范式是通過描述、解釋現象，盡可能的預知該領域內可觀察到的現象，如物理學、生物學、經濟學等。設計科學是生產知識去支持設計、產品開發、系統建構，它們研究范式是開發出明確的適應性理論去適應實踐的目的，如醫藥學、工程學等等。

1995年March和Smith在西蒙對設計科學論述的基礎上，提出了設計科學的六個特征：設計科學研究是由研究者發起的，目的是為了解決真實情境中的問題，需要參與者之間的緊密協作；構造和評價是設計科學兩項主要活動；通過建立行為，形成知識、使用知識、評價知識；設計科學產生四種知識：概念、結構 、模型和方法；產生技術人造物；通過價值或效用來評價產品[2]。

從關于設計科學的眾多論述中我們可以看出，設計科學是以技術為基礎，以創造新的知識、人造物去解決實際問題為目的，以實用價值為其產品的評價標準，最終在實踐中建立解決問題的結構、模式、方法和實例。

二 DBR出現的背景及其內涵

盡管設計科學在工程學、醫藥科學領域論述的比較多，但在教育研究領域，人們對設計科學的認識相對較少，直到1992年，Allan Collins在有關“設計實驗”的早期文章中，首次提出構建教育領域中的設計科學這一理念。他認為我們需要建立教育研究領域中的設計科學，從而研究不同的學習環境設計會怎樣影響教與學的相關變量，進一步開發出情境化的理論，這也正是Ann Brown 與Allan Collins創生DBR方法論的初衷。

Ann Brown通過“設計實驗”把實驗室中對學習的研究與復雜的教學干預聯系起來，在研究方案中，她致力于研究教室環境下的學習，她認為這種學習是豐富的、復雜的而且是不斷變化的[3]。與此同時，Collins提出了在教室環境下研究學習所需要的理論以及這樣做所要面臨的挑戰，并且定義了“設計實驗”的關鍵特征：（1）在與實踐者的實際協作中處理各種復雜的問題。（2）將已知的和假設的設計原理結合起來去合理的解決這些復雜問題。（3）進行嚴格的反思和調查去改進學習環境，同時界定新的設計原則[4]。

實際上DBR是由“設計實驗”（Design Experiment）演化而來， 有關對DBR的界定，國際上到目前為止還沒有形成統一的概念，不同的DBR的專家對此有不同的解釋[5]。筆者認為，由Wang&Hannafin提出的DBR的定義體現了其內涵和本質：基于現實情景中研究者與實踐者之間的交互，通過迭代的分析、設計、開發、運用，產生情景化的設計原則和理論，其目的是為了促進教育實踐，是一種系統而又靈活的方法論。

經過十幾年的發展，這種研究在美國已經形成了自己專門的研究團體，即由斯賓塞基金會（The Spencer Foundation）1999年發起的DBRC（Design-Based Research Collective），其中包括了來自認知科學、心理學、人工智能、人類學、生物學、數學、人機交互學以及教學設計等不同領域的專家和學者，他們一直進行相關的研究，以期推動該研究的發展。為了避免“設計試驗”與“實驗設計”（Experimental Design）、“試驗教學法”（Trial Teaching Methods）相混淆，2003年DBRC用DBR代替了“設計實驗”[6]。

三 DBR的設計科學特征分析

設計科學又稱為設計方法論或設計哲學，它是從人類設計技能的本質上去探討設計活動的規律，其最重要的研究方法論范式就是開發出情境化的理論、人造物，以解決現實中存在的問題。DBR作為教育技術研究中的設計科學具有一些設計科學的特征：

真實情景性。設計科學是在自然的情境中解決存在的問題，DBR設計學習環境和開發學習理論或學習原型的目的在于干預，真正去解決現實中存在的問題；同時所做的研究要能夠解釋在真實情景下設計是如何發揮作用的。

迭代性。在設計科學中，評價要貫穿于研究的始終，只有通過不斷的評價，才能改進最初的設計。在DBR研究中，開發和研究發生在設計、實施、分析和再設計直至理論形成這樣一個持續的循環中。

創新性。設計科學與形式科學、解釋科學相比，最大的不同就是，設計科學能夠創造出新的知識。DBR研究過程中，理論既是DBR的基礎也是DBR的結果，因為DBR有一種“驅動理論”的特性，理論會通過研究過程不斷發展、優化，同時現實世界情景中復雜的、真實的以及一些帶有局限性的因素也會指導DBR研究，最終形成情境化的理論。

可傳授性。DBR的研究結果是設計過程與研究的背景之間的連接，在DBR研究過程中詳細地記錄有關設計是否起作用，發生了什么樣地變化，實踐怎樣被促進了等等。通過這些文檔，其他研究者和設計者可以聯系他們自己的背景和需要進行研究，來提高理論在新環境中的適應性。同時，這也有助于理論共享，便于實踐者與其他教育設計人員進行交流。

四 實施DBR的一般步驟

因為DBR在教育領域是比較年輕的，自身也有許多的變量，所以它不是簡單得一步接一步地描述和指導DBR。盡管這些步驟是順次的，但這些步驟經常是同時發生的，有時也會以不同的次序發生。

第一、知情探索

DBR最本質的不同方面是它強調闡述教師、學習者和其他人在現實中所面臨的問題，一般采用需求分析的方法來確定問題的領域，發現其中的問題。例如：中學學生對閱讀沒有興趣；高中女孩子不愿意學習數學以及其它理科課程；大學生對學術研究沒有興趣；工人不能把培訓的內容運用到工作中等等。同時，要確定來自社會、文化或者其他方面的約束有哪些，哪些是屬于教育領域的問題，哪些不是。接下來，從現存的數據和研究中收集與問題相關的信息，例如：采用文獻調查法查閱與問題有關的資料，從而確定問題的范疇；通過受眾特征分析，了解受眾的特點。最后，以收集到的數據為基礎，對解決問題的潛在方法進行系統的描述，例如：技術支持、理論框架，開發出最初的設計原型。

第二、開發、實施、修改干預

根據設計原型開發干預。開發干預是與形成性評價交互式作用的，在開發干預的過程中要及時的對形成性評價作出反饋，以開發出一種更精細化的干預，干預的形式可以是：人工制品、軟件等等。經過一段時間之后，更加詳盡的干預將會被運用到類似的環境中，從而使研究者能夠描繪設計與多樣的實踐之間的相互影響。

在DBR操作過程中，研究者需要積極的與其他參與者協作來設計，比如：教學設計人員、課程開發者、教師和評價者，協作者把他們的努力集中在不同的層面：認知層面、關于人與人之間的關系層面、資源層面、機構或學校層面。如果沒有這種協作，干預不可能在現實世界的背景中產生有效地變化。

通過迭代的循環，DBR不僅能夠構建強有力的、適用于實踐的理論，而且能夠形成被實踐很好的支持的教學設計的理論，同時還能夠更深的理解學習環境的復雜性。有人曾經這樣形容DBR的迭代過程：“DBR的迭代過程就如同人們在改變世界的過程中，試著去理解世界”。

第三、評價干預的影響

DBR通過收集數據來揭示干預是否能夠有效的解決問題，問題是怎樣被解決的；選擇的理論能否能夠解釋教與學的過程和結果：哪些現象是由當時環境中的“當地性（local）”因素引起的[7]。DBR通常能夠抓住問題的本質來設計干預，因此通過干預，研究者們能夠例示理論或者是有關教與學的假設。毫無疑問，設計是DBR中很關鍵的工具，正如Joseph所說，DBR解決問題不是通過形成理論來解決而是通過設計來解決。

第四、評價更為廣泛的影響

以各種形式來形成DBR報告，其中包括什么因素會影響設計的推廣；什么樣的政策或文化適合采用這種設計；什么關鍵因素會影響這類設計的運用等等。這些報告將會對教育領域產生深遠影響，將會為他人的實踐或研究提供一種平臺，從而推動DBR的研究。

值得注意的是，DBR的研究過程是從設計到實施到評價再到重新設計，研究者要揭示在現實情景中對于解決特定的問題來說，什么起作用，什么不起作用，特定的狀態下怎樣起作用。 因此，一定要注意特定研究實施的局限性或特定的條件，這種局限性會影響到研究結論的適用范圍，研究結論可能僅適用于研究情境或有類似特征的情境，而不是適用于更廣泛的教學情境。

五 DBR與教育技術傳統研究方法的區別與聯系

眾所周知，要理解一種新事物，一種很重要的方法是通過把新事物與現存事物進行比較來理解，對于DBR也是如此，通過比較它與傳統的研究方法的區別，我們才能更好的理解DBR。

1 DBR與實驗研究

首先，DBR研究是在現實的背景下進行的，它要處理現實情景的復雜性和局限性，而實驗研究通常只注重單一的決定性變量，沒有其他變量的干預[8]。其次，由于實驗研究者試圖控制研究過程中的變量，因此他們的研究步驟是傾向于固定的。與此相反，DBR的研究者們試圖對研究過程進行反復、靈活的修改來創造一種復雜的情況。第三，在DBR研究的過程中往往要涉及到與社會的交互，因為它是在現實的情景中進行的，而實驗研究它要試圖阻止參與者與外界環境的交互。所以，對于DBR的理論研究成果很難在實驗室進行驗證。第四，大多數實驗研究的目的是為了驗證先前的假設，而DBR研究的目的是為了在現實的情景中形成新的理論或開發一種輪廓來運用于教育實踐中，從而真正解決教育實踐中的問題。

2 DBR與行動研究

DBR與行動研究的類似之處在于它們都把現實世界中的問題看成是伴隨著一系列的行為發生的，研究的參與者比如教師都要參與到研究的過程中。在DBR中參與者既是研究者又是設計者，研究者通常是研究過程的發起者，而在行動研究中，通常是實踐者發起研究。

3 DBR與形成性評價

從某種程度上說，DBR與形成性評價有相似之處，即它們都是關注過程、注重迭代的流程，都是在復雜的社會背景中進行。但兩者有本質的不同，形成性評價的目的是通過操作一種方法，檢測一種現象，理解運用一種方法的一系列的過程，檢測現存的理論，改善或者是提高某一種特殊方法或特殊設計的運用。而DBR通過設計開發更廣泛的原型，不僅僅是為了滿足當前的需要，并且要擴展、揭示和確定理論之間的關系。然而，形成性評價在DBR中具有舉足輕重的作用，在DBR的每一個階段，都需要形成性評價對開發出的設計原型、人造物做出有效性評價，以利于設計的修改和問題的解決。

值得注意的是，將DBR與教育技術傳統研究方法比較，并不是摒棄了傳統的研究方法，與此相反，它是建立在形式科學、解釋科學研究方法的基礎上。例如，在DBR的研究過程中，要用到人種學中定性分析的方法與實驗研究中定量分析的方法相結合，文獻檢索、觀察法、實驗研究方法、評價研究法等等都會運用到DBR的研究過程中，巴拉布（Barab）[9]曾經說過“與其說DBR是一種方法，不如說是一系列的方法”，DBR要與這些研究方法相互補充、相互支持，使研究者更加理解他們的主張。例如，基于實驗室的研究者應該自問他們的基于實驗室的理論怎樣通過在現實情景中的檢測得到進一步的發展；DBR的研究者應該思考他們的主張怎樣能夠在實驗室中得到更精確的檢測。

六 DBR對教育技術研究的啟示及借鑒意義

DBR通常是以教育工作者真正感興趣的問題為驅動，研究者們所追求的不僅僅是理解與解釋教育現象，更多是要通過干預來改變和改善教育實踐[10]。在研究過程中，也能充分考慮到“社會情景”這一重要因素，從另一個側面反映出了教育領域不是一個孤立的領域，而是與其它領域緊密的聯系在一起的，DBR真正地將理論與實踐聯系了起來。因此，DBR研究有更大的潛力來影響教育實踐的進行以及教育產品的開發，同時使得DBR的結果有更廣泛的適應性。

通過以上闡述，筆者認為DBR對教育技術的研究及其方法上可提供以下幾個方面的借鑒。

第一，目前國內教育技術的實證研究比較少，盡管目前實證研究并不能完全解決所有的問題，但筆者認為實證研究對于提高我國教育技術研究水平，解決教育技術應用中的問題都具有重要的作用。值得強調的是，實證研究的目的并不能局限于單純的驗證假說，而要去研究這一假說在哪一范圍內成立，對教育實踐的哪些方面具有指導作用。要做到這一點，作為目前實證研究中的誤差項中被排除在外的風俗、文化、環境、歷史、社會等因素也必須包含進來[11]。

第二，強調研究不同情景下的學習活動，形成情景化的應用理論，這對促進教育技術的理論發展與應用有著積極的意義。特別是在計算機技術、通信技術高速發展的今天，學習環境的內涵與外延也在不斷的變化，如何利用現代多媒體技術創設多樣的學習環境（其中包括創設多樣的網絡學習環境，創設豐富的傳統學習環境），這是目前值得教育技術工作者去研究的問題。并且通過不同情景中的學習活動，真正地將理論“情景化”，同時通過形成性評價、反饋等手段迭代的改進設計、改進理論，實現理論與實踐的緊密結合，真正的去解決教育教學中存在的問題。

第三，在研究過程中要客觀、詳細的記錄研究過程，不僅要記錄先前的設計或干預是否起作用，更要關注什么在起作用。科學的研究范式的特點是可重復性，通過對研究過程的記錄，使整個研究過程清晰完整，這有助于研究成果的共享，也有助于在相似的環境中的重新應用，同時增強了理論的應用性。

第四，促進教學設計的“本土化”研究。在教育技術領域，教學設計的“本土化”研究是一個亟待探索的領域，我國教學設計理論主要是引進西方的研究成果，對于理論的生存背景、實踐應用，尤其是在學科教學中的應用了解不夠，致使很多國外教學設計的理論和模式引入我國后出現“水土不服”的現象，受到實踐的排斥。中西方除了文化差異外，技術水平、教育條件、教育行政制度等等的差別都會導致設計需求的不同，“本土化”的核心應該把握住東西方文化差異，在實踐中構建“本土化”的教學設計理論體系。

第五，要認識到教育改革的持久性。多年來，教育改革取得了不少的成績，但我們要認識到，一項成功的教育改革，并不是通過短時間、局部的改革功效來去判斷成功與否，而是要從持久推廣的過程中，認識到改革推廣過程中的差異，例如東西部的差異、觀念的差異，豐富教育改革的內容。

七 結束語

在教育技術領域，我們對有關教育技術研究方法的關注還比較欠缺，隨著我國教育技術研究的深入，要使教育技術理論與實踐取得發展，我們必須重視研究方法的多樣性，豐富和發展教育技術研究方法，真正實現理論與實踐的緊密結合。當然，這并不是說基于設計的研究就是最好的研究，它也存在著自身的局限性，運用傳統的觀點來看，DBR的客觀性存在一些不足之處。另外，由于研究的“情景化”，研究結果不具有普適性[12]。然而，我們不得不關注這種研究方法論對某些問題有其獨到的適應性，基于設計的研究為我們理解自然情景下的學習提供了新的研究方法論范式。

參考文獻

[1] Van Aken. Management research based on the paradigm of the design sciences: the quest for field tested and grounded technological rules [J]. Journal of Management Studies, 2004, 41:219246.

[2] March S and Smith G. Design and natural science research on information technology [J]. Decision Support Systems ,1995,15(4): 251266.

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[4] Collins Joseph & Bielaczyc K. Design Research: Theoretical and Methodological Issues [J]. The Journal of the Learning Sciences, 2004, 13(1):15-42.

[5] Kelly A. Research as Design [J].Educational Researcher, 2003, 32(1):3-4.

[6] [DB/OL]省略.

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[8] Cobb P. &Schauble L.Design experiments in educational research [J].Educational Researcher, 2003, 32(1):9-13.

[9] Sasha Barab&Kurt Squire. Design-Based Research: Putting a Stake in the Ground [J].The Journal of The Learning Sciences, 2004, 13(1):1-14.

[10]The Design-Based Research Collective. Design-Based Research: An Emerging Paradigm for Educational Inquiry [J].Educational Research, 2003, 32(1):5-8.