刘哲雨 周继慧 周加仙 | 教育神经科学视角下促进心流体验的智慧教学活动设计
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本文由《现代教育技术》授权发布
作者：刘哲雨 周继慧 周加仙
摘要智慧教学是新时代智慧教育发展的主阵地，而智慧教学活动设计是智慧教学的核心组成。缺少底层理论机制指导的智慧教学活动设计，往往可移植性较差、实践应用价值有限。基于此，文章首先探讨了教育神经科学、心流理论与智慧教学之间的背景关联；随后，从教育神经科学视角下剖析了心流体验的促发条件；最后，针对不同心流理论层次，从积极满足心流前兆、高效维持心流体验、科学评估心流结果三个方面展开智慧教学活动设计。文章为促进心流体验的智慧教学活动设计提供了理论参考，并为智慧教学活动设计提供了教育神经科学方面的证据。
关键词：心流体验；智慧教学；教学活动；教育神经科学
1
研究背景
教育神经科学视角下促进心流体验的智慧教学活动设计
以智慧教育为先导、以智能技术为手段，是教育信息化2.0提出的新理念。智慧教育是未来教育的一种重要模式[1]，催生了课堂环境、教学模式和学习方式的新思考与新设计。与传统信息技术与教育教学的创新融合相比，智慧教学的深层设计更需要考虑学习者的脑与认知规律[2]。有研究者主张借鉴脑科学和教育神经科学的相关研究成果来提升智慧教学环境的建设，采用循证理念改善智慧教学的水平[3]。在教育神经科学的指导下，从人类学习的脑与认知规律出发，合理使用大数据、云计算、人工智能、虚拟现实、增强现实等技术，为脑与认知活动、情感活动提供丰富的表征方式与参与方式，不仅可为智慧教学活动创设智能化的教学环境，而且能在一定程度上满足学习者个性化的发展需求和新时代对创新型人才的培养需求。
2.心流体验与智慧教学活动设计
1975年，匈牙利美籍心理学家、积极心理学奠基人Csikszentmihalyi首次提出心流概念，随后发展出心流理论。该理论主张，心流是个体对某一活动表现出浓厚的兴趣，并由此推动个体完全投入某项活动的一种情绪体验，是一种当个体完全沉浸在某项事物或情境中的整体感受[4]。当个体处于心流体验时，他们完全被当前的任务吸引，认真且专注于正在做的事情，时间感知能力减弱，忽略其他事情且心情愉悦[5]。心流理论将心流分为三个层次，即心流前兆、心流体验和心流结果[6]。其中，心流前兆是指心流的引发条件，包括明确的目标、技能与挑战的平衡、及时的反馈；心流体验是心流的主要状态，包括注意力高度集中、行为与意识融合、控制感较强；而心流结果是心流的获得程度，包括自我意识丧失、时间体验失真、体验活动本身的价值。
心流体验是一种“最佳”的情绪体验。在心流状态下，学习者对学习维持较高的兴趣，积极投入学习，并有较好的学习表现。经历心流体验后，学习者会为了再次获得心流体验而主动投入到下一次学习活动中，持续学习的意愿由此产生。象棋、体育运动、视觉艺术等多领域的相关研究发现，心流状态和绩效表现有正相关关系[7][8][9]。随后，更多学者注意到了心流体验与学习的关系，如Nadelson[10]结合心流理论与学习理论优化教学活动设计，改善了学习体验；Buil等[11]关注心流与学习效果的关系，发现处于心流状态的人能学到更多的内容，提升了学习效果；Mulik等[12]关注心流体验对学习意愿的影响，发现心流体验有助于形成持续学习的意愿。由此可见，将心流理论应用于教学领域不仅是可行的，而且具有重要的实践指导意义。
当前，研究者已从不同的研究角度提出了多种智慧教学活动，这些智慧教学活动更关注学习者的认知加工结果（如学业成绩），不仅有助于实现教学目标[13]，而且还可以迁移应用到与之相同或相近的教学场景中。然而，在教学背景相差较大的情况下，很难推广、应用这些智慧教学活动方案。鉴于此，本研究从教育神经科学视角出发，在心流理论的指导下，以支持心流的促生、监控与评估为底层机制设计智慧教学活动，试图打破教学背景的局限或学科内容的壁垒，探索促进心流体验的智慧教学活动设计的通用规则。
2
心流体验促发条件的教育神经科学分析奠定研究基础
教育神经科学视角下促进心流体验的智慧教学活动设计
心流理论可用于指导数字化学习环境设计，以及数字化学习活动设计效果研究。心流理论指出，引发心流体验的条件包括明确的目标、技能与挑战的平衡、及时的反馈，只要满足心流促发条件，就可能引发心流体验。剖析心流促发条件的教育神经机制，以脑加工机制为实践指导，能够更好地促进心流体验发生，从而提升学习效果。因此本研究从教育神经科学视域分析心流体验的促发条件，为开展促进心流体验的智慧教学活动设计奠定研究基础。
1.明确的目标
明确的目标设置可以发挥期望效应功能、导向功能、激励功能等，从而影响学习者的学习动机。目标理论指出，动机是个体对目标进行认知处理的结果；而动机系统理论更是强调，目标是学习动机的核心。在智慧教学环境中，设计含有明确学习内容的目标可以激发学习者内在的学习兴趣和积极的学习态度，强烈的学习动机会促发心流体验[14]。
在大脑中，动机环路与情绪环路紧密联系。针对动机的脑研究发现，左侧前额叶与趋近动机紧密相关，而右侧前额叶与回避动机紧密相关[15]。在情绪加工的脑研究中，前额叶也被认为是关键的脑区，心流与前额叶皮层的活动相关[16]。因此，明确的目标调动学习者的深层次学习动机，可以激发前额叶的作用，从而促发心流体验。
此外，在情绪处理与动机环路的关系研究中，杏仁核被认为是与两者联系的关键脑区之一。相关脑研究表明，负面情绪与杏仁核活动的增加有关，而积极情绪与杏仁活动的减少有关[17]。如果学习者的学习动机总是与回避动机有关，那么其杏仁核就会长期处于激活状态，容易造成情绪问题，学习者也就难以获得心流体验。因此，研究结果支持尽可能引发趋近动机，增加积极情绪，促进心流体验。
值得一提的是，学习者的目标导向学习系统与腹内侧前额叶皮层密切相关[18]。腹内侧前额叶皮层由大脑中许多相互关联的区域构成，参与处理奖励、惩罚和调节情绪，与维持内部目标功能、控制冲动行为等自我调节行为相关，也会影响心流体验的发生。
综上可知，在设计教学目标时应强调明确目标，激发积极情绪，从而引发趋近动机，控制杏仁核的活跃度，进而促发心流体验。基于此，在智慧教学环境中，教师需设置明确的目标，并将其清晰、多通道、个性化地呈现给学习者，以促发学习者的心流体验。
2.技能与挑战的平衡
有研究证明，学习者对学习活动中技能和挑战的认知是决定心流体验水平的关键[19]。在智慧教学环境中，当学习者认为自己的能力不足、难以完成任务挑战时，会产生焦虑的情绪；而当学习者认为其技能水平显著高于任务复杂度、容易完成任务挑战时，会产生无聊的情绪——以上两种情绪都属于消极情绪。只有当学习者认为面对的挑战与自身能力水平相当时，才更容易获得心流体验。
当个体主观感觉自身能力水平与任务挑战相匹配时，中脑结构、小脑、丘脑、上顶叶皮层等区域便易被激活。在心流状态下，这些脑结构中的壳核区域显示神经活动增加[20]，这可能与挑战激发的注意力促进了心流体验有关。针对任务难度和脑区的交互作用的研究认为，心流体验与注意力水平关系密切，难度适中的挑战任务会促使学习者集中注意力，从而影响与之联系紧密的情绪脑区活动，促进心流体验的发生。
能力与挑战的平衡更有利于完成任务挑战，完成任务挑战会使人获得成功体验的奖赏，而神经科学的相关研究成果证实了奖赏系统对情绪的积极影响——能力与挑战之间的平衡关系会使奖赏系统被激活[21]，继而激活积极情绪，从而引发心流体验。也就是说，当学习者认为自己有能力完成那些挑战任务时，会获得因有信心收获成功而引发的积极情感体验，故愿意持续投入并沉浸在挑战活动中，获得心流体验。
综上可知，教师可以利用智慧教学环境中的学习分析功能，对学习者进行精准化学习分析，引导学习者选择知识挑战策略，并综合参考学习内容的结构和难度，设计匹配不同能力水平的挑战任务，以帮助学习者达到技能与挑战的平衡，激发学习者的注意力，让学习者获得成功体验的奖赏，从而促发学习者的心流体验。
3.及时的反馈
在智慧教学环境中，反馈是提升学习效果的关键教学环节[22]。提供详细、及时的反馈，有助于学习者提升自我认知、提高感知能力[23]，并调节学习行为，从而获得心流体验。
反馈在学习过程中会使学习者产生积极情绪或消极情绪：及时反馈可以激发积极情绪，激励学习者实现学习目标，故有利于心流体验的产生；而延时反馈会导致学习者抗拒反馈结果，产生消极情绪[24]，故会抑制心流体验的产生。大脑中有多个与反馈相关的脑区，如社交大脑、快乐和奖赏系统等[25]。有研究表明，心流体验对处理外在奖励的多巴胺系统更加依赖[26]。学习者对及时反馈的满意体验会刺激多巴胺的释放，而多巴胺会刺激学习者对学习活动的渴望[27]，大脑也愿意重复体验能增加多巴胺释放的教学活动，这些都会激发并维持学习者的心流体验。
反馈也与情感大脑有关，及时、积极的互动反馈会激活情感大脑产生积极情绪。基于此，教师要注意在智慧教学环境中与学习者积极互动，对学习结果进行及时评价与反馈，以引导学习者使用情感大脑触发移情反应并产生积极情绪[28]，提高学习者的满意度，获得心流体验。
综上可知，教师进行智慧教学活动设计时可以按照及时反馈的原则，借助情感大脑和奖赏系统促进心流体验的产生。针对学习者外显的学习行为和内隐的学习品质，教师既可以基于智慧教学环境的多模态数据与精准诊断提供书面反馈，也可以提供语音评论或视频反馈等非书面反馈[29]，通过这两种反馈共同促进心流体验的产生。
上文的分析表明，促发心流体验的条件主要包括明确的目标、技能与挑战的平衡、及时的反馈。从教育神经科学视角进行分析，本研究认为智慧教学环境为促发心流体验提供了保障，也说明进行智慧教学环境下促进心流体验的智慧教学活动设计是可行的。
3
促进心流体验的智慧教学活动设计
教育神经科学视角下促进心流体验的智慧教学活动设计
在促进心流体验的环境资源设计方面，Csikszentmihalyi指出：通过空间的创意化布局、场地的合理化设计、内容的可视化呈现、参与者的差异化分析等方法，实践者可以创建引发心流体验的空间环境[30]。智慧课堂作为智慧教学的主要场所[31]，通过提供自由组合的位置空间、多模态互动的硬件资源、数据联通的软件资源、个性化的学习分析功能等，创建了满足心流体验的空间条件，在支持心流体验的获得方面具有优势。但为了更好地将环境技术与教学活动相结合以促进心流体验，还需全面考虑心流理论的三个层次，即积极满足心流前兆、高效维持心流体验、科学评估心流结果。本研究将借助智慧教学环境，针对不同心流层次，为促进心流体验的智慧教学活动设计提出相应建议。
1.满足心流前兆的智慧教学活动设计
在传统教学环境中，难以对学习者的能力水平进行实时评估，难以因材施教地布置教学活动任务，难以完成学习者的能力与任务挑战，且难以实现同步、多向、及时的交流。而在智慧教学环境中，通过满足心流前兆的智慧教学活动设计，即从明确的目标、技能与挑战的平衡、及时的反馈三个条件出发设计智慧教学活动，这些问题将得到有效解决。
①实现明确的目标：这是引发心流的第一个条件。首先，教学系统要面向具体的课程目标和核心素养目标，多通道获取学习轨迹、学科测验等学业数据，精准化分析学情，个性化推荐目标内容；然后，教师要将目标内容具体化为学习任务卡，面向不同的学情进行差异化教学目标的设计，激发学习动机的内驱力[32]；最后，教师借助移动云平台实时发布并回收学习目标信息，实现目标信息流转[33]。此外，教师也可借助智慧教室环境，进行教学目标的多模态表征；还可借助智能虚拟助手、导学系统等工具，帮助学习者主动感知目标情境，明确目标内容，进而引导学习者自主规划任务目标，激发学习动机，促进心流体验的产生。
②实现技能与挑战的平衡：这是引发心流的第二个条件。教师可以通过多模态学习分析技术，掌握学习者能力水平的基本情况[34]，据此调整教学任务和教学进度。在呈现挑战任务时，教师可以利用多媒体画面中的视觉线索，引起学习者的学习注意。在学习者知识掌握困难的情况下，教师可以通过布置分梯度、分层次的任务，引导学习者由浅入深地掌握学习内容，实现初阶、进阶、高阶教学目标；而在学习者知识掌握良好的情况下，教师可以设置更具挑战性的任务，以培养学习者的高阶能力、问题解决能力等。考虑到学习者群体的能力水平异质度较大，教师在进行智慧教学活动设计时可以借助学习分析技术精准评估学习者的学习能力，并设置与能力平衡的挑战任务，使学习者在提升学业水平的同时体会成功的愉悦，从而维持心流体验。
③实现及时的反馈：这是引发心流的第三个条件。智慧教学活动的设计，离不开数智融合技术的支持。借助智慧云、智学网站等智慧教学环境，教师及时开展监测学习过程、评估学习结果、反馈认知行为与学业体验的教学活动。教师向学习者推送评估结果、反馈建议，其内容的呈现形式遵循色彩信号设计规则的理论指导，以引导学习者及时处理评估反馈报告，建构深度的互动交流机制[35]。此外，5G、物联网等技术的应用，可实现人、机、物互联，智能分析学习者的探究与决策行为状况[36]，即时采集、查看学习者在反馈过程中的数据，并将反馈结果可视化，从而实现教师与学习者的积极、双向互动交流，促进学习者心流体验的产生。
2.维持心流体验的智慧教学活动设计
在传统课堂教学过程中，无法检测学习者的注意力状态，帮助学习者全身心投入活动或沉浸学习的技术水平不高，且缺乏帮助学习者自主控制学习活动的交互环境。而借助智慧教学环境，可在一定程度上解决这些问题。注意力高度集中、行为与意识融合、较强控制感这三个要素属于心流理论的第二个层次，具体表现为：处在心流体验中的学习者注意力高度集中于其正在从事的活动，无暇顾及与活动无关的信息；行为自然发生，与意识融为一体，不需要有意识地进行控制；对所从事的活动有较强的控制感，对活动任务的完成和环节的进展充满信心。
①维持注意力高度集中的技术资源：教学系统基于计算机视觉技术，采集学习者的表情、动作等图像信息，并综合其他多模态信息，智能分析学习者的课堂学习行为表现[37]。将行为表现具化为对学习者学习过程中专注度、注意力水平等多方面的评估，可以为教师提供学习状态诊断[38]。教师根据诊断结果，设计符合学习者学习风格与学习需求的学习资源，合理调整资源媒体布局[39]，以维持学习者的注意力水平。相关实证研究表明，设计与使用图像、视频等学习材料，可以增加相关认知负荷，加快知识建构进度，提高注意力的保持时长[40]。在智慧教学中使用智能教学系统，筛选、推荐符合学习者特征的资源，有助于学习者保持学习注意力、维持心流体验。
②维持行为与意识融合的技术资源：不同的环境会带给学生不同的身心体验，使学生获得对相关内容的不同理解与不同认识，因此要重视教学环境的建构。具体来说，可以使用虚拟现实技术搭建智慧教学环境，提供具身模拟功能，并引导学习者沉浸于学习情境、自发地进行学习投入、全身心地感受学习与探究的过程[41]；同时，通过多感官模拟身体与环境的互动，达到行为与意识的融合。智慧教学环境提升了学习者的感知，强化了学习者的沉浸式学习体验[42]，且充分尊重学习者的行为自由，保障了学习者全身心地与学习环境互动，有助于维持心流体验。
③维持较强控制感的技术资源：无缝切换的响应式交互设计工具拥有多通道并行的输入输出方式，交互切换时可以降低停顿感，避免心流体验中断。因此，利用此工具，学习者便能在智慧教学活动中顺利操作，增强自主掌控感[43]，从而有效维持心流体验。此外，教师可以在智慧教学活动中设置能适时切换的角色，并鼓励学习者体验管理者、教导者等不同角色，支持学习者从不同视角对学习环境、学习资源、学习进度和能力水平进行监控[44]，从而强化学习者的操控权和控制感，引发其强烈的情绪感受，进而维持心流体验。
3.评估心流结果的智慧教学活动设计
自我意识丧失、时间体验失真和体验活动本身的价值是心流理论的第三个层次，也是心流体验后期产生的心流结果。处于这一层次，学习者会因为长时间处于心流体验中，而逐渐减弱其自我意识，并忽略其他无关的感知和情绪，乃至于深深地沉浸在活动之中[45]；同时，学习者对时间的流逝也会产生错觉，觉得时间过得比平常快，出现时间知觉扭曲。
①实时监测心流结果：在传统教学环境中测量心流结果存在一定的难度，因为很难实时监测到学习者的自我意识、时间知觉等。而在智慧教学环境中，可以应用虚拟现实技术、虚拟仿真技术优化情境，营造沉浸式视听体验；可以借助生理信息识别技术、数据采集技术等，为智能感知提供技术支持；可以有效聚合、提取、分析学习数据，科学评估心流结果[46]。具体来说，基于面部表情识别、眼动追踪等生理信息识别与数据采集技术，结合时钟算法、分层循环遗传算法等，有望对学习者的自我意识和时间知觉实现无接触、无侵入、无痕迹的持续监测，从而综合评估学习者的心流状态；同时，融入AI教师角色的智慧教学活动设计开启了“知觉—幻觉”感知模式，可调节学习者的自我意识感知，使其沉浸于教学活动中[47]。而在教学活动中，通过姿态识别、语音处理、认知推理等技术采集的学习者生理数据和通过脑电技术采集的脑认知过程数据，可用于共同分析学习者的内部情感机制。
②综合评价心流结果：在教学活动结束之际，AI教师发放学习评价量表[48]，采集学习者的自我评价信息，包括对自我意识的评价（如自我意识是否非常清楚、是否进行自我思考），对时间体验的评价（如是否感受到时间的流逝、是否感觉时间过得很快），以及对体验活动的评价（如所做的事情是否出于自愿、是否沉浸于教学活动中）等。使用多种方法全方位地评估学习者的心流结果，依靠相关算法、技术深度挖掘学习者的心流状态，有助于后续教师不断完善促进心流体验的智慧教学活动设计。
4
结语
教育神经科学视角下促进心流体验的智慧教学活动设计
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