18 形象化（embodiment）及其设计

想象一下：一个还不会说话的孩子跨坐在跷跷板的中间，会随着跷跷板的一起一落或前或后地调节自己的身体保持平衡。她还不会说话，更不用说用什么科学术语表达自己看到的东西了。那她从这种体验中是否学到了什么？如果是，她学到的是什么？这种学习又在她未来与他人的交往中发挥什么作用呢？当然，这是一种非语言的身体体验，任何学习都是与身体相关、身体力行的学习。

这种非语言的身体体验与学校学习（关于语言与抽象概念的学习）有什么关系吗？这一章主要讨论身体与学习，甚至是抽象概念的学习的密切相关性。

以数学为例。数学活动描述的是创作和处理任何象征性的东西的，它们是不被人类左右的抽象的、普遍的自明之理。数学是人类集体历史成就的集中体现，它超越了或者说逃离了由任何地球环境所控制的世俗物质条件。数学肯定是不具形体的。（我的理解：数学是抽象的、无形的）

我们抛弃了这种普遍观点，认为所有的学校科目，甚至数学，都是可以具体体现出来的。 具体化的观点有悖于柏拉图数学对象的观点，他认为，数学对象是人类希望理解的一种理想化的存在的影子而已。而且，这种观点促进了数学认知的概念化。事实上，所有的STEM（科学、技术、工程和数学）内容，不在于它的符号系统和描述形式（虽然在实践活动中很关键）而在于使用数学活动的人的适当的、空间的、动态的身体现象。我们甚至更强烈地认为STEM的基础知识本身都是被人类大脑能形象化的本质塑造出来的。

本章的目的是列出形象化的方法、解释它如何促进我们的理解和学习、建议和例证这一理解如何贯穿于STEM学习环境的设计。

形象化的原则

当我们致力于专业实践时，我们会使用特定的方式来看待和讨论情况。在很多领域，尤其是科学、技术、工程和数学（STEM）领域，这些专业习惯很难掌握，因为它们所介绍的分析方法和顺其自然的方法背道而驰。因此，在STEM学科里，要想参与实践活动，人们必须熟练使用不熟悉的专用符号。

我们相信形象化的方法可以帮助教育者创建能够引导学习者理解学科观点的学习环境。通过描述广泛的科学学习资源，本节列出三条有助于学生解决STEM学习过程中的一贯困难的原则。第一，讨论两种认知体系：原始的和正规的。正规分析的深刻理解来自于和外在世界自然互动。第二，我们认为，在最初正式学习之前，所有的过程包括寻找意义、解决问题、甚至对象征记号的操作都在不断地被形象化着，它们都在激发来自对空间动感现实操控的身体的自然感知机制。第三，我们赞成知识（生物的、物质的、认识的）在支持和影响认知活动中的渗透作用。

每部分最后都列出了STEM学习环境设计的小结和挑战。

？押韵和推理：协调两种认知体系的学习

当我们沉浸在任何感知活动中时，我们都会使用一种认知原动力体系。这一体系非常复杂但基本不需要思考。但是，当我们不再思考和讨论观察与行动时，我们会使用一种完全不同的认知体系，在这一体系里，活动不是身体体验。理解两种认识模式----直接的“做”和激发的“想”----对理解形象化学习的理论和实践是非常重要的，因为教育者总是试图引导学习者从沉浸式行动转向指导下的思考。

通过结构化的思考，人们的经验过程就更容易被理解。杜威指出“所有的事件变成了目标物体，成了有意义的东西，可以在想象中被无限组合和重置，因此，更易控制管理，更持久，更灵活。”当我们清楚明确地表达下意识的、无声的知识时，就好像我们在自己和经验之间竖起了一道概念屏风。这种双重体系的观点在学习科学的基础文献中并非独树一帜，比如，认知发展心理学家Jean Piaget 就区分过感官知识和概念知识，文化历史心理学家Lev Vygotsky 把自觉知识和科学知识相提并论。

Kahneman曾区别过轻松的直觉和有意识的推理，前者能很快发生，是试探式的，并且对于修正改进相对排斥；后者虽慢，但更准确，经得起变化的检验。值得注意的是，两者可以相互渗透，有意识的推理随着时间的推移可以变得轻松快速。甚至用象征符号工作也能变成本能；近年的研究表明简单口算能在无意识的条件下进行。

认知心理学家认为新知识的获取首先是有意识的故意而为，然后变成直觉本能。但是形象化的活动属于本能的、未加思考的模式。我们认为整体直觉下的意义能导致定量分析和象征表述，这在学科实践中非常典型。

小结：大部分日常活动中，事情的意义都是心照不宣的，有前因后果的，在特定情况下对于实现目标有图式化的倾向----直觉模式。但STEM学科会具体化、描述、分析和定量这些自然互动----分析模式。要想理解STEM的内容，学生们必须协调他们的直接的感知行动和间接获取的学科实践结构。

挑战：是否可以设计学习环境以培养理智的学习，这样即使学生被引导着正式地再三思考自己的行为，他们也可以从身体力行中维持一种不可言传的意义感？这会不会导致更有意义的学习成果？

作为模仿行为的抽象思维：学习是以新的方式前进

本节讨论对象征符号的操作，从认知上来说，和物理学中在空间移动物体是很类似的。David Landy 设计了一个非常优雅的实验，证明“操作象征符号”这个口头概念，比如“把+2移到等号另一边就变成-2”，不仅仅是一个语言比喻方式----在我们的思维中，当我们把一些象征符号移到等号另一边时，如果它们必须要面对一个反方向趋势的话，我们就不能及时到达目的地。

很多人认为思维是一种心理活动，和感受输入或行为输出是根本相斥的。相反，很多认知科学研究发现，“随着时间推移，根据对外部和内部事件的模仿，抽象概念是可以感知的”。如此，思维就是对外在世界的感知的再现和动态操作。

Melser认为，思维是秘密的、删减的行为的形式----“删减的”意思是人的精神致力于计划和执行外部自然活动，而肉体并没有。来自神经影像的经验证明支持这些说法，发现“合理的想法...直接使用以感官为动力的身体机制...它是我们身体正常运转的一种开发利用。”比如，当我们想象的时候，我们总的来说，会启动真正看东西时所使用的大脑部分。当我们听到一些动词“舔、捡、踢”是， 我们会偷偷地启动分别控制嘴、手和腿的动力系统。这些发现使得一些学者以至于想废除传统的思维代表----概念，就环境动态学而言，重新强化“认知”这一概念。

发展心理学家们普遍认为身体行为在观念发展的过程中起主要作用。Vygotsky 曾经很出名地说过“语言不是开始----行动是先出现的。”Piaget认为，玩耍中出现的以行动为导向的思维过程也会出现在数学或科学观点的学习中，比如学“正方形”或“重力”这些概念时。他断定“逻辑思维的根源不仅在语言里出现...更常见的是在行动的协调中，行动的协调正是抽象思维的基础。”

像Piaget一样，很多当代认知科学家提出了一些模式来解释抽象概念是如何从具体感官经验中产生的。关于概念比喻的认知语义学理论假定所有人类的推理都基于“意向概要”，“我们身体取向的模式、活动模式、互动模式...都在我们的想象中被发展起来从而构建我们的抽象推论。”比如，我们能理解数学概念“一套”，就是因为我们知道一些实物被收集到容器中是怎么回事。

一些心理学家研究了当人们说话和解决问题时如何打手势，这些研究为思维是如何被体现出来的提供了进一步的证据。比如，检验人们在谈论刚刚学会如何操作的工艺品时会使用什么手势会帮助我们理解实际行动如何演化成模仿行为进而影响身体和认知表现。Hatano， Miyake，和Binks研究了算盘专家的心算后，得出结论“使用算盘往往会经过过渡阶段后内化成思维操作，过渡阶段中思维操作并不是完全独立于动力体系的，模仿算盘的手指运动提供了重要的支持。”手势促成了看和想的新方式。

小结：概念推理源自于外在互动并内化成模仿行为。

挑战：外在互动能够产生概念推理和思维这些理想的教育学习结果，我们应如何选择、创建和利用它们？

具备的条件和问题：和生物、物质和认知工具相关的学习

人类认知和技术产品的关系一直是学者感兴趣的领域。这两者，精神和物质，有生命的和无生命的东西，是如何在人类神经生物学中综合起来的呢？通过操作大脑之外的人工制品去体验概念的转变有可能意味着什么？当我们致力于这种活动时，在没有这些人工制品的情况下，大脑中是否还残存着可以利用的有用的知识？

证据表明学习者确实如此。Polanyi提出下面的例子：想象一个盲人，用盲杖探索周围的空间。当他第一次拿到盲杖时，他只有简单的感觉----盲杖的纹理和手指手掌的感受。但当他学会用盲杖探路后，这种简单的感受就改变了---渐渐地，他能体会到杖尖碰到物体后的感觉。

这个例子说明当我们通过这些人工制品培养操作技能时，这些东西会通过我们的不断体验和调整影响我们的认知。我们把这些东西“工具化”的同时，也在“工具化”着我们自己。也就是说，当我们根据自己的需要学着如何使用这些东西时，我们通过协调工具的使用发展了控制和解读世界的技能。

当一个人工制品让我们失望时，它的潜在结构和内在功能也就变得清晰透明了。

大量证据表明在人工制品缺席的情况下，受它影响的思想和行为会继续存在。这种在人工制品诱发的活动的剩余效应在下述情况下最明显：符号媒介如实的结构要素偷偷地让符号的意义言听计从。比如，Jasmin和Casasanto曾指出传统的标准键盘的布局暗示了我们对词语的情感认知，和键盘上右边字符（积极的）与左边字符（负面的）的布置是一致的。

小结：我们使用人工制品来延伸我们的感知动力和认知能力。在这一过程中，我们通过人工制品的调节结构内化了与世界互动时的身体和精神习惯。当这些身体的、可操作的或者认知的人工制品不能传达渴望的效果是，我们会有意识地反思、重新校准或改变与世界相处的模式。这就是，我们学习了。

挑战：为了实现学习，我们应该如何引导学习者利用生物的、物质的和认知的条件走一条最优路径？

本节中所例证的形象化观点开始在学习科学的语境下站稳脚了；一些领先的期刊和会议已经为这一观点提供专刊或研讨会了。我们为基于这一观点的教育设计提出了三个挑战。整体来说，我们已经提问了教育设计者可以在课堂知识方面如何帮助学习者，尤其是在STEM的一些学科，在内在知识方面；这一过程中，行为和设备会起到什么作用。下一节的内容以教育设计中探索式提纲的形式提出对这些挑战的一些当前的回应，并给出了两个STEM内容学习中研究实施的例子。

形象化设计：从理论到实践

当我们在创建学习环境时，应用了认知形象化理论时，我们就在做形象化设计。Thomas van Rompay，首先创造了“形象化设计”这个词，他当时是一个由认知心理学家转行成的工业设计师，受公共建筑结构的启发，比如公交站棚，他使用了概念比喻理论来呼应情感体验。Abrahamson把这个词引进到学习科学领域，用来描述工程教学工具和活动，以了解人类如何自然地感知世界。在基于形象化设计原理的环境里，学习者可以使用他们自然的身体本能和动作来解决化学、生物、物理、材料科学和数学中的问题。这部分为培养形象化学习提供了设计原理，描述了在STEM内容中使用这些原理的几个设计案例，展示了一系列的学习科学研究。

形象化设计原理：物理实验，导向意义

在前面的部分中，我们确定了教学设计的三个挑战：是否可以设计学习环境以培养理智的学习，这样即使学生被引导着正式地再三思考自己的行为，他们也可以从身体力行中维持一种不可言传的意义感？这个问题和“活动”有关。

外在互动能够产生概念推理和思维这些理想的教育学习结果，我们应如何选择、创建和利用它们？这个问题和“材料（物质）”有关。

为了实现学习，我们应该如何引导学习者利用生物的、物质的和认知的条件走一条最优路径？这个问题和“简易化（促成）”facilitate有关。

我们用三套粗略绘制的形象化设计提纲对三个挑战做出回应。

第一个挑战：活动

学习最有效的活动利用学生已有的在真实或虚拟的三位空间中定位和活动能力。活动应该要求学生使用他们的感官和肌肉协调能力来判断刺激属性并作出新动作。

初期任务应该包括很少或不应该包括象征性刺激，最好是比喻的、符号的、图表的和图示的表示。

应该以学生参与一些简单的活动开始（比如把屏幕变绿（？），击打一个目标等）。执行方式最初应是直接的，但整体目标可以在开始时并不明示，随着时间的推进出现更复杂的目标。

第二个挑战：材料（物质）

学习活动应该被安排在精心策划的环境里，包括技术工具和帮助人员（如导师，博物馆讲解员，或者教师）。

学生应该有机会在这些环境里发现目标和意义，正如他们在陌生世界复杂的物质结构中寻找方向一样。

学习环境应该好好设计一下，这样身体动作----从动一根手指到整个身体的跳跃----都能够通过行为反馈圈和环境关联起来。

在计算机为基础的环境里，比如拓展的现实，虚拟的世界和各种模拟，学生应该能够在屏幕上，电脑上，地上等直接体验到对虚拟物体的操控。

行为-环境组合的问题应该被逐渐地引出来， 使用了学习者已掌握的解决办法和布局配置依然无法实现目标。一些任务可能会突然要求用新方式使用工具或要使用新工具或新的参考结构；或者材料本身转成要求新奇的动力配置。学生们应该逐渐地培养起新的感知力，使他们为了服务更复杂的任务目标而能有效地控制物体（对象）。

第三个挑战：简易化（促成）

能促进思维发展的运动和身体活动模式通常不会自然出现。学生们通常需借助帮助采取行动，以能刺激核心机制和空间联系的方式活动他们的身体----为了目标知识去实施功能性隐喻。身体信号和实时情景反馈可以用来加强这些隐喻并诱发出一些动作，获取理想的洞察力。

环境中的老师和其他辅助者应努力帮助学生的感知力计划朝着专家的水平发展。这须要用新方式看待一个场景，熟悉环境中的一些隐藏方面。有效的教学实践包括肢体展示，合作产出，亲手指挥，使用媒体技术演示视听甚至触觉（以触摸为基础的）体验，从而传递专业观点。

如果学生可以在环境中把如何与材料相互作用的策略清楚的表达出来，那么形象化的设计会更有效地促进概念发展。比如，学生们可能被要求基于他们的行为，在反馈时描述一些规则，详细说明与行动激发出的知识内容相关的规则；改进策略，更好地使用这些洞察力，进而更有效地完成任务；在各种条件和借助不同辅助工具等特定背景下提出要求。

列举了一系列指导设计原理后，下面谈谈在数学和科学方面的几个形象化设计研究。

数学意象训练：作为符号操作机制的概念

作为数学教育中创建形象化设计的一个例子，我们来讨论一个研究项目，中心活动是帮助学生掌握比例的概念。比例这一概念是初级课程中的一个重要内容，因为在高中、大学、工作时STEM推理和日常计算中它都是很关键的。

但是，很多中学生不会进行比例推算，经常把“乘”当成“加”。比如，学生会认为1:2=2:3，因为他们只关注了数值间的绝对区间（即：1）。把熟悉的加法运算概念转移到到新的乘法过程，学生可以有效地学会比例，通过加法乘法可视化

比例教学开始于能产生相应进展的情况。比例进展 如1:2=2:4=3:6=等等，展开后，：号左右两边是连加的式子，即：1:2 = (1+1):(2+2) = (1+1+1):(2+2+2) = 等等。通过重复一个一个的比值或通过使用乘法，学生学会列出一些列的数值对子。但在这个过程中，学生们没有体会到比例等式中“=”号的意义。也就是说，学生们从来没有机会去实施、视觉化、概念化、准确计算出加或乘的过程中什么东西是不变的。即：从什么意义上说1:2和2:4或3:6是一样的？相比之下，2+3=1+4这个等式更好理解，因为左右两边的和相等----都是5。比较而言，学习者更难理解为什么1:2和2:4一样。

有的课程试着用文本和图片的形式解释比例相等的概念，验证一些熟悉的经验，两个比例，如1:2和2:4 有相同的感官感觉。比如，用相同的比例单位1-2和2-4混合两种成分，结果的味道是一样的，类似的，按照同样的量混合蓝黄两种颜色，得到的颜色也是一样的，相等的比例就是按照这种模式列出的。不过，这些感觉都不是学生在课堂上直接观察体验到的，而是留在想象中的。此外，这些数字情况是说出来而不是决定的。因此，比例并不能直接体验，比例的操作过程不是探索、发现、计算、解释、挑战、分享或详细说明的。

形象化设计研究实验室（Embodied Design Research Laboratory）提出的设计方案是比例的数学意象训练（Mathematical Imagery Trainer for Proportion）（MIT-P，图18.1）这个装置测量使用者的双手在指定的基线以上的不同高度，计算两个结果的比率，在老师的控制台上和特定的比率做比较。如果比值正确，屏幕为绿色，否则为红色。目的就是让学生根据屏幕上下移动双手以保持屏幕绿色。

注意这是让学生定性地演示比例比例级数（没有测量和计数），在连续空间内自发地移动双手。这一设计原理叫做动态保持，因为学习者需要能持续系统特点的行动模式（进展法则）。一旦学生掌握并能清晰地表达这一新的技能，我们就在互动空间上方覆盖上参照框架。（见图18.2）

图18.1. MIT-P设了一个1:2的比例，右手需要比左手高出2倍，才能在显示器上实现“成功”。四格上的数字表示示范的互动结果----在试探的过程中，学生（a）手的位置不正确 （b）碰巧放对了 （c）两手始终保持固定的间隔 （d）正确的位置。比较1b和1d并注意光标间的不同间隔。

图18.2 活动中使用的MIT-P展示布局结果的图示代表，开始情况：（a）空白屏，逐渐呈现出一系列交叠起来的象征物体/目标；（b）分别反映使用者左右手位置的一对光标；（c）网格 （d）网格y轴上的数字；（e）数控而不是手动控制光标的驱动者。

我们以指导的任务型临床采访（？）的方式实施了MIT-P的设计，对23

4到6年级的学生（9-11岁）或单独或结对地进行测试。当学生们明白了如何保持绿屏后，他们就通过调整两手间的间隔做到这一点。参考桌子上方双手的高度，能清楚地表达类似的句子“越向上，距离越大。”当我们在他们工作空间引进数学工具时，（如18.2），学生们通常会接受它们并改进自己的表现。同时，学生们的表达越来越数学化。比如，学生会利用网格实施“越高-越大”策略，调整自己的策略来重复比例进展，如“左边每走一格，右边就要走两格。”后来，当介绍了相应的数值后，学生们突然意识到左右手的值的倍数关系，会说“右边是左边的2倍。”当我们要求学生思考他们不同的行为结果时，他们能够用比例中的非乘法和乘法概念来解释它们的关系。在一个由128名同学参与的控制实验中， 直接或间接参与了MIT-P的学生在概念项中的表现要比控制组的表现好。现在可用这一设计的好几种变量。

MEteor：肢体行为和科学原理

科学教育领域里第二个形象化设计的例子来自沉浸式模仿技术的一个研究项目，这个项目的宗旨是加强中学生运动学的直觉。学生总是努力地去掌握正式理解一些事物的运动原理，在解释物理现象时会基于日常生活中的一些行为活动，知识系统薄弱。把日常经验和正式概念联系起来的方式之一就是进行类比推理和对自己已有的概念进行评判性反思。完全沉浸在交互的虚拟现实环境里能帮助理解运动学的一些概念，基于肢体运动熟悉的领域，把这些体验和正式呈现出的东西结合起来。有几个项目想通过沉浸在虚拟世界的方法培养物理知识，但在明显促使学习者做出理想的物理体系的一些活动后，这些环境也就失去作用了。这和之前我们的和“促成”相关的形象化设计原理一致。

MEteo项目设计的目的是促进行动发出信号，并把做出的行动和正式的框架正确地结合起来。MEteor是在一间屋子大小（30*10）的一个现实模拟游戏，通过再现小行星穿过太空的动作强化和感知牛顿定律和开普勒定律。学生用自己的整个身体预测小行星在遇到其他行星或外部引力的时候如何运动；声音和视觉线索指挥他们的动作，使他们能实时调整自己的预测。相对来说，MEteor是一个短期介入，为的是打断已存在的错误概念，并在正规指导下促成新观点的确立。

MEteor用户通过走到平台上并将他或她的身体动作链接到小行星的地面投影图像（发音的视觉和音频效果增强了这种连接）开始。学习者现在控制小行星的运动，直到它进入一个行星的重力和其他力影响小行星的轨迹的空间区域的点。通过一系列越来越困难的游戏水平，学习者的目标是准确地预测小行星的运动;游戏中的得分取决于学习者如何紧密地遵守正确的路径，并且视觉指示符（即，围绕学习者的脚的颜色梯度）到位以指导他们的实时移动。例如，游戏的3级要求学习者将他们的小行星通过直接位于放置在地板显示器中间的行星后面的空间区域。为了成功地达到目标区域，学习者必须发现，行星附近的小行星会绕过它，并在此过程中加速。完成测试发布后，学习者通过在墙上显示器上运动的图示来回顾他们的尝试（见图18.3）。他们被提示解释为什么小行星移动它的方式，和教练帮助他们重塑他们的描述，通常第一人称模型在日常语言传达，在重力和轨道。当学习者的运动与所发射的小行星的运动不一致时或者当没有达到水平的目标时，发生分解。墙上显示屏上的数据可视化使学习者有机会反思这些行动，并为下一次试验重新校准。

图18.3。 MEteor模拟游戏为基于全身隐喻的交互。 学生发射小行星，并且必须预测它的运动，因为它与空间中的其他物体（例如，行星）交互。在上面的场景中，学生已经落在小行星的后面，导致她的跟踪圆更改颜色。 墙上显示的图表允许参与者查看以前的试验。

在MEteor中，学习者通过突出的提示机制帮助他们采用功能隐喻。例如，如果学习者开始偏离通过空间移动的对象的正确轨迹，则模拟的所有可用动态视觉元素（跟踪圆的颜色，小行星的实际位置等）将改变为引导学员回到课程。我们预测，MEteor经验将导致更高度有组织的知识系统，迄今收集的数据表明，这是这种情况，表明参与全身模拟的学习者不太可能专注于表面特征模拟经验（例如，行星的背景星星或纹理）与使用相同模拟的桌面版本的参与者相比（Lindgren＆Moshell，2011）。被给予机会与他们的身体制定物理概念的参与者似乎更加适应模拟传达的重要动态关系，这通过他们在后仿真图中使用箭头和其他运动表示来证明。此外，使用全身模拟的参与者似乎对模拟空间有更强的理解，这是因为他们具有优秀的识别条件的能力，这将导致成功与不成功的发射（Lindgren＆Bolling，2013）。

结论和未来方向

我们认为所有认知都是建立在身体经验的基础上，我们的例子具体表明，数学和科学的概念理解基于身体经验。 如果是这样，如果数学和科学的学习环境旨在利用来自现有生活经验和新学习经验的身体知识，则可以使其更有效。

本章回顾的研究表明，数学和科学概念不是抽象的，概念的精神实体，从物理世界中移除。 相反，他们是深深体魄，动觉，和想象力。 互动任务典型的体现设计，从而引导学习者发现，完善和实践解决本地问题的物理行动计划，但可以推广到数学或科学概念理解（Trninic＆Abrahamson，2012）。 实体设计师设计计划，在学科的推理。

在STEM教育的理论和实践中体现的转向意味着研究身体技能发展（Bernstein，1996）应该直接关注学习概念发展（Thelen＆Smith，1994），例如通过将神经生理学和临床研究与正式模型作为动态场理论（Spencer，Austin，＆Schutte，2012，第415页）。此外，教师在指导学生与具体设计的身体接触中的重要作用表明认知和社会人类学领域的相关性，例如职业学徒或分布式认知在工作场所的研究（见Collins＆Kapur，第6章，体积），作为研究人员理解学习者如何通过他们的身体以及开始接近专业实践的方式（例如，Becvar Weddle和Hollan，2010; Ingold，2011）的理论和分析手段。运动发展心理学和社会认知人类学的这种结合对学习科学有很好的影响，因为它提供了在认知和社会文化理论的交叉点实现辩证研究的强大手段（diSessa，2008; Greeno＆Engeström，第7章，卷）。

一个孩子在跷跷板上平衡，事实证明，发展不仅仅是身体协调 - 她正在建立一种体现的等同性的感觉，有时可以通知她关于社会正义的道德推理（Antle，Corness和Bevans，在印刷）。 即使学生开发新的身体行动计划作为认知和社会进入学科的活动结构，学者也开发新的教育概念化，以解释具体的知识如何转化为知识体系。 在不止一种意义上，学习正在以新的方式发展。

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