基于技术与工程素养培养的学习环境设计：要素与模型*

谭姣连 徐晓东

（1.华南师范大学 教育信息技术学院，广东广州 510631；2.广西师范大学 教育学部，广西桂林 541004）

一、引言

根据“中国制造2025”“中国智造2035”国家战略部署， 我国将分两个阶段来实现建设世界领先的制造强国的目标（周济，2018）。钱锋院士（2020）等指出，为了实现这一目标，首先要培育适应和引领未来智能制造的工程科技人才。 在高等教育阶段，从2017年的“复旦共识”开始，一场国家层面的多部委联合战略行动的“新工科”建设、工程教育改革正如火如荼地进行着。 在基础教育阶段，2021年“双减”政策出台，2022年《义务教育课程方案和课程标准》重磅发布，与之相关的“科技特长生”引起热议。这一系列举措，足见国家在科教兴国、发展学生素养方面的决心和力度。

在我国， 科学教育从基础教育阶段到高等教育阶段一直都被广泛重视， 但技术和工程教育却在高等教育和基础教育之间存在明显的脱节， 技术课程被边缘化，工程教育则长期被忽视（赵中建，2016），缺乏系统规划和整体设计（黄桦，2019），这直接导致了全民工程素养薄弱和基础教育阶段的工程教育缺失等现状。 同时，在中小学阶段，长期以来由于应试教育的影响以及教师对于技术教育的误解， 教学偏向于重技术轻素养和方法、重传授轻自学和探究、重功利轻熏陶和引导、缺乏评估监测等。这些教学倾向性也导致了教师对技术与工程教育的认识不足，难以适应我国发展的当务之急和当今时代对创新人才的要求。 因此，为解决上述问题，我们需要厘清技术与工程教育的目的是什么，要教什么，如何教，学生如何学等教育教学的核心问题。

技术与工程学习具有以下特点：（1）容易受环境和氛围影响。由于技术与工程活动本身具有创造性，工程问题离不开包括组织、人文、技术、市场等在内的多种环境（张天慧，等，2016），再加上技术与工程学习通常发生在特定的场所中，比如，各类技术实验室、创客空间、工作坊等，因此，场所的人员、设备设施、空间环境、氛围等因素，直接影响学习者对工程与技术的印象，进而影响学习的过程和结果。 （2）综合性强。技术与工程学习活动，强调动手实践和问题解决，强调沟通和合作，强调兴趣和投入，强调创新和创造，学习者需要良好的实践沉浸体验，才能达到学习的目标和效果。 对于这种学习，传统的“教师依存型学习” 课堂教学形态已无法适应需求，“学生自主型学习”则应成为常态（项国雄，等，2005）。 因此，探索学习环境设计这一教学设计范式 （钟志贤，2004）的要素体系和设计模型，对于提高学习者的技术与工程学习兴趣和质量，特别是相关素养的培养，丰富相关教育教学模式，具有一定的理论和实践意义。

二、学习环境设计研究的学术史梳理

学习环境设计是在工业时代向信息时代转换背景下提出的（刘徽，2021）。 随着社会经济、技术的发展以及教育学、心理学、哲学等思想理论的变革，学习科学、认知科学等领域的迅速发展，学习概念、学习观、学生学习类型发生了重大变化，教学设计也由教学系统设计转向学习环境设计 （项国雄， 等，2005）。 如何适切地支持学习者主动进行意义建构，成为学习环境设计的重点。

关于学习环境的研究可以追溯到20 世纪30年代，勒温（K. Lewin）关于“场”理论的研究认为，行为（B）是人（P）和环境（E）之间相互作用的函数，即B=f（P，E）（Burnes，et al.，2013）。之后，发展科学、自然真实世界和技术支持三个视角， 促进了人们对学习环境的认识 （赵炬明，2019）。 关于学习环境设计的研究，主要围绕着定义、基础理论、环境要素、模型设计与实践等方面展开。

关于学习环境的定义，在国外更多以“学习场所说”为主，强调学习者在场所中获得学习支持，建立人际关系，以支持学习过程，达成学习目标，代表人物有威尔逊（B. G. Wilson）、基尔施纳（P. A. Kirschner）和乔纳森（D. H. Jonassen）等；在国内更倾向于“要素组合说”，打破场所的空间限定，认为学习环境是促进或支持学习者主动建构和能力生成的外部条件要素组合，比如，资源的组合（杨开城，2000），支持性条件的组合（武法提，2000），或者资源与人际关系的组合（李文光，2002）等。近年来，国内外逐渐倾向于“系统说”，如，经济合作与发展组织（OECD）定义强调学习环境是一个学习系统，不仅包含学习外部环境，还应包含学习活动和学习成果（陈伦菊，等，2018）等。

随着教育教学理论的发展， 学习环境设计的理论基础和主张也在不断完善， 建构主义始终作为最基础的理论，把学习的建构性、社会性和情境性作为学习环境设计的基本出发点。在此基础上，情境认知理论、活动理论、分布式认知理论、具身认知理论等，不断补充和发展学习环境设计理论。 OECD（2013）“7+3”学习环境框架，则回归到学习者、教育者、内容和资源这四个教学的核心要素， 提出7 条学习原则和3 个创新领域，以评判学习环境是否有效和创新。

关于学习环境应包括哪些要素， 当前典型的学习环境要素构建观，可分为两种思路：一种是围绕着支持学习活动的条件线索来构建， 比如， 珀金斯（Perkins）的五要素观以及汉纳芬和奥利弗（Hannafin& Oliver）的四要素观等；另一种思路是同时从学习者活动和支持活动的条件两条线索来构建，如，钟志贤（2005）的“7+2”学习环境要素观，以及陈琦和张建伟（2003）的学习生态观等。从对以上要素观的分析，我们发现，学习者活动或作为明线索或作为暗线索，应处于学习环境设计的核心位置， 围绕着学习活动这一线索，支持条件通常包括资源、工具、支架、情境等软硬件实体空间条件，还包括共同体或者社群、社会生态环境等场域关系条件。

学习环境设计模型或应用实践， 也总是伴随着学习科学理论、学习目标导向和技术的发展而发展。伴随着学习科学理论发展的、最有代表性的学习环境设计模型，主要有乔纳森建构学习环境模型、汉纳芬开放学习环境模型、生态学习环境设计模型、OECD“7+3”学习环境设计框架等，这些模型长期以来都是学习环境设计实践的主要原型依据。 学习目标导向的学习环境设计模型是为了达成某些具体的学习或者能力目标而设计的模型，比如，促进深度学习的学习环境设计模型、基于推理的学习环境设计模型、基于结构不良的学习环境设计模型、面向空间推理技能的学习环境设计模型、基于批判性思维的学习环境设计模型等。 随着技术的发展，数字化/网络/在线学习环境、基于视频/电子书包/慕课（MOOC）的个人学习环境、个人学习空间学习环境、场馆学习环境、虚拟学习环境、沉浸式学习环境等，成为当前学习环境设计与实践的热点。

三、面向技术与工程素养培养的学习环境设计要素体系的构建

（一）要素构建的理论分析

通过以上理论分析， 借鉴各学者关于学习环境的论述， 我们将面向技术和工程素养培养的学习环境定义为： 促进或支持学习者主动建构和技术与工程素养养成的学习生态系统， 是一切外部条件要素和学习者活动要素的组合。

技术与工程教育在本研究中特指在学校或特定场所开展技术与工程教育教学活动， 其主要目标是培养学生的技术与工程学习兴趣， 提升学生的技术与工程素养。 根据美国国际技术与工程教育学会（International Technology and Engineering Educators Association，2020）的界定，技术与工程素养主要包括8 项核心学科标准，8 项技术与工程实践能力以及8种应用情境（苏洵，丁邦平，2021）。 通俗来讲，即，学生通过一定的技术与工程应用情境， 认知并理解技术与工程的特点、概念及其对个人、社会和环境的影响，通过体验技术与工程实践，逐步获得以工程设计为核心的问题解决能力， 形成系统思考、批判性思维、创造力、沟通交流能力、团队合作能力以及坚韧乐观、伦理责任等精神品质。

当前， 技术与工程教育在高等教育阶段主要在工科院校进行专业教学， 在基础教育阶段主要在科学、信息技术、劳动技术、通用技术等学科课程，以及以创客为代表的各类科技兴趣班中开展。 这种学习不止发生在常规教室，更多地发生在技术与工程相关的实验室、工作坊、创客空间等特定的场所。 而场馆中的学习体验是个体因素、物理情境和社会文化情境共同作用的结果（鲍贤清，2011）。 可见，技术与工程学习环境设计， 应以学习者的实践体验为中心，不仅应注重物理条件的支持作用，还应注重社会场域关系对培养学习者兴趣和沉浸投入的熏陶影响作用。因此，我们在进行学习环境设计要素体系的建构时，既综合借鉴已有学习环境设计要素的归纳，也借鉴场域理论和心流理论的成果。

勒温提出的场域理论（Field Theory）可以说是学习环境研究的最早形态，后来布尔迪厄等（2015）进一步发展了该理论，将场域、惯习、资本作为该理论的三个要素： 场域是环绕在行动者社会实践过程中的一个关系空间网络（于志勇，等，2018），在该关系空间中行动者依照习性，运用资本进行实践活动（张传亮，2021）； 惯习指在实践中生成的以某种方式进行感知、感觉、行动和思考的一种性情倾向系统，具有持久性、动态开放性等特点（毕天云，2004）；资本（非经济领域资本概念）， 是一种行动者的社会实践工具，包括经济资本、文化资本、社会资本和象征资本等几种形式（郭东坡，等，2021）。 在技术与工程学习环境设计中关注场域这一社会空间的构建， 注重学习者惯习，并强化文化资本（何聚厚，等，2019）的影响和作用，巧妙地通过内部运行规则，将不同的学习者联结起来并相互作用， 使其通过自己掌握的实践工具在场域中的相互作用， 可以更好地促进学习者的深度学习， 塑造具备实践工程关键技能的高效独立学习者（Kehdinga，2020）。

心流理论（沉浸理论）之父米哈里·契克森米哈赖（2017）提出，心流是指一个人完全沉浸于某种活动中且无视其他事物存在的状态， 心流体验本身会带来莫大的喜悦，从而使人愿意付出巨大的代价。在技术与工程学习中， 需要解决的一个重要问题是如何创设支持或促进学习者沉浸体验的学习环境，从而在最大限度上发挥其潜力， 促使其处于一种忘我和最佳的体验投入状态。 经由多位研究者迭代完善并归纳的沉浸体验“三因素九维度”模型为此提供了理论思路，可从条件因素、体验因素和结果因素（马颖峰，等，2016）展开和综合思考。 其中，学习者是否具有清晰的目标、面临的挑战和学习者已有技能是否平衡、学习者行为与意识的融合、注意力的集中、学习者是否具有潜在的主控感等维度， 都应成为学习环境设计中支持学习者沉浸体验的重要因素。

综合以上分析， 可明确技术与工程学习环境设计要素构建的基本原则： 以作为实践行动者的学习者为核心，特别关注其沉浸体验和结果因素，为其创设良好的外部物理环境、社会场域等条件因素。

（二）要素构建的研究

1.研究方法

本研究采用德尔菲法，首先，通过调研文献并咨询领域专家关于技术与工程教育的观点， 确定初步指标，再通过两轮一对一的专家函询问卷，不断优化要素指标框架，最后形成集体判断的共识，构建出学习环境设计关键要素体系框架。 本研究共进行两轮专家咨询，第一轮发放问卷14 份，回收14 份，问卷有效回收率100%；第二轮发放问卷15 份，回收14份，问卷有效回收率93.3%；两轮有效问卷平均回收率96.65%，均大于70%，说明专家对本研究的关心和合作程度高。

2.专家选择

基于专家专业背景和样本代表性的标准要求，本研究遴选的专家共有15 人，平均年龄46 岁，分布于北京、上海、江苏、广东、广西、新疆、黑龙江、湖南、山西等9 省12 市。其中，相关领域的高校教授4 人、中小学名师名校长6 人， 还有5 人为国家基础教育技术教育教学指导委员会委员， 这保证了专家团队既有专业理论和学术研究高度， 又有实践感知和心理体验深度。 专家权威系数根据专家本身的学术造诣系数、专家判断系数，以及对咨询内容的熟悉程度系数取算数平均值得到， 第一轮专家权威系数q=0.897，第二轮专家权威系数q=0.9，均大于0.7，权威程度高。

3.研究工具

本研究使用的研究工具为自编的德尔菲专家征询第一、二轮问卷，均包括研究背景资源以及问卷主体。问卷采用五级李克特量表，邀请专家阅读材料和思考后，对各要素指标进行重要性程度评价，并按照“非常重要”到“非常不重要”的五级层级分别赋值5分、4 分、3 分、2 分、1 分， 同时征询问卷设计为开放式，请专家提供改正、删除或补充的具体意见。

4.研究主要流程

（1）确立指标池。结合理论分析和专家面对面访谈的结果，首先，确定资源、工具、投入等102 个备选关键词，然后，对各关键词进行比较、分类、合并等处理，形成72 个条目的非结构化指标条目池。之后，邀请4 位专家，初步确定各关键概念的内涵，增删优化初始条目池，并将这些条目归纳为学习者基础、投入程度、环境场域和互动体验4 个关键要素、14 个要素和54 个子要素，形成第一轮问卷。

（2）两轮调查。 采取专家匿名问卷方式进行两轮德尔菲专家征询， 每一轮平均历时1 个半月，调查者与所有专家都进行了一对一沟通。 每轮咨询后，研究者统计专家对各指标项重要性程度分值的平均数、标准差和变异系数等，研讨专家提出的建议，并决定是否采纳。专家就设定均数≥4 分且变异系数≤15%的要素纳入指标达成共识（杨丽娟，等，2022）； 对于均数≥3.5 分且15%≤变异系数≤35%的要素，交由专家指导组讨论决定是否纳入；对于均数＜3.5 分或变异系数≥35%的要素，则删除。根据第二轮调查后的统计结果，并结合专家意见，做进一步调整，得出研究结论。

（三）研究结果

利用SPSS20.0 软件对数据进行统计和分析，研究结果如下：

1.专家征询结果

根据两轮德尔菲专家调查后的得分情况（如表1 所示），最终确定的要素指标体系共包括4 个核心要素、12 个要素和41 个子要素。

表1 第二轮德尔菲专家征询得分情况

注：* 为第一轮后进行了修改或调整的指标。 子要素各字母标识对应的名称为：A11 学习者个体、A12 教学组织者、A13 学习同伴、A14 其他支持/辅助者、A21 场域惯习、A22 资本规则、A23 规范约束、B11 认同感 （兴趣）、B12 位置感、B13 目标感、B21 专注度、B22 参与度、B23坚韧度、B24 主控感、B31 应用认知策略、B32 应用元认知策略、B33应用资源管理策略、B34 自我效能感、C11 真实情境 （场景）、C12 问题/挑战（任务）、C21 场地、C22 空间布置、C23 设备设施、C31 学习材料、C32 学习支架、C33 信息处理及互动工具、D11 技术与工程核心概念、D12 工程实践方法、D13 工程思维与品质、D14 工程技术相关基础知识 （STEAM 相关知识）、D21 学习与探究过程、D22 工程设计与制作过程、D23 展示汇报、D24 反思归纳、D31 自主学习、D32 集体讲授、D33 合作探究、D34 被人辅导、D35 辅导他人、D41 学习评价、D42 结果反馈。

以上数据显示， 经过两轮德尔菲专家调查后，4项一级指标的重要性程度得到了专家的普遍认同，分值均在4.5 以上； 其中， 以B 学习者投入 （均值4.92，变异系数5.63%）和D 活动体验（均值4.85，变异系数7.75%）分值最高，A 社会场域关系和C 物理环境条件处于同等重要的地位，均值均为4.54，变异系数分别为14.54%和11.43%。 4 项一级指标12 项二级指标和41 项三级指标重要性程度分值在3.9～4.92 之间。

2.专家意见集中程度和意见协调程度

专家意见集中程度采用重要性赋值的变异系数来表示， 计算方法为专家给出的重要性分值的标准差除以均值。经过两轮征询后，一级和二级各指标变异系数在5.63%～19.84%之间，均小于25%，三级指标只有3 项在25%～27%之间，且小于35%，也在可协调的范围之内，总体说明专家意见集中程度较高。

专家意见协调程度采用肯德尔和谐系数（W）来表示， 以说明专家对各指标的重要性程度打分是否存在较大分歧。 W 越接近于1，其协调程度越高，对其进行X2显著性检验，当P＜0.05 时，说明咨询结果的可信程度较高（杨丽娟，等，2022）。 本研究中一、二、三级指标的第二轮专家意见肯德尔和谐系数W值分别为0.460、0.416、0.326，卡方值分别为17.647、69.919、232.455，P 值分别为0.001、0.000、0.000。 对比第一轮专家意见肯德尔和谐系数W 值0.223、0.238、0.235，卡方值8.691、40.266、161.905，P 值0.034、0.000、0.000，肯德尔和谐系数有明显的提升，且P＜0.05，说明专家意见的协调程度较好，专家意见趋于一致。

（四）学习环境设计的核心要素及其关系

经过两轮专家调查和商议后， 共同确定活动体验、学习者投入、物理环境条件以及社会场域关系，作为技术与工程学习环境设计的核心要素。 在这四个核心要素中， 活动体验和学习者投入体现了来自心流理论关注学习者的技术与工程学习的沉浸体验因素和结果因素， 社会场域关系和物理环境条件则体现了心流理论对于条件因素的关注。 而场域理论关于场域、惯习、资本等的关注，则体现在社会场域关系这一核心要素的下级要素中。 四个核心要素及下级要素， 均关注到了已有学习环境设计理论中的情境、资源、工具、活动等要素。

四个核心要素并非完全独立存在的， 而是互相联系和影响，形成一个生态环境系统，如图1 所示。在该生态环境中， 学习者与由物理环境条件和社会场域关系构成的环境之间存在两种关系： 一种是直接接触，一种是通过活动发生交互。简单的接触并不能产生学习， 只有通过活动使学习者与环境发生交互并使学习者产生思想或行为的变化， 才能导致真正的学习发生。而在参与活动体验的过程中，学习者也只有充分调动了情感、身体和思维的参与，才能达到理想的效果，亦即学习者情感、行为和认知全方位地投入到学习活动中， 才能充分吸收环境的给养并转换为能量， 这些能量的形式通常表现为经验、知识、技能、智慧、素养等（李彤彤，等，2017）。在本研究中的能量，主要表现为学习者的技术与工程素养。因此，在此生态系统中，除了物理物质环境和社会场域关系外， 活动体验和学习者投入作为学习者参与环境交互的整体， 相当于一个连接学习环境给养与学习者能量产出之间的转换系统。 活动体验直接影响学习者的投入程度， 而学习者的投入程度反过来影响或支持其活动体验，两者紧密联系不可分割。物理环境条件和社会场域关系这两个关键要素同样紧密不可分割， 它们共同为学习者的活动和投入提供物理的、社会的给养支持，通过人、氛围、情境、物理空间和技术资源，共同为学习者“体验—投入”创设良好的环境。其中，作为共同体的人和场所设施构成实体环境，而氛围环境、情境以及技术资源等共同构成学习者“体验—投入”的软环境。

此前的学习环境设计，通常关注到了活动本身，却容易忽略使活动得以转换为学习能量的投入状态的设计。本研究认为，技术与工程学习环境设计的目标是吸引学习者热爱并参与技术与工程学习活动，支持并帮助其达到投入、沉浸的理想状态，最终培养其相应的技术与工程素养。 可见，学习者的“体验—投入”应是学习环境设计的核心。

四、技术与工程教育的学习环境设计模型

（一）设计模型及主要观点

技术与工程领域的学习与实践通常以项目学习的方式展开。本研究通过设计者视角和学习者视角，以建构主义学习理论为基础， 结合场域理论和心流理论，并以基于设计的（项目）学习为中心，建构了技术与工程学习环境设计模型，如图2 所示。

根据我们对学习环境设计要素的归纳， 学习环境设计主要包括物理环境条件、社会场域关系、活动体验、学习者投入等几个关键要素的设计，这是从设计者的视角进行的要素设计，如图2 左侧所示。在对既定的学习目标和学习者特征进行分析后， 设计者通常从活动体验设计开始，分析和组织学习内容、确定活动形式、设计活动过程以及评价反馈等；之后，设计物理环境条件以及社会场域关系， 包括对场地设施的需求和布置、对应用情境的设计、对技术资源工具的整合和开发、学习共同体成员组成以及氛围环境的设计等；最后，设计学习者投入，思考如何促进学习者情感、行为以及认知的投入。 与此同时，对活动体验、物理环境条件以及社会场域关系等的设计进行修改与调整。对于有经验的设计者来说，在很多情况下，这几个要素的设计并非总是线性进行，而是随时在各要素之间进行跳转。

设计者对学习环境要素的设计， 最终应体现在支持学习者良好的沉浸体验上。学习者体验，是学习活动体验过程与结果（学习者投入）的结合体，是学习者对学习过程中涉及的诸多元素的感知、反应和行为表现（刘斌，等，2016）。 建构主义学习环境设计强调应以问题作为设计的焦点（沈晨，等，2021），在本模型中，项目学习作为主要的学习方式，解决现实问题或完成设计项目是工程实践项目的主要目标，因此，问题解决（工程实践）应处于模型的中心位置。设计型学习（Design-based Learning）模式，作为一种典型的以学习者为中心且以解决设计这一真实问题为目标的项目学习模式（王佑镁，2012），体现在本模型的“工程实践—学习探究”环中。 物理环境和社会场域需要被学习者感知， 才能更好地为学习者理解问题、提出可能的解决方案并实施方案提供有力的支持和保障。 学习者的投入程度， 需要被学习者意识、反思并调整， 才能更好地促进学习者的意义建构，从而解决问题。因此，在本模型中，学习者体验通常从感知环境与场域开始，随后进入“工程实践—学习探究”双循环过程，以评价反思结束。 在各个环节中，学习者应能持续感知环境和场域的支持，并保持或调整情感、行为或认知等方面的投入状态，以获得良好的沉浸体验。 学习者“体验—投入”过程如图2 右侧部分所示。

1.环境与场域感知

对学习者来说，最先体验到的是对环境与场域的感知，学习者通过观察身处的学习空间中的情境场景、环境布置、设施设备、工具资源，通过接触即将一起活动的共同体成员， 通过教师对情境和任务、规范规则以及支持条件等的介绍，感知到即将开展的活动、任务和支持。 这一初步感知，决定了他从情感上是否愿意投入到该环境的怀抱中，是否愿意在此环境中开展体验历程。 随后的继续感知，将决定他是否能持续保持良好的状态。 因此，设计者需要充分考虑生态环境的能量和补给之间的关系，思考场所、情境、资源工具如何呈现并巧妙组合，如何提供能给养学习者体验的诸如空气般的必需品、如营养般的增强物， 并且考虑哪些人组成共同体，成员之间如何发挥作用，如何形成氛围，如何以规范约束，如何以规则激励，诸如此类的生态系统中的循环机制与要素。

2.“工程实践—学习探究”循环

接着， 学习者将分组进入 “工程实践—学习探究”的循环活动中。通常先由工程实践环的定义分析需求/问题开始，初步分析与制定计划后，进入学习探究环的查阅资料、观察模仿练习、调查/实验、归纳梳理环节，再次进入工程实践环的确定设计方案、物化/实施、调试评价、优化环节，根据实际情况确定是否进入下一轮的问题解决与探究。 设计者设计该双循环活动时，需要结合学习目标和学习者的特征，对学习内容进行分析和重组， 并将其巧妙地融合到活动中， 以支持学习者体验如何在具体的工程应用情境中学习，并应用问题解决的方法和过程，来开展工程设计或某些具体问题的诊断与解决活动， 在此过程中形成问题解决能力、系统思维以及创造力等。

3.评价反馈与反思

通常， 一项技术与工程学习体验活动完成的最后环节是评价反馈和反思环节， 分小组或者全体成员一起进行展出汇报、反思总结和评价反馈。通过汇报、评价和反馈，学习者获得学习的成就感，同时发现自己的不足；通过反思归纳，学习者进一步提炼学习经验、教训，并挖掘继续探索和实践的问题。

4.学习者投入

学习者通过对自己投入状态的认识和反思，及时调整状态，以确保在整个过程中能达到情感、行为和认知的全方位投入，以获得良好的沉浸体验。设计者则通过观察和分析学习者的投入状态， 来调整物理环境条件和社会场域关系以及体验活动的设计，以更好地提供支持，促进学习者的投入。

（二）应用案例

1.案例“小鬼当家”的学习实施过程和学习环境要素设计

“小鬼当家”案例是由本研究团队在“奇探小屋”创客空间实施的电子创意编程项目， 由12 名来自3～7年级的学生和1 名教师、2 名大学生、1 名工程师组成学习共同体，学习时长为12 个单元，每个单元2 小时。 本案例的主要学习目标为： 学习并熟悉Arduino 主控板、相关传感器以及Mind+图形化编程软件，能应用技术合作设计并制作作品，在学习过程中培养学习者的技术与工程素养。 研究团队按照上文学习环境设计模型对案例进行了设计和实施，其中从学习者视角的案例实施过程和从设计者视角的学习环境要素设计，如表2 所示。

表2 “小鬼当家”案例中学习者“体验—投入”过程中的学习环境要素设计

2.案例的实施效果

（1）学习者学习体验满意度高。在案例活动结束后，学习者进行体验满意度调查，包括对总体印象、活动体验、环境、激励机制的满意度，以及对讨论、Mind+任务学习、分析问题、设计、制作作品、展示评价作品、修改作品、反思、剧本创作与展示等环节的满意度，还有对与老师、同伴的相处的满意度等，共15 项，各项满分10 分，总分150 分。 调查结果显示：满意度平均值为145.00 分，其中，对学习者反思、学习活动体验、Mind+任务学习环节、制作作品环节等分值的满意度均达到9.8 分以上。

（2）学习者技术与工程学习兴趣、思维习惯与品质得到提升。 在案例实施前后，我们对学习者的学习兴趣和技术与工程学习思维习惯与品质进行了测试，从创造性思维、批判性思维、系统思维、坚韧乐观、交流合作以及伦理道德等维度进行考量，对测试结果进行统计分析。 由于数据不服从正态分布，故采用配对样本的Wilcoxon 符号秩检验，结果如表3 所示。

表3 Wilcoxon 符号秩检验

结果显示，各项的P 均小于0.05，后测结果显著高于前测结果，表明学习者的学习兴趣、技术与工程思维习惯和品质得到了显著提升。

（3）作品体现出学习者较强的技术与工程素养。对各组进行最终作品和作品完成过程分析与评价，以反映各组学习者在问题解决过程中体现的技术与工程素养，如表4 所示。

从表4 可以看出，三个小组的作品基础分均达到优秀级别，且各获得75～100 分的附加分值。 第1小组的全组年龄小，对于技术的理解和应用稍显薄弱，但在创新性方面表现突出；第2 小组的成绩最为突出，特别体现在技术理解与应用以及乐观坚韧等方面，该组作品灵活地应用所学技术与磁铁装置来实现功能创新，并不断克服困难，反复探索与试验，最终攻破难关。

表4 小组作品与创作过程分析表

（4）学习者情感和行为投入程度高。根据学习者的基础情况，选择基础好、中、差三位学习者进行学习投入程度的个案跟踪、记录、分析并赋值，从情感投入、行为投入和认知投入三个维度（含12 个子维度）进行评价，满分各为20 分。 分析结果显示，三位学习者的情感投入和行为投入的平均分分别为19.08（95.42%）和18.25（91.25%），而他们的认知投入平均分稍低，为15.92（79.58%），基础差的学习者则只有14.08（70.42%），说明学习者的学习在情感和行为上都非常投入，但在学习方法策略上还需加强。

五、结论和未来的研究与发展

本研究所论述的学习环境设计要素框架和模型， 是在技术与工程领域的项目学习实践的基础上提出的。 实践表明，该学习环境设计模型，注重学习者的技术与工程实践体验， 强调学习者利用丰富而友好的物理环境条件和社会场域关系的支持， 通过自主学习和团队合作解决复杂问题， 对于学习者的技术与工程素养的培养以及学习者学习兴趣和投入程度均有着积极的作用。

本研究案例有关社会场域关系要素的设计和应用，主要体现在致力打造一个多元的、小型的学习共同体，并创新设计资本规则，齐心营造学习与实践氛围， 这对于提升学习者沉浸体验感和学习的情感与行为投入有着潜移默化的不可替代的作用。 由于不同的场域会生成特定的“游戏规则”，而学习者是否熟悉和理解规则的生存状态， 将影响其认同感的萌生（殷怀刚，等，2021）。因此，本研究所构建的模型在人数更多的班级场域甚至学校场域中是否适用？ 该如何调适？还有待进一步探索。未来研究和实践的重点将是：探索如何打造学校范围内的社会场域关系，特别是如何设置学校文化、社会与象征资本等相应的规则， 从而创设学校层面的技术与工程或科技创新学习环境生态， 以达到全校范围的学生技术与工程素养提升。

另外，现有对于学习者投入的设计和评价，主要以学习者的反思和教师观察两种方式进行。 对学生来说，学习反思稍显复杂，且在课堂中学习者常常处于一种投入执着的状态，不愿停下来反思，容易导致反思不能发挥良好的效果； 而教师观察往往无法照顾到每个学生，只能选取有代表性的学生做记录。因此， 如何通过更简易便捷的方式支持学习者投入反思和教师评价反馈，后续还需要进一步探索。