三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中操作指導(dǎo)型虛擬教師設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

夏志鵬，劉革平

(西南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中操作指導(dǎo)型虛擬教師設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

夏志鵬，劉革平①

(西南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境以其良好的沉浸性逐漸被認(rèn)可。相對(duì)于基于網(wǎng)頁的學(xué)習(xí)環(huán)境，三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境因操作復(fù)雜而對(duì)學(xué)習(xí)者有更大的認(rèn)知負(fù)荷。該文提出引入指導(dǎo)學(xué)習(xí)者操作的虛擬教師來幫助學(xué)習(xí)者熟悉三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。研究中，在調(diào)查的基礎(chǔ)上分析了導(dǎo)致學(xué)習(xí)者難以適應(yīng)三維環(huán)境的原因，結(jié)合真實(shí)環(huán)境中教師的行為、語言、形象等方面的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可以伴隨學(xué)習(xí)者的操作指導(dǎo)虛擬教師，通過控制組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了虛擬教師的有效性。

三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境；虛擬教師；操作指導(dǎo)；Open-Sim

一、引言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的持續(xù)優(yōu)化，三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境以其良好的沉浸性在網(wǎng)絡(luò)教育領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境可以提供身臨其境的類真體驗(yàn)、可以實(shí)現(xiàn)靈活多樣的互動(dòng)方式、可以體會(huì)動(dòng)手創(chuàng)造的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，為學(xué)習(xí)者提供了接近真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境[1]。但對(duì)于學(xué)習(xí)者來說，由于操作復(fù)雜度較高、缺乏指導(dǎo)以及信息量巨大，三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境相比基于網(wǎng)頁的學(xué)習(xí)環(huán)境有著更大的認(rèn)知負(fù)荷[2]。針對(duì)該問題，本研究嘗試以虛擬教師為手段，幫助學(xué)習(xí)者快速且高效地適應(yīng)三維學(xué)習(xí)環(huán)境，解決技術(shù)認(rèn)知負(fù)荷問題，減少信息“迷航”現(xiàn)象，讓學(xué)習(xí)者能夠高效地使用三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。

隨著虛擬人技術(shù)研究的不斷深入，有研究將虛擬人技術(shù)應(yīng)用于三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，構(gòu)建三維虛擬教師，提供生動(dòng)的、交互性的、富有親和力的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，以達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)互動(dòng)、提高學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)習(xí)熱情、提升學(xué)習(xí)成效的目的[3]。目前，對(duì)于虛擬教師的研究，國內(nèi)外已經(jīng)有了一些成果，比如國外的教學(xué)代理Adele[4]、Jacob項(xiàng)目[5]、AvaTalk[6]，這些虛擬教師都對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程提供了幫助，讓學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)效果提高，國內(nèi)推出的智能虛擬英語老師Lucy[7]能夠幫助學(xué)習(xí)者克服啞巴英語的困難，體現(xiàn)了虛擬教師的價(jià)值。針對(duì)三維環(huán)境中的技術(shù)認(rèn)知負(fù)荷問題，在借鑒以上研究成果的基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)了可以跟隨學(xué)生行動(dòng)的、指導(dǎo)其操作的三維虛擬教師，通過測(cè)算學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)時(shí)間，完成任務(wù)情況和體驗(yàn)效果，驗(yàn)證了虛擬教師的助學(xué)作用。

二、理論與技術(shù)基礎(chǔ)

本研究中虛擬教師的理論與技術(shù)基礎(chǔ)包括情境認(rèn)知理論、智能代理技術(shù)以及虛擬人技術(shù)。

(一)情境認(rèn)知理論

情境認(rèn)知理論(Situated Cognition)認(rèn)為，大多數(shù)知識(shí)都是人的活動(dòng)與情境互動(dòng)的產(chǎn)物[8]。因此，如果在教學(xué)中能為學(xué)習(xí)者提供接近于真實(shí)或仿真的學(xué)習(xí)情境，那么學(xué)習(xí)者深入理解知識(shí)的機(jī)會(huì)就會(huì)大大增加[9]。情境認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)情境和實(shí)踐，這就要求虛擬教師的設(shè)計(jì)要與學(xué)習(xí)情境緊密結(jié)合，讓學(xué)習(xí)者有身臨其境的感受，要針對(duì)特定的學(xué)習(xí)情境為學(xué)習(xí)者提供學(xué)習(xí)資源，結(jié)合情境與資源為學(xué)習(xí)者提供操作指導(dǎo)等服務(wù)。

(二)智能代理技術(shù)

智能代理(Agent)又稱為智能體技術(shù)，是一種軟件單元，具有高度智能性和自主學(xué)習(xí)性，可以根據(jù)用戶定義的規(guī)則，自動(dòng)地為用戶執(zhí)行有關(guān)操作[10]。三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)者大多都是獨(dú)立化的，如果組織得不好，學(xué)生往往缺乏引導(dǎo)，在環(huán)境中漫無目的地游覽，造成娛樂性大于學(xué)習(xí)性的狀況。為此，需要以智能代理技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)智能化的虛擬教師陪伴學(xué)習(xí)者，監(jiān)測(cè)他們的狀態(tài)，為他們安排學(xué)習(xí)日程，回答各種疑問，根據(jù)學(xué)習(xí)情況制定學(xué)習(xí)策略。

(三)虛擬人、虛擬教師技術(shù)

虛擬人是人在計(jì)算機(jī)生成空間(三維虛擬環(huán)境)中的幾何特性與行為特性的表示，是多功能感知與情感計(jì)算的研究內(nèi)容。借助虛擬人技術(shù)，可以在學(xué)習(xí)環(huán)境中設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)虛擬教師。這樣的教師，有幾何形體、能與環(huán)境交互、可以感知與影響周圍環(huán)境。虛擬教師的行為既可以通過智能代理技術(shù)由計(jì)算機(jī)軟件來控制，也可以由真實(shí)人控制，即人的化身(Avatar)；虛擬教師與學(xué)生之間可以通過自然語言、體態(tài)語言等進(jìn)行交流[11][12]。

因此，在設(shè)計(jì)虛擬教師時(shí)，要涉及到虛擬人的人體建模技術(shù)、運(yùn)動(dòng)生成與控制技術(shù)、手勢(shì)識(shí)別技術(shù)、人體姿態(tài)識(shí)別技術(shù)、面部表情識(shí)別和生成技術(shù)等。

三、三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的操作指導(dǎo)虛擬教師設(shè)計(jì)

本研究以開源的Open-Sim虛擬世界平臺(tái)為基礎(chǔ)構(gòu)建了三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，其中設(shè)計(jì)了多名虛擬教師，在學(xué)習(xí)者使用三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的過程中為他們提供操控指導(dǎo)、引路導(dǎo)航等學(xué)習(xí)服務(wù)，以幫助他們盡快熟悉環(huán)境、掌握操作方法，達(dá)到降低技術(shù)認(rèn)知負(fù)荷的目的。

(一)新手用戶使用三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的現(xiàn)狀訪談?wù){(diào)查

本研究針對(duì)新手用戶(即剛接觸該環(huán)境的學(xué)習(xí)者)使用三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的現(xiàn)狀進(jìn)行了訪談?wù){(diào)查。被訪談的42名新手用戶中，有59.5%的用戶認(rèn)為自己難以找到想去的地點(diǎn)；有71.3%的用新手用戶認(rèn)為三維環(huán)境中的信息量大，干擾自己完成學(xué)習(xí)目標(biāo)；有61.9%的新手用戶在三維環(huán)境中沒有到達(dá)要求的學(xué)習(xí)場(chǎng)所，處于沒有目的的漫游狀態(tài)。通過對(duì)訪談結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，在三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，反映用戶外貌的“化身”和仿真的學(xué)習(xí)情境成為了環(huán)境中最重要的部分。

(二) 新手用戶的操作需求分析

剛進(jìn)入三維環(huán)境，學(xué)習(xí)者要知道如何操控自己化身的運(yùn)動(dòng)，要知道如何前往特定的地點(diǎn)、如何與環(huán)境中的物體發(fā)生交互；學(xué)習(xí)者可以通過操控化身來表現(xiàn)自己的真實(shí)情感，這就需要學(xué)習(xí)者知道如何創(chuàng)建動(dòng)作以及操控化身執(zhí)行動(dòng)作；學(xué)習(xí)者可以通過建造虛擬物體進(jìn)行實(shí)踐，這就需要學(xué)習(xí)者要懂得物體建模的技巧。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新手用戶大都希望有指導(dǎo)者幫助他們學(xué)習(xí)三維環(huán)境的上述操作技巧，以使盡快轉(zhuǎn)變?yōu)槭炀氂脩?。因此，能夠承?dān)指導(dǎo)學(xué)生操作的虛擬教師將會(huì)受到學(xué)習(xí)者的歡迎。

(三)虛擬教師的框架設(shè)計(jì)

本研究中虛擬教師的框架如圖1所示，虛擬教師不是一個(gè)功能集成的個(gè)體，而是由多個(gè)個(gè)體構(gòu)成的虛擬教師群體。本研究重點(diǎn)關(guān)注將一個(gè)大的問題情境分解為多個(gè)小的問題情境，每個(gè)虛擬教師在不同的問題情境中各司其職。

圖1 虛擬教師的框架

1.感知模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)獲取三維環(huán)境中靜態(tài)實(shí)體和與動(dòng)態(tài)實(shí)體的狀態(tài)信息、與學(xué)習(xí)者進(jìn)行交互的信息、虛擬教師的屬性信息。

2.認(rèn)知分析模塊

該模塊首先分析感知模塊所獲得的信息，之后根據(jù)分析結(jié)果，從虛擬教師的語言庫、動(dòng)作庫和形象庫中調(diào)用相匹配的信息，將之傳送給反應(yīng)模塊。

3.反應(yīng)模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)習(xí)者發(fā)出的信息進(jìn)行反饋，反饋的方式包括發(fā)送語音和文字信息、執(zhí)行表達(dá)自身情感態(tài)度的肢體動(dòng)作、對(duì)自身的外觀形象進(jìn)行更改等。

4.形象庫

虛擬教師的形象庫設(shè)計(jì)包含多個(gè)方面，包括人物性別、體型、皮膚、頭發(fā)、五官以及服裝，這些都可以在Open-Sim平臺(tái)內(nèi)置的外觀編輯器進(jìn)行設(shè)置。但如果要讓人物的形象變得更為精致美觀，則需要借助外部軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如Adobe Photoshop、Corel Photopaint、Jasc's Paintshop Pro或者Gimp等。在創(chuàng)建虛擬教師的過程中，生成函數(shù)需要調(diào)用虛擬教師的外觀數(shù)據(jù)，這就需要用OS腳本中的OsAgentSaveAppearance函數(shù)將設(shè)計(jì)好的外觀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一個(gè)NoteCard類型文件，之后在虛擬教師生成函數(shù)osNpcCreate中調(diào)用該NoteCard類型文件。

5.語言庫

虛擬教師的語言庫中包括文字信息、語音信息和圖片信息。文字信息被歸為三種類型：第一類為自我介紹類，主要用于初次檢測(cè)到用戶化身在附近時(shí)，向用戶介紹自己及承擔(dān)的工作；第二類為知識(shí)技能類，主要是三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境基本知識(shí)以及操作化身開展學(xué)習(xí)活動(dòng)的要領(lǐng)，該類語言務(wù)必簡單易懂，減少專業(yè)詞匯的使用；第三類為鼓勵(lì)指引類，當(dāng)用戶完成了一個(gè)步驟之后，虛擬教師會(huì)調(diào)用該類別的語言進(jìn)行鼓勵(lì)，此外，當(dāng)用戶完成了一個(gè)單元的學(xué)習(xí)后，虛擬教師調(diào)用該類別語言以告知用戶下一個(gè)應(yīng)該前往的地點(diǎn)。語音信息的內(nèi)容與文字信息一致，每一句話錄制為一個(gè)WAV格式的文件。圖片信息主要用于虛擬教師身邊的信息板上，信息板會(huì)跟隨虛擬教師的文字信息發(fā)生變化。

6.動(dòng)作庫

Open-Sim平臺(tái)本身含有一個(gè)公共動(dòng)作庫，該動(dòng)作庫包含了人類交往過程中出現(xiàn)的大部分動(dòng)作，虛擬教師能夠使用其中的大部分動(dòng)作。在設(shè)計(jì)虛擬教師的動(dòng)作庫時(shí)，可以結(jié)合真實(shí)教師體態(tài)動(dòng)作特點(diǎn)，將公共動(dòng)作庫中的內(nèi)容進(jìn)行篩選，建立一個(gè)虛擬教師動(dòng)作庫。

(四)虛擬教師的功能設(shè)計(jì)

為了對(duì)新手用戶進(jìn)行操作指導(dǎo)，本研究開發(fā)了專門的新手村以對(duì)用戶進(jìn)行專題訓(xùn)練。新手村對(duì)新手用戶的指導(dǎo)分解為7個(gè)具體學(xué)習(xí)步驟，每個(gè)步驟設(shè)計(jì)都遵循由易到難、循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)原則。與新手村學(xué)習(xí)情境相對(duì)應(yīng)，虛擬教師共有5項(xiàng)教學(xué)功能，分別為：基本操控指導(dǎo)功能、疑難解答功能、換裝指導(dǎo)功能、引路導(dǎo)航功能、初級(jí)建模教學(xué)功能，如右圖2所示。

圖2 學(xué)習(xí)情境與虛擬教師教學(xué)功能

1.基本操控指導(dǎo)功能

學(xué)習(xí)對(duì)化身的基本操作是整個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)的第一步，也是最簡單、最基礎(chǔ)的步驟?；静倏刂笇?dǎo)功能集成在一名虛擬教師身上，這名虛擬教師名為“操控示范員”，其所在位置就是學(xué)習(xí)者第一次進(jìn)入虛擬環(huán)境時(shí)其化身默認(rèn)出現(xiàn)的位置。由于基本操控容易學(xué)習(xí)，只需要讓虛擬教師每隔一段時(shí)間發(fā)送出提示信息并相應(yīng)地演示操作效果即可。

2.疑難解答功能

疑難解答功能利用智能代理技術(shù)自動(dòng)識(shí)別學(xué)生提出的問題，虛擬教師通過語音和文字的方式對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行回答。以回答學(xué)習(xí)者如何讓自己的化身執(zhí)行跳舞動(dòng)作為例，虛擬教師將該問題分解為三個(gè)步驟，一步步告訴學(xué)習(xí)者如何操作，如果沒有學(xué)會(huì)，虛擬教師將會(huì)重復(fù)告知該步驟的要點(diǎn)，直到學(xué)習(xí)者反饋了諸如“OK”“完成”“YES”“好了”等這樣帶有肯定含義的詞語后，虛擬教師才會(huì)繼續(xù)教授下一步操作要領(lǐng)。

3.換裝指導(dǎo)功能

換裝指導(dǎo)功能用于指導(dǎo)用戶如何改變化身外觀，展示學(xué)習(xí)者個(gè)性的重要功能。以O(shè)pen-Sim平臺(tái)為例，學(xué)習(xí)者有兩種換裝方式可供選擇。第一種方式，是在化身外觀編輯器中進(jìn)行調(diào)整，包括調(diào)整化身的高矮胖瘦、五官、衣服樣式和鞋子樣式等。第二種方式，用戶可以先獲取心儀的外觀目錄包，之后將該目錄包裝備在自己的化身身上。換裝指導(dǎo)功能效果如圖3所示。

圖3 虛擬教師指導(dǎo)用戶學(xué)習(xí)更改外觀

4.引路導(dǎo)航功能

該功能以虛擬教師為主體，配合地點(diǎn)路標(biāo)和“地點(diǎn)傳送器”共同實(shí)現(xiàn)引路導(dǎo)航功能。三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境仿照真實(shí)學(xué)校建設(shè)，由多個(gè)區(qū)域構(gòu)成，如教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、休閑區(qū)、音樂廳、大禮堂等，這就導(dǎo)致很多學(xué)習(xí)者出現(xiàn)“迷航”的情況，他們或者找不到前往目的地的路，或者到達(dá)了目的地卻不知道自己是否到了正確的地點(diǎn)。為了解決“迷航”問題，本研究為環(huán)境中的主要地點(diǎn)設(shè)計(jì)了“地點(diǎn)傳送器”，該工具可以直接將用戶化身傳送到目的地，每一個(gè)傳送器旁都設(shè)置了一名虛擬教師，告知用戶所在的區(qū)域并且指導(dǎo)學(xué)習(xí)者使用“地點(diǎn)傳送器”。

5.初級(jí)建模教學(xué)功能

Open-Sim的建模過程比專業(yè)的建模軟件3DMAX、Maya等簡單的多，但對(duì)于那些沒有建模基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者來說，仍然具有一定的難度和復(fù)雜程度，需要虛擬教師來指導(dǎo)學(xué)習(xí)者。以創(chuàng)建一塊磚為例，虛擬教師將該操作分為三個(gè)步驟進(jìn)行講解：第一步，虛擬教師會(huì)指導(dǎo)學(xué)習(xí)者創(chuàng)建一個(gè)基本體，過一段時(shí)間后，虛擬教師會(huì)詢問學(xué)習(xí)者是否完成了該步操作，得到肯定回答之后，虛擬教師開始下一步教學(xué)；第二步，虛擬教師會(huì)提醒學(xué)習(xí)者調(diào)整基本體的長寬高等參數(shù)，使之有了磚墻的樣子，得到肯定回答之后，虛擬教師開始下一步教學(xué)；最后一步，虛擬教師會(huì)告訴學(xué)習(xí)者如何打開材質(zhì)編輯器，并且找到磚頭的紋理并將之附于物體的表面，當(dāng)學(xué)習(xí)者確認(rèn)完成后，虛擬教師會(huì)鼓掌并告訴學(xué)習(xí)者已經(jīng)完成了在三維環(huán)境中進(jìn)行初級(jí)建模的學(xué)習(xí)，如圖4所示。

圖4 虛擬教師指導(dǎo)用戶學(xué)習(xí)初級(jí)建模技巧

四、實(shí)現(xiàn)虛擬教師的關(guān)鍵技術(shù)

(一)虛擬教師的生成技術(shù)

虛擬教師身體的生成過程也是虛擬教師外觀數(shù)據(jù)生成、存儲(chǔ)和應(yīng)用的過程。首先，先要在虛擬教師形象庫中選擇和調(diào)用形象，將選定的形象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)NoteCard文件中；其次，在環(huán)境中選定合適地點(diǎn)任意創(chuàng)建一個(gè)物體并為之加入腳本，在腳本中調(diào)用OsNpcCreate函數(shù)，用于生成非用戶控制角色的函數(shù)；最后，在函數(shù)的參數(shù)中填寫虛擬教師的名字、姓氏、生成地點(diǎn)的坐標(biāo)以及外觀樣式數(shù)據(jù)，當(dāng)腳本開始運(yùn)行時(shí)，虛擬教師便會(huì)出現(xiàn)在選定的出生點(diǎn)。

(二)行走跟隨技術(shù)

行走跟隨技術(shù)主要用在疑難解答和目標(biāo)導(dǎo)航兩個(gè)問題情境中，其關(guān)鍵技術(shù)就是對(duì)平臺(tái)中坐標(biāo)檢測(cè)函數(shù)llDetectedPos、感應(yīng)器函數(shù)llSensor以及定時(shí)器函數(shù)llSetTimerEvent的使用。實(shí)現(xiàn)過程：首先，利用定時(shí)器函數(shù)，每0.5秒觸發(fā)一次Timer事件；其次，在Timer事件中用感應(yīng)器函數(shù)感應(yīng)以虛擬教師為圓點(diǎn)范圍內(nèi)的學(xué)習(xí)者化身；最后，用坐標(biāo)檢測(cè)函數(shù)，獲取學(xué)習(xí)者化身的坐標(biāo)信息并使虛擬教師移動(dòng)到該坐標(biāo)點(diǎn)附近。

(三)文本信息檢測(cè)技術(shù)

本研究中的虛擬教師全部都用到了文本信息檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)過程主要涉及到兩個(gè)函數(shù)，即信道檢測(cè)函數(shù)Listen函數(shù)和關(guān)鍵字檢測(cè)函數(shù)llSubStringIndex。Listen函數(shù)主要用于檢測(cè)并獲取學(xué)習(xí)者發(fā)送的完整文字信息，獲取信息后，llSubStringIndex會(huì)將該信息與虛擬教師的語言庫中的關(guān)鍵字進(jìn)行匹配，匹配成功后，虛擬教師就可調(diào)取語言庫中的反饋信息回答學(xué)習(xí)者。

(四)信息板動(dòng)態(tài)變化技術(shù)

為了讓知識(shí)形象化，研究中還創(chuàng)設(shè)了一些信息板放置于虛擬教師身邊，這些信息板跟隨虛擬教師發(fā)送的文本信息進(jìn)行變化，能夠讓學(xué)習(xí)者更容易理解虛擬教師的語言。信息板的動(dòng)態(tài)變化技術(shù)主要涉及到關(guān)鍵字檢測(cè)函數(shù)llSubStringIndex和物體紋理設(shè)置函數(shù)llSetTexture。當(dāng)關(guān)鍵字檢測(cè)函數(shù)完成了信息匹配之后，會(huì)觸發(fā)物體紋理設(shè)置函數(shù)，該函數(shù)會(huì)調(diào)用語言庫中對(duì)應(yīng)的圖片信息并使之成為信息板表面的紋理，達(dá)到信息板的動(dòng)態(tài)變化。

五、虛擬教師的實(shí)驗(yàn)研究

虛擬教師開發(fā)完成后，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究法在新手用戶中進(jìn)行了試用與驗(yàn)證。

(一)實(shí)驗(yàn)問題與假設(shè)

針對(duì)新手用戶完成全部體驗(yàn)的時(shí)間、體驗(yàn)效果和每個(gè)任務(wù)完成時(shí)間三個(gè)問題，提出以下三個(gè)實(shí)驗(yàn)假設(shè)：

(1)虛擬教師參與學(xué)習(xí)過程對(duì)新手用戶完成全部體驗(yàn)的時(shí)間沒有影響；

(2)虛擬教師參與學(xué)習(xí)過程對(duì)新手用戶的體驗(yàn)效果沒有影響；

(3)虛擬教師參與學(xué)習(xí)過程對(duì)新手用戶完成每個(gè)任務(wù)所用時(shí)間沒有影響。

(二)實(shí)驗(yàn)參與者分析

實(shí)驗(yàn)參與者全部隨機(jī)選擇，最終選擇了X大學(xué)60名在校學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，這60名參與者被平均分成兩組，實(shí)驗(yàn)組和控制組各30人，具體特征統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 參與者特征統(tǒng)計(jì)表

(三)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮到參與者性別和3D游戲熟練程度是本實(shí)驗(yàn)的無關(guān)變量，隨機(jī)分配人員可能會(huì)放大無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本實(shí)驗(yàn)沒有將人員隨機(jī)分配到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組中。為了減少無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響并且突出因變量的作用，本實(shí)驗(yàn)對(duì)參與者有以下兩點(diǎn)設(shè)計(jì)(數(shù)據(jù)如表1所示)。

(1)控制組男女比例為1:1，實(shí)驗(yàn)組男女比例為1:2；

(2)控制組中3D游戲的老玩家人數(shù)占比高于實(shí)驗(yàn)組。

實(shí)驗(yàn)組與控制組所完成任務(wù)的內(nèi)容是相同的，二者的區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)組有虛擬教師的輔助，控制組則沒有虛擬教師的輔助。所以，在本實(shí)驗(yàn)中，自變量為有無虛擬教師的學(xué)習(xí)輔助，因變量為新手用戶體驗(yàn)時(shí)間、每個(gè)任務(wù)完成所用時(shí)間以及體驗(yàn)效果得分。

(四)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)一共需要測(cè)量三組數(shù)據(jù)，分別為新手用戶完成全部體驗(yàn)所用的時(shí)間、完成任務(wù)的數(shù)量、體驗(yàn)效果。其中，所用時(shí)間和完成數(shù)量采用人工計(jì)時(shí)，體驗(yàn)效果則通過兩份問卷進(jìn)行測(cè)量，分別為《新手用戶獨(dú)立體驗(yàn)結(jié)果測(cè)試問卷》和《虛擬教師幫助情境下的新手用戶體驗(yàn)結(jié)果測(cè)試問卷》。

《新手用戶獨(dú)立體驗(yàn)結(jié)果測(cè)試問卷》共12道題目，分別從迷航情況、對(duì)虛擬環(huán)境的整體感受和完成規(guī)定操作情況三個(gè)維度對(duì)新手用戶進(jìn)行檢測(cè)，試卷的內(nèi)部一致性信度系數(shù)為0.724，屬于較為可信。被試者根據(jù)自己的體驗(yàn)情況進(jìn)行填寫，所有題項(xiàng)均采用李克特五點(diǎn)計(jì)分，體驗(yàn)得分越高則說明體驗(yàn)效果越好。

《虛擬教師幫助情境下的新手用戶體驗(yàn)結(jié)果測(cè)試問卷》共12道題目，分別從完成規(guī)定操作情況和對(duì)虛擬教師功用的感受兩個(gè)維度對(duì)新手用戶進(jìn)行檢測(cè)，試卷的內(nèi)部一致性信度系數(shù)為0.663，屬于較為可信。所有題項(xiàng)均采用李克特五點(diǎn)計(jì)分，得分越高則說明體驗(yàn)效果越是良好。

(五)實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)前，被試者需要閱讀引導(dǎo)材料，獲知實(shí)驗(yàn)規(guī)則和實(shí)驗(yàn)?zāi)康??？刂平M和實(shí)驗(yàn)組的被試都需要閱讀引導(dǎo)材料，這份材料可以讓被試了解即將體驗(yàn)的三維虛擬環(huán)境的基本情況以及規(guī)定完成的操作。關(guān)于規(guī)定完成的操作，控制組和實(shí)驗(yàn)組的9項(xiàng)操作內(nèi)容完全相同并且都要求以最快的速度完成，而完成規(guī)定操作的學(xué)習(xí)情境則完全不同。其中，控制組要求被試進(jìn)行完全自主化體驗(yàn)，即沒有任何人的指導(dǎo)，被試需要自己探索，被試可以跳過自己無法完成的某項(xiàng)操作，整個(gè)體驗(yàn)時(shí)間建議15分鐘，當(dāng)體驗(yàn)時(shí)間超過15分鐘，無論是否完成了規(guī)定的9項(xiàng)操作，被試可以繼續(xù)體驗(yàn)也可以結(jié)束實(shí)驗(yàn)，在15分鐘以內(nèi)也可以提前結(jié)束實(shí)驗(yàn)，完成9項(xiàng)操作則結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)組要求被試根據(jù)虛擬教師的提示信息完成9項(xiàng)操作，被試可以暫時(shí)跳過自己無法完成的某項(xiàng)操作而進(jìn)行下一項(xiàng)操作，但被試需要完成全部的9項(xiàng)操作才能結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的三個(gè)假設(shè)，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)性地獲得了控制組和實(shí)驗(yàn)組用戶的體驗(yàn)完成時(shí)間、完成任務(wù)數(shù)量以及體驗(yàn)得分。獲得這三組數(shù)據(jù)后，為進(jìn)一步驗(yàn)證虛擬教師的助學(xué)作用，本實(shí)驗(yàn)對(duì)有、無虛擬教師干預(yù)所產(chǎn)生的三組數(shù)據(jù)做了獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 獨(dú)立樣本檢驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看出：

對(duì)于“完成時(shí)間”而言，t(58)=4.177，p〈.001，說明兩個(gè)變量顯著相關(guān)，可以推翻原假設(shè)，證明虛擬教師的參與對(duì)新手用戶完成體驗(yàn)的時(shí)間是有影響的；實(shí)驗(yàn)組用時(shí)少于控制組。

對(duì)于“體驗(yàn)得分”，t(58)=-4.570，p〈.001，說明兩個(gè)變量顯著相關(guān)，可以推翻原假設(shè)，證明虛擬教師的參與對(duì)新手用戶的體驗(yàn)效果是有影響的；實(shí)驗(yàn)組的體驗(yàn)效果要優(yōu)于控制組。

對(duì)于“單任務(wù)平均用時(shí)”，t(58)= 6.301，p〈.001，說明兩個(gè)變量顯著相關(guān)，可以推翻原假設(shè)，證明虛擬教師的參與對(duì)新手用戶完成每個(gè)任務(wù)所用時(shí)間是有影響的。實(shí)驗(yàn)組的單任務(wù)用時(shí)要少于控制組。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬教師在三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中確實(shí)能夠發(fā)揮作用，是有助學(xué)效果的。如果我們根據(jù)學(xué)習(xí)情境來創(chuàng)設(shè)虛擬教師，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率會(huì)有提升。

需要指出的是，本研究中的虛擬教師的智能性較弱，與學(xué)習(xí)者的交互方式依然局限于語言和動(dòng)作上。為此，如何提高虛擬教師的智能性、使之可以通過創(chuàng)建物體等方式與學(xué)習(xí)者進(jìn)行更為高級(jí)的交互還需深入研究。

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Design and Realizing of Virtual Teachers for Operating Guide in 3D Virtual Learning Environment

Xia Zhipeng, Liu Geping
(School of Computer and Information Science, Southwest University, Chongqing 400715)

With the development of virtual reality technology and the optimization of network environment, three-dimensional virtual world which has the features of immersive is widely used in the field of education. But for learners, because of the lack of guidance and the Information Trek, three-dimensional virtual learning environment has a greater cognitive load than web-based learning environment. As one of the applications of artificial intelligence, virtual teacher has the features of lively, interactive, affinity and so on, which can provide effective teaching service and help learners to adapt to the three-dimensional virtual environment quickly and effectively. This study investigate and analyze the reason why learners have difficulties to adapt to the three-dimensional virtual environment, and proposes that virtual teacher which has so many advantages can help learners to adapt to the three-dimensional virtual environment quickly and effectively. At last, this study tests the validity of virtual teacher by experiment.

3D Virtual Learning Environment; Virtual Teacher; Operating Guide; Open-Sim

G434

：A

夏志鵬：在讀碩士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程教育(278787036@qq.com)。

劉革平：教授，研究方向?yàn)槿S虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)支撐系統(tǒng)、智慧校園(liugp@swu.edu.cn)。

2016年3月9日

責(zé)任編輯：趙興龍

1006—9860(2016)05—0098—06

* 本文受中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“智慧學(xué)習(xí)環(huán)境研究”(項(xiàng)目編號(hào)：XDJK2014A002)資助。

①劉革平為本文的通訊作者。