智能虛擬現(xiàn)實/增強(qiáng)現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造研究

李小平 張琳 張少剛 陳建珍 許夢幻

摘要：該論文在VR/AR科研和教學(xué)深入研究和實踐的基礎(chǔ)上，首次提出基于體驗學(xué)習(xí)的VR/AR智能教學(xué)控制思想，從系統(tǒng)論的視點(diǎn)研究了VR/AR的教學(xué)屬性、技術(shù)屬性和內(nèi)在作用關(guān)系。嘗試從工程控制論和人工智能的角度對以學(xué)習(xí)者體驗學(xué)習(xí)為中心的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）/增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality）教學(xué)模式進(jìn)行研究，按照科學(xué)工程的方法對VR/AR教學(xué)中體系架構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計，根據(jù)VR/AR教學(xué)思維維度的擴(kuò)展構(gòu)建了教學(xué)系統(tǒng)框架，提出了系統(tǒng)物理模型，并通過數(shù)據(jù)挖掘、教學(xué)回饋校正探索性地實現(xiàn)了個性化智能虛擬教學(xué)閉環(huán)控制系統(tǒng)，為提升智能VR/AR環(huán)境下的教學(xué)質(zhì)量提出了一種可行的方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;增強(qiáng)現(xiàn)實;智能控制;教學(xué)系統(tǒng);自適應(yīng)學(xué)習(xí);體驗學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制、心理學(xué)以及多媒體等技術(shù)的飛速發(fā)展，更具沉浸感、交互性和想象性特征的虛擬現(xiàn)實技術(shù)受到廣泛的關(guān)注。技術(shù)的發(fā)展驅(qū)動著教育的發(fā)展，技術(shù)瓶頸的攻克、設(shè)備成本的降低以及沉浸感的提升使得虛擬技術(shù)在教育中的應(yīng)用成為了可能。VR技術(shù)和AR技術(shù)的成熟以及教育領(lǐng)域以學(xué)習(xí)者為中心、強(qiáng)調(diào)教學(xué)體驗以及自適應(yīng)學(xué)習(xí)的迫切需求推動了兩者融合的產(chǎn)物——智能VR/AR教學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)。

VR實現(xiàn)的是一種嶄新的人機(jī)交互狀態(tài)，通過操作虛擬世界中的物體得到視、聽、觸覺等直觀真實的感知。AR通過融合虛擬的物象和現(xiàn)實世界，將真實世界和虛擬世界的信息同時展示出來[1]，能使學(xué)習(xí)者利用3D模型來增強(qiáng)對現(xiàn)實情境的視覺感知能力[2]。

VR/AR教學(xué)可行性問題包含了對教學(xué)模式的思考，經(jīng)過對圖1所示VR/AR教學(xué)問題的分析和研究可以看到，VR/AR教學(xué)通過教學(xué)環(huán)境的虛擬化和教學(xué)時空智能化構(gòu)造，可以使學(xué)習(xí)者從不同視點(diǎn)進(jìn)入虛擬世界，并可以通過使用一定的硬件設(shè)備與虛擬世界進(jìn)行互動實現(xiàn)知識的學(xué)習(xí)[3]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能創(chuàng)設(shè)出真實的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境，以便讓學(xué)習(xí)者在其中進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)[4-6]。它可以為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)更加便利的學(xué)習(xí)任務(wù)和情境，更加具象的表征形式，通過生動的交互體驗，讓學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中觀察、探索和實驗，完成情境化和個性化學(xué)習(xí)，從而大大激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動機(jī)和學(xué)習(xí)興趣[7]。

二、VR/AR教學(xué)思維體系研究

基于VR/AR在教學(xué)中的可行性，通過把教學(xué)問題轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)者對空間的體驗，把邏輯問題進(jìn)行空間化和虛擬化描述來完成教學(xué)、空間和導(dǎo)航的設(shè)計，可以實現(xiàn)學(xué)習(xí)者通過體驗完成空間學(xué)習(xí)的目標(biāo)。這種教學(xué)思維的變化源于VR的體驗特性和AR的疊加定位特性，因此也促進(jìn)了教學(xué)空間的視點(diǎn)和思維體系的巨大變化。

所謂的教學(xué)思維指的是是潛存于教師心理結(jié)構(gòu)中的比較穩(wěn)固的思考教學(xué)問題的模式[8]。受認(rèn)知科學(xué)與哲學(xué)研究具身轉(zhuǎn)向的影響，當(dāng)今教學(xué)思維方式的具身化傾向越來越明顯，教學(xué)的情境化、生成化、動態(tài)化以及教學(xué)研究方式的身體化等越來越成為教學(xué)研究者和一線教師共同的教學(xué)觀念或思維方式[9]。而VR/AR教學(xué)思維的轉(zhuǎn)變則是思維模式的一次大膽變革，本研究提出了多角度和多維的思維方法，同時構(gòu)建了相應(yīng)的思維體系。

（一）內(nèi)部視點(diǎn)與外部視點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)課程（微課、視頻課程等）是以屏幕為分界線，學(xué)習(xí)者是站在第三視點(diǎn)去觀察和聆聽教師的授課，處于不參與、與我相關(guān)性較弱的狀態(tài)。而VR/AR教學(xué)思維的視點(diǎn)則區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，它將學(xué)習(xí)者的視點(diǎn)進(jìn)行了擴(kuò)展，產(chǎn)生了內(nèi)部視點(diǎn)和外部視點(diǎn)的概念，由此也產(chǎn)生了相應(yīng)的思維模式。

內(nèi)部視點(diǎn)引起的思維：在VR教學(xué)中，學(xué)習(xí)者是主人公，他們站在第一視點(diǎn)上去體驗教學(xué)，由里及表去參與教學(xué)，所有的問題都與其相關(guān)，教學(xué)過程不僅是以學(xué)習(xí)者的教學(xué)為中心，更是以學(xué)習(xí)者的感受為中心。

外部視點(diǎn)引起的思維：在AR教學(xué)中，學(xué)習(xí)者則處在第三視點(diǎn)，他們是站在屏幕外由表及里去看待問題，虛擬空間發(fā)生的事件可以與己相關(guān)，也可以無關(guān)。

雙向視點(diǎn)構(gòu)成新的思維模式，通過建立起來的內(nèi)外視點(diǎn)關(guān)系，學(xué)習(xí)者可以隨時在內(nèi)外視點(diǎn)進(jìn)行穿梭，達(dá)到一種內(nèi)外統(tǒng)一的狀態(tài)，從而對問題產(chǎn)生一個直觀的認(rèn)識。視點(diǎn)的出現(xiàn)提高了學(xué)習(xí)者對問題的關(guān)注度。

（二）多維視點(diǎn)

AR視點(diǎn)是四維視點(diǎn)，它允許空間的嵌套。AR是在實空間里看一個虛空間，還可以在虛空間里再看另一個虛空間，于是又出現(xiàn)了一個空間世界即第N+l空間。AR的產(chǎn)生擴(kuò)展了思維，使得問題的討論又多了一個維度，多了一條敘事線和懸念，同樣無形中在外面也多了一個視點(diǎn)源。由于維度的增加，教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)預(yù)期的實現(xiàn)方法都在改變，使得傳統(tǒng)空間下，同一時間只能串行進(jìn)行的事情改造成為了可以并行進(jìn)行的事件，實現(xiàn)了雙思維的運(yùn)行方式。

（三）教學(xué)思維體系

圖2是VR/AR教學(xué)思維導(dǎo)圖，主要包含了VR/AR教學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)于思維所要研究的問題。系統(tǒng)引入了互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)思維，將系統(tǒng)中的每個學(xué)習(xí)者作為獨(dú)立的計算體，使他們在學(xué)習(xí)中能夠共享學(xué)習(xí)空間和學(xué)習(xí)策略。同時VR/AR教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造與傳統(tǒng)的教學(xué)模式完全不同，它利用允許學(xué)習(xí)者親身體驗和參與教學(xué)活動的特點(diǎn)，將互動的現(xiàn)實世界和交互式計算機(jī)生成的世界融合，形成一個完整的教學(xué)環(huán)境[10]。它在系統(tǒng)目標(biāo)、表層設(shè)計和教學(xué)元素的設(shè)計中重點(diǎn)討論了使用VR/AR的場景、程度及其作用，需要完成VR/AR問題類型、情節(jié)、任務(wù)障礙、元素之間的關(guān)系、危險環(huán)境的模擬、實驗內(nèi)容的設(shè)計、意識形態(tài)的表述、邏輯問題的描述等等。而在VR/AR在教學(xué)設(shè)計中，則重點(diǎn)研究的是如何利用VR/AR技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)系統(tǒng)中的交互、反饋、深層次學(xué)習(xí)、沖突、陷阱、通關(guān)、角色、虛擬操作以及情境的模擬[11][12]。

三、VR/AR教學(xué)需求對策模式設(shè)計

根據(jù)教學(xué)的需求和學(xué)習(xí)者的體驗?zāi)芰?，作為教學(xué)心理設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，相應(yīng)給出了不同的教學(xué)需求對策模式（如圖3所示），促使學(xué)習(xí)者積極的參與、沉浸的投入、第一視點(diǎn)的觀察、在不同的模式中和模式的融合中讓學(xué)習(xí)者創(chuàng)造思維，完成體驗式知識填空、自我完善的教學(xué)過程。

金魚設(shè)計模式：以故事為主線的貫穿型教學(xué)設(shè)計，教學(xué)過程不斷在AR空間、VR空間、實空間和講課空間來回穿梭，通過教師的講解和學(xué)習(xí)者的直接體驗，使得教學(xué)內(nèi)容更加真實地呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前。

空間錯位設(shè)計模式：通過提供與原空間不同的空間或截然相反的空間實現(xiàn)反差比對教學(xué)，學(xué)習(xí)者在錯位空間中探尋答案，產(chǎn)生對比性和關(guān)聯(lián)性聯(lián)想，達(dá)到了錯位達(dá)意的目的。

學(xué)科連貫性設(shè)計模式：知識的形態(tài)是按照自然空間和社會空間的自然表象呈現(xiàn)的，因此教學(xué)設(shè)計也要利用空間的相關(guān)性和過渡性弱化學(xué)科概念，實現(xiàn)多學(xué)科融合。

空間連貫性設(shè)計模式：教學(xué)空間的轉(zhuǎn)換設(shè)計必須是無痕跡的，要過渡自然，使學(xué)習(xí)者無法感覺到空間的切換。從而在未來世界和現(xiàn)實空間中隨意進(jìn)行切換學(xué)習(xí)。

假想性設(shè)計模式：教學(xué)空間的設(shè)計允許它的不合理性和假想性存在。尤其是對于一些未知空間的設(shè)計，由于它們充滿了不確定性，需要設(shè)計者大膽地進(jìn)行想象和推理。在這樣的空間中學(xué)習(xí)者可以在對比中進(jìn)行探索，更加增加了他們對知識的認(rèn)知。

復(fù)合型設(shè)計模式：VR/AR本身的設(shè)計要求把復(fù)雜問題簡單化，帶著具體目標(biāo)和任務(wù)，不斷將其分解產(chǎn)生連續(xù)的單體問題，最后將單體問題復(fù)合為復(fù)雜問題的解決過程。

對抗性設(shè)計模式：VR/AR空間是一個事物、學(xué)習(xí)者、虛擬人/物等之間充滿矛盾和沖突的空間，通過矛盾的展示和雙方的博弈、爭論，實現(xiàn)了對抗性設(shè)計模式。

逆向設(shè)計模式：傳統(tǒng)教學(xué)是一條單一的敘事線，教師很難打破固定章節(jié)之間承上啟下的關(guān)系，而VR/AR逆向設(shè)計模式允許學(xué)習(xí)者進(jìn)行逆向探索和思維，去嘗試更多的學(xué)習(xí)情境，可以更明顯地起到對正面思維的襯托和對正面效果的鞏固作用。

發(fā)散收斂模式：這是一種以問題相關(guān)性設(shè)計為導(dǎo)向的思維方式，課程表現(xiàn)要圍繞主線服務(wù)，發(fā)散的程度與教學(xué)形態(tài)或某種思維密切相關(guān)。發(fā)散和主題之間必須具備雙向通道，可以是空間或故事情節(jié)的發(fā)散和收斂。

探究冒險設(shè)計模式：這種設(shè)計模式是最原發(fā)的VR設(shè)計，經(jīng)常被用來在VR空間解決虛擬現(xiàn)實的實驗問題，通過設(shè)定風(fēng)險級別，使學(xué)習(xí)者在直接相關(guān)的強(qiáng)沖突環(huán)境中完成教學(xué)。

聯(lián)想型設(shè)計模式：這種設(shè)計模式提出了VR蒙太奇的概念，根據(jù)空間的變化，使學(xué)習(xí)者在體驗現(xiàn)實與虛擬兩個空間之后進(jìn)行聯(lián)想和對比學(xué)習(xí)。

特殊設(shè)計模式：由于體驗環(huán)境是首次出現(xiàn)或者無法想象的，需要進(jìn)行特質(zhì)空間的重新構(gòu)造，因此是對特定的教學(xué)問題的假設(shè)和為特殊任務(wù)進(jìn)行的空間建構(gòu)。

互聯(lián)網(wǎng)思維教學(xué)設(shè)計模式：將互聯(lián)的共享思維應(yīng)用于空間的構(gòu)造，學(xué)習(xí)者通過共享實現(xiàn)多空間的協(xié)同和融合。利用虛擬空間即時構(gòu)建法還可以根據(jù)實物采集（如傳感器）即時構(gòu)造空間，實現(xiàn)了多屬性空間的重構(gòu)。

期待性設(shè)計模式：這種設(shè)計模式將VR/AR教學(xué)與教育心理學(xué)有機(jī)結(jié)合在一起，通過把復(fù)雜問題分解成若干個小階段，小階段逐步產(chǎn)生小成果，最后合并產(chǎn)生階段性成果及最終成果的過程，讓學(xué)習(xí)者解決問題的同時具有期待感和滿足感。

全局設(shè)計模式：德·彼諾將問題的思維方式分成了六種：總結(jié)性思考、批判性思考、積極性思考、直覺性思考、客觀性思考和探索性思考[13]。VR/AR教學(xué)設(shè)計中，針對學(xué)習(xí)者的不同，可以為其提供相應(yīng)的啟發(fā)思考策略，從而使其通過這幾種思維方式的遞進(jìn)順序解決問題。

多屏幕設(shè)計模式：根據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，系統(tǒng)是由超系統(tǒng)、當(dāng)前系統(tǒng)和多個子系統(tǒng)構(gòu)成的，教學(xué)設(shè)計要能使學(xué)習(xí)者在這三類系統(tǒng)得到體驗，同時還能將系統(tǒng)切換到過去和未來的情境中，使那些難以想象的場景得到真實的體現(xiàn)。

觸及底線設(shè)計模式：教學(xué)設(shè)計中對教學(xué)情境和教學(xué)方法的設(shè)計要敢于觸及底線，包括觸及心理底線、道德底線、矛盾底線、恐懼底線、想象底線、視覺底線、沖突底線等等，通過大膽地將學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，為他們還原一種最真實的學(xué)習(xí)情境。

四、VR/AR教學(xué)體系架構(gòu)設(shè)計

本研究針對VR/AR教學(xué)需求設(shè)計了其體系架構(gòu)，主要描述了直接構(gòu)成VR/AR教學(xué)系統(tǒng)的抽象組件，其中包含VR/AR教學(xué)研究架構(gòu)、VR/AR教學(xué)設(shè)計及教學(xué)策略架構(gòu)和VR/AR教育資源工程架構(gòu)，具體研究內(nèi)容如圖4所示。

（一）VR/AR教學(xué)研究架構(gòu)

VR/AR教學(xué)研究架構(gòu)主要構(gòu)建的是教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)思維、教學(xué)體驗和學(xué)習(xí)體系，其中包括教學(xué)設(shè)計目標(biāo)及教學(xué)設(shè)計原則的研究，VR/AR教學(xué)表現(xiàn)形態(tài)、教學(xué)方法、教學(xué)思維、教學(xué)交互方式、教學(xué)立場的轉(zhuǎn)變研究.教學(xué)空間的設(shè)計和轉(zhuǎn)換研究，VR/AR教學(xué)技術(shù)類型轉(zhuǎn)換研究，以知識體驗為核心的學(xué)習(xí)體系的構(gòu)建以及VR/AR教學(xué)沉浸式體驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建。

（二）VR/AR教學(xué)設(shè)計及教學(xué)策略架構(gòu)

VR/AR教學(xué)設(shè)計及教學(xué)策略架構(gòu)設(shè)計包含了VR/AR教學(xué)設(shè)計思想、教學(xué)設(shè)計模式、教學(xué)方法設(shè)計和教學(xué)策略設(shè)計。其中VR/AR教學(xué)設(shè)計思想包含了系統(tǒng)的視點(diǎn)設(shè)計，即站在由表及里和由里及表的視點(diǎn)，通過多條敘事線、多屏幕設(shè)計的模式以及全局設(shè)計等等多種模式對系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。VR/AR教學(xué)針對不同情境利用各種教學(xué)方法和教學(xué)策略的設(shè)計實現(xiàn)了多種教學(xué)設(shè)計模式，使系統(tǒng)能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的特性為其提供最優(yōu)的策略路徑。

（三）VR/AR教育資源工程架構(gòu)

VR/AR教育資源工程架構(gòu)主要站在軟件工程的角度，將VR/AR教育視為一種資源工程，從系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)測試等角度完成對其整體的構(gòu)建。主要包括VR/AR對象分析、VR/AR沖突層分析、VR/AR表現(xiàn)層分析、VR/AR教學(xué)概要設(shè)計、VR/AR功能設(shè)計和VR/AR資源測試。

五、VR/AR智能虛擬教學(xué)控制物理模型構(gòu)建

所謂系統(tǒng)物理模型是指描述系統(tǒng)“如何做”“如何實現(xiàn)”的物理過程。而在VR/AR智能虛擬教學(xué)控制系統(tǒng)中，它的物理模型更加強(qiáng)調(diào)智能化反饋控制過程的實現(xiàn)，通過教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘?qū)雍徒虒W(xué)策略調(diào)整層，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)策略調(diào)整，從而達(dá)到智能控制的目的。在VR/AR教學(xué)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，本研究構(gòu)建了其物理模型，如下頁圖5所示，描述了學(xué)習(xí)者如何從物理基礎(chǔ)層開始，在系統(tǒng)自適應(yīng)策略的引導(dǎo)下逐層向上進(jìn)行VR/AR空間學(xué)習(xí)。

（一）VR/AR基礎(chǔ)層

VR/AR基礎(chǔ)層是整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，為系統(tǒng)提供了支撐平臺和基礎(chǔ)設(shè)備。學(xué)習(xí)者可以利用多種設(shè)備進(jìn)入虛擬平臺空間，虛擬平臺可以是單一的VR平臺或AR平臺，也可以是多個VR平臺和AR平臺嵌套形成的復(fù)雜虛擬平臺，平臺具有回饋控制功能，所有在平臺中完成的教學(xué)行為都會被記憶、訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，在反饋機(jī)制的作用下不斷更新平臺中現(xiàn)有的策略庫和規(guī)則庫，從而使虛擬平臺具有更強(qiáng)的智能性。

（二）VR/AR空間層

VR/AR空間層包含了系統(tǒng)的各種學(xué)習(xí)空間，包括VR直接交互空間、AR疊加空間、形態(tài)空間以及虛實交錯空間。這些空間根據(jù)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)劃分可以分為同構(gòu)同質(zhì)、異構(gòu)同質(zhì)、同構(gòu)異質(zhì)和異構(gòu)異質(zhì)四種。除此之外，VR空間還反映了人/故事與空間的承載關(guān)系，它們之間包含了1：1、1：N、N：l、N：N四種關(guān)系。即一人一空間、一人多空間、多人一空間、多人多空間、一故事一空間、一故事多空間、多故事一空間、多故事多空間。在空間中，學(xué)習(xí)者通過固定導(dǎo)航、自適應(yīng)導(dǎo)航和創(chuàng)意導(dǎo)航等多種方式完成自身的學(xué)習(xí)過程。

（三）VR/AR邏輯層

VR/AR邏輯層實現(xiàn)的是根據(jù)學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)和需求，進(jìn)入到虛擬空間，完成方法、過程及技能的學(xué)習(xí)[14]。

空間引入分為邏輯引入和物理引入兩種。邏輯引入相當(dāng)于故事引入、情節(jié)引入，是指進(jìn)入故事情節(jié)視點(diǎn)空間的方式。AR引入則是物理引入，是指進(jìn)入虛擬世界的方式。操作觸發(fā)的引入也是一種物理引入，指的是點(diǎn)擊觸控鍵進(jìn)入空間漫游的方式。

形態(tài)則主要指的是在虛擬空間中需要掌握的某種技能，其中包含：

方法形態(tài)：方法形態(tài)指的是整個學(xué)習(xí)過程是對方法的體驗，是在訓(xùn)練一個方法，使學(xué)習(xí)者掌握和體驗這種方法。

意識形態(tài)：是指在空間體驗?zāi)撤N虛擬的精神。

過程形態(tài)：著重于各種事件的解決過程和發(fā)現(xiàn)問題、探索問題的過程。

技能操控：主要是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)空間進(jìn)行的技能體驗，體驗分為不同的級別和難度，以及對各種工具的操控體驗。

（四）教學(xué)策略層

教學(xué)策略層包含了教學(xué)中常用的教學(xué)手段和方法，允許通過設(shè)置懸念和陷阱，使學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)空間充滿了好奇，結(jié)合多條敘事線的展開，學(xué)習(xí)者不斷在漫游中探究，在不同場景的切換和不同敘事過程中，通過與合作者及挑戰(zhàn)者之間的沖突展開，完成對知識的探究和學(xué)習(xí)[15]。

（五）教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘?qū)?/p>

教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘是指運(yùn)用教育學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)和統(tǒng)計學(xué)等多個學(xué)科的理論和技術(shù)來解決教育研究與教學(xué)實踐中的問題，挖掘出有價值的信息，以幫助教師更好地理解學(xué)習(xí)者，并改善他們所學(xué)習(xí)的環(huán)境[16]。教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘的主要目標(biāo)包括：預(yù)測學(xué)習(xí)發(fā)展趨勢，提出教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模型的改進(jìn)優(yōu)化建議，促進(jìn)有效學(xué)習(xí)[17]。VR/AR教育系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘主要采集的是學(xué)習(xí)者導(dǎo)航路徑、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)動作和學(xué)習(xí)痕跡。通過對這些內(nèi)容進(jìn)行分析挖掘，得出學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)軌跡之間的關(guān)系并構(gòu)造出最佳學(xué)習(xí)路徑，通過不斷反饋調(diào)整，實現(xiàn)系統(tǒng)對學(xué)習(xí)者的自適應(yīng)導(dǎo)航。

（六）教學(xué)策略調(diào)整層

教學(xué)策略調(diào)整層主要的功能是構(gòu)造系統(tǒng)相關(guān)的智能策略。包括空間自適應(yīng)策略、學(xué)習(xí)者個性化策略和智能應(yīng)對策略等，主要是能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的特征自動完成其學(xué)習(xí)策略的調(diào)整，實現(xiàn)最優(yōu)策略的推薦。

六、VR/AR個性化智能虛擬教學(xué)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

VR/AR教學(xué)系統(tǒng)是一個自適應(yīng)的智能教學(xué)控制反饋系統(tǒng)，它利用自身的多個部件和數(shù)據(jù)存儲機(jī)制實現(xiàn)了物理模型中各層的功能，具體的對應(yīng)關(guān)系和各部分之間的關(guān)系如下頁圖6所示。

學(xué)習(xí)者根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)通過VR或AR的方式進(jìn)入到相應(yīng)的VR/AR空間，在空間中根據(jù)自身對知識的掌握程度可以選擇不同的學(xué)習(xí)方式，系統(tǒng)可以記錄下來學(xué)習(xí)者的全部學(xué)習(xí)軌跡和學(xué)習(xí)動作，通過分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為，選擇適合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)路徑，從而產(chǎn)生自適應(yīng)的學(xué)習(xí)模式和學(xué)習(xí)策略，同時將這些模式和策略反饋到系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)行為記錄部件，用以不斷更新和擴(kuò)大相應(yīng)的行為規(guī)則庫。通過不斷訓(xùn)練的學(xué)習(xí)過程，系統(tǒng)將會產(chǎn)生大量的學(xué)習(xí)規(guī)則，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，為自適應(yīng)的學(xué)習(xí)控制和導(dǎo)航策略的產(chǎn)生提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

（一）VR/AR空間進(jìn)入

學(xué)習(xí)者進(jìn)入學(xué)習(xí)空間的方式有兩種：直接方式和間接方式。直接方式是指通過輸入端機(jī)直接進(jìn)入VR學(xué)習(xí)空間。而進(jìn)入AR空間需要采用間接方式，首先通過手機(jī)端等尋找學(xué)習(xí)目標(biāo)，經(jīng)過定位部件進(jìn)行特征抽取，找到唯一目標(biāo)并對其進(jìn)行解釋，通過疊加部件實現(xiàn)虛擬空間和實體空間的疊加，從而進(jìn)入AR空間。

（二）VR/AR空間轉(zhuǎn)換

學(xué)習(xí)空間包含了VR學(xué)習(xí)空間、AR學(xué)習(xí)空間和實體學(xué)習(xí)空間。VR學(xué)習(xí)空間在教學(xué)中的主要作用是用來展示教學(xué)過程和教學(xué)對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是一種虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境;而AR學(xué)習(xí)空間則可以通過虛擬空間和實體空間的疊加產(chǎn)生多條敘事線和敘事懸念。虛擬空間承載的空間類型可以嵌套，即可以是VR空間里嵌套VR空間，也可以VR空間中用AR進(jìn)行疊加再進(jìn)行嵌套等等，空間之間是融合的，其關(guān)系圖如圖7、圖8所示。

依據(jù)教學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)空間的設(shè)置，可以是以沖突為導(dǎo)向的，如教學(xué)中的正方和反方，也可以是以問題為核心的，如需要解決一個問題所要排除的各種困難。通過使學(xué)習(xí)者在實體、虛體和AR疊加空間之間進(jìn)行漫游，去認(rèn)知、感知和探索，同時不斷記錄個人學(xué)習(xí)的行為和方式，不斷調(diào)整相應(yīng)的學(xué)習(xí)策略，使空間更加優(yōu)化、個性化和通用化，使教學(xué)隨著人群的不同會分類產(chǎn)生不同的、與行為配套的完整的教學(xué)空間體系。

（三）教學(xué)規(guī)則存儲

教學(xué)規(guī)則是自適應(yīng)學(xué)習(xí)路徑生成的基礎(chǔ)保障，通過教學(xué)規(guī)則的匹配，可以判斷學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動狀態(tài)并進(jìn)行智能策略調(diào)整，從而實現(xiàn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)路徑、學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)導(dǎo)航的最優(yōu)組合。教學(xué)規(guī)則通常被存儲在一些數(shù)據(jù)庫中，其中包括：

講解課程庫：存儲了整個學(xué)習(xí)環(huán)境中涉及到的所有知識點(diǎn)的講解，是VR/AR教學(xué)的基礎(chǔ)，扮演的是教師的角色。學(xué)習(xí)者在漫游學(xué)習(xí)中對知識的掌握都是通過講解課程庫中的定位講解實現(xiàn)的，它與學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊學(xué)習(xí)的問題同步，可以通過多種媒體形式對問題進(jìn)行闡釋。

學(xué)習(xí)行為構(gòu)造元素庫：也稱為構(gòu)件庫，存儲的是學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)造的各種基本構(gòu)件。虛擬空間最大的特點(diǎn)是真實性，因此環(huán)境的構(gòu)造需要大量的構(gòu)件來模擬。構(gòu)造元素之間還可以通過疊加產(chǎn)生更加復(fù)雜的構(gòu)件。

知識關(guān)聯(lián)規(guī)則庫：關(guān)聯(lián)知識是反映一個事物和其他事物之間依賴或相互關(guān)聯(lián)的知識。如果兩項或多項屬性之間存有關(guān)聯(lián)，那么其中一項的屬性值就可以依據(jù)其他屬性值進(jìn)行預(yù)測。在VR/AR教學(xué)系統(tǒng)中，知識關(guān)聯(lián)規(guī)則庫中存儲了大量與課程相關(guān)的知識屬性，通過不斷挖掘回饋可以豐富知識屬性之間的關(guān)聯(lián)，通過置信度、重要性等指標(biāo)可以判斷規(guī)則的有用性和重要程度。知識關(guān)聯(lián)規(guī)則庫與講解課程庫相配合，可以實現(xiàn)知識的智能推薦學(xué)習(xí)。

虛擬人物行為庫：在智能虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，為了更逼真地模仿真實世界，并使得參加的學(xué)習(xí)者具有沉浸虛擬感，需要在虛擬世界中加入有生命的對象（虛擬人或動物）[18][19]。學(xué)習(xí)者通常用一個用戶化身來表示，在漫游學(xué)習(xí)過程中，用戶化身可以和場景中的對象進(jìn)行交互。

學(xué)習(xí)行為規(guī)則庫：記錄了學(xué)習(xí)者對知識學(xué)習(xí)的過程中的一些限制規(guī)則，例如知識的先序后序、知識的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。

學(xué)習(xí)導(dǎo)航策略庫：VR/AR教學(xué)系統(tǒng)要根據(jù)所學(xué)知識含有導(dǎo)航策略，根據(jù)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)知識的順序進(jìn)行知識及路徑的推薦，引導(dǎo)他們選擇合適的學(xué)習(xí)路徑。可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知程度決定是否給他們進(jìn)行講解，原則上知識的講解與學(xué)習(xí)者的點(diǎn)擊是同步進(jìn)行的。

學(xué)習(xí)空間轉(zhuǎn)換規(guī)則庫：記錄了VR空間、AR空間和實空間之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，即這些空間何時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，哪些空間需要轉(zhuǎn)換以及如何進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得學(xué)習(xí)者在進(jìn)行漫游時系統(tǒng)可以根據(jù)其學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)內(nèi)容依據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則自動進(jìn)行空間切換。

（四）教學(xué)策略生成

教學(xué)策略的生成包含了策略、行為和導(dǎo)航的生成部件，它們通過讀取相應(yīng)規(guī)則庫中的數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)者分析，從而為系統(tǒng)提供智能的教學(xué)策略。

虛擬學(xué)習(xí)生成部件：主要記錄的是學(xué)習(xí)者對課程學(xué)習(xí)的相關(guān)活動，包括虛擬人/物的軌跡和學(xué)習(xí)者的軌跡。學(xué)習(xí)者進(jìn)入系統(tǒng)之后開始找出路徑進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過不斷的漫游，系統(tǒng)記錄下來學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)路徑、虛擬對象的行為、學(xué)習(xí)者應(yīng)對的策略和應(yīng)對的行動等等，包括學(xué)習(xí)者點(diǎn)擊的構(gòu)件類型、點(diǎn)擊次數(shù)、路徑回退等。

虛擬人/物行為產(chǎn)生部件：虛擬人/物行為的產(chǎn)生和教學(xué)策略難度有關(guān)，系統(tǒng)根據(jù)不同的導(dǎo)航路徑會設(shè)計出不同的人/物，如在通關(guān)學(xué)習(xí)中，系統(tǒng)會設(shè)計正方反方、協(xié)作方敵對方等等人/物，反方人/物的動作、難度、行為等一定要根據(jù)學(xué)習(xí)者的成熟度和選擇的學(xué)習(xí)級別而改變，總是讓他不斷適應(yīng)學(xué)習(xí)者的技能特征。虛擬人/物與學(xué)習(xí)者可以是相互配合學(xué)習(xí)的關(guān)系，也可以是與學(xué)習(xí)者對立或者攻擊的關(guān)系，主要作用就是與學(xué)習(xí)者進(jìn)行交互，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的自適應(yīng)度不斷進(jìn)行人物、空間和路徑的調(diào)整。

學(xué)習(xí)行為策略部件：學(xué)習(xí)行為策略要根據(jù)學(xué)習(xí)者情況不斷調(diào)整和改變，如是否要增加可選擇路徑，是否要加大對學(xué)習(xí)者的獎勵等，要根據(jù)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)中體現(xiàn)的疲勞程度、年齡程度和對空間的依戀程度進(jìn)行評價，要根據(jù)曾經(jīng)的學(xué)習(xí)成績、學(xué)習(xí)情況進(jìn)行相應(yīng)難度和系數(shù)的調(diào)整，最終目標(biāo)就是能夠使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生空間的移情和對虛擬教學(xué)空間的迷戀。

自適應(yīng)導(dǎo)航部件：學(xué)習(xí)者在漫游中選擇的人口可能是隨意的，但在漫游的過程中，為了實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，同時考慮到知識的承上啟下性或鋪墊性，系統(tǒng)會不斷根據(jù)由教師和曾經(jīng)的知識庫建立起的知識關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行最優(yōu)路徑選擇，不斷完善導(dǎo)航的路徑，形成新的自適應(yīng)導(dǎo)航。VR的自適應(yīng)導(dǎo)航是教學(xué)設(shè)計的關(guān)鍵，它不斷學(xué)習(xí)、不斷總結(jié)，為大數(shù)據(jù)挖掘提供了數(shù)據(jù)來源。導(dǎo)航可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知程度，給出學(xué)習(xí)步驟詳略不一的學(xué)習(xí)路徑。對于對知識掌握程度好的同學(xué)，學(xué)習(xí)的路徑比較粗略，更多地是讓他自己進(jìn)行創(chuàng)新性路徑探索，導(dǎo)航的功能只是一種補(bǔ)充學(xué)習(xí)。而對于知識掌握程度一般的同學(xué)則會給出比較詳細(xì)的學(xué)習(xí)路徑導(dǎo)航，對學(xué)習(xí)路徑中知識的講解也更加細(xì)致。

VR空間建構(gòu)部件：是整個VR/AR系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)，它與底層的學(xué)習(xí)行為構(gòu)造元素庫對應(yīng)。VR空間設(shè)計就是教學(xué)中的環(huán)境設(shè)計，包括路徑選擇、路徑探索、解決跨越障礙的方法等。VR構(gòu)造的空間是主體空間，其構(gòu)造需要考慮多種因素，如學(xué)習(xí)者年齡、職業(yè)、專業(yè)等，設(shè)計的空間可以按照構(gòu)造的級別，讓其具有適應(yīng)性，比如根據(jù)難度可以減少障礙物或者加大復(fù)雜度等。

（五）教學(xué)活動記錄

教學(xué)活動記錄包含了教學(xué)中學(xué)習(xí)者和虛擬對象的活動記錄，這些數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)挖掘部件，可以為策略調(diào)整提供有效的依據(jù)。

自適應(yīng)導(dǎo)航記錄庫：自適應(yīng)導(dǎo)航記錄庫記錄的數(shù)據(jù)反映了學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的成熟度，反映了他對知識的理解程度。為了確定下一步學(xué)習(xí)路徑，這就要求系統(tǒng)構(gòu)件必須要有明確的含義，讓學(xué)習(xí)者可以自主進(jìn)行路徑選擇。

虛擬對象行為記錄庫：記錄了VR/AR空間中虛擬人/物的行為，可以是配合學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的行為，也可以是阻礙學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的行為。

學(xué)習(xí)策略記錄庫：記錄了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)各種策略。

學(xué)習(xí)者活動痕跡記錄庫：學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的過程中會根據(jù)自身的適應(yīng)情況進(jìn)行多次策略調(diào)整，但這種調(diào)整可能是沒有規(guī)律的，系統(tǒng)需要找出他曾經(jīng)走過的最正確的路徑，軌跡行為的記錄可以實現(xiàn)最優(yōu)路徑的選擇。軌跡行為可以是漫游行走，還可以是各種操控，如按下按鈕等，另外，在虛擬空間的交互語音也是行為軌跡的重要組成部分。

（六）教學(xué)策略調(diào)整

教學(xué)策略調(diào)整部件是整個系統(tǒng)反饋控制的核心，系統(tǒng)通過記錄學(xué)習(xí)者在虛擬空間所進(jìn)行的活動、所完成的導(dǎo)航以及對虛擬對象行為的記錄，通過分析挖掘，找出不同教學(xué)對象的最優(yōu)教學(xué)策略，通過反饋給系統(tǒng)中各個部件，完成對相關(guān)規(guī)則庫和策略庫的調(diào)整，經(jīng)過多次的閉環(huán)反饋控制，找到系統(tǒng)的最優(yōu)解，最終達(dá)到對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供最優(yōu)自適應(yīng)導(dǎo)航的目的。

七、結(jié)束語

教育思維的轉(zhuǎn)變引起了教學(xué)方法、手段、環(huán)境等一系列變化。VR/AR的引入改變了傳統(tǒng)的教學(xué)思維，增加了審視教學(xué)問題及教學(xué)質(zhì)量控制問題的維度，使得智能體驗式學(xué)習(xí)成為了現(xiàn)實。本團(tuán)隊經(jīng)過多年對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，首次提出基于體驗學(xué)習(xí)的VR/AR教學(xué)智能控制思想，將VR/AR教育理論和VR/AR系統(tǒng)控制論進(jìn)行融合，按照虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)工程設(shè)計思想提出分層設(shè)計，通過VR/AR汽車工程課程深度虛擬學(xué)習(xí)的多年實踐教學(xué)經(jīng)驗，歸納、析取、總結(jié)出了VR/AR教學(xué)體系，提出了內(nèi)部視點(diǎn)、外部視點(diǎn)和多維視點(diǎn)等新概念以及系統(tǒng)架構(gòu)模型、物理分析模型、向工業(yè)控制過程靠近的多元因素閉環(huán)控制模型等新框架，體現(xiàn)了人工智能控制和大數(shù)據(jù)挖掘的思想，找到了對教學(xué)質(zhì)量控制的回路，簡化了教育工程的復(fù)雜度，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)了以學(xué)習(xí)者為中心的智能化學(xué)習(xí)，為學(xué)習(xí)者提供了一個更真實的體驗空間和自適應(yīng)的智能學(xué)習(xí)空間。該研究印證了VR/AR是目前體驗最深、獲得學(xué)習(xí)痕跡最全并能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘控制的教學(xué)模式，它將會是未來智能教育的重要研究方向，對于引發(fā)教育控制論對深度學(xué)習(xí)的思考和研究具有重要意義。

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