3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘分析與應(yīng)用實證研究

唐曉鳳

摘? ?要：為更好地開展體驗式學(xué)習(xí)、情境化學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)，3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)運而生。3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境以其深度沉浸感、遠程或面對面的交互性以及高保真度而深受大學(xué)生喜愛。為進一步建設(shè)和完善3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，除建設(shè)3D課程資源外，更需對3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的教學(xué)資源、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)評價等數(shù)據(jù)進行收集、挖掘和分析。本文基于3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，對此環(huán)境中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行挖掘分析，并進行建模和分析，最后進行實證研究。

關(guān)鍵詞：3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境;數(shù)據(jù)挖掘分析;應(yīng)用實證研究;教育大數(shù)據(jù)

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2019）15-0045-03

一、3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的定義與特征

2018年3月，在第三屆中美智慧教育大會上，中國工程院院士趙沁平提出VR將在多媒體和計算機教學(xué)之后重新改造人們的學(xué)習(xí)方式，虛擬現(xiàn)實技術(shù)從3I（沉浸感、交互性、構(gòu)造性）向4I（沉浸感、交互性、構(gòu)造性和智能化）轉(zhuǎn)變。[1]

3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境是計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)和傳感技術(shù)與當(dāng)代教育深度融合的產(chǎn)物。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為學(xué)生提供體驗虛擬現(xiàn)實的真實環(huán)境、遠程或面對面的交互協(xié)作環(huán)境、進行各種實驗假設(shè)的環(huán)境，為開展體驗式學(xué)習(xí)、情境化學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)以及協(xié)作學(xué)習(xí)等創(chuàng)造了更優(yōu)越的條件。

國內(nèi)外學(xué)者對3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境特征的研究有各自不同的側(cè)重點。國外，Barney等學(xué)者強調(diào)3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中各對象之間的交互性;[2]Danei等學(xué)者強調(diào)3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的沉浸感特征;[3]Jonathan、Hedberg等強調(diào)3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的沉浸感、高保真度以及高創(chuàng)造度等。[4]國內(nèi)，王雪燕等強調(diào)3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的情境化教學(xué)特征;[5]于新國學(xué)者強調(diào)3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的寓教于樂的特征;[6]劉革平等則強調(diào)3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的高體驗性和高交互性等特征。[7]總的來說，3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的顯著特征主要有沉浸感、高保真度、高體驗度、高交互性、高創(chuàng)造度等，同時3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境不僅給教育提供了新的教育資源，更為教育提供了新的教育環(huán)境和新的教育平臺。

二、3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘分析

1.3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘分析的主要內(nèi)容

3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的課程資源作為數(shù)字化教學(xué)資源中的一種，以其立體化、交互性、智能化和直觀性等顯著特征而得到了廣泛的應(yīng)用。從建構(gòu)主義理論來說，3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境課程資源體現(xiàn)了以學(xué)習(xí)者為中心的新型的教育教學(xué)理念;從夸美紐斯的直觀教學(xué)理論來說，3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境課程資源能模擬現(xiàn)實，給學(xué)生帶來更直觀的體驗，給視覺帶來強大的沖擊力，不僅能增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更便于理解;從情境認知理論來說，3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境課程資源體現(xiàn)了情境化學(xué)習(xí)的意境，具有真實性，不僅能增強學(xué)生學(xué)習(xí)的好奇心，更方便學(xué)生實現(xiàn)知識的遷移;從情緒心理學(xué)理論來說，3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境課程資源不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、消除消極厭學(xué)的情緒，更能促使學(xué)生發(fā)揮主觀能動性、主動思考問題、真正熱愛學(xué)習(xí)。[8][9]

3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境使教與學(xué)都發(fā)生了顛覆性的變化，在3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中會產(chǎn)生大量的教育數(shù)據(jù)，包括課前、課中、課后大數(shù)據(jù)。其中課前產(chǎn)生的教育大數(shù)據(jù)主要有學(xué)習(xí)者特征數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動機數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)者預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)等;課中產(chǎn)生的教育大數(shù)據(jù)主要有理論教學(xué)互動數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)理論行為數(shù)據(jù)、3D課程資源使用數(shù)據(jù)以及課堂實時測評數(shù)據(jù);課后產(chǎn)生的教育大數(shù)據(jù)主要有3D仿真實驗數(shù)據(jù)、教學(xué)反思數(shù)據(jù)、教學(xué)測評數(shù)據(jù)等。

通過對3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中海量數(shù)據(jù)的收集、挖掘和分析，掌握教師的教學(xué)現(xiàn)狀和學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，分析其中內(nèi)在的規(guī)律和關(guān)聯(lián)性，為進一步建設(shè)和完善3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境提供大數(shù)據(jù)支撐。

2.3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘分析的整體思路和框架

3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘分析主要是針對學(xué)生在3D虛擬環(huán)境下的學(xué)習(xí)行為進行數(shù)據(jù)建模，對學(xué)生學(xué)業(yè)成績及學(xué)習(xí)趨勢進行預(yù)測，其重點是采用多因子分析法、相關(guān)性分析法、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析法以及多元回歸分析法，分析3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)過程中的各種影響因素、各種學(xué)習(xí)行為以及各類學(xué)習(xí)結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)和規(guī)律性，最終形成3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘分析的整體框架。3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘分析框架如圖1所示。

從數(shù)據(jù)挖掘分析框架圖中可看出，課前、課中、課后的數(shù)據(jù)之間是具備關(guān)聯(lián)性的，課前產(chǎn)生的數(shù)據(jù)影響著學(xué)習(xí)者的預(yù)習(xí)數(shù)據(jù)，課中產(chǎn)生的大量學(xué)習(xí)行為、資源使用以及互動情況數(shù)據(jù)直接影響著課堂實時測評數(shù)據(jù)，課后參與仿真實驗的數(shù)據(jù)以及教學(xué)反思的數(shù)據(jù)直接影響著教學(xué)測評的數(shù)據(jù)，教學(xué)測評的數(shù)據(jù)為預(yù)測學(xué)業(yè)成績數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)。

三、3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)建模與分析方法

1.3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)建模與分析的思路

2012年，美國教育部發(fā)布的ET L-EDM LA報告提出了教育領(lǐng)域中的四類數(shù)據(jù)建模方法，即知識建模、領(lǐng)域建模、行為建模和經(jīng)歷建模，四類分析方法，即學(xué)習(xí)者分析、組件分析、自適應(yīng)分析和趨勢分析。[10]結(jié)合3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的特征，其數(shù)據(jù)建模與分析的基本思路如下：

（1）學(xué)習(xí)者知識建模：依據(jù)學(xué)習(xí)者的認知基礎(chǔ)知識、已有的技能基礎(chǔ)知識以及過程性知識，構(gòu)建學(xué)習(xí)者知識模型。

（2）學(xué)習(xí)者領(lǐng)域模型：依據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)曲線、數(shù)據(jù)，探索課程知識點的選擇以及教學(xué)順序等，構(gòu)建學(xué)習(xí)者領(lǐng)域知識模型。

（3）學(xué)習(xí)者經(jīng)歷模型：依據(jù)學(xué)習(xí)者對課程學(xué)習(xí)資源的選擇、學(xué)習(xí)的行為數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)感受等構(gòu)建學(xué)習(xí)者體驗?zāi)Ｐ汀?/p>

（4）學(xué)習(xí)者行為建模：依據(jù)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)行為，探索學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)結(jié)果之間的關(guān)系，構(gòu)建學(xué)習(xí)者行為模型。

（5）學(xué)習(xí)者分析：主要對學(xué)習(xí)者課前、課中和課后的學(xué)習(xí)行為進行分析。

（6）組件分析：主要對學(xué)習(xí)者課程學(xué)習(xí)資源的表現(xiàn)形式和學(xué)習(xí)內(nèi)容的序列進行分析。

（7）自適應(yīng)分析：主要對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)影像因素進行調(diào)整，為個性化學(xué)習(xí)的開展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（8）趨勢分析：主要用于預(yù)測學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)結(jié)果之間的相互關(guān)系。

2.3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)建模與分析模型

在3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下，可建立四類分析模型——基于學(xué)習(xí)者課前、課中、課后學(xué)習(xí)行為影響因素分析模型，基于學(xué)習(xí)者課前、課中、課后學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)性分析模型，基于學(xué)習(xí)者課前、課中、課后學(xué)習(xí)預(yù)測分析模型以及基于學(xué)習(xí)者3D仿真實驗分析模型?；趯W(xué)習(xí)者課前、課中、課后學(xué)習(xí)行為影響因素分析模型利用多因素分析法分析課前、課中、課后影響學(xué)習(xí)行為的因素，挖掘影響學(xué)習(xí)行為的主要因素。基于學(xué)習(xí)者課前、課中、課后學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)性分析模型主要是利用關(guān)聯(lián)分析法分析課前、課中、課后學(xué)習(xí)行為之間的關(guān)聯(lián)性，挖掘課前、課中、課后學(xué)習(xí)行為之間的關(guān)聯(lián)點?；趯W(xué)習(xí)者課前、課中、課后學(xué)習(xí)預(yù)測分析模型是利用多元回歸分析法分析課前預(yù)習(xí)分析數(shù)據(jù)、課中實時測評數(shù)據(jù)以及課后學(xué)業(yè)測評成績數(shù)據(jù)，挖掘課前、課中、課后測評數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)成績之間的規(guī)律，還可預(yù)測學(xué)生的學(xué)業(yè)成績等?；趯W(xué)習(xí)者3D仿真實驗分析模型主要是利用比較平均值分析法分析學(xué)習(xí)者課后完成3D仿真實驗和普通實驗之間的區(qū)別，挖掘3D仿真實驗對學(xué)習(xí)結(jié)果的影響數(shù)據(jù)，預(yù)測3D仿真實驗對學(xué)業(yè)成績的影響程度?；趯W(xué)習(xí)者3D仿真實驗分析模型如圖2 所示。

通過比較平均值分析法，分析學(xué)生完成普通實驗和3D仿真實驗的區(qū)別，通過比較對比分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行平均值和獨立樣本T檢驗，最終挖掘3D仿真實驗對學(xué)業(yè)成績的影響度，預(yù)測學(xué)習(xí)者課程的學(xué)業(yè)成績。

四、3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘分析實證研究

以學(xué)生是否完成3D仿真實驗對學(xué)業(yè)成績的影響分析為例，選取湖南某高校3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)者問卷調(diào)查的真實數(shù)據(jù)，涉及人數(shù)100人，其中50人完成3D仿真實驗，50人完成普通實驗，分別從體驗維度、探究維度、交互維度、個性化維度和滿足感維度進行統(tǒng)計。根據(jù)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，利用SPSS 22應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進行分析，采用獨立樣本T檢驗方法對學(xué)習(xí)者實驗過程的各個維度進行分析，3D仿真實驗和普通實驗組獨立樣本T檢驗結(jié)果如圖3所示。

圖中a代表完成3D仿真實驗的50位學(xué)習(xí)者的數(shù)據(jù)，b代表完成普通實驗的50位學(xué)習(xí)者的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，完成3D仿真實驗的學(xué)習(xí)者在體驗維度、探究維度、交互維度、個性化維度以及滿足感維度明顯優(yōu)于完成普通實驗的學(xué)習(xí)者。數(shù)據(jù)分析表明，3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境因其獨特的優(yōu)勢深受廣大學(xué)習(xí)者的熱愛，學(xué)習(xí)效果顯著，其必將推動“互聯(lián)網(wǎng)+”教育事業(yè)的進一步發(fā)展。

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（編輯：王天鵬）