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

唐曉鳳

（永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 425000）

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(huì)上，中國(guó)工程院院士趙沁平提出VR 將在多媒體和計(jì)算機(jī)教學(xué)之后重新改造人們的學(xué)習(xí)方式，虛擬現(xiàn)實(shí)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(jì)算機(jī)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(shí)技術(shù)，為學(xué)生提供體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)環(huán)境、遠(yuǎn)程或面對(duì)面的交互協(xié)作環(huán)境、進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)假設(shè)的環(huán)境，為開(kāi)展體驗(yàn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(diǎn)。國(guó)外，Barney 等學(xué)者強(qiáng)調(diào)3D 虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中各對(duì)象之間的交互性；[2]Danei 等學(xué)者強(qiáng)調(diào)3D 虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的沉浸感特征；[3]Jonathan、Hedberg 等強(qiáng)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(guó)內(nèi)，王雪燕等強(qiáng)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(guó)學(xué)者強(qiáng)調(diào)3D 虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的寓教于樂(lè)的特征；[6]劉革平等則強(qiáng)調(diào)3D 虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的高體驗(yàn)性和高交互性等特征。[7]總的來(lái)說(shuō)，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(yàn)度、高交互性、高創(chuàng)造度等，同時(shí)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(tái)。

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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，3D虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境課程資源能模擬現(xiàn)實(shí)，給學(xué)生帶來(lái)更直觀的體驗(yàn)，給視覺(jué)帶來(lái)強(qiáng)大的沖擊力，不僅能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更便于理解；從情境認(rèn)知理論來(lái)說(shuō)，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(shí)性，不僅能增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的好奇心，更方便學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移；從情緒心理學(xué)理論來(lái)說(shuō)，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(dòng)性、主動(dòng)思考問(wèn)題、真正熱愛(ài)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(huì)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(dòng)機(jī)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(dòng)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(shí)時(shí)測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)；課后產(chǎn)生的教育大數(shù)據(jù)主要有3D 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、教學(xué)反思數(shù)據(jù)、教學(xué)測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)等。

通過(guò)對(duì)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(jìn)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(duì)學(xué)生在3D 虛擬環(huán)境下的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)成績(jī)及學(xué)習(xí)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其重點(diǎn)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(guò)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。

圖1 3D 虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘分析框架

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(dòng)情況數(shù)據(jù)直接影響著課堂實(shí)時(shí)測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)，課后參與仿真實(shí)驗(yàn)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(cè)評(píng)的數(shù)據(jù)，教學(xué)測(cè)評(píng)的數(shù)據(jù)為預(yù)測(cè)學(xué)業(yè)成績(jī)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(guó)教育部發(fā)布的ET L-EDM LA 報(bào)告提出了教育領(lǐng)域中的四類數(shù)據(jù)建模方法，即知識(shí)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(shì)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(shí)建模：依據(jù)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知基礎(chǔ)知識(shí)、已有的技能基礎(chǔ)知識(shí)以及過(guò)程性知識(shí)，構(gòu)建學(xué)習(xí)者知識(shí)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(shí)點(diǎn)的選擇以及教學(xué)順序等，構(gòu)建學(xué)習(xí)者領(lǐng)域知識(shí)模型。

（3）學(xué)習(xí)者經(jīng)歷模型：依據(jù)學(xué)習(xí)者對(duì)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(yàn)?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(guò)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(duì)學(xué)習(xí)者課前、課中和課后的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析。

（6）組件分析：主要對(duì)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(jìn)行分析。

（7）自適應(yīng)分析：主要對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)影像因素進(jìn)行調(diào)整，為個(gè)性化學(xué)習(xí)的開(kāi)展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（8）趨勢(shì)分析：主要用于預(yù)測(cè)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(cè)分析模型以及基于學(xué)習(xí)者3D 仿真實(shí)驗(yàn)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?；趯W(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(diǎn)。基于學(xué)習(xí)者課前、課中、課后學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)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(shí)時(shí)測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)以及課后學(xué)業(yè)測(cè)評(píng)成績(jī)數(shù)據(jù)，挖掘課前、課中、課后測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)成績(jī)之間的規(guī)律，還可預(yù)測(cè)學(xué)生的學(xué)業(yè)成績(jī)等?；趯W(xué)習(xí)者3D 仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和普通實(shí)驗(yàn)之間的區(qū)別，挖掘3D仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)果的影響數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)3D 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)業(yè)成績(jī)的影響程度。基于學(xué)習(xí)者3D 仿真實(shí)驗(yàn)分析模型如圖2 所示。

圖2 基于學(xué)習(xí)者3D 仿真實(shí)驗(yàn)分析模型

通過(guò)比較平均值分析法，分析學(xué)生完成普通實(shí)驗(yàn)和3D 仿真實(shí)驗(yàn)的區(qū)別，通過(guò)比較對(duì)比分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值和獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)，最終挖掘3D 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)業(yè)成績(jī)的影響度，預(yù)測(cè)學(xué)習(xí)者課程的學(xué)業(yè)成績(jī)。

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

以學(xué)生是否完成3D 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)業(yè)成績(jī)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(wèn)卷調(diào)查的真實(shí)數(shù)據(jù)，涉及人數(shù)100 人，其中50 人完成3D 仿真實(shí)驗(yàn)，50 人完成普通實(shí)驗(yàn)，分別從體驗(yàn)維度、探究維度、交互維度、個(gè)性化維度和滿足感維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，利用SPSS 22 應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)方法對(duì)學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)過(guò)程的各個(gè)維度進(jìn)行分析，3D 仿真實(shí)驗(yàn)和普通實(shí)驗(yàn)組獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 3D 仿真實(shí)驗(yàn)和普通實(shí)驗(yàn)組獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)結(jié)果圖

圖中a 代表完成3D 仿真實(shí)驗(yàn)的50 位學(xué)習(xí)者的數(shù)據(jù)，b 代表完成普通實(shí)驗(yàn)的50 位學(xué)習(xí)者的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，完成3D 仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)者在體驗(yàn)維度、探究維度、交互維度、個(gè)性化維度以及滿足感維度明顯優(yōu)于完成普通實(shí)驗(yàn)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)深受廣大學(xué)習(xí)者的熱愛(ài)，學(xué)習(xí)效果顯著，其必將推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”教育事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。