增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)在工程教育中的研究與應(yīng)用

林一 陳鋒 王舜波

摘要：當(dāng)前在數(shù)字化工程教育領(lǐng)域，盡管交互技術(shù)已取得了較大發(fā)展，但在教育領(lǐng)域，已有的自適應(yīng)學(xué)習(xí)交互大多以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式篩選教學(xué)材料。一方面，需要較多的數(shù)據(jù)來(lái)判斷用戶的需求;另一方面，容易忽視學(xué)習(xí)的積極性對(duì)輔助教學(xué)的影響。為此，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，文章提出了一種將學(xué)習(xí)風(fēng)格模型結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法。首先通過(guò)學(xué)習(xí)風(fēng)格索引問(wèn)卷的調(diào)查判斷學(xué)習(xí)風(fēng)格，而后根據(jù)學(xué)生的使用偏好調(diào)整系統(tǒng)界面并推送自適應(yīng)的教學(xué)材料。該方法參考學(xué)習(xí)過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)，摸索出學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格和使用喜好，進(jìn)而逐漸優(yōu)化教學(xué)交互系統(tǒng)。這不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，而且使得工程教育的學(xué)習(xí)效率得到了提高。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)學(xué)習(xí)交互;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);工程教育

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）44-0156-02

一、自適應(yīng)學(xué)習(xí)交互的發(fā)展

在我國(guó)傳統(tǒng)的工程教育模式中，學(xué)生大多經(jīng)歷過(guò)相同的培訓(xùn)步驟，在這個(gè)學(xué)習(xí)階段中，由于常見(jiàn)的教學(xué)軟件并非針對(duì)每一個(gè)人的學(xué)習(xí)習(xí)慣或方式來(lái)定制學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而導(dǎo)致部分學(xué)生的學(xué)習(xí)效率較低。與傳統(tǒng)意義上通用化的信息化教學(xué)手段相比，自適應(yīng)式技術(shù)與數(shù)字化學(xué)習(xí)相結(jié)合產(chǎn)生了自適應(yīng)學(xué)習(xí)方式，即以階段性數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)個(gè)人需求主動(dòng)推送學(xué)習(xí)素材。自適應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容在2004年已被Triantafillou[1]證明可以提高學(xué)習(xí)者的興趣、加深理解，是當(dāng)今教育改革的研究熱點(diǎn)。在各式各樣的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，Thalmann[2]認(rèn)為在以往的知識(shí)和學(xué)生背景等來(lái)源中，學(xué)習(xí)風(fēng)格模型是自適應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)最有用的框架。而學(xué)習(xí)風(fēng)格中較為廣泛使用的模型有1988年由Richard Felder和Linda Silverman提出的學(xué)習(xí)風(fēng)格模型[3]，該模型將工程教育中學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格分為感官和直覺(jué)、圖像和語(yǔ)言、主動(dòng)和反思、順序和全局四個(gè)維度。通過(guò)學(xué)習(xí)風(fēng)格指數(shù)（Index of Learning Style，ILS）問(wèn)卷[3]來(lái)判定學(xué)生屬于哪一類(lèi)的學(xué)習(xí)風(fēng)格，教師則根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格相應(yīng)地制訂或調(diào)整教學(xué)計(jì)劃。這種方法解決了學(xué)生和老師的匹配問(wèn)題，然而缺點(diǎn)是對(duì)于風(fēng)格判斷的準(zhǔn)確度有待提高，許多學(xué)生并不清楚自身的定位，因此在后續(xù)的研究中對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)和測(cè)試。其中主流的方法是將不同的風(fēng)格判斷轉(zhuǎn)化成不同的統(tǒng)計(jì)規(guī)則，根據(jù)用戶是否符合設(shè)立的統(tǒng)計(jì)規(guī)則來(lái)推測(cè)學(xué)習(xí)風(fēng)格。另一種方法是單獨(dú)或者組合使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、隱馬爾可夫模型和決策樹(shù)來(lái)估計(jì)用戶屬于哪一種學(xué)習(xí)風(fēng)格。

二、自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)改進(jìn)

上述模型雖然在學(xué)習(xí)風(fēng)格的準(zhǔn)確度判定上得到了提高，但是在現(xiàn)實(shí)中仍存在著一些問(wèn)題。一方面，工程教育面臨著教學(xué)資源有限、教學(xué)手段單一的困境;另一方面，學(xué)生學(xué)習(xí)的條件有限，將學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中的機(jī)會(huì)欠缺。而在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，可以克服上述不足，首先即時(shí)的互動(dòng)技術(shù)能夠極大地縮短教與學(xué)的反饋周期;其次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)有著更生動(dòng)直觀的知識(shí)展現(xiàn)、更多形式的學(xué)習(xí)方式和更為便捷的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，有助于鞏固知識(shí)并加深體會(huì);最后，多渠道匯總的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與學(xué)習(xí)風(fēng)格能夠?qū)W(xué)生感興趣的知識(shí)精確投送。

因此，針對(duì)上述情況，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，本文提出將學(xué)習(xí)風(fēng)格模型結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)主動(dòng)推送符合學(xué)生學(xué)習(xí)喜好的教學(xué)材料的方法。首先，系統(tǒng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格進(jìn)行判斷，再通過(guò)全程收集學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的操作偏好數(shù)據(jù)和反饋信息，總結(jié)出學(xué)生的學(xué)習(xí)喜好，然后根據(jù)學(xué)習(xí)喜好，后臺(tái)不斷優(yōu)化提供給學(xué)生的教學(xué)資料，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的目的。相較于傳統(tǒng)的課堂教育方式，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身沉浸式體驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，本文提出的方法有三個(gè)特點(diǎn)：一是更豐富的學(xué)習(xí)方式，在工程教育中，動(dòng)手能力不容缺失，而在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中學(xué)生可以根據(jù)自身喜好來(lái)選擇學(xué)習(xí)形式，提高學(xué)生的積極性和實(shí)踐能力;二是更具有個(gè)性化的教學(xué)，提供給學(xué)生最喜歡的學(xué)習(xí)材料，充分發(fā)揮學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的熱情;最后，更便捷和更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，學(xué)生可以自由安排學(xué)習(xí)時(shí)間和地點(diǎn)。

三、個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

首先，進(jìn)行ILS問(wèn)卷調(diào)查，初次判斷出學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格。然后按照學(xué)習(xí)風(fēng)格設(shè)計(jì)自適應(yīng)學(xué)習(xí)界面，提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)風(fēng)格的教學(xué)資料，創(chuàng)建學(xué)生專屬的數(shù)據(jù)庫(kù)，收集學(xué)習(xí)過(guò)程中的數(shù)據(jù)并總結(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)喜好，根據(jù)學(xué)習(xí)喜好不斷優(yōu)化學(xué)習(xí)界面和教學(xué)資料。

1.學(xué)習(xí)風(fēng)格的判斷。根據(jù)Felder & Silverman提出的ILS問(wèn)卷[3]來(lái)完成，在ILS問(wèn)卷中，每一個(gè)學(xué)習(xí)風(fēng)格的傾向程度會(huì)被量化成-11到+11的數(shù)值來(lái)表示，根據(jù)學(xué)生的得分來(lái)推出學(xué)習(xí)風(fēng)格，根據(jù)學(xué)習(xí)風(fēng)格來(lái)推出相對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)偏好，給學(xué)生設(shè)計(jì)專門(mén)的學(xué)習(xí)界面，提供匹配的教學(xué)材料。

2.定制個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)。內(nèi)容包含界面設(shè)計(jì)、教學(xué)材料、學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和自動(dòng)記錄模塊。其中學(xué)習(xí)界面和教學(xué)材料是基于學(xué)習(xí)偏好為依據(jù)設(shè)計(jì)和推送。自動(dòng)記錄模塊是由增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境自身所提供的，可以全程記錄學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的操作，由記錄產(chǎn)生關(guān)于學(xué)生學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)，即學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸納，可以總結(jié)出學(xué)生的學(xué)習(xí)喜好，并由此去優(yōu)化系統(tǒng)，完善對(duì)界面的設(shè)計(jì)和教學(xué)材料的推送。學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)模塊包括學(xué)生填寫(xiě)的自身資料，學(xué)生在體驗(yàn)該學(xué)習(xí)系統(tǒng)過(guò)程中的反饋，即學(xué)生對(duì)系統(tǒng)提出的主觀意見(jiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)時(shí)的學(xué)習(xí)和操作的偏好數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和考核后的成績(jī)數(shù)據(jù)。分析學(xué)生的反饋數(shù)據(jù)，針對(duì)反饋對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模鼮橘N近個(gè)性化。分析學(xué)習(xí)和操作中的數(shù)據(jù)可以得到學(xué)生在學(xué)習(xí)中的習(xí)慣，并可以在下一次的學(xué)習(xí)中優(yōu)先推送。分析錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和成績(jī)數(shù)據(jù)可以了解學(xué)生在學(xué)習(xí)上的優(yōu)劣勢(shì)，對(duì)提供的教學(xué)材料進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的調(diào)整。此外，由于數(shù)據(jù)是基于學(xué)習(xí)風(fēng)格匹配教學(xué)材料后產(chǎn)生的，因此還可以提高對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格判斷的準(zhǔn)確性。

3.個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)優(yōu)化。通過(guò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)，學(xué)習(xí)風(fēng)格的判斷給初始的界面設(shè)計(jì)和教學(xué)材料的推送提供了方向，而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)學(xué)習(xí)風(fēng)格進(jìn)行佐證，優(yōu)化學(xué)習(xí)風(fēng)格判斷的準(zhǔn)確度。由學(xué)習(xí)風(fēng)格結(jié)合學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，總結(jié)出學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)學(xué)習(xí)方式、教學(xué)材料和操作方式的喜好，根據(jù)學(xué)習(xí)喜好優(yōu)化學(xué)習(xí)界面整體風(fēng)格、布局、內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式、教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容。

四、結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將學(xué)習(xí)風(fēng)格模型結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)定制個(gè)性化學(xué)習(xí)的方法，并將其運(yùn)用在工程教育上。首先判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格，根據(jù)風(fēng)格設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)界面和主動(dòng)提供教學(xué)材料，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)來(lái)總結(jié)學(xué)習(xí)喜好，再根據(jù)喜好優(yōu)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)上投其所好。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中使用學(xué)習(xí)風(fēng)格模型，既解決了教學(xué)資源需求量大的問(wèn)題，也解決了自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)忽略學(xué)習(xí)積極性的問(wèn)題，讓學(xué)生體驗(yàn)更為生動(dòng)的知識(shí)展現(xiàn)和多樣式的學(xué)習(xí)方式。

參考文獻(xiàn)：

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