基于人工智能的沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建研究

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境在教育領(lǐng)域日益受到矚目，而人工智能技術(shù)以其強大的數(shù)據(jù)處理、模式識別以及智能決策能力，為構(gòu)建沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境提供了強大的技術(shù)支持。本文深入剖析了當(dāng)前在線學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀與不足，并結(jié)合人工智能技術(shù)的最新進展，提出了一種基于人工智能的沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境框架。

關(guān)鍵詞：人工智能；VR技術(shù)；AR技術(shù)；在線學(xué)習(xí)；沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）17-0000-05

研究背景

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展顛覆了人們的生活生產(chǎn)模式，學(xué)習(xí)方式也隨之改變，由原來單一化的線下學(xué)習(xí)演變成多元化的“線上+線下”學(xué)習(xí)。然而，在線學(xué)習(xí)的普及也帶來了一系列問題。其中，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)目標不明確以及學(xué)生間實時互動機制不完善等問題愈發(fā)顯現(xiàn)。

在這一背景下，人工智能為在線學(xué)習(xí)注入了新的內(nèi)涵與特色。沉浸式在線學(xué)習(xí)不僅為學(xué)習(xí)者提供虛實融合的無邊界學(xué)習(xí)環(huán)境和多感官參與的互動形式，還帶來了多角度、情境式、游戲化的學(xué)習(xí)體驗，可有力提升學(xué)習(xí)者的知識轉(zhuǎn)化與遷移能力，全面助力智能時代創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。因此，本研究致力于通過整合人工智能技術(shù)，構(gòu)建一個更加沉浸式的在線學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)和理解，進一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境研究綜述

1.在線學(xué)習(xí)環(huán)境研究現(xiàn)狀

在線學(xué)習(xí)環(huán)境是指利用互聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)技術(shù)，通過電子設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接來支持和促進學(xué)習(xí)的虛擬或數(shù)字環(huán)境，其已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。在國內(nèi)學(xué)者中，朱珂通過深入分析操作、信息和概念三種互動模式，構(gòu)建了一個在線學(xué)習(xí)者交互模型，該模型能夠預(yù)測在線學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為[1]；查先進等人認為，在線學(xué)習(xí)平臺的選擇受到從眾心理影響，而平臺的使用度則受平臺評價、社會認知、感知收益、質(zhì)量、信息差及用戶需求等多重因素影響，因此高質(zhì)量的平臺建設(shè)是推動在線教學(xué)有效的關(guān)鍵[2]；賈非等學(xué)者的研究成果揭示了在線學(xué)習(xí)環(huán)境中多個關(guān)鍵元素之間的相互作用，特別是學(xué)生學(xué)習(xí)投入、交互投入與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、資源環(huán)境、交互環(huán)境之間的關(guān)系。[3]

在國外，也有很多學(xué)者對在線學(xué)習(xí)環(huán)境狀況做了很多研究。例如，阿薩塔（Asarta）等人分析了網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的快慢對學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)平臺有很大的影響，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的好壞也會對學(xué)生在網(wǎng)上學(xué)習(xí)的積極性產(chǎn)生很大的影響[4]；迪安（Dean）研究了學(xué)生內(nèi)容行為發(fā)布的關(guān)聯(lián)性，通過回歸分析，利用學(xué)習(xí)者發(fā)布次數(shù)來預(yù)測后續(xù)的瀏覽和評價行為[5]；文志遠和金英杰等人在在線學(xué)習(xí)平臺上添加了更多元的功能模塊，通過對學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)研究后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生表現(xiàn)的學(xué)習(xí)行為的不同與學(xué)習(xí)平臺設(shè)置的不同功能模塊具有相關(guān)性。[6]

2.沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境研究現(xiàn)狀

沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境是指通過技術(shù)手段，將學(xué)習(xí)者置身于一種仿真的、引人入勝的學(xué)習(xí)環(huán)境中，以提高學(xué)習(xí)體驗、加深學(xué)習(xí)效果的學(xué)習(xí)模式。目前，我國學(xué)者對此的研究主要集中在虛擬實驗教學(xué)、虛擬仿真培訓(xùn)等方面。近年來，也有許多國外學(xué)者提出了不同的沉浸式學(xué)習(xí)模型，如基于特定情境的沉浸式學(xué)習(xí)模型、基于二元認知模型的沉浸式學(xué)習(xí)模型等。

綜上所述，盡管現(xiàn)有的研究已經(jīng)對在線教學(xué)和學(xué)習(xí)環(huán)境的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展進行了深入探討，但如何借助AI技術(shù)構(gòu)建出真正沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，以及在這樣的環(huán)境中如何培養(yǎng)和提升學(xué)習(xí)者的線上學(xué)習(xí)能力，仍是一個亟待解決的問題。因此，本研究通過結(jié)合AI技術(shù)與沉浸式學(xué)習(xí)理論，構(gòu)建了一個沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)，以期能夠提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗。

沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境架構(gòu)設(shè)計

1.設(shè)計思路

在環(huán)境設(shè)計方面，充分利用VR和AR技術(shù)構(gòu)建學(xué)習(xí)場景，使學(xué)習(xí)者仿佛置身于真實的學(xué)習(xí)環(huán)境中，從而更好地沉浸于學(xué)習(xí)。同時，為了實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)體驗，系統(tǒng)借助AI算法深入分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)習(xí)慣、興趣愛好和能力水平。基于這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠智能推薦適合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)資源和課程，并為他們量身定制個性化的學(xué)習(xí)路徑。

智能化學(xué)習(xí)輔助是該系統(tǒng)設(shè)計的亮點。AI技術(shù)能實時跟蹤學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進度和效果，通過智能分析，準確識別學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)難點和薄弱點；系統(tǒng)再根據(jù)這些信息提供針對性的解題思路和反饋，幫助學(xué)習(xí)者克服困難，提高學(xué)習(xí)效率。此外，系統(tǒng)還能智能生成練習(xí)題和測試題，幫助學(xué)習(xí)者鞏固所學(xué)知識，檢驗學(xué)習(xí)成果。

同時，學(xué)習(xí)者可以與虛擬教師進行實時互動、參與小組討論、進行實驗操作等。這種高度互動的學(xué)習(xí)方式不僅增強了學(xué)習(xí)的趣味性，還提高了學(xué)習(xí)者的實踐能力和團隊協(xié)作能力。

2.沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境框架及模塊設(shè)計

（1）框架設(shè)計

為了滿足基于人工智能的沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計需求，本研究提出了沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境框架。這一框架包含用戶登錄、學(xué)習(xí)界面、學(xué)習(xí)場景、實踐活動以及實時反饋與指導(dǎo)機制等組成部分（如圖1）。

（2）模塊設(shè)計

基于AI的沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境的模塊設(shè)計，集成了場景模塊、教學(xué)模塊、體驗?zāi)K及拓展模塊等組成部分。

①場景模塊設(shè)計（如圖2）是以人工智能技術(shù)為核心，致力于打造一個虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。通過選擇適合學(xué)習(xí)內(nèi)容的主題和場景，設(shè)計合理的布局和元素，并添加豐富的細節(jié)元素，以提供給學(xué)生一種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗。這一設(shè)計不僅與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，還能更有效地促進學(xué)習(xí)者的理解和參與，從而提升學(xué)習(xí)效率。

②教學(xué)模塊設(shè)計（如圖3）著重于將學(xué)習(xí)內(nèi)容分解為可管理的單元或模塊，并設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)目標、教學(xué)方法和評估方式，以引導(dǎo)學(xué)生按照邏輯順序?qū)W習(xí)，同時提供個性化的學(xué)習(xí)路徑和資源，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，促進他們的參與和成長。

③體驗?zāi)K設(shè)計（如圖4）致力于通過創(chuàng)造性的交互設(shè)計、動態(tài)效果和情感元素，提升學(xué)習(xí)者在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的沉浸感和參與度，同時優(yōu)化用戶界面和操作方式，以確保流暢的學(xué)習(xí)體驗，并通過額外資源、社交互動和探索性任務(wù)，鼓勵學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新、合作與成長。

④拓展模塊設(shè)計（如下頁圖5）提供額外的資源和挑戰(zhàn)，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣。通過設(shè)計社交互動、合作學(xué)習(xí)機會和探索性任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的好奇心和創(chuàng)造力，促進自主學(xué)習(xí)和發(fā)展，從而達到拓展學(xué)習(xí)空間、豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容和促進學(xué)生發(fā)展的目的。

沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境的實踐應(yīng)用

本研究提出的沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境在教育領(lǐng)域的應(yīng)用中涵蓋了廣泛的場景和功能，能夠為學(xué)生和教師提供豐富的學(xué)習(xí)資源和工具，可以模擬各種真實場景，如歷史事件、科學(xué)實驗室、文學(xué)作品的情境等，讓學(xué)生身臨其境地參與其中，從而深入理解和掌握知識。

1.虛擬學(xué)習(xí)空間

該沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境能夠在語文、英語、歷史及政治等學(xué)科中為學(xué)生提供學(xué)習(xí)輔助。以英語學(xué)習(xí)為例，該環(huán)境利用虛擬場景和智能互動，幫助非英語國家的學(xué)生克服學(xué)習(xí)英語的語言環(huán)境障礙。學(xué)生將進入一個模擬的英語學(xué)習(xí)場景，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下體驗使用英語的情境，并與虛擬人物進行互動。這些場景是隨機或預(yù)設(shè)的，學(xué)生需要靈活運用已學(xué)語言與虛擬人物進行對話。此外，學(xué)習(xí)環(huán)境還涵蓋多種學(xué)習(xí)游戲，如闖關(guān)游戲用于測試和評估學(xué)生的表現(xiàn)。

此外，沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境還能夠模擬學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生提供身臨其境的學(xué)習(xí)體驗。例如，在語文方面，學(xué)生可以沉浸在各種語言環(huán)境中，如古代文學(xué)作品的場景中，或者模擬實際生活中的對話場景，通過與虛擬角色的互動來提高語言理解能力和溝通技巧。這種環(huán)境還可以通過語音識別和自然語言處理技術(shù)提供實時的語言指導(dǎo)和反饋，幫助學(xué)生更好地掌握語言表達的技巧和規(guī)范。在歷史方面，沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境可以重現(xiàn)各種歷史時期的場景和事件，讓學(xué)生仿佛置身于歷史之中。學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)探索古代文明的遺跡，參與歷史上的重要事件，甚至與歷史人物進行互動。

2.虛擬實驗室

該沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境引入了虛擬實驗室應(yīng)用，涵蓋化學(xué)、物理、生物等多個學(xué)科領(lǐng)域。這一系統(tǒng)利用建模工具和仿真技術(shù)準備各類實驗材料和儀器，使學(xué)生能夠在自由選擇并結(jié)合實物模型與數(shù)字化面板的基礎(chǔ)上獲取真實感。

以虛擬化學(xué)實驗室為例，學(xué)生能夠自主選擇化學(xué)藥品、設(shè)定屬性和數(shù)量，通過不同藥品組合和參數(shù)設(shè)置進行實驗，獲取多樣的實驗結(jié)果。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以進行各類實驗，包括涉及有毒、腐蝕性或刺激性氣味的實驗，而無需擔(dān)心真實實驗中的潛在危險。這種學(xué)習(xí)環(huán)境允許學(xué)生詳細觀察模擬實驗過程，甚至進行微觀的觀察，如觀察分子的合并和分裂等反應(yīng)過程。系統(tǒng)根據(jù)實驗結(jié)果提供適當(dāng)?shù)脑u價，對于不可行的結(jié)果，系統(tǒng)也能提供解釋或發(fā)出警告，為學(xué)生提供更深層次、安全而豐富的學(xué)習(xí)體驗。

另外，在虛擬物理實驗室中，學(xué)生可以通過模擬實驗來探索各種物理現(xiàn)象和定律，無需使用真實的物理實驗室和設(shè)備。例如，學(xué)生可以模擬重力實驗，通過調(diào)整物體的質(zhì)量和距離，觀察重力對物體的作用，并測量加速度和力的變化，等等。通過虛擬物理實驗室，學(xué)生可以安全地進行各種物理實驗，觀察實驗現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)，探索物理規(guī)律，從而加深對物理學(xué)知識的理解和掌握。這種技術(shù)的應(yīng)用為學(xué)生提供了更加直觀、互動和安全的學(xué)習(xí)方式，極大地豐富了他們的學(xué)習(xí)體驗。

結(jié)語

基于人工智能的沉浸式在線學(xué)習(xí)環(huán)境為學(xué)生提供了更加貼近實際、更具挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)場景，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)造力、合作能力和實踐技能。通過沉浸式體驗，學(xué)生可以更深入地參與到學(xué)習(xí)中，不再是被動地接受知識，而是能夠積極探索、互動、合作，從而更好地理解和應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容。隨著人工智能技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用的不斷深化，可以預(yù)見，未來教育將更加注重個性化、互動性和實用性，為學(xué)生提供更加豐富、有趣且實用的學(xué)習(xí)體驗。

參考文獻：

[1]朱珂.網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間中學(xué)習(xí)者交互分析模型及應(yīng)用研究[J].電化教育研究，2017，38（05）：43-48.

[2]查先進，張坤，嚴亞蘭.在線學(xué)習(xí)平臺從眾選擇行為形成機理的扎根分析[J].圖書情報工作，2022，66（02）：90-98.

[3]賈非，趙彬竹，李志創(chuàng).混合學(xué)習(xí)與在線學(xué)習(xí)對學(xué)生投入度的影響——以學(xué)習(xí)環(huán)境為視角[J].復(fù)旦教育論壇，2019，17（05）：55-61

[4]Asarta C J，Schmidt J R.The effects of online and blended experience on outcomes in a blended learning environment[J].The internet and higher education，2020（44）：100708.1-100708.10.

[5]Money W H，Dean B P.Incorporating student population differences for effective online education：A content-based review and integrative model[J].Computers & Education，2019.

[6]Moon J W，Kim Y G.Extending the TAM for a World-Wide-Web context[J].Information & Management，2001，38（04）：217-230.