王子

摘 要：目前，沉浸式環(huán)境因能夠促進更好、更深入的學習而被廣泛應用于教學中，但對基于沉浸式環(huán)境的學習評估研究尚未有統(tǒng)一定論，且缺乏完善的基于沉浸式環(huán)境的學習評估模型。為此，針對當前基于沉浸式環(huán)境的學習評估研究，采用文獻研究法對其進行系統(tǒng)梳理，為進一步建立與完善基于沉浸式環(huán)境的學習評估模型提供借鑒。

關鍵詞：沉浸式環(huán)境;學習評估;隱形評估

DOI：10. 11907/rjdk. 182059

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）002-0198-03

Abstract：Currently， the immersive environment is widely used in education and teaching because it promotes better and deeper learning. However， research on learning assessment based on immersive environment has not yet been unified， and there is no refined learning evaluation model based on immersive environment. Therefore the current research on learning assessment based on immersive environment is systematically reviewed by literature research， which provides reference for the further establishment and improvement of learning evaluation model based on immersive environment.

Key Words：immersive environment; learning assessment; stealth assessment

0 引言

沉浸式環(huán)境是指利用VR、AR、MUVE等沉浸式技術創(chuàng)造出的使人們在交互時具有主觀印象體驗的環(huán)境。沉浸式環(huán)境強調沉浸感，使用者能夠感受到自己是虛擬世界的一部分，如同在真實環(huán)境中一樣具有主動性[1]，因此被廣泛應用于教學中。近年來，基于沉浸式環(huán)境的學習評估研究受到越來越多學者關注，包括對虛擬系統(tǒng)及學習環(huán)境的評估等，并提出了多種評估方法。然而，目前基于沉浸式環(huán)境的學習尚缺乏完善的評價指標體系，也沒有相應文獻對該領域作進一步梳理與總結。因此，本文對當前基于沉浸式環(huán)境的學習評估研究進行系統(tǒng)梳理，為進一步建立與完善基于沉浸式環(huán)境的學習評估模型提供借鑒。

1 沉浸式環(huán)境優(yōu)勢

沉浸式環(huán)境的第一大優(yōu)勢是可以讓學習者與現(xiàn)實生活中被認為危險性較高的環(huán)境或無法實現(xiàn)的環(huán)境進行交互，而且給予其更多機會探索學習，以促進學生主觀、能動地學習。例如，學習者可以在創(chuàng)設的沉浸式學習環(huán)境中與虛擬物體交互，如操控按鈕觀察森林環(huán)境的四季變化，或進行模擬實訓，學習操作真實環(huán)境中危險而不能觸碰的大型機器等。例如在飛行模擬器訓練中，飛行員在模擬的飛行環(huán)境中進行訓練，但視覺、聽覺、觸覺都具有“真實”感受，從而有助于提高飛行技能。

大量研究已證實了沉浸式環(huán)境對于學習的有效性。例如，Knight[2]對沉浸式環(huán)境應用于醫(yī)學教學中的有效性進行實驗，當一組患者的治療需求超過可用資源時，快速、準確地判斷治療優(yōu)先次序對于治療結果非常重要。其將傳統(tǒng)學習方法（卡片分類法）與利用沉浸式游戲Triage Trainer的方法進行對照實驗，對Triage Trainer的有效性進行實驗探究。對卡片分類組中的44名參與者和Triage Trainer組的47名參與者正確確定每個傷員優(yōu)先級（標記準確性）以及正確遵循程序（步驟準確性）的能力進行測試。實驗結果表明，使用Triage Trainer的參與者比卡片分類組在標記準確性方面表現(xiàn)更好，其分配正確率是卡片分類組的4倍，并且得分更高。

沉浸式環(huán)境往往能夠引發(fā)學習者的情感反應，當學習者完全沉浸在環(huán)境中，會產(chǎn)生興奮、厭倦、困惑、沮喪等情感反應，這些反應往往會影響學習者問題解決技能等相關能力的發(fā)展[3]。并且已有研究證明，利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)學習后的自閉癥兒童情緒能力顯著提高，因此可將沉浸式學習環(huán)境應用于特殊教育，為自閉癥患者的學習和社交技能練習提供一個安全平臺[4] 。

沉浸式學習環(huán)境通常以建構主義學習理論與情境認知理論為基礎，在沉浸式學習環(huán)境中，所設計的情境、活動和社會互動不斷挑戰(zhàn)學習者存儲在腦海中的已有經(jīng)驗，以此促進學習者對知識的主動建構過程[5]。情境認知理論則認為學習是一個積極的過程，可通過特定的問題解決場景建構意義，從而使學習者產(chǎn)生興奮感和好奇心[6]。

在沉浸式環(huán)境中，知識的獲取始于交互，然后通過獲取有意義與有目的的語言促進行為更好地發(fā)展。身臨其境的游戲情節(jié)設計或其它交互使學習者能夠達到最近發(fā)展區(qū)。最近發(fā)展區(qū)是指學習者通過同伴協(xié)作或引導教學支持所能完成的事情與沒有這些支持所能完成事情之間的距離[7]。為此，精心設計的沉浸式環(huán)境包括規(guī)則、目標、反饋和交互性[8]，學習者可以從中獲得知識、技能與其它能力。

綜上所述，沉浸式環(huán)境通過為學習者提供有效環(huán)境，以促進學習者各種能力的發(fā)展，但如何準確評估學習者已具備的能力并將其作為基礎繼續(xù)促進學習，是沉浸式環(huán)境應用于教學中面臨的重要問題。

2 沉浸式環(huán)境學習評估

與傳統(tǒng)面對面的課堂學習相比，沉浸式學習環(huán)境提供了全新的學習體驗與更多學習情境，在傳統(tǒng)教學中，教師可根據(jù)學生行為和反應（比如走神、困惑時的表情）判斷學生學習狀態(tài)，從而對教學過程進行調整。但在沉浸式環(huán)境下的學習主要是學生與沉浸式環(huán)境之間的交互，教師無法觀察學生學習狀況，因而不能給予及時的指導與反饋。并且，沉浸式環(huán)境下的學習評估方式不同于傳統(tǒng)評估常用的課堂觀察與課后測試，需要對學生學習過程進行動態(tài)跟蹤分析，以實現(xiàn)對學生學習的自動評價與反饋，這需要相關技術的支持，以及確定對學生哪些學習行為進行監(jiān)測、如何監(jiān)測等，所以需要構建更加全面的適合沉浸式環(huán)境的學習評估模型。

目前，關于沉浸式環(huán)境學習模型的評估主要包括兩種：一是將傳統(tǒng)學習評估與在線實時監(jiān)控分析相結合，使用外部評估與內(nèi)部評估兩種方式進行學習評估;二是完全嵌入式的隱形評估，通過在線實時跟蹤與分析學生學習行為，實現(xiàn)對學生學習的自動評價與反饋。

2.1 基于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的學習評價指標體系

何聚厚等提出基于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的學習評價指標體系，以學習目標解析為導向，構建有效的學習評價指標體系。

2.1.1 基于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的學習評價指標體系構建

在對學習目標進行解析的基礎上，結合沉浸式虛擬現(xiàn)實學習特征，按照三維教學目標，將一級評價指標確定為情感層面、過程層面與知識層面。情感層面包括學習態(tài)度、學習意志、學習價值觀與學習興趣;過程層面包括學習準備、體驗與交互、反思;知識層面包括知識獲取、知識保持與學習遷移。選擇虛擬現(xiàn)實教育研究方向的專家作為調查對象發(fā)放指標權重問卷，采用專家咨詢法、AHP法和層次分析法確定指標權重。

2.1.2 基于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的評價指標體系應用案例

該研究采用虛擬現(xiàn)實技術與azure平臺構造人體骨骼虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行學習體驗，系統(tǒng)主要分為3部分：骨骼學習、骨骼觀察與骨骼拼接，可以體驗、操作一些抽象概念以及現(xiàn)實環(huán)境中無法實現(xiàn)的學習場景，實現(xiàn)自適應學習。

根據(jù)提出的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)學習評價指標，設計學習評價量表。將學習評價分為3部分，分別是自我評價、教師評價與系統(tǒng)在線評價。每種評價方式均使用 1～5 五個標度進行打分，并利用 azure 平臺，基于大數(shù)據(jù)對學生學習過程與行為進行動態(tài)跟蹤分析，以實現(xiàn)對學生學習的自動評價反饋和指導。通過學習評價量表和行為數(shù)據(jù)分析，可以對學生學習適應、意義構建、問題解決策略、學習遷移、學習調整5個階段進行分析。例如：若學生戴上頭盔、手柄進入場景后停留時間過長，說明學生對軟件交互方式部分存在疑問[9]。

該指標體系將傳統(tǒng)學習評估與在線數(shù)據(jù)跟蹤分析相結合，能夠清晰反映學生的學習興趣、知識薄弱點與學習偏好等，有助于指導學生進行自主學習。在實際應用過程中還可結合具體情況，選擇性地對各項指標評價標準與權重進行調整，從而實現(xiàn)有效的學習分析。

2.2 隱形評估模型

2.2.1 隱形評估模型介紹

Shute[10]提出的“隱形評估”是指在沉浸式環(huán)境中基于證據(jù)、持續(xù)且不顯眼的評估。隱形評估捕獲、測量并支持學習者在沉浸式環(huán)境中目標能力的發(fā)展，根據(jù)學習者需求調整當前學習環(huán)境并給予適當反饋。當學習者與沉浸式環(huán)境交互時，隱形評估通過在日志文件中捕獲的數(shù)據(jù)分析特定動作與交互，基于證據(jù)估計學習者能力狀態(tài)。隱形評估創(chuàng)建學生模型，并在學習者與沉浸式環(huán)境交互時不斷更新。之后，來自學生模型的信息可用于提供相關反饋或調整沉浸式環(huán)境以滿足學習者需求，在此過程中將創(chuàng)造個性化的學習體驗。隱形評估采用原則性評估設計框架，稱為以證據(jù)為中心的設計（ECD）[11]。ECD涉及概念與計算模型的開發(fā)，包括能力模型、證據(jù)模型及任務模型等，這些模型共同協(xié)作以實現(xiàn)有效評估。

2.2.2 隱形評估模型應用案例

為了測試該評估模型的有效性，為游戲“Use Your Brainz”（UYB：游戲植物大戰(zhàn)僵尸的修改版本）開發(fā)了一個隱形評估模型。在游戲中，玩家在草坪上放置各種特殊植物，以防止僵尸到達他們的房子。每種植物都有不同屬性，例如：一些植物（攻擊性植物）直接攻擊僵尸，而其它植物（防御性植物）減緩僵尸行走速度，讓玩家有更多時間攻擊僵尸。一些植物產(chǎn)生“太陽”，這是植物所需的游戲資源。游戲的挑戰(zhàn)來自于確定使用哪些植物以及在戰(zhàn)場上將其放置在何處，以擊敗游戲中每個級別的所有僵尸。

創(chuàng)建一個測量問題解決能力的隱形評估，需要以下幾個步驟：①首先，基于大量文獻分析構建問題解決能力模型。該模型包括4個主要因素：分析給定約束、計劃解決途徑、在解決問題時有效使用工具，以及監(jiān)控和評估進度;②選擇適當?shù)某两江h(huán)境（UYB游戲）嵌入隱形評估;③在完成問題解決能力模型后，確定數(shù)十個可觀察的游戲指標，用作更新問題解決能力模型的證據(jù)。例如：研究小組確定在第一波僵尸到達之前種植3個或更多植物作為“分析活動和約束”方面的指示，以此說明玩家對時間與資源約束的理解;④創(chuàng)建一個Q矩陣，其中列為4個問題解決因素，行為與列相關的所有指標;⑤確定評分規(guī)則，決定如何將指標分類為離散類別（例如：是/否，相對于動作質量的高/中/低）對指標進行評分。例如：如果玩家在第二波僵尸到達之前種植了6個太陽，則將該動作自動記錄為“是”，為第一個因素“分析給定約束”提供正面證據(jù);⑥在對所有指標進行分類后，將每個指標與相關能力模型變量相關聯(lián)，并建立其之間的統(tǒng)計關系。使用貝葉斯網(wǎng)絡（BN）創(chuàng)建統(tǒng)計關系，累積傳入的游戲數(shù)據(jù)，并更新能力模型中的信念（為每個級別創(chuàng)建一個BN，總共43個BN）;⑦在為UYB建立BN時，團隊中的游戲專家和心理測量員根據(jù)能力模型變量，設置各種狀態(tài)概率。但在對BN進行試點測試后，數(shù)據(jù)用于修改BN參數(shù);⑧最后，使用外部測量驗證隱形評估。

驗證研究參與者為7年級學生，研究過程為讓學生玩游戲3小時（連續(xù)3天每天1小時）。結果顯示，兩項外部測試的學生得分與游戲中的隱形評估估計值顯著相關。因此，在UYB游戲中嵌入隱形評估是有效的。其它研究使用隱形評估衡量各種能力，例如物理理解能力與學習持久性等。研究總體結果也顯示了外部與游戲內(nèi)估計之間的顯著相關性。

隱形評估可以改善當前評估方法通常與學習過程脫節(jié)的問題，教師無需破壞正常教學過程對學生進行外部測試。而且隱形評估對學生是連續(xù)與不可見的，支持所有類型沉浸式環(huán)境下的實時指導及其它類型的學習支持。

3 總結與展望

通過對已有文獻的分析與梳理，目前關于沉浸式環(huán)境學習模型的評估主要包括兩種類型：一種是將傳統(tǒng)學習評估與在線實時監(jiān)控分析相結合的評估方式，另一種則是完全嵌入式的隱形評估。通過在線實時跟蹤與分析學生學習過程與行為，實現(xiàn)對學生學習的自動評價與反饋。總體而言，基于沉浸式環(huán)境的學習評估研究尚處于發(fā)展階段，評估方法還需作進一步完善。但隨著科技的不斷進步，例如神經(jīng)網(wǎng)絡的興起，基于沉浸式環(huán)境的學習評估將有著廣闊的發(fā)展前景。

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（責任編輯：黃 健）