[摘 ? 要] 虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程的自動評價和適應(yīng)性反饋是提升探究學(xué)習(xí)效果的重要支撐手段。研究首先從虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程要素表征和分析模型、自動分析與實時評價、適應(yīng)性反饋三個方面概述了智能技術(shù)在虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用面臨的深層次探究要素表征難、不確定探究過程刻畫難、適應(yīng)性反饋生成難等現(xiàn)實挑戰(zhàn)。其次，在此基礎(chǔ)上，提出了基于活動流的底層計算模型構(gòu)建、復(fù)雜探究過程動態(tài)監(jiān)測與自動評價、可解釋性歸因的自適應(yīng)反饋內(nèi)容生成三個關(guān)鍵技術(shù)。再次，基于關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計了虛擬科學(xué)實驗自主探究學(xué)習(xí)平臺的技術(shù)架構(gòu)。最后，研究總結(jié)了當(dāng)前研究的創(chuàng)新之處并提出未來建議，為智能技術(shù)賦能虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)領(lǐng)域開展更深入的技術(shù)探索提供有益參考。

[關(guān)鍵詞] 智能技術(shù)； 虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)； 過程評價； 適應(yīng)性反饋； 平臺設(shè)計

[中圖分類號] G434 ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] A

[作者簡介] 鄭婭峰（1979—），女，河南洛陽人。研究員，博士，主要從事在線學(xué)習(xí)分析、教育數(shù)據(jù)挖掘、人工智能賦能科學(xué)教育研究。E-mail：zhengyafeng@bnu.edu.cn。

一、引 ? 言

讓學(xué)生參與科學(xué)探究學(xué)習(xí)是當(dāng)前全球科學(xué)教育改革的核心[1]，是實現(xiàn)我國基礎(chǔ)科學(xué)教育目標和公民科學(xué)素養(yǎng)提升的關(guān)鍵路徑。近年來，基于計算機仿真等虛擬實驗環(huán)境開展科學(xué)探究學(xué)習(xí)（簡稱“虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)”）成為國際科學(xué)教育發(fā)展的重要趨勢。然而，實現(xiàn)高質(zhì)量虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)并非易事[2]。虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)具有環(huán)境復(fù)雜度高、教學(xué)交互度強和學(xué)習(xí)路徑開放等特征，使得學(xué)生在虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)中存在實驗資源利用率低、學(xué)習(xí)投入不足、學(xué)習(xí)體驗不佳等現(xiàn)實問題[3]。

已有研究表明，采用智能技術(shù)對科學(xué)探究學(xué)習(xí)中學(xué)生的探究行為、認知水平、情感態(tài)度等深度學(xué)習(xí)要素進行實時監(jiān)控和問題診斷，并提供及時的個性化反饋，可以有效提升學(xué)生實驗技能、學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果[4]，但國內(nèi)外尚無在虛擬探究學(xué)習(xí)領(lǐng)域的系統(tǒng)化研究。因此，本研究通過對虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)進行現(xiàn)狀和現(xiàn)實挑戰(zhàn)的分析，提出解決問題的關(guān)鍵技術(shù)方案。并以此為依托，自主研制“小水滴虛擬科學(xué)實驗自主探究學(xué)習(xí)平臺”，為該領(lǐng)域開展更深入的技術(shù)探索提供有益參考。

二、研究現(xiàn)狀

（一）虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程的要素表征和分析模型研究

針對虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)復(fù)雜的交互過程，構(gòu)建有效的過程分析模型是準確理解學(xué)生探究學(xué)習(xí)中技能習(xí)得、認知發(fā)展和情感狀態(tài)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有針對科學(xué)探究學(xué)習(xí)的理論模型多集中在探究能力評價模型，常采用描述性語言構(gòu)建總結(jié)性評價體系[5]。如李春密等從科學(xué)內(nèi)容、科學(xué)過程和科學(xué)品質(zhì)三個維度構(gòu)建了包含科學(xué)現(xiàn)象、科學(xué)概念、提出問題、深刻性、靈活性等15個二級因子[6]。李英明構(gòu)建了包括知識與技能、科學(xué)探究過程、情感態(tài)度與價值觀3個一級維度以及學(xué)科知識、實驗技能、探索調(diào)查等11個二級維度的理論模型[7]。盡管現(xiàn)有研究基于科學(xué)探究表現(xiàn)構(gòu)建了比較全面的探究能力評價維度，但由于分析維度主要采用了描述性語言刻畫，適用于領(lǐng)域?qū)＜胰斯ぞ幋a和評價，難以客觀描述科學(xué)探究行為的動態(tài)變化過程。因而無法對虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程進行定量、連續(xù)和伴隨式的實時自動刻畫[8]。

近年來，部分學(xué)者針對學(xué)生科學(xué)建模、實驗操作和科學(xué)論證等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的行為特征，提取關(guān)鍵過程要素進行自動化建模研究[9]。如Mulder等人基于學(xué)生科學(xué)建模過程的日志數(shù)據(jù)，從變量命名、關(guān)系設(shè)置和類型選擇等要素對科學(xué)建模質(zhì)量進行自動化評價[10]。Jiang等人將虛擬環(huán)境中的實驗技能刻畫為實驗設(shè)置、觀察和證據(jù)記錄三個要素，并具體化了要素涉及的移動溫度計、保存圖片等9種實驗操作行為[9]。針對科學(xué)論證環(huán)節(jié)，Mao等人構(gòu)建了科學(xué)聲明、證據(jù)解釋、不確定性評級和不確定性推理四個分析要素[11]。但是這些模型大多只針對虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)的單一環(huán)節(jié)，缺少虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)全過程、內(nèi)隱特征要素的全面刻畫。

（二）智能技術(shù)賦能虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程自動分析與評價

與一般在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)遵循固定學(xué)習(xí)流程不同，虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)具有開放性、自主性的特征，學(xué)習(xí)路徑具有不確定性，探究行為和學(xué)習(xí)產(chǎn)出都表現(xiàn)出明顯個體差異性，因而虛擬科學(xué)探究過程難以通過傳統(tǒng)統(tǒng)計分析方法精準分析和評價[12]。

機器學(xué)習(xí)（ML）算法在識別和檢測學(xué)生科學(xué)探究中復(fù)雜的行為、認知和情感狀態(tài)的潛力已經(jīng)受到部分研究者的關(guān)注[13]。當(dāng)前ML算法主要用于分析虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)中仿真實驗操作和科學(xué)論證環(huán)節(jié)。其中，仿真實驗操作分析主要是基于大量學(xué)生與實驗系統(tǒng)交互的行為操作和探究軌跡，利用樣本熵等方法對學(xué)生的實驗操作正確性[14]、仿真實驗行為模式[15]等進行實時分析與診斷，有效識別出學(xué)生的實驗技能水平或認知狀態(tài)?？茖W(xué)論證過程分析與評估主要采用文本自動評分技術(shù)對論證文本實現(xiàn)自動評價。目前，常用科學(xué)論證文本評分技術(shù)包括支持向量回歸（SVR）、支持向量機（SVM）、決策樹（DT）等機器學(xué)習(xí)方法。如著名的ETS（Educational Testing Service）機構(gòu)開發(fā)的c-rater-ML就使用SVR技術(shù)對學(xué)生的論證文本和分數(shù)映射關(guān)系進行建模，并得到廣泛應(yīng)用[16]。此外，鑒于學(xué)習(xí)情感和態(tài)度是影響探究學(xué)習(xí)效果和高階思維能力的重要因素，基于文本的情感分析也是虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程分析的新興領(lǐng)域[17]。近年來，基于機器學(xué)習(xí)的文本情感、文本意圖分析研究取得了顯著成果，但目前虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)領(lǐng)域?qū)η楦袘B(tài)度的分析還主要基于學(xué)生自我反饋報告，難以實現(xiàn)對探求欲、情緒調(diào)節(jié)等隱性特征的自動分析和識別。此外，已有研究多數(shù)基于特定的主題和任務(wù)環(huán)境，難以適應(yīng)科學(xué)探究中多種主題場景的泛化要求[2]。

（三）智能技術(shù)賦能虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程的適應(yīng)性反饋研究

在科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程中為學(xué)生提供可解釋、可理解的歸因性反饋，對于實時開展精準教學(xué)干預(yù)、提升科學(xué)探究學(xué)習(xí)效果至關(guān)重要[18]。機器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展為探究過程的實時反饋提供了新思路和有效途徑。一些研究使用機器學(xué)習(xí)方法為學(xué)習(xí)者提供實驗操作行為、科學(xué)論證過程的反饋和指導(dǎo)。如Chen等人針對學(xué)生在虛擬科學(xué)探究中的實驗流程錯誤和科學(xué)知識欠缺等問題提供及時的問題反饋和操作引導(dǎo)[19]。Zhu等人采用機器學(xué)習(xí)對學(xué)生的科學(xué)論證文本進行評分并提出改進建議，促進學(xué)生對科學(xué)論證文本的不斷修改完善[16]。除此以外，評估結(jié)果還常常與可視化呈現(xiàn)相結(jié)合，為學(xué)生提供關(guān)于學(xué)習(xí)過程和進展的反饋[20]。這些研究表明，基于機器學(xué)習(xí)的科學(xué)探究評估與反饋具有支持適應(yīng)性學(xué)習(xí)的潛力，且通過可視化方法能夠更好地傳遞過程狀態(tài)信息和指導(dǎo)建議。然而，已有研究的不足之處在于僅將分析或預(yù)測的結(jié)果直接反饋給學(xué)生，而未能解釋其背后的原因[21]。盡管此類反饋對指導(dǎo)學(xué)生的探究行為具有一定的促進作用，但研究發(fā)現(xiàn)，簡單的模式化反饋與錯誤提示，難以真正促進學(xué)生深層次的觀念轉(zhuǎn)變和知識理解[22]。如Mao等人對論證文本得分相同的學(xué)生給出同樣的反饋內(nèi)容，但實際中相同分數(shù)的學(xué)生在觀點提出、證據(jù)使用等諸多方面存在差異，僅僅呈現(xiàn)固定分數(shù)對應(yīng)的反饋建議仍無法指導(dǎo)學(xué)生進行精準有效地修改[11]。

三、現(xiàn)存挑戰(zhàn)

（一）細粒度、深層次的探究要素難以動態(tài)表征與建模

從分析維度來看，當(dāng)前研究僅從科學(xué)論證或科學(xué)建模等單一視角對探究過程要素進行靜態(tài)描述性定義，存在要素邊界不明確、視角維度單一、多指向靜態(tài)能力水平表征等問題。從量化表征來看，缺乏對探究學(xué)習(xí)過程行為、認知、情感等要素的全面刻畫，且常用的描述性語言刻畫，難以滿足實時自動化分析需求。因此，如何從探究學(xué)習(xí)理論和教學(xué)實踐需求出發(fā)，合理構(gòu)建全過程、全維度、可計算的虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程分析模型和要素量化表征方法，是當(dāng)前研究領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的研究難點之一。

（二）開放性、不確定性的探究過程難以刻畫和揭示

現(xiàn)有針對虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程的自動分析仍以淺表性過程數(shù)據(jù)分析為主，較少對探究過程中的實驗操作、科學(xué)論證、反思交流等重要環(huán)節(jié)進行有效的動態(tài)分析和評價，難以刻畫學(xué)習(xí)者實驗技能、認知發(fā)展、情緒調(diào)節(jié)等隱性特征行為。更進一步，大多數(shù)已有分析方法都建立在特定的探究主題和任務(wù)環(huán)境下，難以遷移到不同的主題場景下。因此，如何綜合運用人工智能領(lǐng)域的文本分類、動態(tài)貝葉斯行為建模等技術(shù)方法，突破主題局限，實現(xiàn)對不同主題探究過程的全面刻畫和規(guī)律揭示是當(dāng)前研究面臨的重要挑戰(zhàn)。

（三）可解釋、適應(yīng)性的反饋建議難以自動生成

已有虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程自動反饋內(nèi)容大多是通用的固定反饋，導(dǎo)致反饋服務(wù)存在針對性低、理解困難等問題，未能滿足虛擬科學(xué)探究個性化動態(tài)反饋需求。另外，現(xiàn)有反饋以直接的結(jié)果指導(dǎo)為主，缺少對探究過程的解釋和建議，無法支持學(xué)生有效改進科學(xué)探究行為[23]。如何對探究過程的自動化評價結(jié)果進行可解釋歸因，從而實現(xiàn)高適應(yīng)性的個性化反饋，是這一領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)[24]。

四、關(guān)鍵技術(shù)路徑

面對復(fù)雜的虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程，構(gòu)建全過程、多要素、可計算的分析模型，依據(jù)分析模型對復(fù)雜探究過程進行實時分析、精準評價，提供適應(yīng)性反饋，促進探究學(xué)習(xí)效果的提升，是智能技術(shù)賦能虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程的關(guān)鍵技術(shù)問題。其關(guān)鍵技術(shù)路徑如下：

（一）基于活動流的底層計算模型構(gòu)建

針對開放復(fù)雜的虛擬探究學(xué)習(xí)過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)和內(nèi)在要素，需要構(gòu)建虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程計算模型。計算模型以探究操作為依據(jù)，應(yīng)明確定義流序列的動詞（Verb）庫和對象（Object）庫內(nèi)容，形成針對交互操作的活動流實例，實現(xiàn)關(guān)鍵交互操作和深層學(xué)習(xí)狀態(tài)的多維聯(lián)結(jié)，為復(fù)雜的虛擬探究過程提供統(tǒng)一的計算模型和形式化規(guī)約。

構(gòu)建過程包含以下三個環(huán)節(jié)。首先，虛擬探究學(xué)習(xí)過程的底層活動流參考Experience API（xAPI）標準規(guī)范，以“角色（Actor）+動作（Verb）+對象（Object）+時間戳（Timestamp）+結(jié)果（Result）+情境（Context）”六元組進行刻畫，即： ∈ IA（Inquiry activities）。其中，Actor指學(xué)生個體；Verb 指學(xué)生操作行為的具體類型，如移動、設(shè)置、記錄、修改等，為必選項；Object 指操作行為的資源對象，如移動的儀器、修改的論證文本等，為必選項；Timestamp指操作行為的發(fā)生時間，為必選項；Result指活動產(chǎn)出的科學(xué)論證文本、數(shù)據(jù)記錄、反思文本等內(nèi)容，為可選項；Context指學(xué)習(xí)行為發(fā)生的主題、任務(wù)、環(huán)節(jié)等背景信息，為可選項。其次，實例化活動流，以確保數(shù)據(jù)采集的準確性和模型的可計算性。本研究定義對象庫（Object）包含論證、反思評論、實驗數(shù)據(jù)、儀器、實驗參數(shù)等16種重要資源對象。定義操作行為動詞（Verb）表中有共計25個關(guān)鍵動作，分別對應(yīng)學(xué)生提出研究假設(shè)、配置實驗環(huán)境、開展實驗設(shè)計、進行數(shù)據(jù)記錄等關(guān)鍵探究環(huán)節(jié)的具體操作動作，依據(jù)動詞對對象的操作關(guān)系，形成操作行為活動流實例。所有的操作行為都以Statement語句的形式存儲和交互，如“Actor（參與者）+Move（移動）+Equipment（儀器）+Timestamp（時間戳）”。如學(xué)習(xí)者A完成了第一節(jié)探究主題，將會把學(xué)生A學(xué)習(xí)這節(jié)課程的所有行為事件以“A在5分30秒移動了儀器d”“A在5分45秒在數(shù)據(jù)表格t中記錄了數(shù)據(jù)”等活動流形式存儲匯集在學(xué)習(xí)記錄存儲當(dāng)中。這些詳細的數(shù)據(jù)記錄用于支持不同目的探究過程分析計算指標的原始數(shù)據(jù)獲取。最后，基于計算分析模型，依據(jù)我國科學(xué)課程標準對探究實踐核心素養(yǎng)的內(nèi)涵和要求，構(gòu)建面向行為—認知—情感虛擬科學(xué)探究過程要素分類體系，形成領(lǐng)域知識指導(dǎo)下的指標設(shè)計。具體制定探究路徑、實驗技能、科學(xué)概念、科學(xué)論證、學(xué)習(xí)堅毅、探究態(tài)度等二級維度指標，明確分析指標、數(shù)據(jù)來源、計算方法等具體內(nèi)容，形成量化表征方法。例如，實驗技能可以設(shè)定為考察實驗設(shè)置、儀器操作、變量設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄四項能力，關(guān)注學(xué)生是否掌握了正確設(shè)置實驗條件、正確選擇儀器工具，合理調(diào)整變量以及正確記錄了過程數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技能。

（二）復(fù)雜探究過程動態(tài)監(jiān)測與自動評價

探究學(xué)習(xí)行為建模面臨的最大挑戰(zhàn)是探究行為高度不確定性。由于動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可用于模擬不同時刻中變量的相互依賴關(guān)系，表示不確定的知識并執(zhí)行推理計算，且其概率推理可以實時發(fā)生。因此，可以利用動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為復(fù)雜探究過程動態(tài)監(jiān)測和自動評價提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。具體技術(shù)路線包含靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、關(guān)鍵探究路徑挖掘、實驗技能自動評價四個主要步驟。

第一，靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。利用專家先驗知識依據(jù)具體探究主題任務(wù)確定探究操作、事件和技能之間的關(guān)系，并將探究操作、事件和子技能分別置于網(wǎng)絡(luò)的不同層次和分支，用以反映操作和子技能之間的關(guān)系，其中將實驗技能作為頂層節(jié)點，構(gòu)建初始靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。第二，構(gòu)建動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。在所構(gòu)建的靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進一步表征相鄰時刻操作、事件、子技能之間的影響關(guān)系，構(gòu)成轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)，并與靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成初始的動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時，為方便后期推理，需要進行動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)學(xué)習(xí)，即構(gòu)建條件概率表。第三，挖掘關(guān)鍵探究路徑。關(guān)鍵探究路徑挖掘?qū)⒗没バ畔⒅岛Y選出當(dāng)前時刻對整體學(xué)生實驗技能評分影響最大的操作序列，進而對比學(xué)生個體操作序列發(fā)現(xiàn)學(xué)生已完成的關(guān)鍵探究路徑。具體實施時，首先計算t時刻下各操作與實驗技能之間的互信息值。設(shè)置互信息閾值，僅保留互信息值超過閾值的操作，將保留的操作按照互信息值大小排序，得到t時刻個體學(xué)生的關(guān)鍵操作序列。其次，檢查t時刻個體學(xué)生操作序列中的每一個操作，若其在關(guān)鍵操作序列中，則將該操作并入該學(xué)生已完成的探究操作序列，最終獲得學(xué)生關(guān)鍵探究路徑。第四，實驗技能自動評價。實驗技能評價是利用動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)以當(dāng)前時刻t學(xué)生關(guān)鍵探究路徑為依據(jù)，評估其當(dāng)前時刻下各項技能的掌握程度。具體做法是將該學(xué)生當(dāng)前關(guān)鍵探究路徑作為新證據(jù)輸入動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，計算在新證據(jù)的條件下t時刻實驗技能的后驗概率，從而評估個體在t時刻的技能水平。

（三）可解釋自適應(yīng)反饋內(nèi)容自動生成與調(diào)節(jié)支持

為形成準確的適應(yīng)性反饋，可以依據(jù)學(xué)生當(dāng)前探究路徑和技能水平，利用聯(lián)合樹計算該技能水平下每個操作或事件的后驗概率并排序，獲得影響學(xué)生實驗技能水平的關(guān)鍵影響因素，形成準確的問題歸因。具體做法上可以將學(xué)生t時刻時探究子技能或總技能作為證據(jù)加入聯(lián)合樹，求得當(dāng)前在該技能水平下任一操作行為發(fā)生的后驗概率，依據(jù)后驗概率大小能夠判定當(dāng)前達成該技能水平的關(guān)鍵影響因素及其重要性排序。利用評價數(shù)據(jù)和可解釋的歸因數(shù)據(jù)就可以進行反饋文本的自適應(yīng)生成。反饋文本的生成過程可以看作是通過某種處理方式將反饋模板中的可變信息與輸入數(shù)據(jù)進行匹配的過程，從輸入數(shù)據(jù)中找到需要的信息，填充至模板規(guī)定位置。這種方法具備可解釋性與可控制性，更容易保證生成文本的正確性和規(guī)范性。如基于規(guī)則的定制反饋模板可以是：“你在實驗技能上表現(xiàn){實驗技能水平}，{提出假設(shè)表現(xiàn)的映射詞}地提出假設(shè)，{儀器使用表現(xiàn)的映射詞}地使用儀器，但你還需要{變量選擇表現(xiàn)的映射詞}選擇變量，并{數(shù)據(jù)整理表現(xiàn)的映射詞}進行數(shù)據(jù)整理，以幫助你更好的分析實驗結(jié)果”。其中，{}內(nèi)的內(nèi)容為可變項，生成文本時根據(jù)過程評價和歸因挖掘后輸入數(shù)據(jù)的具體取值，匹配規(guī)則映射形成文本表述填入。在此基礎(chǔ)上，可以利用專家經(jīng)驗，形成不同的調(diào)節(jié)支持策略，將反饋文本在不同的觸發(fā)條件下以智能代理的形式推送給學(xué)習(xí)者，實現(xiàn)教學(xué)主體與智能分析引擎的相互合作，共同實現(xiàn)對教學(xué)過程精準分析與結(jié)果呈現(xiàn)，完成復(fù)雜任務(wù)決策并優(yōu)化教育教學(xué)過程。

五、智能技術(shù)支持的虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)

平臺架構(gòu)

依據(jù)上述關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合探究教學(xué)的要求，本研究基于自主研發(fā)的“小水滴虛擬科學(xué)實驗自主探究學(xué)習(xí)平臺”開展技術(shù)整合。整合后的平臺架構(gòu)設(shè)計如圖1所示：（1）在應(yīng)用層，智能對話、調(diào)節(jié)配置、可視分析、探究設(shè)置、自動反饋、探究評價六個功能構(gòu)建了完整的應(yīng)用。前端使用Vue，ElementUI技術(shù)棧進行功能布局和展示；（2）在通用配置層，主要通過前端發(fā)送請求到后端，后端協(xié)議解析并權(quán)限驗證，保證接口的安全性。前端會將學(xué)生的所有信息發(fā)送至后端，進行數(shù)據(jù)采集，同時對學(xué)生的所有行為進行調(diào)度和分析；（3）在業(yè)務(wù)層，主要包含評價計算、反饋生成、評價歸因三大模塊。其中，評價計算模塊主要使用基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵路徑挖掘，通過關(guān)鍵路徑獲得過程評價數(shù)據(jù)。反饋生成模塊結(jié)合定制的反饋模板和映射規(guī)則，形成自適應(yīng)的反饋內(nèi)容。評價歸因模塊主要通過基于聯(lián)合樹推理的關(guān)鍵因素歸因，獲得評價數(shù)據(jù)計算背后的最關(guān)鍵影響因素，并將關(guān)鍵因素歸因數(shù)據(jù)和評價數(shù)據(jù)傳遞給反饋生成模塊；（4）在數(shù)據(jù)層，對采集到的學(xué)生數(shù)據(jù)進行緩存，以應(yīng)對高并發(fā)的情況，用Mybatis Plus框架將數(shù)據(jù)持久化，存至MySQL數(shù)據(jù)庫中。同時，所有行為活動流都以xAPI規(guī)范進行記錄，然后傳送到學(xué)習(xí)記錄存儲（LRS）中。將課件PPT、文檔、題目、圖片等存儲到OSS中。平臺應(yīng)用NodeJS為開發(fā)的主要語言，在代碼管理中，前端使用NPM進行管理和打包，后端使用Maven進行管理Jar包和版本控制，使用Docker進行環(huán)境搭建和打包。

基于該平臺，學(xué)生可開展科學(xué)探究自主學(xué)習(xí)，在技術(shù)支持下完成預(yù)測、探究、解釋、反思等多種學(xué)習(xí)活動任務(wù)。在這個過程中，系統(tǒng)整合教師反饋策略，依據(jù)反饋策略基于學(xué)生答題情況進行自動判斷，并給予反思性、解釋性等多種反饋。還可以基于社會調(diào)節(jié)理論，利用對話機器人，通過多種約束條件和觸發(fā)策略的調(diào)節(jié)給予學(xué)生適當(dāng)?shù)墓膭钆c學(xué)習(xí)過程支持。

六、討論與建議

智能技術(shù)賦能虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)是提升科學(xué)探究效果，促進學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。為真正解決智能技術(shù)賦能復(fù)雜探究學(xué)習(xí)的瓶頸問題，研究針對虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程已有分析模型靜態(tài)化、淺表化的局限，提出基于活動流的計算分析模型，將“行為—認知—情感”核心要素映射到統(tǒng)一的計算表征空間，構(gòu)建了關(guān)鍵交互操作和深層學(xué)習(xí)狀態(tài)的多維聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)了復(fù)雜動態(tài)探究過程建模與量化表征，在理論層面提供了虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程分析模型建構(gòu)的新理念。特別是，與以往研究中直接采集所需操作行為并進行定制處理不同[14-15]，研究先設(shè)定了整個探究活動所需的角色對象、資源對象、行為動作等，并基于活動流完整地記錄了整個過程的全流程信息，為后期統(tǒng)一的計算表征奠定了理論基礎(chǔ)。

除此以外，當(dāng)前虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)行為分析研究大多數(shù)都基于特定的任務(wù)場景和環(huán)境，其方法本身具有定制性，不易擴展和遷移到不同場景的學(xué)習(xí)行為建模，這也是當(dāng)前不同場景科學(xué)探究學(xué)習(xí)行為建模面臨的行為不確定性挑戰(zhàn)[25]。為了解決這一挑戰(zhàn)，研究使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，能夠用來模擬真實場景中變量的相互關(guān)系并處理不確定性這一特征[26]，選用動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，并納入專家判斷，不僅提高了行為識別的準確性，且在數(shù)據(jù)樣本較少的情況下也能達到較高的預(yù)測精度[27]。此外，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)通過標準的樹狀結(jié)構(gòu)將可觀察的特征與對應(yīng)的技能進行層級關(guān)聯(lián)，并在輸入新的證據(jù)時以概率推斷的形式立即更新結(jié)果[26]，以提供實時診斷與反饋[28]。因此，這一方法針對不確定行為評價準確度低、方法可遷移性差等問題，在技術(shù)層面探索了虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)過程自動分析和評價的新途徑和新方法。針對虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)反饋針對性低、可解釋性差的問題，研究突破自適應(yīng)反饋內(nèi)容自動生成方法，使得可解釋方法不僅僅應(yīng)用于提升對分析結(jié)果的信任和歸因，更是將歸因結(jié)果與自動反饋文本生成技術(shù)深度融合，提升了反饋建議的個性化、精準性和適應(yīng)性，在可解釋人工智能與自適應(yīng)反饋領(lǐng)域提出了新的交叉應(yīng)用方法。

未來，該領(lǐng)域研究可以持續(xù)優(yōu)化反饋的形式，通過教學(xué)智能體，生成式對話語言模型、可視化儀表板等技術(shù)深化過程監(jiān)測、診斷和適應(yīng)性反饋等支持服務(wù)，在自動化的對話引導(dǎo)、學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)、情感支持等方面開展更為廣泛的探索，更好地支持虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)效果的達成。同時，還需關(guān)注學(xué)習(xí)科學(xué)、認知神經(jīng)科學(xué)研究對虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)平臺和活動設(shè)計的驅(qū)動作用，深化以人為中心的人機智能協(xié)同的學(xué)習(xí)反饋模式，助力虛擬科學(xué)探究學(xué)習(xí)更好地服務(wù)科學(xué)教育。

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A Study on the Process Evaluation and Adaptive Feedback of Virtual Science Inquiry Learning Enabled by Intelligent Technology

ZHENG Yafeng

（Center for Educational Science and Technology， Beijing Normal University， Zhuhai Guangdong 519087）

[Abstract] Automatic evaluation and adaptive feedback of virtual science inquiry learning are important supporting means to improve the effectiveness of inquiry learning. Firstly， this study outlines the application status of intelligent technology in virtual science inquiry learning from three aspects， namely， the element representation and analysis model， the automatic analysis and real-time evaluation， and the adaptive feedback. And this study summarizes the practical challenges faced by the current application of the technology， such as the difficulty in deeply exploring the element representation， portraying uncertain inquiry processes， and generating adaptive feedback. Secondly， on this basis， three key technologies are proposed： the construction of underlying computing model based on activity flow， the dynamic monitoring and automatic evaluation of complex inquiry process， and the generation of self-adaptive feedback content with explainable attribution. Thirdly， based on the key technologies， a technical architecture of the independent inquiry learning platform for virtual science experiments is designed. Finally， the study summarizes the innovation of the current research and puts forward future suggestions to provide a useful reference for further technical exploration in the field of virtual science inquiry learning enabled by intelligent technology.

[Keywords] Intelligent Technology; Virtual Science Inquiry Learning; Process Evaluation; Adaptive Feedback; Platform Design