李小平 張琳 張少剛 陳建珍 許夢幻

摘要：該論文在VR/AR科研和教學深入研究和實踐的基礎上，首次提出基于體驗學習的VR/AR智能教學控制思想，從系統(tǒng)論的視點研究了VR/AR的教學屬性、技術屬性和內在作用關系。嘗試從工程控制論和人工智能的角度對以學習者體驗學習為中心的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）/增強現(xiàn)實（Augmented Reality）教學模式進行研究，按照科學工程的方法對VR/AR教學中體系架構進行分析和設計，根據(jù)VR/AR教學思維維度的擴展構建了教學系統(tǒng)框架，提出了系統(tǒng)物理模型，并通過數(shù)據(jù)挖掘、教學回饋校正探索性地實現(xiàn)了個性化智能虛擬教學閉環(huán)控制系統(tǒng)，為提升智能VR/AR環(huán)境下的教學質量提出了一種可行的方法。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實;增強現(xiàn)實;智能控制;教學系統(tǒng);自適應學習;體驗學習

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

一、引言

隨著計算機軟硬件技術、傳感技術、智能控制、心理學以及多媒體等技術的飛速發(fā)展，更具沉浸感、交互性和想象性特征的虛擬現(xiàn)實技術受到廣泛的關注。技術的發(fā)展驅動著教育的發(fā)展，技術瓶頸的攻克、設備成本的降低以及沉浸感的提升使得虛擬技術在教育中的應用成為了可能。VR技術和AR技術的成熟以及教育領域以學習者為中心、強調教學體驗以及自適應學習的迫切需求推動了兩者融合的產(chǎn)物——智能VR/AR教學系統(tǒng)的出現(xiàn)。

VR實現(xiàn)的是一種嶄新的人機交互狀態(tài)，通過操作虛擬世界中的物體得到視、聽、觸覺等直觀真實的感知。AR通過融合虛擬的物象和現(xiàn)實世界，將真實世界和虛擬世界的信息同時展示出來[1]，能使學習者利用3D模型來增強對現(xiàn)實情境的視覺感知能力[2]。

VR/AR教學可行性問題包含了對教學模式的思考，經(jīng)過對圖1所示VR/AR教學問題的分析和研究可以看到，VR/AR教學通過教學環(huán)境的虛擬化和教學時空智能化構造，可以使學習者從不同視點進入虛擬世界，并可以通過使用一定的硬件設備與虛擬世界進行互動實現(xiàn)知識的學習[3]。虛擬現(xiàn)實技術能創(chuàng)設出真實的科學學習環(huán)境，以便讓學習者在其中進行探究性學習[4-6]。它可以為學習者創(chuàng)設更加便利的學習任務和情境，更加具象的表征形式，通過生動的交互體驗，讓學習者在虛擬環(huán)境中觀察、探索和實驗，完成情境化和個性化學習，從而大大激發(fā)學習者學習動機和學習興趣[7]。

二、VR/AR教學思維體系研究

基于VR/AR在教學中的可行性，通過把教學問題轉化為學習者對空間的體驗，把邏輯問題進行空間化和虛擬化描述來完成教學、空間和導航的設計，可以實現(xiàn)學習者通過體驗完成空間學習的目標。這種教學思維的變化源于VR的體驗特性和AR的疊加定位特性，因此也促進了教學空間的視點和思維體系的巨大變化。

所謂的教學思維指的是是潛存于教師心理結構中的比較穩(wěn)固的思考教學問題的模式[8]。受認知科學與哲學研究具身轉向的影響，當今教學思維方式的具身化傾向越來越明顯，教學的情境化、生成化、動態(tài)化以及教學研究方式的身體化等越來越成為教學研究者和一線教師共同的教學觀念或思維方式[9]。而VR/AR教學思維的轉變則是思維模式的一次大膽變革，本研究提出了多角度和多維的思維方法，同時構建了相應的思維體系。

（一）內部視點與外部視點

網(wǎng)絡課程（微課、視頻課程等）是以屏幕為分界線，學習者是站在第三視點去觀察和聆聽教師的授課，處于不參與、與我相關性較弱的狀態(tài)。而VR/AR教學思維的視點則區(qū)別于傳統(tǒng)的教學模式，它將學習者的視點進行了擴展，產(chǎn)生了內部視點和外部視點的概念，由此也產(chǎn)生了相應的思維模式。

內部視點引起的思維：在VR教學中，學習者是主人公，他們站在第一視點上去體驗教學，由里及表去參與教學，所有的問題都與其相關，教學過程不僅是以學習者的教學為中心，更是以學習者的感受為中心。

外部視點引起的思維：在AR教學中，學習者則處在第三視點，他們是站在屏幕外由表及里去看待問題，虛擬空間發(fā)生的事件可以與己相關，也可以無關。

雙向視點構成新的思維模式，通過建立起來的內外視點關系，學習者可以隨時在內外視點進行穿梭，達到一種內外統(tǒng)一的狀態(tài)，從而對問題產(chǎn)生一個直觀的認識。視點的出現(xiàn)提高了學習者對問題的關注度。

（二）多維視點

AR視點是四維視點，它允許空間的嵌套。AR是在實空間里看一個虛空間，還可以在虛空間里再看另一個虛空間，于是又出現(xiàn)了一個空間世界即第N+l空間。AR的產(chǎn)生擴展了思維，使得問題的討論又多了一個維度，多了一條敘事線和懸念，同樣無形中在外面也多了一個視點源。由于維度的增加，教學目標和教學預期的實現(xiàn)方法都在改變，使得傳統(tǒng)空間下，同一時間只能串行進行的事情改造成為了可以并行進行的事件，實現(xiàn)了雙思維的運行方式。

（三）教學思維體系

圖2是VR/AR教學思維導圖，主要包含了VR/AR教學系統(tǒng)中的關于思維所要研究的問題。系統(tǒng)引入了互聯(lián)網(wǎng)教學思維，將系統(tǒng)中的每個學習者作為獨立的計算體，使他們在學習中能夠共享學習空間和學習策略。同時VR/AR教學系統(tǒng)的構造與傳統(tǒng)的教學模式完全不同，它利用允許學習者親身體驗和參與教學活動的特點，將互動的現(xiàn)實世界和交互式計算機生成的世界融合，形成一個完整的教學環(huán)境[10]。它在系統(tǒng)目標、表層設計和教學元素的設計中重點討論了使用VR/AR的場景、程度及其作用，需要完成VR/AR問題類型、情節(jié)、任務障礙、元素之間的關系、危險環(huán)境的模擬、實驗內容的設計、意識形態(tài)的表述、邏輯問題的描述等等。而在VR/AR在教學設計中，則重點研究的是如何利用VR/AR技術實現(xiàn)教學系統(tǒng)中的交互、反饋、深層次學習、沖突、陷阱、通關、角色、虛擬操作以及情境的模擬[11][12]。

三、VR/AR教學需求對策模式設計

根據(jù)教學的需求和學習者的體驗能力，作為教學心理設計的重要環(huán)節(jié)，相應給出了不同的教學需求對策模式（如圖3所示），促使學習者積極的參與、沉浸的投入、第一視點的觀察、在不同的模式中和模式的融合中讓學習者創(chuàng)造思維，完成體驗式知識填空、自我完善的教學過程。

金魚設計模式：以故事為主線的貫穿型教學設計，教學過程不斷在AR空間、VR空間、實空間和講課空間來回穿梭，通過教師的講解和學習者的直接體驗，使得教學內容更加真實地呈現(xiàn)在學習者面前。

空間錯位設計模式：通過提供與原空間不同的空間或截然相反的空間實現(xiàn)反差比對教學，學習者在錯位空間中探尋答案，產(chǎn)生對比性和關聯(lián)性聯(lián)想，達到了錯位達意的目的。

學科連貫性設計模式：知識的形態(tài)是按照自然空間和社會空間的自然表象呈現(xiàn)的，因此教學設計也要利用空間的相關性和過渡性弱化學科概念，實現(xiàn)多學科融合。

空間連貫性設計模式：教學空間的轉換設計必須是無痕跡的，要過渡自然，使學習者無法感覺到空間的切換。從而在未來世界和現(xiàn)實空間中隨意進行切換學習。

假想性設計模式：教學空間的設計允許它的不合理性和假想性存在。尤其是對于一些未知空間的設計，由于它們充滿了不確定性，需要設計者大膽地進行想象和推理。在這樣的空間中學習者可以在對比中進行探索，更加增加了他們對知識的認知。

復合型設計模式：VR/AR本身的設計要求把復雜問題簡單化，帶著具體目標和任務，不斷將其分解產(chǎn)生連續(xù)的單體問題，最后將單體問題復合為復雜問題的解決過程。

對抗性設計模式：VR/AR空間是一個事物、學習者、虛擬人/物等之間充滿矛盾和沖突的空間，通過矛盾的展示和雙方的博弈、爭論，實現(xiàn)了對抗性設計模式。

逆向設計模式：傳統(tǒng)教學是一條單一的敘事線，教師很難打破固定章節(jié)之間承上啟下的關系，而VR/AR逆向設計模式允許學習者進行逆向探索和思維，去嘗試更多的學習情境，可以更明顯地起到對正面思維的襯托和對正面效果的鞏固作用。

發(fā)散收斂模式：這是一種以問題相關性設計為導向的思維方式，課程表現(xiàn)要圍繞主線服務，發(fā)散的程度與教學形態(tài)或某種思維密切相關。發(fā)散和主題之間必須具備雙向通道，可以是空間或故事情節(jié)的發(fā)散和收斂。

探究冒險設計模式：這種設計模式是最原發(fā)的VR設計，經(jīng)常被用來在VR空間解決虛擬現(xiàn)實的實驗問題，通過設定風險級別，使學習者在直接相關的強沖突環(huán)境中完成教學。

聯(lián)想型設計模式：這種設計模式提出了VR蒙太奇的概念，根據(jù)空間的變化，使學習者在體驗現(xiàn)實與虛擬兩個空間之后進行聯(lián)想和對比學習。

特殊設計模式：由于體驗環(huán)境是首次出現(xiàn)或者無法想象的，需要進行特質空間的重新構造，因此是對特定的教學問題的假設和為特殊任務進行的空間建構。

互聯(lián)網(wǎng)思維教學設計模式：將互聯(lián)的共享思維應用于空間的構造，學習者通過共享實現(xiàn)多空間的協(xié)同和融合。利用虛擬空間即時構建法還可以根據(jù)實物采集（如傳感器）即時構造空間，實現(xiàn)了多屬性空間的重構。

期待性設計模式：這種設計模式將VR/AR教學與教育心理學有機結合在一起，通過把復雜問題分解成若干個小階段，小階段逐步產(chǎn)生小成果，最后合并產(chǎn)生階段性成果及最終成果的過程，讓學習者解決問題的同時具有期待感和滿足感。

全局設計模式：德·彼諾將問題的思維方式分成了六種：總結性思考、批判性思考、積極性思考、直覺性思考、客觀性思考和探索性思考[13]。VR/AR教學設計中，針對學習者的不同，可以為其提供相應的啟發(fā)思考策略，從而使其通過這幾種思維方式的遞進順序解決問題。

多屏幕設計模式：根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，系統(tǒng)是由超系統(tǒng)、當前系統(tǒng)和多個子系統(tǒng)構成的，教學設計要能使學習者在這三類系統(tǒng)得到體驗，同時還能將系統(tǒng)切換到過去和未來的情境中，使那些難以想象的場景得到真實的體現(xiàn)。

觸及底線設計模式：教學設計中對教學情境和教學方法的設計要敢于觸及底線，包括觸及心理底線、道德底線、矛盾底線、恐懼底線、想象底線、視覺底線、沖突底線等等，通過大膽地將學習內容呈現(xiàn)在學習者面前，為他們還原一種最真實的學習情境。

四、VR/AR教學體系架構設計

本研究針對VR/AR教學需求設計了其體系架構，主要描述了直接構成VR/AR教學系統(tǒng)的抽象組件，其中包含VR/AR教學研究架構、VR/AR教學設計及教學策略架構和VR/AR教育資源工程架構，具體研究內容如圖4所示。

（一）VR/AR教學研究架構

VR/AR教學研究架構主要構建的是教學目標、教學思維、教學體驗和學習體系，其中包括教學設計目標及教學設計原則的研究，VR/AR教學表現(xiàn)形態(tài)、教學方法、教學思維、教學交互方式、教學立場的轉變研究.教學空間的設計和轉換研究，VR/AR教學技術類型轉換研究，以知識體驗為核心的學習體系的構建以及VR/AR教學沉浸式體驗模型的構建。

（二）VR/AR教學設計及教學策略架構

VR/AR教學設計及教學策略架構設計包含了VR/AR教學設計思想、教學設計模式、教學方法設計和教學策略設計。其中VR/AR教學設計思想包含了系統(tǒng)的視點設計，即站在由表及里和由里及表的視點，通過多條敘事線、多屏幕設計的模式以及全局設計等等多種模式對系統(tǒng)進行構建。VR/AR教學針對不同情境利用各種教學方法和教學策略的設計實現(xiàn)了多種教學設計模式，使系統(tǒng)能夠根據(jù)學習者的特性為其提供最優(yōu)的策略路徑。

（三）VR/AR教育資源工程架構

VR/AR教育資源工程架構主要站在軟件工程的角度，將VR/AR教育視為一種資源工程，從系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)測試等角度完成對其整體的構建。主要包括VR/AR對象分析、VR/AR沖突層分析、VR/AR表現(xiàn)層分析、VR/AR教學概要設計、VR/AR功能設計和VR/AR資源測試。

五、VR/AR智能虛擬教學控制物理模型構建

所謂系統(tǒng)物理模型是指描述系統(tǒng)“如何做”“如何實現(xiàn)”的物理過程。而在VR/AR智能虛擬教學控制系統(tǒng)中，它的物理模型更加強調智能化反饋控制過程的實現(xiàn)，通過教學數(shù)據(jù)挖掘層和教學策略調整層，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應策略調整，從而達到智能控制的目的。在VR/AR教學體系架構的基礎上，本研究構建了其物理模型，如下頁圖5所示，描述了學習者如何從物理基礎層開始，在系統(tǒng)自適應策略的引導下逐層向上進行VR/AR空間學習。

（一）VR/AR基礎層

VR/AR基礎層是整個系統(tǒng)的物理基礎，為系統(tǒng)提供了支撐平臺和基礎設備。學習者可以利用多種設備進入虛擬平臺空間，虛擬平臺可以是單一的VR平臺或AR平臺，也可以是多個VR平臺和AR平臺嵌套形成的復雜虛擬平臺，平臺具有回饋控制功能，所有在平臺中完成的教學行為都會被記憶、訓練和學習，在反饋機制的作用下不斷更新平臺中現(xiàn)有的策略庫和規(guī)則庫，從而使虛擬平臺具有更強的智能性。

（二）VR/AR空間層

VR/AR空間層包含了系統(tǒng)的各種學習空間，包括VR直接交互空間、AR疊加空間、形態(tài)空間以及虛實交錯空間。這些空間根據(jù)結構和性質劃分可以分為同構同質、異構同質、同構異質和異構異質四種。除此之外，VR空間還反映了人/故事與空間的承載關系，它們之間包含了1：1、1：N、N：l、N：N四種關系。即一人一空間、一人多空間、多人一空間、多人多空間、一故事一空間、一故事多空間、多故事一空間、多故事多空間。在空間中，學習者通過固定導航、自適應導航和創(chuàng)意導航等多種方式完成自身的學習過程。

（三）VR/AR邏輯層

VR/AR邏輯層實現(xiàn)的是根據(jù)學習者的特點和需求，進入到虛擬空間，完成方法、過程及技能的學習[14]。

空間引入分為邏輯引入和物理引入兩種。邏輯引入相當于故事引入、情節(jié)引入，是指進入故事情節(jié)視點空間的方式。AR引入則是物理引入，是指進入虛擬世界的方式。操作觸發(fā)的引入也是一種物理引入，指的是點擊觸控鍵進入空間漫游的方式。

形態(tài)則主要指的是在虛擬空間中需要掌握的某種技能，其中包含：

方法形態(tài)：方法形態(tài)指的是整個學習過程是對方法的體驗，是在訓練一個方法，使學習者掌握和體驗這種方法。

意識形態(tài)：是指在空間體驗某種虛擬的精神。

過程形態(tài)：著重于各種事件的解決過程和發(fā)現(xiàn)問題、探索問題的過程。

技能操控：主要是學習者在學習空間進行的技能體驗，體驗分為不同的級別和難度，以及對各種工具的操控體驗。

（四）教學策略層

教學策略層包含了教學中常用的教學手段和方法，允許通過設置懸念和陷阱，使學習者對學習空間充滿了好奇，結合多條敘事線的展開，學習者不斷在漫游中探究，在不同場景的切換和不同敘事過程中，通過與合作者及挑戰(zhàn)者之間的沖突展開，完成對知識的探究和學習[15]。

（五）教學數(shù)據(jù)挖掘層

教學數(shù)據(jù)挖掘是指運用教育學、計算機科學、心理學和統(tǒng)計學等多個學科的理論和技術來解決教育研究與教學實踐中的問題，挖掘出有價值的信息，以幫助教師更好地理解學習者，并改善他們所學習的環(huán)境[16]。教學數(shù)據(jù)挖掘的主要目標包括：預測學習發(fā)展趨勢，提出教學內容和教學模型的改進優(yōu)化建議，促進有效學習[17]。VR/AR教育系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘主要采集的是學習者導航路徑、學習行為、學習動作和學習痕跡。通過對這些內容進行分析挖掘，得出學習者與學習軌跡之間的關系并構造出最佳學習路徑，通過不斷反饋調整，實現(xiàn)系統(tǒng)對學習者的自適應導航。

（六）教學策略調整層

教學策略調整層主要的功能是構造系統(tǒng)相關的智能策略。包括空間自適應策略、學習者個性化策略和智能應對策略等，主要是能夠根據(jù)學習者的特征自動完成其學習策略的調整，實現(xiàn)最優(yōu)策略的推薦。

六、VR/AR個性化智能虛擬教學閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

VR/AR教學系統(tǒng)是一個自適應的智能教學控制反饋系統(tǒng)，它利用自身的多個部件和數(shù)據(jù)存儲機制實現(xiàn)了物理模型中各層的功能，具體的對應關系和各部分之間的關系如下頁圖6所示。

學習者根據(jù)學習目標通過VR或AR的方式進入到相應的VR/AR空間，在空間中根據(jù)自身對知識的掌握程度可以選擇不同的學習方式，系統(tǒng)可以記錄下來學習者的全部學習軌跡和學習動作，通過分析學習者的學習行為，選擇適合學習者的學習路徑，從而產(chǎn)生自適應的學習模式和學習策略，同時將這些模式和策略反饋到系統(tǒng)中的學習行為記錄部件，用以不斷更新和擴大相應的行為規(guī)則庫。通過不斷訓練的學習過程，系統(tǒng)將會產(chǎn)生大量的學習規(guī)則，通過數(shù)據(jù)挖掘技術，為自適應的學習控制和導航策略的產(chǎn)生提供相應的數(shù)據(jù)支持。

（一）VR/AR空間進入

學習者進入學習空間的方式有兩種：直接方式和間接方式。直接方式是指通過輸入端機直接進入VR學習空間。而進入AR空間需要采用間接方式，首先通過手機端等尋找學習目標，經(jīng)過定位部件進行特征抽取，找到唯一目標并對其進行解釋，通過疊加部件實現(xiàn)虛擬空間和實體空間的疊加，從而進入AR空間。

（二）VR/AR空間轉換

學習空間包含了VR學習空間、AR學習空間和實體學習空間。VR學習空間在教學中的主要作用是用來展示教學過程和教學對象的內部結構，是一種虛擬學習環(huán)境;而AR學習空間則可以通過虛擬空間和實體空間的疊加產(chǎn)生多條敘事線和敘事懸念。虛擬空間承載的空間類型可以嵌套，即可以是VR空間里嵌套VR空間，也可以VR空間中用AR進行疊加再進行嵌套等等，空間之間是融合的，其關系圖如圖7、圖8所示。

依據(jù)教學目標實現(xiàn)空間的設置，可以是以沖突為導向的，如教學中的正方和反方，也可以是以問題為核心的，如需要解決一個問題所要排除的各種困難。通過使學習者在實體、虛體和AR疊加空間之間進行漫游，去認知、感知和探索，同時不斷記錄個人學習的行為和方式，不斷調整相應的學習策略，使空間更加優(yōu)化、個性化和通用化，使教學隨著人群的不同會分類產(chǎn)生不同的、與行為配套的完整的教學空間體系。

（三）教學規(guī)則存儲

教學規(guī)則是自適應學習路徑生成的基礎保障，通過教學規(guī)則的匹配，可以判斷學習者的學習活動狀態(tài)并進行智能策略調整，從而實現(xiàn)學習者學習路徑、學習環(huán)境和學習導航的最優(yōu)組合。教學規(guī)則通常被存儲在一些數(shù)據(jù)庫中，其中包括：

講解課程庫：存儲了整個學習環(huán)境中涉及到的所有知識點的講解，是VR/AR教學的基礎，扮演的是教師的角色。學習者在漫游學習中對知識的掌握都是通過講解課程庫中的定位講解實現(xiàn)的，它與學習者點擊學習的問題同步，可以通過多種媒體形式對問題進行闡釋。

學習行為構造元素庫：也稱為構件庫，存儲的是學習環(huán)境構造的各種基本構件。虛擬空間最大的特點是真實性，因此環(huán)境的構造需要大量的構件來模擬。構造元素之間還可以通過疊加產(chǎn)生更加復雜的構件。

知識關聯(lián)規(guī)則庫：關聯(lián)知識是反映一個事物和其他事物之間依賴或相互關聯(lián)的知識。如果兩項或多項屬性之間存有關聯(lián)，那么其中一項的屬性值就可以依據(jù)其他屬性值進行預測。在VR/AR教學系統(tǒng)中，知識關聯(lián)規(guī)則庫中存儲了大量與課程相關的知識屬性，通過不斷挖掘回饋可以豐富知識屬性之間的關聯(lián)，通過置信度、重要性等指標可以判斷規(guī)則的有用性和重要程度。知識關聯(lián)規(guī)則庫與講解課程庫相配合，可以實現(xiàn)知識的智能推薦學習。

虛擬人物行為庫：在智能虛擬學習環(huán)境中，為了更逼真地模仿真實世界，并使得參加的學習者具有沉浸虛擬感，需要在虛擬世界中加入有生命的對象（虛擬人或動物）[18][19]。學習者通常用一個用戶化身來表示，在漫游學習過程中，用戶化身可以和場景中的對象進行交互。

學習行為規(guī)則庫：記錄了學習者對知識學習的過程中的一些限制規(guī)則，例如知識的先序后序、知識的關聯(lián)關系等。

學習導航策略庫：VR/AR教學系統(tǒng)要根據(jù)所學知識含有導航策略，根據(jù)學習者學習知識的順序進行知識及路徑的推薦，引導他們選擇合適的學習路徑?？梢愿鶕?jù)學習者的認知程度決定是否給他們進行講解，原則上知識的講解與學習者的點擊是同步進行的。

學習空間轉換規(guī)則庫：記錄了VR空間、AR空間和實空間之間的轉換規(guī)則，即這些空間何時進行轉換，哪些空間需要轉換以及如何進行轉換，使得學習者在進行漫游時系統(tǒng)可以根據(jù)其學習路徑和學習內容依據(jù)轉換規(guī)則自動進行空間切換。

（四）教學策略生成

教學策略的生成包含了策略、行為和導航的生成部件，它們通過讀取相應規(guī)則庫中的數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)和學習者分析，從而為系統(tǒng)提供智能的教學策略。

虛擬學習生成部件：主要記錄的是學習者對課程學習的相關活動，包括虛擬人/物的軌跡和學習者的軌跡。學習者進入系統(tǒng)之后開始找出路徑進行學習，通過不斷的漫游，系統(tǒng)記錄下來學習者的學習路徑、虛擬對象的行為、學習者應對的策略和應對的行動等等，包括學習者點擊的構件類型、點擊次數(shù)、路徑回退等。

虛擬人/物行為產(chǎn)生部件：虛擬人/物行為的產(chǎn)生和教學策略難度有關，系統(tǒng)根據(jù)不同的導航路徑會設計出不同的人/物，如在通關學習中，系統(tǒng)會設計正方反方、協(xié)作方敵對方等等人/物，反方人/物的動作、難度、行為等一定要根據(jù)學習者的成熟度和選擇的學習級別而改變，總是讓他不斷適應學習者的技能特征。虛擬人/物與學習者可以是相互配合學習的關系，也可以是與學習者對立或者攻擊的關系，主要作用就是與學習者進行交互，并根據(jù)學習者的自適應度不斷進行人物、空間和路徑的調整。

學習行為策略部件：學習行為策略要根據(jù)學習者情況不斷調整和改變，如是否要增加可選擇路徑，是否要加大對學習者的獎勵等，要根據(jù)學習者在學習中體現(xiàn)的疲勞程度、年齡程度和對空間的依戀程度進行評價，要根據(jù)曾經(jīng)的學習成績、學習情況進行相應難度和系數(shù)的調整，最終目標就是能夠使學習者產(chǎn)生空間的移情和對虛擬教學空間的迷戀。

自適應導航部件：學習者在漫游中選擇的人口可能是隨意的，但在漫游的過程中，為了實現(xiàn)教學目標，同時考慮到知識的承上啟下性或鋪墊性，系統(tǒng)會不斷根據(jù)由教師和曾經(jīng)的知識庫建立起的知識關聯(lián)規(guī)則進行最優(yōu)路徑選擇，不斷完善導航的路徑，形成新的自適應導航。VR的自適應導航是教學設計的關鍵，它不斷學習、不斷總結，為大數(shù)據(jù)挖掘提供了數(shù)據(jù)來源。導航可以根據(jù)學習者的認知程度，給出學習步驟詳略不一的學習路徑。對于對知識掌握程度好的同學，學習的路徑比較粗略，更多地是讓他自己進行創(chuàng)新性路徑探索，導航的功能只是一種補充學習。而對于知識掌握程度一般的同學則會給出比較詳細的學習路徑導航，對學習路徑中知識的講解也更加細致。

VR空間建構部件：是整個VR/AR系統(tǒng)的核心基礎，它與底層的學習行為構造元素庫對應。VR空間設計就是教學中的環(huán)境設計，包括路徑選擇、路徑探索、解決跨越障礙的方法等。VR構造的空間是主體空間，其構造需要考慮多種因素，如學習者年齡、職業(yè)、專業(yè)等，設計的空間可以按照構造的級別，讓其具有適應性，比如根據(jù)難度可以減少障礙物或者加大復雜度等。

（五）教學活動記錄

教學活動記錄包含了教學中學習者和虛擬對象的活動記錄，這些數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)挖掘部件，可以為策略調整提供有效的依據(jù)。

自適應導航記錄庫：自適應導航記錄庫記錄的數(shù)據(jù)反映了學習者學習的成熟度，反映了他對知識的理解程度。為了確定下一步學習路徑，這就要求系統(tǒng)構件必須要有明確的含義，讓學習者可以自主進行路徑選擇。

虛擬對象行為記錄庫：記錄了VR/AR空間中虛擬人/物的行為，可以是配合學習者學習的行為，也可以是阻礙學習者學習的行為。

學習策略記錄庫：記錄了學習者的學習各種策略。

學習者活動痕跡記錄庫：學習者在學習的過程中會根據(jù)自身的適應情況進行多次策略調整，但這種調整可能是沒有規(guī)律的，系統(tǒng)需要找出他曾經(jīng)走過的最正確的路徑，軌跡行為的記錄可以實現(xiàn)最優(yōu)路徑的選擇。軌跡行為可以是漫游行走，還可以是各種操控，如按下按鈕等，另外，在虛擬空間的交互語音也是行為軌跡的重要組成部分。

（六）教學策略調整

教學策略調整部件是整個系統(tǒng)反饋控制的核心，系統(tǒng)通過記錄學習者在虛擬空間所進行的活動、所完成的導航以及對虛擬對象行為的記錄，通過分析挖掘，找出不同教學對象的最優(yōu)教學策略，通過反饋給系統(tǒng)中各個部件，完成對相關規(guī)則庫和策略庫的調整，經(jīng)過多次的閉環(huán)反饋控制，找到系統(tǒng)的最優(yōu)解，最終達到對學習者的學習提供最優(yōu)自適應導航的目的。

七、結束語

教育思維的轉變引起了教學方法、手段、環(huán)境等一系列變化。VR/AR的引入改變了傳統(tǒng)的教學思維，增加了審視教學問題及教學質量控制問題的維度，使得智能體驗式學習成為了現(xiàn)實。本團隊經(jīng)過多年對虛擬現(xiàn)實技術的研究，首次提出基于體驗學習的VR/AR教學智能控制思想，將VR/AR教育理論和VR/AR系統(tǒng)控制論進行融合，按照虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)工程設計思想提出分層設計，通過VR/AR汽車工程課程深度虛擬學習的多年實踐教學經(jīng)驗，歸納、析取、總結出了VR/AR教學體系，提出了內部視點、外部視點和多維視點等新概念以及系統(tǒng)架構模型、物理分析模型、向工業(yè)控制過程靠近的多元因素閉環(huán)控制模型等新框架，體現(xiàn)了人工智能控制和大數(shù)據(jù)挖掘的思想，找到了對教學質量控制的回路，簡化了教育工程的復雜度，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)了以學習者為中心的智能化學習，為學習者提供了一個更真實的體驗空間和自適應的智能學習空間。該研究印證了VR/AR是目前體驗最深、獲得學習痕跡最全并能夠進行數(shù)據(jù)挖掘控制的教學模式，它將會是未來智能教育的重要研究方向，對于引發(fā)教育控制論對深度學習的思考和研究具有重要意義。

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