張琳 李小平 來(lái)林靜 吳曉兵 孫清亮

摘要：該文基于游戲教學(xué)和數(shù)據(jù)挖掘算法，首次開展了游戲教學(xué)的數(shù)據(jù)挖掘方法問(wèn)題研究，提出了分層挖掘的概念和應(yīng)用方法，通過(guò)研究游戲教學(xué)中的數(shù)據(jù)元素、教學(xué)目的和教學(xué)效果之間的關(guān)系，完成了游戲教學(xué)形態(tài)化的設(shè)計(jì)。提出了游戲教學(xué)的數(shù)據(jù)框架、數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建了分層數(shù)據(jù)挖掘模型和分層挖掘邏輯結(jié)構(gòu)，分析了數(shù)據(jù)視點(diǎn)層、數(shù)據(jù)意義層、數(shù)據(jù)元素層和元素來(lái)源獲取層之間的關(guān)系，提出了不同視點(diǎn)在教學(xué)管理、教學(xué)設(shè)計(jì)下的數(shù)據(jù)挖掘函數(shù)嵌套分量和控制關(guān)系。首次提出了游戲知識(shí)的獲取、知識(shí)的聚類和知識(shí)挖掘的方法，提出了數(shù)據(jù)挖掘量化強(qiáng)度的概念，構(gòu)建了基于數(shù)據(jù)分層挖掘的游戲設(shè)計(jì)與能力培養(yǎng)評(píng)測(cè)關(guān)系控制模型，為未來(lái)游戲教學(xué)設(shè)計(jì)框架及元素設(shè)計(jì)提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘;游戲教學(xué);分層挖掘;數(shù)據(jù)視點(diǎn);教學(xué)控制

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、引言

游戲數(shù)據(jù)挖掘是針對(duì)學(xué)習(xí)者對(duì)游戲教學(xué)中各種教學(xué)設(shè)計(jì)元素所產(chǎn)生的反應(yīng)與要評(píng)價(jià)的學(xué)習(xí)者能力之間關(guān)系的挖掘，是一種能力的映射效果。在游戲教學(xué)中，游戲元素的設(shè)置體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者自身的素質(zhì)和能力，是教學(xué)智能性和科學(xué)性的反映。游戲元素設(shè)置是否成功、是否對(duì)教學(xué)產(chǎn)生積極作用是通過(guò)學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)反映出來(lái)的。因此，只有對(duì)其教學(xué)行為數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘才能實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的驗(yàn)證。

傳統(tǒng)的教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中產(chǎn)生的各種教學(xué)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的提取以及利用日志搜索分析技術(shù)完成用戶日志數(shù)據(jù)的采集，得到各種在線分析數(shù)據(jù)。常見的研究包括學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)行為規(guī)律的分析、學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)影響因素的分析以及學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)模型的建立等。這些數(shù)據(jù)挖掘的過(guò)程通常都是單一層次的挖掘，有些挖掘具有一定的盲目性以及目標(biāo)的不清晰性。數(shù)據(jù)挖掘必須基于一定的挖掘視點(diǎn)，明確挖掘目標(biāo)，而且要進(jìn)行多次分層挖掘，這樣才可以找到教學(xué)數(shù)據(jù)之間更深層次的關(guān)系。針對(duì)游戲教學(xué)，數(shù)據(jù)挖掘的目標(biāo)就是要挖掘出學(xué)習(xí)者對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)元素的反應(yīng)能力，明確這些元素的設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)者的能力是否能夠?qū)?yīng)、教學(xué)能否成功等。數(shù)據(jù)挖掘必須有先決路徑和存在的元素才有挖掘的意義，才能反映出游戲的特有視點(diǎn)，即數(shù)據(jù)挖掘的原點(diǎn)。數(shù)據(jù)挖掘原點(diǎn)決定數(shù)據(jù)視點(diǎn)，不同的應(yīng)用具有不同的原點(diǎn)，游戲的原點(diǎn)來(lái)自于設(shè)計(jì)元素功能所體現(xiàn)的初衷，即學(xué)習(xí)者在游戲教學(xué)中展現(xiàn)的能力。只有找到挖掘原點(diǎn)才能找出培養(yǎng)學(xué)習(xí)者對(duì)這些元素適應(yīng)能力的規(guī)律，通過(guò)設(shè)計(jì)元素的修正再去培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的能力，通過(guò)教學(xué)元素模型的不斷訓(xùn)練，可以形成優(yōu)質(zhì)的游戲教學(xué)模型和架構(gòu)。

游戲數(shù)據(jù)挖掘中除了常規(guī)的數(shù)據(jù)挖掘問(wèn)題之外，還存在一些自身特有的需要解決的問(wèn)題，例如為什么要對(duì)游戲進(jìn)行挖掘？誰(shuí)來(lái)進(jìn)行游戲挖掘？如何對(duì)游戲進(jìn)行挖掘？挖掘的結(jié)果為誰(shuí)？挖掘的內(nèi)容包含什么？游戲挖掘是否具有目的性？如何確定挖掘的深度？能否對(duì)游戲行為直接進(jìn)行挖掘？游戲挖掘需要具備哪些條件？本文針對(duì)以上問(wèn)題展開了深入研究。

二、游戲教學(xué)挖掘

游戲教學(xué)是借鑒游戲的設(shè)疑、挑戰(zhàn)、自主等理念，把教學(xué)目標(biāo)隱藏于游戲活動(dòng)中，根據(jù)學(xué)習(xí)者的特征以及教學(xué)內(nèi)容，采取相應(yīng)的游戲化教學(xué)策略，從而使學(xué)習(xí)者在放松的狀態(tài)下，從樂(lè)趣中獲得知識(shí)、提高技能和陶冶情操。游戲教學(xué)是在數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)上，通過(guò)情形、環(huán)境等的設(shè)計(jì)體現(xiàn)人才培養(yǎng)的目標(biāo)、意義和方法的一種新型的教學(xué)形態(tài)。游戲教學(xué)不是為了告訴學(xué)習(xí)者什么是知識(shí)，而是通過(guò)綜合知識(shí)或技能沖突空間的設(shè)計(jì)使學(xué)習(xí)者在游戲中獲得能力的提升，從而建構(gòu)學(xué)習(xí)者自身的知識(shí)體系，并用自身感知的知識(shí)和技能去解決問(wèn)題。學(xué)習(xí)者能夠在興奮或刺激的氣氛中，以忘我的本能和態(tài)度“建構(gòu)”或“毀滅”虛擬空間，從中獲得影視教學(xué)設(shè)計(jì)中的懸念、驚奇和滿足三大體驗(yàn)。學(xué)習(xí)者將自己的行為軌跡通過(guò)在游戲空間中與各個(gè)元素作用所產(chǎn)生的效應(yīng)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，以此來(lái)展示和證明自己解決問(wèn)題的能力。所有學(xué)習(xí)者在游戲中的歷史行為記錄構(gòu)成了游戲行為大數(shù)據(jù)，游戲大數(shù)據(jù)為游戲數(shù)據(jù)挖掘、教學(xué)效果與游戲設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)問(wèn)題研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)游戲數(shù)據(jù)挖掘可以找出教學(xué)問(wèn)題的規(guī)律，找出教學(xué)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，找出設(shè)計(jì)元素與教學(xué)之間的關(guān)系，找出游戲元素及游戲空間設(shè)計(jì)與教學(xué)效果、游戲?qū)W習(xí)者能力提升三者之間的關(guān)系，找出知識(shí)與教學(xué)元素的關(guān)系以及游戲教學(xué)設(shè)計(jì)的平衡量和控制關(guān)系，構(gòu)建教學(xué)控制模型并實(shí)施教學(xué)控制。通過(guò)關(guān)系的挖掘形成游戲問(wèn)題的數(shù)據(jù)視點(diǎn)，由此提出挖掘分層、問(wèn)題聚類、數(shù)據(jù)挖掘量化分析、游戲教學(xué)能力與元素的控制模型和反向設(shè)計(jì)模型。

游戲教學(xué)挖掘模型如圖1所示。游戲教學(xué)是一種傳統(tǒng)教學(xué)通過(guò)教學(xué)形體轉(zhuǎn)換形成的新型的教學(xué)模式，學(xué)習(xí)者在游戲?qū)W習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的教學(xué)行為，這些行為通過(guò)游戲系統(tǒng)記錄到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)對(duì)大量學(xué)習(xí)者游戲痕跡的挖掘，可以實(shí)現(xiàn)游戲元素與學(xué)習(xí)行為關(guān)系的提取，將不同的關(guān)系存儲(chǔ)在相關(guān)關(guān)系庫(kù)中，可以構(gòu)建相應(yīng)的教學(xué)控制策略。

三、教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘視點(diǎn)

教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘視點(diǎn)是研究教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘的立場(chǎng)、目標(biāo)和態(tài)度，是探究基于不同的視角獲取和挖掘數(shù)據(jù)的研究過(guò)程。教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘視點(diǎn)是基于教學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合觀測(cè)者本人的視點(diǎn)以及研究視點(diǎn)需求的基礎(chǔ)上，提出自己對(duì)數(shù)據(jù)的獲取方法和獲取手段的觀點(diǎn)。教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘視點(diǎn)是根據(jù)技術(shù)環(huán)境和信息獲取方法及途徑，通過(guò)多種表現(xiàn)形態(tài)的數(shù)據(jù)給出事件真?zhèn)闻c對(duì)錯(cuò)以及是否與事實(shí)相符的結(jié)論。

人們?cè)谟^察事物的時(shí)候總是帶有一定的態(tài)度，視點(diǎn)本身含有一種主觀性.是根據(jù)主觀的態(tài)度對(duì)所要獲取的客觀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過(guò)程。由于挖掘者本身帶有主觀的感情和情緒，所以挖掘的立場(chǎng)各不相同，挖掘數(shù)據(jù)的關(guān)注度也各不相同。很多問(wèn)題需要基于一定的生活經(jīng)歷和知識(shí)基礎(chǔ)，通過(guò)技術(shù)手段或人為手段對(duì)教學(xué)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行分類判斷、從數(shù)據(jù)中獲取需要的信息。

數(shù)據(jù)挖掘視點(diǎn)是專家經(jīng)驗(yàn)的體現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)越豐富，視點(diǎn)越準(zhǔn)確，找到相關(guān)的因素越全面，挖掘出的規(guī)律與事實(shí)越相符。因此，挖掘視點(diǎn)對(duì)大數(shù)據(jù)挖掘效率及準(zhǔn)確性起著重要作用。視點(diǎn)最初是人為經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)可以建立初始事件影響因素的挖掘模型。隨著數(shù)據(jù)的不斷挖掘，可以將挖掘結(jié)果與模型進(jìn)行比對(duì)，在挖掘中不斷校正模型，最后產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)優(yōu)化的模型，挖掘出事件的因果關(guān)系。因此，大數(shù)據(jù)挖掘是通過(guò)尋找相關(guān)因素去更深層次地探尋其因果關(guān)系。

在游戲教學(xué)中，由于教學(xué)數(shù)據(jù)的類型和結(jié)構(gòu)各不相同，大量的數(shù)據(jù)以不同的形式存儲(chǔ)在教學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此對(duì)于游戲教學(xué)數(shù)據(jù)的挖掘必須具有明確的挖掘視點(diǎn)、管理方向和目標(biāo)。這就是數(shù)據(jù)挖掘的原點(diǎn)，數(shù)據(jù)原點(diǎn)決定數(shù)據(jù)視點(diǎn)，不同的應(yīng)用具有不同的原點(diǎn)，不同的挖掘需求具有不同的原點(diǎn)。

四、游戲教學(xué)數(shù)據(jù)分層挖掘方法

分層挖掘是指根據(jù)不同視點(diǎn)將挖掘目標(biāo)分解成多個(gè)中層挖掘元素，并將這些元素與數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)挖掘分析，確定挖掘目標(biāo)與數(shù)據(jù)集元素關(guān)系的過(guò)程。當(dāng)頂層挖掘目標(biāo)與底層數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)集之間關(guān)系不明確或關(guān)系太復(fù)雜，無(wú)法直接挖掘到底層數(shù)據(jù)與頂層目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)，中間層的建立有效實(shí)現(xiàn)了二者關(guān)系的建立。分層挖掘是一種多元組合、嵌套式函數(shù)關(guān)系深度挖掘，它體現(xiàn)了數(shù)據(jù)挖掘的多維特性。

（一）分層挖掘模型

分層挖掘模型如圖2所示，模型共分三層：頂層根目標(biāo)層、中層元素層和底層數(shù)據(jù)層。頂級(jí)到中層的挖掘是指標(biāo)分解挖掘，中層到底層的挖掘是學(xué)習(xí)者軌跡行為效果聚類的挖掘。

1.根目標(biāo)層

根目標(biāo)的視點(diǎn)是可變的，站在不同的教學(xué)設(shè)計(jì)者角度，根目標(biāo)的挖掘具有不同的意義。數(shù)據(jù)挖掘的最終目標(biāo)是建立根目標(biāo)與底層數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系。例如，當(dāng)確定學(xué)習(xí)效果提升為最終根目標(biāo)之后，需要通過(guò)對(duì)底層數(shù)據(jù)庫(kù)中學(xué)習(xí)者活動(dòng)痕跡數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，明確哪些因素對(duì)于提升學(xué)習(xí)效果起到重要的作用。如果通過(guò)根目標(biāo)層直接挖掘底層數(shù)據(jù)，雖然可以找出關(guān)聯(lián)關(guān)系，但如果關(guān)聯(lián)不明確，就無(wú)法構(gòu)成學(xué)習(xí)的邏輯規(guī)律，因此有必要對(duì)挖掘目標(biāo)進(jìn)行分層聚類，在不同的聚類中找出對(duì)學(xué)習(xí)效果影響強(qiáng)烈的元素。

2.中層元素層

中層元素層構(gòu)造的是頂層與底層之間的關(guān)系，中間層元素可以有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)意義或管理意義，可以是基于教學(xué)管理經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造而成的獨(dú)立數(shù)據(jù)，它無(wú)法直接從數(shù)據(jù)集中獲取，而是通過(guò)大量的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，最終確定影響根目標(biāo)的重要中間元素。例如，底層記錄的學(xué)生闖關(guān)成功的行為數(shù)據(jù)與根目標(biāo)層學(xué)習(xí)效果提升之間缺乏直接強(qiáng)相關(guān)性，但闖關(guān)成功實(shí)際是學(xué)生對(duì)于已知知識(shí)的有效運(yùn)用，甚至是對(duì)知識(shí)的創(chuàng)新，它與根目標(biāo)具有很重要的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如果利用傳統(tǒng)的單層數(shù)據(jù)挖掘，這樣的數(shù)據(jù)將被忽略，就會(huì)使得最終的挖掘結(jié)果出現(xiàn)偏差。

在分層數(shù)據(jù)挖掘模型中，可以根據(jù)挖掘難度構(gòu)造多個(gè)中間層，中間層元素在整個(gè)數(shù)據(jù)挖掘策略中起到了承上啟下的作用，既要作為自變量支撐第一視點(diǎn)根目標(biāo)層的數(shù)據(jù)挖掘因果關(guān)系，又要作為因變量挖掘與底層數(shù)據(jù)之間的因果關(guān)系。

3.數(shù)據(jù)層

底層數(shù)據(jù)層記錄的是教學(xué)系統(tǒng)的過(guò)程數(shù)據(jù)，它們來(lái)源廣泛，體現(xiàn)了游戲設(shè)計(jì)的功能元素，被存儲(chǔ)于不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中。不同的底層元素聚類形成關(guān)系的數(shù)量就是因果關(guān)系的強(qiáng)度，是所有學(xué)習(xí)者對(duì)某一個(gè)元素反應(yīng)的概率，是所有學(xué)習(xí)者對(duì)這個(gè)元素反應(yīng)的能力評(píng)價(jià)。建立某一個(gè)元素的聚合挖掘特性，以強(qiáng)度作為因果關(guān)系系數(shù)或權(quán)重，在其中根據(jù)概率進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，就可以系列地構(gòu)成各層數(shù)據(jù)挖掘因果關(guān)系控制模型，控制模型從質(zhì)到量上對(duì)數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行了方法性描述，通過(guò)控制模型的構(gòu)建，可以使教學(xué)視點(diǎn)的觀察者明確根目標(biāo)的影響因素及控制方。

（二）分層挖掘邏輯結(jié)構(gòu)

分層挖掘邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示，自下而上分別是元素來(lái)源獲取層、數(shù)據(jù)元素層、數(shù)據(jù)意義層和數(shù)據(jù)視點(diǎn)層。其中每一個(gè)上層的數(shù)據(jù)均可以被看作因變量y，其下層數(shù)據(jù)則是自變量x，下層數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘形成的相關(guān)函數(shù)f轉(zhuǎn)換后可以求得上層數(shù)據(jù)的值。自變量可以是自然的數(shù)據(jù)源或情節(jié)故事源，也可以是人為隱含構(gòu)造出來(lái)的教學(xué)中間行為結(jié)果，因變量和自變量是一個(gè)相對(duì)的概念。每一層既可以是它上層的自變量，也可以是它下層的因變量，因此便可以形成頂層數(shù)據(jù)與底層數(shù)據(jù)的多級(jí)嵌套轉(zhuǎn)換關(guān)系。挖掘中以誰(shuí)為核心點(diǎn)，則可以視其為y，是挖掘的原點(diǎn)，視點(diǎn)決定數(shù)據(jù)挖掘的方向，視點(diǎn)不同，原點(diǎn)不同，挖掘路徑不同。

多級(jí)嵌套分層數(shù)據(jù)挖掘提出了自頂向下的挖掘方向和自底向上數(shù)據(jù)組合方向，形成了完整多層次函數(shù)嵌套挖掘框架。自頂向下的挖掘由挖掘根目標(biāo)為源頭出發(fā)，以正序方向進(jìn)行挖掘問(wèn)題需求式延伸。自底向上數(shù)據(jù)組合是由反方向底層數(shù)據(jù)因果關(guān)系挖掘結(jié)果與中間層子挖掘目標(biāo)銜接，進(jìn)而獲得根目標(biāo)的因果關(guān)系表達(dá)。

（三）分層挖掘量化控制

分層挖掘中可以通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘聚類，完成各元素量化控制。聚類實(shí)現(xiàn)的是不同元素的聚合，是對(duì)學(xué)習(xí)者人群的綜合評(píng)價(jià)，是對(duì)觸及挖掘目標(biāo)的學(xué)習(xí)者的整體挖掘，挖掘的是學(xué)習(xí)者在各種影響元素中表現(xiàn)的反應(yīng)能力和行為能力。因此，數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)的是最終所有學(xué)習(xí)者闖關(guān)概率的計(jì)算，這個(gè)概率構(gòu)成了在總體目標(biāo)中的權(quán)重。

在游戲教學(xué)中，游戲行為動(dòng)作反映了學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡、考慮問(wèn)題的思路和掌握知識(shí)的能力，這些行為動(dòng)作被記錄在軌跡數(shù)據(jù)庫(kù)中，體現(xiàn)了學(xué)生是否成功解決問(wèn)題、是否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過(guò)關(guān)卡等內(nèi)容。這些動(dòng)作不是在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)完成的，而是按照游戲進(jìn)程，在每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生同步的故事情節(jié)、氣氛以及環(huán)境。因此，需要根據(jù)不同的視點(diǎn)建立先決的挖掘路徑和元素，在此基礎(chǔ)上，挖掘所有人在該元素中的表現(xiàn)能力和概率，最終形成某個(gè)能力的聚合挖掘特性。

分層挖掘的量化包括中層元素的量化以及根目標(biāo)的量化。中層元素的量化模型通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘聚類產(chǎn)生，反映了底層與之相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)該元素的影響程度。根目標(biāo)的量化模型是建立在中間層元素量化模型基礎(chǔ)之上，通過(guò)利用已有的中間元素與根目標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系，最終確定根目標(biāo)的取值。

公式1所示me為中層元素的控制模型，其中fe為與該中層元素相關(guān)的底層數(shù)據(jù)，共有j個(gè)fe與me相關(guān)，fw為該底層數(shù)據(jù)fe在中層元素me控制中所占的權(quán)值。

公式2所示為總體根目標(biāo)rg的控制模型，其中me為中層元素的計(jì)算取值，mw為各中層元素對(duì)應(yīng)的權(quán)值，每個(gè)根目標(biāo)rg與i個(gè)中層元素me相關(guān)。

游戲教學(xué)層次挖掘的目標(biāo)是通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建多個(gè)中層元素的控制模型，最終組合形成根目標(biāo)的控制模型，實(shí)現(xiàn)多因素多目標(biāo)綜合評(píng)判，為游戲教學(xué)設(shè)計(jì)提供量化依據(jù)。

五、游戲教學(xué)分層挖掘方法應(yīng)用研究

任何對(duì)人的能力的數(shù)據(jù)挖掘都是建立在人與事物發(fā)生作用以后所產(chǎn)生效應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行挖掘的。游戲教學(xué)不是挖掘游戲中部件的使用情況，而是要挖掘所有游戲者與游戲部件、游戲路徑、游戲關(guān)卡發(fā)生關(guān)系之后所產(chǎn)生的作用與效應(yīng)，通過(guò)數(shù)據(jù)效應(yīng)的挖掘，找出效應(yīng)的大小，并根據(jù)游戲定義的自身功能與創(chuàng)新能力等中間層的關(guān)系，對(duì)中間層聚類的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。游戲教學(xué)挖掘要求底層的數(shù)據(jù)元素要具有與教學(xué)相關(guān)的、隱含的或直接的教學(xué)作用，根據(jù)每個(gè)人對(duì)元素的反應(yīng)情況，例如是否通過(guò)關(guān)卡，進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)、弱或發(fā)生、不發(fā)生等關(guān)聯(lián)強(qiáng)度分析，最終通過(guò)挖掘聚類分析找出整體目標(biāo)的控制模型。挖掘應(yīng)用分層是聚類與聚類之間發(fā)生的挖掘關(guān)系，不是底層單元素之間的關(guān)聯(lián)，單元素的挖掘?qū)τ谟螒蚪虒W(xué)的管理意義相對(duì)較小，必須挖掘出學(xué)習(xí)者對(duì)于游戲教學(xué)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的效果，才能真正反映出教學(xué)設(shè)計(jì)是否成功。

本研究以北京理工大學(xué)汽車實(shí)驗(yàn)游戲教學(xué)設(shè)計(jì)為例，在分層挖掘模型和邏輯架構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，明確了實(shí)驗(yàn)中記憶能力、運(yùn)用能力、技能能力、超越能力和創(chuàng)新能力等中間層元素。通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)者運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的車輛性能原理分析、觀察仿真與解析、拆裝技能實(shí)訓(xùn)、虛擬排故演練和故障導(dǎo)航等實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)痕跡的挖掘，獲得了各中間層的影響子因素及其對(duì)中間層元素的影響權(quán)重，并由此建立了中間層元素及根目標(biāo)的控制模型。

（一）游戲教學(xué)分層挖掘模型

1.根目標(biāo)層

在汽車實(shí)驗(yàn)游戲教學(xué)中，從管理者視點(diǎn)出發(fā)，明確汽車專業(yè)人才培養(yǎng)素質(zhì)是數(shù)據(jù)挖掘的頂層根目標(biāo)。

2.數(shù)據(jù)層

一個(gè)元素可以具備多個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)生的事件，例如部件的維修設(shè)計(jì)可以體現(xiàn)創(chuàng)新和超越兩種能力，如果維修速度超過(guò)已有最高記錄，是超越能力的體現(xiàn)，如果創(chuàng)新地利用某些其他手段完成這一功能，則體現(xiàn)了學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力。數(shù)據(jù)層通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)的學(xué)習(xí)者在汽車游戲教學(xué)中所留下的底層各種教學(xué)痕跡元素的挖掘分析，可以聚類出不同的學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)能力的反應(yīng)。

3.中層元素層

分層挖掘通過(guò)挖掘不同底層數(shù)據(jù)元素與中層元素之間的因果關(guān)系，可以明確如何提升記憶能力、運(yùn)用能力、技能能力、超越能力以及創(chuàng)新能力。由于五個(gè)元素?zé)o法同時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)，因此將人才培養(yǎng)素質(zhì)提升定義為五個(gè)元素的組合，在組合中找出最佳結(jié)合點(diǎn)，構(gòu)成因果到因果的關(guān)系，從而使游戲教學(xué)設(shè)計(jì)達(dá)到最佳的狀態(tài)。如圖4所示為汽車專業(yè)人才培養(yǎng)素質(zhì)的分層挖掘示意圖，本實(shí)例中從教學(xué)管理的視點(diǎn)出發(fā)，以頂層人才素質(zhì)培養(yǎng)作為根目標(biāo)，展開形成五個(gè)中間層分支節(jié)點(diǎn)。底層數(shù)據(jù)層是對(duì)所有學(xué)習(xí)者與不同的功能元素作用產(chǎn)生的效果的聚類，對(duì)每一個(gè)元素的聚類中可以體現(xiàn)多種學(xué)習(xí)能力，假設(shè)元素1實(shí)現(xiàn)的是發(fā)動(dòng)機(jī)的檢測(cè)功能，則對(duì)元素1的聚類中，既體現(xiàn)了知識(shí)的運(yùn)用能力，又體現(xiàn)了學(xué)習(xí)者的超越能力。同樣，對(duì)于同一個(gè)中間層元素而言，它的能力也體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者對(duì)不同元素的反應(yīng)中，例如創(chuàng)新能力既可以體現(xiàn)在元素2的分聚類中，也可以體現(xiàn)在對(duì)元素n的分聚類中。例如在發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝過(guò)程中學(xué)習(xí)者可以創(chuàng)新闖關(guān)方法，也可以在漫游中創(chuàng)新學(xué)習(xí)路徑。

汽車人才培養(yǎng)素質(zhì)的控制模型構(gòu)成如公式3所示，其構(gòu)建示意圖如圖5所示。

汽車人才培養(yǎng)素質(zhì)=記憶能力+運(yùn)用能力+技能能力+超越能力+創(chuàng)新能力 （3）

（二）游戲教學(xué)分層挖掘邏輯結(jié)構(gòu)

以人才培養(yǎng)素質(zhì)中總成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)為例，形成了如圖6所示的總成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)分層挖掘邏輯結(jié)構(gòu)。元素來(lái)源獲取層中擁有大量的與成績(jī)相關(guān)的實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄了每次操作軌跡記錄的各層內(nèi)容和各層表現(xiàn)的成績(jī)，包括編導(dǎo)庫(kù)、軌跡庫(kù)、成績(jī)庫(kù)、元素觸發(fā)庫(kù)等，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)等操作，形成數(shù)據(jù)元素層中與成績(jī)相關(guān)的底層軌跡記錄集，記錄集記錄的是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)軌跡、學(xué)習(xí)動(dòng)作和底層成績(jī)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，便可以形成數(shù)據(jù)意義層中在各個(gè)游戲中產(chǎn)生的邏輯成績(jī)和游戲過(guò)程的表現(xiàn)子成績(jī)，最終根據(jù)已有的成績(jī)訓(xùn)練模型，形成數(shù)據(jù)視點(diǎn)層的總成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，即游戲教學(xué)結(jié)束后的總成績(jī)。

（三）中層元素構(gòu)建

五個(gè)中層元素的定義、基本元素組成、驅(qū)動(dòng)及環(huán)境參數(shù)如表1-5所示，其中符號(hào)“V”代表了多個(gè)元素的并集，符號(hào)“八”代表了多個(gè)元素的交集。由于汽車實(shí)驗(yàn)游戲教學(xué)具有很強(qiáng)的時(shí)間連續(xù)性，隨著時(shí)間的不斷推移，學(xué)習(xí)者會(huì)通過(guò)不同的學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)出其對(duì)知識(shí)的理解、對(duì)知識(shí)的運(yùn)用和對(duì)知識(shí)的創(chuàng)新所具有的不同表現(xiàn)形式，五大因素的基本影響因素在不同的時(shí)間段中會(huì)有不同的表現(xiàn)。

1.基本元素

基本元素是學(xué)習(xí)者在游戲教學(xué)中各種行為的記錄，底層的基本元素是數(shù)據(jù)記錄集，例如在游戲教學(xué)中，它們可以是來(lái)自游戲的設(shè)計(jì)元素反饋結(jié)果，路徑或關(guān)卡等觸發(fā)回饋結(jié)果，或來(lái)自影視編導(dǎo)同步設(shè)計(jì)元素，如氣氛等。

2.定義

若干個(gè)關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)的基本元素進(jìn)行合取運(yùn)算，形成了對(duì)中間元素的綜合影響，而每個(gè)中間元素的影響因素會(huì)有多組相關(guān)性很強(qiáng)的綜合結(jié)果組成，這些結(jié)果通過(guò)析取運(yùn)算進(jìn)行組合，共同構(gòu)成了對(duì)中間元素的定義。如對(duì)于創(chuàng)新能力的定義有多種，可以是首次挑戰(zhàn)新的教學(xué)方法，可以是學(xué)習(xí)者構(gòu)建與他人不同的知識(shí)體，也可以是在教學(xué)中具備選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行學(xué)習(xí)的能力。由于在不同的游戲情形下對(duì)于創(chuàng)新的含義和表現(xiàn)各不相同。因此，對(duì)于這些中間元素給出了多種定義方式。

3.環(huán)境參數(shù)

環(huán)境參數(shù)是由故事空間編導(dǎo)同步設(shè)計(jì)的，對(duì)于不同的中間元素性能的提升，需要構(gòu)造不同的設(shè)計(jì)環(huán)境。例如，為了給學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新營(yíng)造一定的環(huán)境，適當(dāng)?shù)年P(guān)卡設(shè)置、氣氛渲染以及影視故事情節(jié)的編排都可以使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。

4.驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了各元素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立，它通過(guò)將中間元素與環(huán)境參數(shù)進(jìn)行合取運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了在不同環(huán)境下該中間元素性能的提升。環(huán)境的興奮點(diǎn)與能力的提升具備正向關(guān)系，例如學(xué)習(xí)者自身的學(xué)習(xí)興奮狀態(tài)、對(duì)知識(shí)和技能的聯(lián)想能力、對(duì)比手段的有效運(yùn)用等都可以對(duì)創(chuàng)新能力提升起到積極的正向驅(qū)動(dòng)作用。

（四）教學(xué)元素設(shè)計(jì)與教學(xué)效果評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

游戲教學(xué)元素設(shè)計(jì)與教學(xué)效果評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。通過(guò)在游戲中加入環(huán)境、故事、關(guān)卡、工具、空間、知識(shí)等設(shè)計(jì)元素，使學(xué)習(xí)者能夠充分感受游戲帶來(lái)的教學(xué)體驗(yàn)，不斷實(shí)現(xiàn)知識(shí)體系的構(gòu)建。游戲教學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)習(xí)者的軌跡進(jìn)行追蹤實(shí)現(xiàn)其學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)，從而為游戲教學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

（五）控制模型的構(gòu)建

在游戲教學(xué)過(guò)程中，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為動(dòng)作和路徑被不斷記錄在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，例如學(xué)習(xí)者整體操作速度提升、游戲的設(shè)備運(yùn)用、動(dòng)手能力增強(qiáng)和游戲難度升級(jí)等都是學(xué)習(xí)者最后成績(jī)的反映，它們的總和形成了最終的學(xué)習(xí)成績(jī)。學(xué)習(xí)成績(jī)是超越能力的基本組成元素，因此與超越能力產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，根據(jù)關(guān)聯(lián)的次數(shù)形成了成績(jī)?cè)诔侥芰χ械臋?quán)重。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些底層元素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系以及五大因素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的分析，實(shí)現(xiàn)分層關(guān)聯(lián)關(guān)系的構(gòu)造。數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性分為強(qiáng)關(guān)聯(lián)、弱關(guān)聯(lián)和無(wú)關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)挖掘關(guān)聯(lián)性的強(qiáng)度取決于兩個(gè)數(shù)據(jù)之間發(fā)生關(guān)聯(lián)的次數(shù)，關(guān)聯(lián)次數(shù)越多關(guān)聯(lián)度越高，關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)。通過(guò)對(duì)關(guān)聯(lián)次數(shù)的挖掘，可以判定數(shù)據(jù)元素之間的強(qiáng)弱關(guān)系，從而為挖掘的目標(biāo)找出有效的影響因素。超越能力的影響因素聚類示意圖如圖7所示，在汽車游戲教學(xué)中，根據(jù)對(duì)超越元素的挖掘共形成多個(gè)聚類，每個(gè)聚類中有不同的影響因素，每個(gè)因素都具有相應(yīng)的權(quán)重值w，其中各權(quán)重值滿足公式4-8。

w1+w2+w3+w4=1 （4）

w11+w12=1 （5）

w21+w22=1 （6）

w31+w32=1 （7）

w41+w42=1 （8）

對(duì)超越能力的影響因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析后按照自身時(shí)間軸發(fā)生事件聚類，根據(jù)聚類產(chǎn)生對(duì)超越因素的影響比例，形成超越能力的控制模型，如公式9所示。

超越能力= （w11×w1+w21×w2）+w12×w1+（w31×w3+w41×w4）+w22×w2+w32×w3+w42×w4 （9）

人才培養(yǎng)的類型不同，五個(gè)中層元素對(duì)于總體人才素質(zhì)的影響權(quán)重各不相同，因此需要根據(jù)事先訓(xùn)練形成的人才素質(zhì)模型獲取不同類型人才的影響因素比例，如技能型人才、創(chuàng)新型人才等，最終通過(guò)五個(gè)元素的權(quán)重計(jì)算，疊加形成人才培養(yǎng)素質(zhì)的控制模型和控制結(jié)果，如公式10、11所示。

汽車專業(yè)人才培養(yǎng)素質(zhì)=記憶能力×權(quán)值1+運(yùn)用能力×權(quán)值2+技能能力×權(quán)值3+超越能力×權(quán)值4+創(chuàng)新能力×權(quán)值5 （11）

六、結(jié)語(yǔ)

本研究以游戲教學(xué)為例，研究了教學(xué)數(shù)據(jù)挖掘中的視點(diǎn)問(wèn)題和挖掘方法問(wèn)題，明確了教學(xué)挖掘必須具有一定的視點(diǎn)，必須具備明確的挖掘目標(biāo)和明確的子目標(biāo)銜接節(jié)點(diǎn)，必須具有明確的以問(wèn)題為導(dǎo)向和符合邏輯的因果遞推關(guān)系。游戲教學(xué)的性質(zhì)是經(jīng)過(guò)操作和體驗(yàn)完成能力的提升，它對(duì)知識(shí)和問(wèn)題的理解和體驗(yàn)都作為行為痕跡存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，必須要進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，找出學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的規(guī)律，總結(jié)出由此獲得能力的提升與游戲設(shè)計(jì)所形成的關(guān)系，形成另一種形態(tài)的教學(xué)統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)反饋的機(jī)制。游戲教學(xué)挖掘的對(duì)象是人對(duì)元素作用后產(chǎn)生的效果，在所有效果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上找出教學(xué)設(shè)計(jì)與能力提升之間的關(guān)系。由于游戲知識(shí)學(xué)習(xí)的獲取評(píng)價(jià)主要反映在游戲教學(xué)之后個(gè)人的能力提升方面，因此數(shù)據(jù)挖掘?qū)θ说哪芰M(jìn)行評(píng)價(jià)也是對(duì)游戲教學(xué)效率的評(píng)價(jià)。游戲教學(xué)挖掘的層次與管理者的自身管理分層有關(guān)，例如是否設(shè)置中間層分量，是否進(jìn)行間接分類將直接決定挖掘的有效性。游戲教學(xué)不僅是教學(xué)方法的革新，而且是教學(xué)范式的革新，是基于數(shù)據(jù)挖掘和行為分析得到的一種新型教學(xué)形式。在數(shù)據(jù)隱藏層中自行設(shè)計(jì)挖掘規(guī)則，體現(xiàn)了教學(xué)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，對(duì)于數(shù)據(jù)挖掘的效率提升具有重要的指導(dǎo)作用。

作者簡(jiǎn)介：

張琳：副教授，在讀博士，研究方向?yàn)榻逃螒?、大?shù)據(jù)挖掘、智能信息處理、圖像處理和人工智能（zhanglin@bucea.edu.cn）。

李小平：教授，博士，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)挖掘、智能圖像處理、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能（lxpmx@263.net）。