沉浸式环境下学习评估研究综述

王子

摘 要：目前，沉浸式环境因能够促进更好、更深入的学习而被广泛应用于教学中，但对基于沉浸式环境的学习评估研究尚未有统一定论，且缺乏完善的基于沉浸式环境的学习评估模型。为此，针对当前基于沉浸式环境的学习评估研究，采用文献研究法对其进行系统梳理，为进一步建立与完善基于沉浸式环境的学习评估模型提供借鉴。

关键词：沉浸式环境;学习评估;隐形评估

DOI：10. 11907/rjdk. 182059

中图分类号：G434文献标识码：A文章编号：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

沉浸式环境是指利用VR、AR、MUVE等沉浸式技术创造出的使人们在交互时具有主观印象体验的环境。沉浸式环境强调沉浸感，使用者能够感受到自己是虚拟世界的一部分，如同在真实环境中一样具有主动性[1]，因此被广泛应用于教学中。近年来，基于沉浸式环境的学习评估研究受到越来越多学者关注，包括对虚拟系统及学习环境的评估等，并提出了多种评估方法。然而，目前基于沉浸式环境的学习尚缺乏完善的评价指标体系，也没有相应文献对该领域作进一步梳理与总结。因此，本文对当前基于沉浸式环境的学习评估研究进行系统梳理，为进一步建立与完善基于沉浸式环境的学习评估模型提供借鉴。

1 沉浸式环境优势

沉浸式环境的第一大优势是可以让学习者与现实生活中被认为危险性较高的环境或无法实现的环境进行交互，而且给予其更多机会探索学习，以促进学生主观、能动地学习。例如，学习者可以在创设的沉浸式学习环境中与虚拟物体交互，如操控按钮观察森林环境的四季变化，或进行模拟实训，学习操作真实环境中危险而不能触碰的大型机器等。例如在飞行模拟器训练中，飞行员在模拟的飞行环境中进行训练，但视觉、听觉、触觉都具有“真实”感受，从而有助于提高飞行技能。

大量研究已证实了沉浸式环境对于学习的有效性。例如，Knight[2]对沉浸式环境应用于医学教学中的有效性进行实验，当一组患者的治疗需求超过可用资源时，快速、准确地判断治疗优先次序对于治疗结果非常重要。其将传统学习方法（卡片分类法）与利用沉浸式游戏Triage Trainer的方法进行对照实验，对Triage Trainer的有效性进行实验探究。对卡片分类组中的44名参与者和Triage Trainer组的47名参与者正确确定每个伤员优先级（标记准确性）以及正确遵循程序（步骤准确性）的能力进行测试。实验结果表明，使用Triage Trainer的参与者比卡片分类组在标记准确性方面表现更好，其分配正确率是卡片分类组的4倍，并且得分更高。

沉浸式环境往往能够引发学习者的情感反应，当学习者完全沉浸在环境中，会产生兴奋、厌倦、困惑、沮丧等情感反应，这些反应往往会影响学习者问题解决技能等相关能力的发展[3]。并且已有研究证明，利用虚拟现实系统学习后的自闭症儿童情绪能力显著提高，因此可将沉浸式学习环境应用于特殊教育，为自闭症患者的学习和社交技能练习提供一个安全平台[4] 。

沉浸式学习环境通常以建构主义学习理論与情境认知理论为基础，在沉浸式学习环境中，所设计的情境、活动和社会互动不断挑战学习者存储在脑海中的已有经验，以此促进学习者对知识的主动建构过程[5]。情境认知理论则认为学习是一个积极的过程，可通过特定的问题解决场景建构意义，从而使学习者产生兴奋感和好奇心[6]。

在沉浸式环境中，知识的获取始于交互，然后通过获取有意义与有目的的语言促进行为更好地发展。身临其境的游戏情节设计或其它交互使学习者能够达到最近发展区。最近发展区是指学习者通过同伴协作或引导教学支持所能完成的事情与没有这些支持所能完成事情之间的距离[7]。为此，精心设计的沉浸式环境包括规则、目标、反馈和交互性[8]，学习者可以从中获得知识、技能与其它能力。

综上所述，沉浸式环境通过为学习者提供有效环境，以促进学习者各种能力的发展，但如何准确评估学习者已具备的能力并将其作为基础继续促进学习，是沉浸式环境应用于教学中面临的重要问题。

2 沉浸式环境学习评估

与传统面对面的课堂学习相比，沉浸式学习环境提供了全新的学习体验与更多学习情境，在传统教学中，教师可根据学生行为和反应（比如走神、困惑时的表情）判断学生学习状态，从而对教学过程进行调整。但在沉浸式环境下的学习主要是学生与沉浸式环境之间的交互，教师无法观察学生学习状况，因而不能给予及时的指导与反馈。并且，沉浸式环境下的学习评估方式不同于传统评估常用的课堂观察与课后测试，需要对学生学习过程进行动态跟踪分析，以实现对学生学习的自动评价与反馈，这需要相关技术的支持，以及确定对学生哪些学习行为进行监测、如何监测等，所以需要构建更加全面的适合沉浸式环境的学习评估模型。

目前，关于沉浸式环境学习模型的评估主要包括两种：一是将传统学习评估与在线实时监控分析相结合，使用外部评估与内部评估两种方式进行学习评估;二是完全嵌入式的隐形评估，通过在线实时跟踪与分析学生学习行为，实现对学生学习的自动评价与反馈。

2.1 基于沉浸式虚拟现实系统的学习评价指标体系

何聚厚等提出基于沉浸式虚拟现实系统的学习评价指标体系，以学习目标解析为导向，构建有效的学习评价指标体系。

2.1.1 基于沉浸式虚拟现实系统的学习评价指标体系构建

在對学习目标进行解析的基础上，结合沉浸式虚拟现实学习特征，按照三维教学目标，将一级评价指标确定为情感层面、过程层面与知识层面。情感层面包括学习态度、学习意志、学习价值观与学习兴趣;过程层面包括学习准备、体验与交互、反思;知识层面包括知识获取、知识保持与学习迁移。选择虚拟现实教育研究方向的专家作为调查对象发放指标权重问卷，采用专家咨询法、AHP法和层次分析法确定指标权重。

2.1.2 基于沉浸式虚拟现实系统的评价指标体系应用案例

该研究采用虚拟现实技术与azure平台构造人体骨骼虚拟现实系统进行学习体验，系统主要分为3部分：骨骼学习、骨骼观察与骨骼拼接，可以体验、操作一些抽象概念以及现实环境中无法实现的学习场景，实现自适应学习。

根据提出的虚拟现实系统学习评价指标，设计学习评价量表。将学习评价分为3部分，分别是自我评价、教师评价与系统在线评价。每种评价方式均使用 1～5 五个标度进行打分，并利用 azure 平台，基于大数据对学生学习过程与行为进行动态跟踪分析，以实现对学生学习的自动评价反馈和指导。通过学习评价量表和行为数据分析，可以对学生学习适应、意义构建、问题解决策略、学习迁移、学习调整5个阶段进行分析。例如：若学生戴上头盔、手柄进入场景后停留时间过长，说明学生对软件交互方式部分存在疑问[9]。

该指标体系将传统学习评估与在线数据跟踪分析相结合，能够清晰反映学生的学习兴趣、知识薄弱点与学习偏好等，有助于指导学生进行自主学习。在实际应用过程中还可结合具体情况，选择性地对各项指标评价标准与权重进行调整，从而实现有效的学习分析。

2.2 隐形评估模型

2.2.1 隐形评估模型介绍

Shute[10]提出的“隐形评估”是指在沉浸式环境中基于证据、持续且不显眼的评估。隐形评估捕获、测量并支持学习者在沉浸式环境中目标能力的发展，根据学习者需求调整当前学习环境并给予适当反馈。当学习者与沉浸式环境交互时，隐形评估通过在日志文件中捕获的数据分析特定动作与交互，基于证据估计学习者能力状态。隐形评估创建学生模型，并在学习者与沉浸式环境交互时不断更新。之后，来自学生模型的信息可用于提供相关反馈或调整沉浸式环境以满足学习者需求，在此过程中将创造个性化的学习体验。隐形评估采用原则性评估设计框架，称为以证据为中心的设计（ECD）[11]。ECD涉及概念与计算模型的开发，包括能力模型、证据模型及任务模型等，这些模型共同协作以实现有效评估。

2.2.2 隐形评估模型应用案例

为了测试该评估模型的有效性，为游戏“Use Your Brainz”（UYB：游戏植物大战僵尸的修改版本）开发了一个隐形评估模型。在游戏中，玩家在草坪上放置各种特殊植物，以防止僵尸到达他们的房子。每种植物都有不同属性，例如：一些植物（攻击性植物）直接攻击僵尸，而其它植物（防御性植物）减缓僵尸行走速度，让玩家有更多时间攻击僵尸。一些植物产生“太阳”，这是植物所需的游戏资源。游戏的挑战来自于确定使用哪些植物以及在战场上将其放置在何处，以击败游戏中每个级别的所有僵尸。

创建一个测量问题解决能力的隐形评估，需要以下几个步骤：①首先，基于大量文献分析构建问题解决能力模型。该模型包括4个主要因素：分析给定约束、计划解决途径、在解决问题时有效使用工具，以及监控和评估进度;②选择适当的沉浸式环境（UYB游戏）嵌入隐形评估;③在完成问题解决能力模型后，确定数十个可观察的游戏指标，用作更新问题解决能力模型的证据。例如：研究小组确定在第一波僵尸到达之前种植3个或更多植物作为“分析活动和约束”方面的指示，以此说明玩家对时间与资源约束的理解;④创建一个Q矩阵，其中列为4个问题解决因素，行为与列相关的所有指标;⑤确定评分规则，决定如何将指标分类为离散类别（例如：是/否，相对于动作质量的高/中/低）对指标进行评分。例如：如果玩家在第二波僵尸到达之前种植了6个太阳，则将该动作自动记录为“是”，为第一个因素“分析给定约束”提供正面证据;⑥在对所有指标进行分类后，将每个指标与相关能力模型变量相关联，并建立其之间的统计关系。使用贝叶斯网络（BN）创建统计关系，累积传入的游戏数据，并更新能力模型中的信念（为每个级别创建一个BN，总共43个BN）;⑦在为UYB建立BN时，团队中的游戏专家和心理测量员根据能力模型变量，设置各种状态概率。但在对BN进行试点测试后，数据用于修改BN参数;⑧最后，使用外部测量验证隐形评估。

验证研究参与者为7年级学生，研究过程为让学生玩游戏3小时（连续3天每天1小时）。结果显示，两项外部测试的学生得分与游戏中的隐形评估估计值显著相关。因此，在UYB游戏中嵌入隐形评估是有效的。其它研究使用隐形评估衡量各种能力，例如物理理解能力与学习持久性等。研究总体结果也显示了外部与游戏内估计之间的显著相关性。

隐形评估可以改善当前评估方法通常与学习过程脱节的问题，教师无需破坏正常教学过程对学生进行外部测试。而且隐形评估对学生是连续与不可见的，支持所有类型沉浸式环境下的实时指导及其它类型的学习支持。

3 总结与展望

通过对已有文献的分析与梳理，目前关于沉浸式环境学习模型的评估主要包括两种类型：一种是将传统学习评估与在线实时监控分析相结合的评估方式，另一种则是完全嵌入式的隐形评估。通过在线实时跟踪与分析学生学习过程与行为，实现对学生学习的自动评价与反馈。总体而言，基于沉浸式环境的学习评估研究尚处于发展阶段，评估方法还需作进一步完善。但随着科技的不断进步，例如神经网络的兴起，基于沉浸式环境的学习评估将有着广阔的发展前景。

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（责任编辑：黄 健）