情境仿真在线上数学解题APP交互模型设计中的应用研究

李齐澳 胡馨月

摘 要：当前，K12教育（学前教育至高中教育的缩写）中有三个主要参与角色：学生、老师和家长，其中学生花大量时间写作业，学习重复知识备考，且上辅导班会占用大量时间。老师花大量时间批改作业、进行备课等重复性工作，因材施教成本高。家长因为孩子作业既多又难，辅导力不从心，既耗费了大量时间，没有效果，家长重视教育且投入较大，希望孩子能获得更好的教育，全面成长。本文针对目前K12教育中的三大痛点问题，以数学这门学科为研究导向，研究如何运用情境仿真支持技术有效支持教师对问题情境的个性化定义，以及学生对问题情境的个性化重现;运用专家系统支持对学生解题步骤的实时纠错;运行大数据分析技术对学生题意理解过程与计算过程进行分析，诊断学生知识掌握情況并为用户提供有效解释。

关键词：K12教育;数据挖掘;人工智能;情境仿真;个性化辅导

一、研究背景

在中国家庭中，父母普遍都有望子成龙的期望，对孩子培养基本也都是从娃娃开始抓起。所以在孩子的整个学习生涯，大多父母都是一直陪伴在身边，哪怕自己的水平不够，却仍旧苦心辅导，紧紧抓住放学后的这一段课外时间，生怕自己的孩子落后。所以这也引发了一系列的问题，学生天性贪玩，内心抵制家庭作业，家长望子成龙心切，平时工作压力也大，只能暴力督促，却无法耐心专业的辅导孩子，解题错误的辅导方法不但无法提高孩子的学习成绩，也影响家长与孩子之间的关系。尤其在数学这门学科中表现得尤为突出。更有相关自媒体爆出“中国有多少父母在‘自杀式’地陪娃写作业”相关文章一度引发了热议，家长们纷纷感慨辅导娃写作业是多么的痛苦，同时这些情况也严重影响老师对学生的学情分析以及与家长关于孩纸的沟通，进入一个恶性循环。所以家长们需要的是正确的辅导方法和作业辅导工具，更多的是需要加强与孩子之间的沟通，培养学习兴趣，和老师交流更多的是孩子的学习情况，而不是抱怨。

二、研究目的和意义

数学解题主要包括2个步骤：①理解题意、把数学问题转变为数学式子，这实质就是问题情境的理解;②根据数学式子进行计算解题。然而在数学问题解决过程中，中小学生普遍存在着忽视问题情境、缺乏数学思考等问题。情境缺乏对中小学生的影响非常明显，对经济不发达地区的中小学生尤其如此;如何通过有效的指导和干预来培养他们的数学问题解决能力是研究者关注的热点。

为有效解决现在父母无暇辅导孩子在家中学习的普遍社会问题，以使教师和学生可自由设定题目进行情景仿真动画解题，使老师的讲解更生动形象化，学生理解更清晰，同时提高学习兴趣，我们可以通过后台的大数据分析系统，根据不同使用者具体情况，从而达到提高学习成绩和能力的效果。本文研究现有在线教育App问题情境个性化仿真功能、对题意理解的支持以及基于应用情境的计算步骤检查，分析好的功能案例，得出相应的结论。研究这些功能案例是否有迹可循。

三、情境仿真在线上教育APP交互模型搭建

（一）情境仿真交互模型设计的意义

情境仿真交互设计模型是积累和捕捉有效的设计方案，并将其应用于类似问题的方法，这是尝试将设计理论形式化，记录最好的实践方式，它可以帮助我们：提高设计方案的质量;促进设计师与程序员的沟通;节省新项目的设计时间和精力;帮助设计师成长。

这种模型化的设计概念其实最初源自于建筑设计，而情境仿真交互设计模式和建筑设计模式有一个重要的区别，因为它不仅关注结构和元素的组织，而且还需要关注用户活动的相关动态行为和变化。所以关于情境仿真的交互模型设计，设计师需要跳出传统的思维圈，更多的结合用户的使用习惯来进行设计，这使得情境仿真交互模型设计更加人性化、多样化。

（二）情境仿真交互模型单元

我们平时都会使用一些手机App和电脑软件，比如iPhone的系统设置里，有一个WiFi设置界面，相信大家都很熟悉。我们把软件交互中这种简单的交互操作叫做交互模型单元（Interaction Module Unit），简称IMU。比如开关按钮，这种左边有开关操作的功能，右边有一个点击切换的开关控件，就构成了一个 IMU。

在情境仿真的交互模型设计中，我们也会接触和应用到很多的IMU，当然在应用过程中也会出现一系列的问题。因为IMU并不只是一个简单的控件，可以直接搬运。它还包含更多的内容，比如你应该在什么地方放置一个什么样的系统功能？它的交互操作应该是怎样的？内容应该怎么布局？这都是需要在不断的在行动中归纳经验，并将经验升华为规律，再应用到实践中。

（三）情境仿真交互模型设计模块

在设计交互模型之前，我们主要分为三大模块来进行：学生模块、辅导模块和用户界面模块。学生模块是使用一个学生模型包含描述学生认知或学习方法，该学生不能理解的部分和知识空白。通过收集学生的学习情况来判断当前学习者处在一个什么样的水平上，这些信息包括语音、手势、外观等获得关于学生成绩的日期和知识水平，由于收集的信息量大、时间间隔短不可能一次性收集完所需要的全部信息，将收集到的信息先存储在数据库中，当需要时从数据库中获取。智能辅导系统最基本的两个辅导目标一个是根据学生情况形成一个学习者适应性强的学习方法和指导学生解决问题。

辅导模块就是纠正学习者错误的模块，该模块主要是为学习者提供辅导和相应的纠错 信息。教学者根据自己的教学经验在该模块设计相应的辅导方法和相应的指导战术，教师模块将相应的数据信息传入到该模块，该模块会根据同类学习者的学习水平，进行一个题 目的选择从而来对学习者进行相应的辅导。

用户界面模块是学习者跟智能辅导系统交互的模块，该模块通过图形界面以及虚拟显

示技术，供学习者进行相应学习，为学习者分配相应的学习任务，学习指导以及通过学习

者的学习行为记录他的学习轨迹。智能辅导系统具有条理性和逻辑性，系统生成的教程是 通过学习者与系统交互描述性的数据生成的。

（四）应用语境

当有了这么多的IMU，我们仍然不能随便就开始采用。因为交互模型设计永远不能脱离应用语境而像零件一样机械地拼凑使用，情境在模式表现形式上具有决定性的作用。因此，模式展开的环境极其重要，它的子模式、母模式以及相近的其他模式同样十分关键。在使用交互模型时也同样如此。应用语境包含一下几个因素：

·时间（流程节点）：用户是在什么流程中的什么环节打开这个界面的，这就决定了是用一个新界面好，还是只需要在当前界面弹出一个选择控件;

·地点（具体界面）：同样是给页面分类，在 APP 的首页中，你应该优先使用下方的主导航;在 APP 的下级页面里，你就应该使用上方的 Tab。

·场合（平台环境）：当前平台是 Windows、Mac 这样的桌面平臺，还是 iOS、Android 这样的移动平台，又或者是跨平台的 Web 环境？这决定了你要使用哪种类型的 IMU。如果你在移动端上用了一个 PC 上的下拉菜单，那用户体验将会很糟糕，手指根本就点不到那里面的选项。

因此，每一个产品的设计，除了它的样式本身，我们都需要从用户的角度考虑。用户心理和具体的技术实现、应用场景，这些都只是作为经验积累而存在的，具体应用的时候，我们还是要分析这些模块是否适当前的产品和场景。

四、情境仿真目前在线上教育中的应用研究

（一）情境仿真应用在教学中的一般原理

传统情境仿真是一种教学方法。情境模拟教学法是教师根据教学内容和教学目标，有针对性的设计情景，并让学生扮演情景角色，模拟情景过程，让学生在高度仿真的情景中获取知识和提高能力的教学方法。这种教学方法突出操作性、讲究趣味性、注重实效性，实现了理论与实践的接轨、素质教育与社会需要的接轨。

现代仿真是基于计算机、利用合适的算法通过模型（物理的或数学的）以代替实际系统进行实验和研究的一门学科和实验技术。系统建模、仿真建模和仿真实验为系统仿真的三个基本活动，仿真过程中系统、模型与计算机（包括软、硬件）的关系如图2所示，这里模型通常是指数学模型，常用的数学模型有：初等模型、确定性连续模型、确定性离散模型和随机模型。

系统仿真的第1步是建立系统的数学模型，在建立好系统数学模型的基础上，可能需要利用《计算方法》中的专门知识，基于学生熟悉的编程语言，把数学模型转化为计算机算法程序，得到仿真模型。在设置好各可调参数条件下运行仿真模型（即仿真算法程序），即可得到一系列的输出，这些输出要进行各种分析，如条件允许，并应该与实际系统的相应数据作对比分析。

（二）情境仿真应用在教学中的方案研究

直观演示，创设形象情景。学生在学习知识的过程中，具体动作思维、直观形象思维，处于优势地位。在教学中，运用多种教学：我、媒体的演示、操作实验等方法再现教学内容情景或结合教学内容创设情景，让学生入情入境，借境悟理，主动学习。

主动讲述，创设想象情景。在教学中，教师以丰富的感情和生动的讲述创设特定的教学情境和气氛，把知识寓于形象化叙述、提问当中，教育学生，感染学生。讲述是课堂教学不可或缺的形式，因而生动讲述也是情境教学的一种方式。

图画、音乐情景渲染。把课文知识点和内容形象化，符合学生对形象乐于接受，易于理解的认识特点，从而充分感受形象，进入情境。它包含着知识点的学习，包含着语言的表达，也渗透着美的感受。用音乐渲染情境，不局限于播放现成的乐曲、歌曲，对意识找不到合适曲子的课文，在教学必须时，自己的弹奏、清唱都是行之有效的方法。

五、情境仿真在线上数学解题APP交互模型设计

数学是一门抽象严密的学科，正由于这一点，令相当一部分学生望而却步，对其缺乏学习热情产生厌烦情绪。利用情境仿真教学，使得数学教学更生动，更具体，特别是在复习时更加显得重要，不仅使学生对知识理解得更透彻，掌握得更牢固，而且从中受到观察、猜想、分析与转换等思维方法的启迪，思维品质得到了培养。同时学生也从探索的成功中感受到喜悦。使学习数学的兴趣得到了强化，数学知识得到了进一步的巩固与发展。

“互联网+教育”于2017年被首次写进我国政府工作报告，所以如何有效支持对数学题目所包含应用情境的动态仿真，以便学生对题意的理解、列出算式，对学生计算步骤进行实时纠错与提示，根据学生对应用情境的理解与计算步骤，对学生的知识掌握情况进行诊断，建立学生知识追踪扩展模型，并提供面向用户的解释，最终实现对学生解题全过程的智能化辅导。

中小学数学教育是基础教育的重要组成，全球需求量巨大。对中小学数学解题支持进行有效研究，意义非凡。例如，根据KDD2010数据所示，对学生数学能力诊断模型进行研究与应用，在美国将每年可以为学生节省2亿5千万小时的学习时间。很明显，在我国该数字将会更大。同时，该研究将非常有助于解决教育资源分配不均等难题，一定程度上能缩小教育差距，促进教育公平。

六、总结

情境仿真应用于线上教育这几年可谓是炙手可热，通过智慧的方式，给学生、老师和家长更好的用户体验。情境仿真的应用范畴非常广泛，在APP领域还有很广阔的发展前景。随着互联网的发展，越来越多的学生家长体验到了互联网+教育带来的方便快捷，Ai人工智能和仿真技术越来越受到人们的重视，对于好的人工智能化教育的追求，未来有很广阔发展前景的课题。今后，我们可以通过情境仿真技术设计出更多更实用的APP交互产品。

参考文献：

[1]刘先清. 情境教学在数学教学中的应用[J].江西教育，2010（15）：36-36.

[2]戚海强.慕课教育在高中数学教学中的应用分析[J].高考.2018（32）

[3]杨九民，李丽，刘晓莉，朱芳芳，高姝睿，皮忠玲.电化教育研究.在线开放课程中的交互设计及其应用现状分析[J].2018（11）

[4]李晓明，胡崇嘉.当代教育实践与教学研究.在线开放课程的优势与不足——以MOOC教学方法为例[J].2018（09）

[5]王姝睿.教育APP研究综述[J].吉林省教育学院学报（中旬）.2014（05）

[6]马婧垚，李先锋.互联网+背景下情境教学法中的情境创设研究.[J].《创新教育研究》2018年2期

[7]朱桂凤，孙朝仁.数学实验情境教育素养的取析原则[J].中国数学教育，2018（19）

[8] 赵玉琴.数学教学中问题情境的创设[J].教育革新，2009年12期

[9]吴宁.情境教学模式在初中数学中的应用[J].新课程（教育学术），2010，（8）：97