情境仿真在線上數(shù)學(xué)解題APP交互模型設(shè)計中的應(yīng)用研究

李齊澳?胡馨月

摘 要：當(dāng)前，K12教育（學(xué)前教育至高中教育的縮寫）中有三個主要參與角色：學(xué)生、老師和家長，其中學(xué)生花大量時間寫作業(yè)，學(xué)習(xí)重復(fù)知識備考，且上輔導(dǎo)班會占用大量時間。老師花大量時間批改作業(yè)、進(jìn)行備課等重復(fù)性工作，因材施教成本高。家長因為孩子作業(yè)既多又難，輔導(dǎo)力不從心，既耗費了大量時間，沒有效果，家長重視教育且投入較大，希望孩子能獲得更好的教育，全面成長。本文針對目前K12教育中的三大痛點問題，以數(shù)學(xué)這門學(xué)科為研究導(dǎo)向，研究如何運用情境仿真支持技術(shù)有效支持教師對問題情境的個性化定義，以及學(xué)生對問題情境的個性化重現(xiàn);運用專家系統(tǒng)支持對學(xué)生解題步驟的實時糾錯;運行大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對學(xué)生題意理解過程與計算過程進(jìn)行分析，診斷學(xué)生知識掌握情況并為用戶提供有效解釋。

關(guān)鍵詞：K12教育;數(shù)據(jù)挖掘;人工智能;情境仿真;個性化輔導(dǎo)

一、研究背景

在中國家庭中，父母普遍都有望子成龍的期望，對孩子培養(yǎng)基本也都是從娃娃開始抓起。所以在孩子的整個學(xué)習(xí)生涯，大多父母都是一直陪伴在身邊，哪怕自己的水平不夠，卻仍舊苦心輔導(dǎo)，緊緊抓住放學(xué)后的這一段課外時間，生怕自己的孩子落后。所以這也引發(fā)了一系列的問題，學(xué)生天性貪玩，內(nèi)心抵制家庭作業(yè)，家長望子成龍心切，平時工作壓力也大，只能暴力督促，卻無法耐心專業(yè)的輔導(dǎo)孩子，解題錯誤的輔導(dǎo)方法不但無法提高孩子的學(xué)習(xí)成績，也影響家長與孩子之間的關(guān)系。尤其在數(shù)學(xué)這門學(xué)科中表現(xiàn)得尤為突出。更有相關(guān)自媒體爆出“中國有多少父母在‘自殺式’地陪娃寫作業(yè)”相關(guān)文章一度引發(fā)了熱議，家長們紛紛感慨輔導(dǎo)娃寫作業(yè)是多么的痛苦，同時這些情況也嚴(yán)重影響老師對學(xué)生的學(xué)情分析以及與家長關(guān)于孩紙的溝通，進(jìn)入一個惡性循環(huán)。所以家長們需要的是正確的輔導(dǎo)方法和作業(yè)輔導(dǎo)工具，更多的是需要加強(qiáng)與孩子之間的溝通，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，和老師交流更多的是孩子的學(xué)習(xí)情況，而不是抱怨。

二、研究目的和意義

數(shù)學(xué)解題主要包括2個步驟：①理解題意、把數(shù)學(xué)問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)式子，這實質(zhì)就是問題情境的理解;②根據(jù)數(shù)學(xué)式子進(jìn)行計算解題。然而在數(shù)學(xué)問題解決過程中，中小學(xué)生普遍存在著忽視問題情境、缺乏數(shù)學(xué)思考等問題。情境缺乏對中小學(xué)生的影響非常明顯，對經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的中小學(xué)生尤其如此;如何通過有效的指導(dǎo)和干預(yù)來培養(yǎng)他們的數(shù)學(xué)問題解決能力是研究者關(guān)注的熱點。

為有效解決現(xiàn)在父母無暇輔導(dǎo)孩子在家中學(xué)習(xí)的普遍社會問題，以使教師和學(xué)生可自由設(shè)定題目進(jìn)行情景仿真動畫解題，使老師的講解更生動形象化，學(xué)生理解更清晰，同時提高學(xué)習(xí)興趣，我們可以通過后臺的大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，根據(jù)不同使用者具體情況，從而達(dá)到提高學(xué)習(xí)成績和能力的效果。本文研究現(xiàn)有在線教育App問題情境個性化仿真功能、對題意理解的支持以及基于應(yīng)用情境的計算步驟檢查，分析好的功能案例，得出相應(yīng)的結(jié)論。研究這些功能案例是否有跡可循。

三、情境仿真在線上教育APP交互模型搭建

（一）情境仿真交互模型設(shè)計的意義

情境仿真交互設(shè)計模型是積累和捕捉有效的設(shè)計方案，并將其應(yīng)用于類似問題的方法，這是嘗試將設(shè)計理論形式化，記錄最好的實踐方式，它可以幫助我們：提高設(shè)計方案的質(zhì)量;促進(jìn)設(shè)計師與程序員的溝通;節(jié)省新項目的設(shè)計時間和精力;幫助設(shè)計師成長。

這種模型化的設(shè)計概念其實最初源自于建筑設(shè)計，而情境仿真交互設(shè)計模式和建筑設(shè)計模式有一個重要的區(qū)別，因為它不僅關(guān)注結(jié)構(gòu)和元素的組織，而且還需要關(guān)注用戶活動的相關(guān)動態(tài)行為和變化。所以關(guān)于情境仿真的交互模型設(shè)計，設(shè)計師需要跳出傳統(tǒng)的思維圈，更多的結(jié)合用戶的使用習(xí)慣來進(jìn)行設(shè)計，這使得情境仿真交互模型設(shè)計更加人性化、多樣化。

（二）情境仿真交互模型單元

我們平時都會使用一些手機(jī)App和電腦軟件，比如iPhone的系統(tǒng)設(shè)置里，有一個WiFi設(shè)置界面，相信大家都很熟悉。我們把軟件交互中這種簡單的交互操作叫做交互模型單元（Interaction Module Unit），簡稱IMU。比如開關(guān)按鈕，這種左邊有開關(guān)操作的功能，右邊有一個點擊切換的開關(guān)控件，就構(gòu)成了一個 IMU。

在情境仿真的交互模型設(shè)計中，我們也會接觸和應(yīng)用到很多的IMU，當(dāng)然在應(yīng)用過程中也會出現(xiàn)一系列的問題。因為IMU并不只是一個簡單的控件，可以直接搬運。它還包含更多的內(nèi)容，比如你應(yīng)該在什么地方放置一個什么樣的系統(tǒng)功能？它的交互操作應(yīng)該是怎樣的？內(nèi)容應(yīng)該怎么布局？這都是需要在不斷的在行動中歸納經(jīng)驗，并將經(jīng)驗升華為規(guī)律，再應(yīng)用到實踐中。

（三）情境仿真交互模型設(shè)計模塊

在設(shè)計交互模型之前，我們主要分為三大模塊來進(jìn)行：學(xué)生模塊、輔導(dǎo)模塊和用戶界面模塊。學(xué)生模塊是使用一個學(xué)生模型包含描述學(xué)生認(rèn)知或?qū)W習(xí)方法，該學(xué)生不能理解的部分和知識空白。通過收集學(xué)生的學(xué)習(xí)情況來判斷當(dāng)前學(xué)習(xí)者處在一個什么樣的水平上，這些信息包括語音、手勢、外觀等獲得關(guān)于學(xué)生成績的日期和知識水平，由于收集的信息量大、時間間隔短不可能一次性收集完所需要的全部信息，將收集到的信息先存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)需要時從數(shù)據(jù)庫中獲取。智能輔導(dǎo)系統(tǒng)最基本的兩個輔導(dǎo)目標(biāo)一個是根據(jù)學(xué)生情況形成一個學(xué)習(xí)者適應(yīng)性強(qiáng)的學(xué)習(xí)方法和指導(dǎo)學(xué)生解決問題。

輔導(dǎo)模塊就是糾正學(xué)習(xí)者錯誤的模塊，該模塊主要是為學(xué)習(xí)者提供輔導(dǎo)和相應(yīng)的糾錯 信息。教學(xué)者根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗在該模塊設(shè)計相應(yīng)的輔導(dǎo)方法和相應(yīng)的指導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)，教師模塊將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息傳入到該模塊，該模塊會根據(jù)同類學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)水平，進(jìn)行一個題 目的選擇從而來對學(xué)習(xí)者進(jìn)行相應(yīng)的輔導(dǎo)。

用戶界面模塊是學(xué)習(xí)者跟智能輔導(dǎo)系統(tǒng)交互的模塊，該模塊通過圖形界面以及虛擬顯

示技術(shù)，供學(xué)習(xí)者進(jìn)行相應(yīng)學(xué)習(xí)，為學(xué)習(xí)者分配相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)習(xí)指導(dǎo)以及通過學(xué)習(xí)

者的學(xué)習(xí)行為記錄他的學(xué)習(xí)軌跡。智能輔導(dǎo)系統(tǒng)具有條理性和邏輯性，系統(tǒng)生成的教程是 通過學(xué)習(xí)者與系統(tǒng)交互描述性的數(shù)據(jù)生成的。

（四）應(yīng)用語境

當(dāng)有了這么多的IMU，我們?nèi)匀徊荒茈S便就開始采用。因為交互模型設(shè)計永遠(yuǎn)不能脫離應(yīng)用語境而像零件一樣機(jī)械地拼湊使用，情境在模式表現(xiàn)形式上具有決定性的作用。因此，模式展開的環(huán)境極其重要，它的子模式、母模式以及相近的其他模式同樣十分關(guān)鍵。在使用交互模型時也同樣如此。應(yīng)用語境包含一下幾個因素：

·時間（流程節(jié)點）：用戶是在什么流程中的什么環(huán)節(jié)打開這個界面的，這就決定了是用一個新界面好，還是只需要在當(dāng)前界面彈出一個選擇控件;

·地點（具體界面）：同樣是給頁面分類，在 APP 的首頁中，你應(yīng)該優(yōu)先使用下方的主導(dǎo)航;在 APP 的下級頁面里，你就應(yīng)該使用上方的 Tab。

·場合（平臺環(huán)境）：當(dāng)前平臺是 Windows、Mac 這樣的桌面平臺，還是 iOS、Android 這樣的移動平臺，又或者是跨平臺的 Web 環(huán)境？這決定了你要使用哪種類型的 IMU。如果你在移動端上用了一個 PC 上的下拉菜單，那用戶體驗將會很糟糕，手指根本就點不到那里面的選項。

因此，每一個產(chǎn)品的設(shè)計，除了它的樣式本身，我們都需要從用戶的角度考慮。用戶心理和具體的技術(shù)實現(xiàn)、應(yīng)用場景，這些都只是作為經(jīng)驗積累而存在的，具體應(yīng)用的時候，我們還是要分析這些模塊是否適當(dāng)前的產(chǎn)品和場景。

四、情境仿真目前在線上教育中的應(yīng)用研究

（一）情境仿真應(yīng)用在教學(xué)中的一般原理

傳統(tǒng)情境仿真是一種教學(xué)方法。情境模擬教學(xué)法是教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，有針對性的設(shè)計情景，并讓學(xué)生扮演情景角色，模擬情景過程，讓學(xué)生在高度仿真的情景中獲取知識和提高能力的教學(xué)方法。這種教學(xué)方法突出操作性、講究趣味性、注重實效性，實現(xiàn)了理論與實踐的接軌、素質(zhì)教育與社會需要的接軌。

現(xiàn)代仿真是基于計算機(jī)、利用合適的算法通過模型（物理的或數(shù)學(xué)的）以代替實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗和研究的一門學(xué)科和實驗技術(shù)。系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真實驗為系統(tǒng)仿真的三個基本活動，仿真過程中系統(tǒng)、模型與計算機(jī)（包括軟、硬件）的關(guān)系如圖2所示，這里模型通常是指數(shù)學(xué)模型，常用的數(shù)學(xué)模型有：初等模型、確定性連續(xù)模型、確定性離散模型和隨機(jī)模型。

系統(tǒng)仿真的第1步是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在建立好系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，可能需要利用《計算方法》中的專門知識，基于學(xué)生熟悉的編程語言，把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為計算機(jī)算法程序，得到仿真模型。在設(shè)置好各可調(diào)參數(shù)條件下運行仿真模型（即仿真算法程序），即可得到一系列的輸出，這些輸出要進(jìn)行各種分析，如條件允許，并應(yīng)該與實際系統(tǒng)的相應(yīng)數(shù)據(jù)作對比分析。

（二）情境仿真應(yīng)用在教學(xué)中的方案研究

直觀演示，創(chuàng)設(shè)形象情景。學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的過程中，具體動作思維、直觀形象思維，處于優(yōu)勢地位。在教學(xué)中，運用多種教學(xué)：我、媒體的演示、操作實驗等方法再現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容情景或結(jié)合教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)情景，讓學(xué)生入情入境，借境悟理，主動學(xué)習(xí)。

主動講述，創(chuàng)設(shè)想象情景。在教學(xué)中，教師以豐富的感情和生動的講述創(chuàng)設(shè)特定的教學(xué)情境和氣氛，把知識寓于形象化敘述、提問當(dāng)中，教育學(xué)生，感染學(xué)生。講述是課堂教學(xué)不可或缺的形式，因而生動講述也是情境教學(xué)的一種方式。

圖畫、音樂情景渲染。把課文知識點和內(nèi)容形象化，符合學(xué)生對形象樂于接受，易于理解的認(rèn)識特點，從而充分感受形象，進(jìn)入情境。它包含著知識點的學(xué)習(xí)，包含著語言的表達(dá)，也滲透著美的感受。用音樂渲染情境，不局限于播放現(xiàn)成的樂曲、歌曲，對意識找不到合適曲子的課文，在教學(xué)必須時，自己的彈奏、清唱都是行之有效的方法。

五、情境仿真在線上數(shù)學(xué)解題APP交互模型設(shè)計

數(shù)學(xué)是一門抽象嚴(yán)密的學(xué)科，正由于這一點，令相當(dāng)一部分學(xué)生望而卻步，對其缺乏學(xué)習(xí)熱情產(chǎn)生厭煩情緒。利用情境仿真教學(xué)，使得數(shù)學(xué)教學(xué)更生動，更具體，特別是在復(fù)習(xí)時更加顯得重要，不僅使學(xué)生對知識理解得更透徹，掌握得更牢固，而且從中受到觀察、猜想、分析與轉(zhuǎn)換等思維方法的啟迪，思維品質(zhì)得到了培養(yǎng)。同時學(xué)生也從探索的成功中感受到喜悅。使學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣得到了強(qiáng)化，數(shù)學(xué)知識得到了進(jìn)一步的鞏固與發(fā)展。

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”于2017年被首次寫進(jìn)我國政府工作報告，所以如何有效支持對數(shù)學(xué)題目所包含應(yīng)用情境的動態(tài)仿真，以便學(xué)生對題意的理解、列出算式，對學(xué)生計算步驟進(jìn)行實時糾錯與提示，根據(jù)學(xué)生對應(yīng)用情境的理解與計算步驟，對學(xué)生的知識掌握情況進(jìn)行診斷，建立學(xué)生知識追蹤擴(kuò)展模型，并提供面向用戶的解釋，最終實現(xiàn)對學(xué)生解題全過程的智能化輔導(dǎo)。

中小學(xué)數(shù)學(xué)教育是基礎(chǔ)教育的重要組成，全球需求量巨大。對中小學(xué)數(shù)學(xué)解題支持進(jìn)行有效研究，意義非凡。例如，根據(jù)KDD2010數(shù)據(jù)所示，對學(xué)生數(shù)學(xué)能力診斷模型進(jìn)行研究與應(yīng)用，在美國將每年可以為學(xué)生節(jié)省2億5千萬小時的學(xué)習(xí)時間。很明顯，在我國該數(shù)字將會更大。同時，該研究將非常有助于解決教育資源分配不均等難題，一定程度上能縮小教育差距，促進(jìn)教育公平。

六、總結(jié)

情境仿真應(yīng)用于線上教育這幾年可謂是炙手可熱，通過智慧的方式，給學(xué)生、老師和家長更好的用戶體驗。情境仿真的應(yīng)用范疇非常廣泛，在APP領(lǐng)域還有很廣闊的發(fā)展前景。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的學(xué)生家長體驗到了互聯(lián)網(wǎng)+教育帶來的方便快捷，Ai人工智能和仿真技術(shù)越來越受到人們的重視，對于好的人工智能化教育的追求，未來有很廣闊發(fā)展前景的課題。今后，我們可以通過情境仿真技術(shù)設(shè)計出更多更實用的APP交互產(chǎn)品。

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