情境仿真在線上數學解題APP交互模型設計中的應用研究

李齊澳?胡馨月

摘 要：當前，K12教育（學前教育至高中教育的縮寫）中有三個主要參與角色：學生、老師和家長，其中學生花大量時間寫作業，學習重復知識備考，且上輔導班會占用大量時間。老師花大量時間批改作業、進行備課等重復性工作，因材施教成本高。家長因為孩子作業既多又難，輔導力不從心，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，以數學這門學科為研究導向，研究如何運用情境仿真支持技術有效支持教師對問題情境的個性化定義，以及學生對問題情境的個性化重現;運用專家系統支持對學生解題步驟的實時糾錯;運行大數據分析技術對學生題意理解過程與計算過程進行分析，診斷學生知識掌握情況并為用戶提供有效解釋。

關鍵詞：K12教育;數據挖掘;人工智能;情境仿真;個性化輔導

一、研究背景

在中國家庭中，父母普遍都有望子成龍的期望，對孩子培養基本也都是從娃娃開始抓起。所以在孩子的整個學習生涯，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，緊緊抓住放學后的這一段課外時間，生怕自己的孩子落后。所以這也引發了一系列的問題，學生天性貪玩，內心抵制家庭作業，家長望子成龍心切，平時工作壓力也大，只能暴力督促，卻無法耐心專業的輔導孩子，解題錯誤的輔導方法不但無法提高孩子的學習成績，也影響家長與孩子之間的關系。尤其在數學這門學科中表現得尤為突出。更有相關自媒體爆出“中國有多少父母在‘自殺式’地陪娃寫作業”相關文章一度引發了熱議，家長們紛紛感慨輔導娃寫作業是多么的痛苦，同時這些情況也嚴重影響老師對學生的學情分析以及與家長關于孩紙的溝通，進入一個惡性循環。所以家長們需要的是正確的輔導方法和作業輔導工具，更多的是需要加強與孩子之間的溝通，培養學習興趣，和老師交流更多的是孩子的學習情況，而不是抱怨。

二、研究目的和意義

數學解題主要包括2個步驟：①理解題意、把數學問題轉變為數學式子，這實質就是問題情境的理解;②根據數學式子進行計算解題。然而在數學問題解決過程中，中小學生普遍存在著忽視問題情境、缺乏數學思考等問題。情境缺乏對中小學生的影響非常明顯，對經濟不發達地區的中小學生尤其如此;如何通過有效的指導和干預來培養他們的數學問題解決能力是研究者關注的熱點。

為有效解決現在父母無暇輔導孩子在家中學習的普遍社會問題，以使教師和學生可自由設定題目進行情景仿真動畫解題，使老師的講解更生動形象化，學生理解更清晰，同時提高學習興趣，我們可以通過后臺的大數據分析系統，根據不同使用者具體情況，從而達到提高學習成績和能力的效果。本文研究現有在線教育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用情境的計算步驟檢查，分析好的功能案例，得出相應的結論。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計的意義

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

這種模型化的設計概念其實最初源自于建筑設計，而情境仿真交互設計模式和建筑設計模式有一個重要的區別，因為它不僅關注結構和元素的組織，而且還需要關注用戶活動的相關動態行為和變化。所以關于情境仿真的交互模型設計，設計師需要跳出傳統的思維圈，更多的結合用戶的使用習慣來進行設計，這使得情境仿真交互模型設計更加人性化、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App和電腦軟件，比如iPhone的系統設置里，有一個WiFi設置界面，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。比如開關按鈕，這種左邊有開關操作的功能，右邊有一個點擊切換的開關控件，就構成了一個 IMU。

在情境仿真的交互模型設計中，我們也會接觸和應用到很多的IMU，當然在應用過程中也會出現一系列的問題。因為IMU并不只是一個簡單的控件，可以直接搬運。它還包含更多的內容，比如你應該在什么地方放置一個什么樣的系統功能？它的交互操作應該是怎樣的？內容應該怎么布局？這都是需要在不斷的在行動中歸納經驗，并將經驗升華為規律，再應用到實踐中。

（三）情境仿真交互模型設計模塊

在設計交互模型之前，我們主要分為三大模塊來進行：學生模塊、輔導模塊和用戶界面模塊。學生模塊是使用一個學生模型包含描述學生認知或學習方法，該學生不能理解的部分和知識空白。通過收集學生的學習情況來判斷當前學習者處在一個什么樣的水平上，這些信息包括語音、手勢、外觀等獲得關于學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據庫中，當需要時從數據庫中獲取。智能輔導系統最基本的兩個輔導目標一個是根據學生情況形成一個學習者適應性強的學習方法和指導學生解決問題。

輔導模塊就是糾正學習者錯誤的模塊，該模塊主要是為學習者提供輔導和相應的糾錯 信息。教學者根據自己的教學經驗在該模塊設計相應的輔導方法和相應的指導戰術，教師模塊將相應的數據信息傳入到該模塊，該模塊會根據同類學習者的學習水平，進行一個題 目的選擇從而來對學習者進行相應的輔導。

用戶界面模塊是學習者跟智能輔導系統交互的模塊，該模塊通過圖形界面以及虛擬顯

示技術，供學習者進行相應學習，為學習者分配相應的學習任務，學習指導以及通過學習

者的學習行為記錄他的學習軌跡。智能輔導系統具有條理性和邏輯性，系統生成的教程是 通過學習者與系統交互描述性的數據生成的。

（四）應用語境

當有了這么多的IMU，我們仍然不能隨便就開始采用。因為交互模型設計永遠不能脫離應用語境而像零件一樣機械地拼湊使用，情境在模式表現形式上具有決定性的作用。因此，模式展開的環境極其重要，它的子模式、母模式以及相近的其他模式同樣十分關鍵。在使用交互模型時也同樣如此。應用語境包含一下幾個因素：

·時間（流程節點）：用戶是在什么流程中的什么環節打開這個界面的，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，你應該優先使用下方的主導航;在 APP 的下級頁面里，你就應該使用上方的 Tab。

·場合（平臺環境）：當前平臺是 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，每一個產品的設計，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實現、應用場景，這些都只是作為經驗積累而存在的，具體應用的時候，我們還是要分析這些模塊是否適當前的產品和場景。

四、情境仿真目前在線上教育中的應用研究

（一）情境仿真應用在教學中的一般原理

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

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

系統仿真的第1步是建立系統的數學模型，在建立好系統數學模型的基礎上，可能需要利用《計算方法》中的專門知識，基于學生熟悉的編程語言，把數學模型轉化為計算機算法程序，得到仿真模型。在設置好各可調參數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，這些輸出要進行各種分析，如條件允許，并應該與實際系統的相應數據作對比分析。

（二）情境仿真應用在教學中的方案研究

直觀演示，創設形象情景。學生在學習知識的過程中，具體動作思維、直觀形象思維，處于優勢地位。在教學中，運用多種教學：我、媒體的演示、操作實驗等方法再現教學內容情景或結合教學內容創設情景，讓學生入情入境，借境悟理，主動學習。

主動講述，創設想象情景。在教學中，教師以豐富的感情和生動的講述創設特定的教學情境和氣氛，把知識寓于形象化敘述、提問當中，教育學生，感染學生。講述是課堂教學不可或缺的形式，因而生動講述也是情境教學的一種方式。

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

五、情境仿真在線上數學解題APP交互模型設計

數學是一門抽象嚴密的學科，正由于這一點，令相當一部分學生望而卻步，對其缺乏學習熱情產生厭煩情緒。利用情境仿真教學，使得數學教學更生動，更具體，特別是在復習時更加顯得重要，不僅使學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、分析與轉換等思維方法的啟迪，思維品質得到了培養。同時學生也從探索的成功中感受到喜悅。使學習數學的興趣得到了強化，數學知識得到了進一步的鞏固與發展。

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

中小學數學教育是基礎教育的重要組成，全球需求量巨大。對中小學數學解題支持進行有效研究，意義非凡。例如，根據KDD2010數據所示，對學生數學能力診斷模型進行研究與應用，在美國將每年可以為學生節省2億5千萬小時的學習時間。很明顯，在我國該數字將會更大。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，促進教育公平。

六、總結

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

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