教育神經(jīng)科學(xué)視域下數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)虛擬仿真實驗設(shè)計

鄧 勇，唐 禎，周炫余，盧 笑，李 璇

（1.湖南師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410006；2.湖南師范大學(xué) 工程與設(shè)計學(xué)院，湖南 長沙 410006）

教育神經(jīng)科學(xué)是將教育科學(xué)、認知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等學(xué)科知識與技能整合起來，研究人類教育現(xiàn)象及其一般規(guī)律的一門新興交叉學(xué)科[1]。目前，許多教育學(xué)二級學(xué)科領(lǐng)域在教育神經(jīng)科學(xué)的啟發(fā)下正大量開展與教學(xué)實踐問題相關(guān)的神經(jīng)科學(xué)研究，如特殊兒童的早期干預(yù)實驗。但是，此類實驗常常面臨著倫理、特殊被試難以招募、特殊環(huán)境難以真實呈現(xiàn)、儀器昂貴等問題[2-3]。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的迅猛發(fā)展和普及，虛擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實驗教學(xué)中。虛擬仿真技術(shù)具有不受時空限制、成本低、可重復(fù)使用等優(yōu)點，很好地對真實實驗進行了補充。

湖南師范大學(xué)以充分響應(yīng)“世界一流，國家急需”的特殊教育創(chuàng)新型科研人才和創(chuàng)業(yè)型實踐人才培養(yǎng)為導(dǎo)向，在教育神經(jīng)科學(xué)視域下，依托湖南省認知與人類重點實驗室、湖南師范大學(xué)認知科學(xué)研究中心等單位，利用湖南師范大學(xué)教育學(xué)科的優(yōu)質(zhì)資源，緊握信息化革命浪潮帶來的機遇，將虛擬仿真技術(shù)引進特殊兒童早期干預(yù)實驗教學(xué)中，建立了數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)虛擬仿真實驗平臺。通過虛擬仿真實驗教學(xué)手段，構(gòu)建了高仿真實驗室環(huán)境，既解決真實實驗招募人數(shù)難以達到、場景要求嚴格、流程復(fù)雜的問題[4]；又將復(fù)雜實驗過程可視化，增強學(xué)生主觀能動性，降低了因構(gòu)建真實實驗場景而消耗的成本，為人工智能與教育神經(jīng)科學(xué)的深度融合、學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中概念性思維的提升和創(chuàng)新活動的開展創(chuàng)造了條件[5]。

1 虛擬仿真實驗的設(shè)計背景與目的

1.1 設(shè)計背景

數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難（mathematics learning disability,MLD）是指由于數(shù)學(xué)能力上的缺陷而導(dǎo)致學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)上明顯落后于同齡人水平的現(xiàn)象[6]。美、德、印度、以色列以及中國的流行病學(xué)研究表明，該病的流行率約為3%～6.5%，合計患病人數(shù)達數(shù)百萬。由此推測，中國有相當(dāng)一部分青少年正在遭受數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難的困擾[7]。該病的一個重要臨床表現(xiàn)為數(shù)學(xué)認知能力缺陷，而經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）技術(shù)對人類認知數(shù)學(xué)的過程有調(diào)節(jié)作用[8]。該技術(shù)對認知能力的提高可以通過事件相關(guān)電位（event-related potential，ERP）這一指標來進行判斷。對于特殊教育專業(yè)的學(xué)生來說，重復(fù)進行以數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童干預(yù)為代表的經(jīng)典實驗是很有價值的教學(xué)內(nèi)容，可加強學(xué)生對tDCS 干預(yù)特殊兒童認知功能過程的感性認識，并使學(xué)生在體驗特殊兒童早期干預(yù)實驗過程中加強對實驗規(guī)范的了解。

然而，真實實驗教學(xué)往往需要招募大量特殊兒童作為實驗對象。通常情況下，不僅實驗對象招募人數(shù)難以達到要求，而且真實實驗對實驗環(huán)境和實驗員的要求很高。一方面，對于尚為新手的特殊教育專業(yè)學(xué)生來說，實驗難度較大，操作較為復(fù)雜，難以一次成功；另一方面，對于被招募的特殊兒童來說，實驗過程中難以對其進行控制，且很容易對被試造成生理或心理上的傷害，導(dǎo)致獲取的實驗數(shù)據(jù)不準確。因此，在特殊教育早期的干預(yù)實驗教學(xué)中，較少要求學(xué)生對此類實驗進行真實操作。

利用虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生營造一個虛擬的真實場景，很好地解決了真實實驗受限的問題，為教學(xué)實踐提供了新思路。在教育神經(jīng)科學(xué)的背景下，虛擬仿真技術(shù)被運用于國內(nèi)外心理學(xué)的多個分支領(lǐng)域，并產(chǎn)生了重要影響和重大研究成果。例如，國外臨床治療恐高瘧和社交恐懼癥等研究課題，以及國內(nèi)華中師范大學(xué)國家級心理與行為虛擬仿真實驗教學(xué)中心在虛擬認知心理實驗等多個子模塊下進行的課題研究[9]。因此，在特殊兒童早期干預(yù)實驗中充分利用虛擬仿真技術(shù)已成為一個重要趨勢。

開展數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)虛擬仿真實驗平臺建設(shè)，構(gòu)建信息化虛擬平臺，將復(fù)雜的ERP 和tDCS干預(yù)實驗流程以虛擬仿真實驗來實現(xiàn)，可以使學(xué)生在一個生動、交互的虛擬環(huán)境中開展多次經(jīng)濟、安全的實驗，形成tDCS 干預(yù)實驗對被試認知功能促進作用的感性認識，體驗干預(yù)過程的必要行為規(guī)范。并且，虛擬仿真實驗?zāi)芤龑?dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究實驗整個流程，掌握真實實驗可能會遇到的問題，對于提升學(xué)生的概念性思維能力和主觀能動性、降低培養(yǎng)成本，以及融合人工智能與教育神經(jīng)科學(xué)具有重要意義。

1.2 設(shè)計目的

1.2.1 構(gòu)建高仿真實驗環(huán)境，提升特殊教育和心理學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)效果

虛擬仿真實驗是指在計算機系統(tǒng)的控制下，營造一個與真實場景相似的虛擬實驗環(huán)境，從而使實驗者在近似真實的環(huán)境中完成指定任務(wù)。在這樣一個高度逼真的環(huán)境中，實驗者獲得了更為廣泛的學(xué)習(xí)體驗，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果往往等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中取得的效果[10]。數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)虛擬仿真教學(xué)平臺基于教育神經(jīng)科學(xué)視域，深度融合了“特殊兒童早期干預(yù)”和“實驗兒童心理學(xué)”這兩門核心課程的重要內(nèi)容，通過在高仿真環(huán)境下進行實驗，加深了特殊教育專業(yè)學(xué)生對于tDCS 干預(yù)特殊兒童認知功能的感性認識，增強了學(xué)生在遇到問題時進行自主解決的能力，提升了特殊教育和心理學(xué)專業(yè)的實踐教學(xué)效果。

1.2.2 可視化復(fù)雜實驗過程，增強學(xué)生主觀能動性

傳統(tǒng)教學(xué)過程往往采用教材進行知識的傳授，教材里復(fù)雜、抽象的過程以及原理，難免會扼殺學(xué)習(xí)者的興趣，使其感到枯燥，甚至產(chǎn)生厭煩心理。將虛擬仿真技術(shù)運用于教學(xué)中，不僅能提高學(xué)生的積極性，還能培養(yǎng)創(chuàng)新能力[11]。本文將復(fù)雜的ERP 和tDCS 干預(yù)實驗用可視化的方式呈現(xiàn)，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境之感，可以挖掘?qū)W生潛意識中對科學(xué)研究的興趣；并且，虛擬教師以游戲方式與學(xué)生進行互動，引導(dǎo)學(xué)生完成實驗平臺的搭建，增強學(xué)生的主觀能動性[12]。因此，利用虛擬仿真平臺進行實驗教學(xué)，能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲，充分發(fā)揮學(xué)生在實驗教學(xué)過程中的主體作用。

1.2.3 以虛補實，降低培養(yǎng)成本

虛擬仿真實驗室是一個成本低、效率高的平臺[13]，通過構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境和合適的實驗對象，很好地解決了實驗操作環(huán)境要求過高、實驗對象難以招募以及實驗過程中可能因為不當(dāng)操作而產(chǎn)生的倫理問題，對于高成本、高消耗的綜合型實驗項目，起到了節(jié)約成本的作用[14]。以“虛”為手段，學(xué)生通過在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)虛擬仿真實驗平臺上的多次學(xué)習(xí)，掌握ERP 和tDCS 干預(yù)實驗的基本流程；再將虛擬實驗手段融入特殊教育專業(yè)學(xué)科的“實際”學(xué)習(xí)中，“以虛補實”[12]，從而使學(xué)生逐步成為基礎(chǔ)理論扎實、實踐能力強的特殊教育人才。

1.2.4 開創(chuàng)雙師課堂，促進人工智能和教育神經(jīng)科學(xué)的融合

在虛擬仿真實驗平臺學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生若對實驗過程存在疑問，可隨時通過語音向平臺內(nèi)的虛擬教師進行提問，并通過人工智能算法獲得教師的回答。本文提出利用虛擬教師的智能性，協(xié)同傳統(tǒng)教師構(gòu)建雙師課堂。由虛擬教師解決不同學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的步驟錯誤問題，為學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)提供支持；傳統(tǒng)教師則摒棄了重復(fù)性工作，可將更多的精力放在對學(xué)生核心素質(zhì)的培養(yǎng)中；兩者共同作用，一起促進學(xué)生的發(fā)展[15]。平臺通過人工智能算法實現(xiàn)虛擬教師與學(xué)生的交互，為教育神經(jīng)科學(xué)的研究提供了幫助。未來，人工智能和教育神經(jīng)科學(xué)會不斷走向融合，教育會邁向教師與人工智能協(xié)作的時代，他們將發(fā)揮各自的優(yōu)勢，共同實現(xiàn)個性化、包容、公平的教育，從而促進人類的全面發(fā)展[16]。

2 虛擬仿真實驗的框架設(shè)計

2.1 整體架構(gòu)

為了解決實驗平臺難以搭建、實驗成員難以招募的問題，并將人工智能運用于教學(xué)過程中，構(gòu)建雙師課堂，更好地提升實驗教學(xué)效果，首先要保證虛擬實驗平臺的真實性和智能性。因此，筆者從開發(fā)端、學(xué)生端、教師端、管理端4 個方面入手，以促進學(xué)生的學(xué)習(xí)效果為目標，將復(fù)雜實驗過程以可視化方式呈現(xiàn)，再采用人工智能、AR、WebGL 以及Unity3D 等技術(shù)，構(gòu)建包含動畫、自動問答、自動評分3 個模塊以及多個功能的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)對特殊教育專業(yè)學(xué)生的實驗教學(xué)。平臺的基本框架如圖1 所示。

2.2 模塊與功能

動畫、自動問答、自動評分模塊是此虛擬仿真實驗平臺的核心內(nèi)容。下面分別介紹3 個模塊具體實現(xiàn)的功能。

2.2.1 動畫模塊

動畫模塊是整個虛擬仿真實驗平臺實現(xiàn)交互的基礎(chǔ)，它采用了目前應(yīng)用廣泛、共享性強大的Unity3D技術(shù)，借助三維建模、人機交互、VR 等信息化技術(shù)，構(gòu)建了多類虛擬仿真教學(xué)資源，同時每類教學(xué)資源下又包含了多個實驗操作。該模塊在平臺上實現(xiàn)的主要功能包括：（1）構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境，允許學(xué)生根據(jù)固定金幣選擇不同的實驗儀器來個性化搭建實驗環(huán)境；（2）構(gòu)建虛擬仿真被試招募，允許學(xué)生根據(jù)實驗要求招募指定數(shù)量的不同年齡和性別的正常被試和數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難被試；（3）構(gòu)建虛擬仿真實驗訓(xùn)練，允許學(xué)生實現(xiàn)ERP 的前后測實驗和tDCS 干預(yù)實驗，完成開熱水器→洗頭→取腦電膏→攪拌腦電膏等系列操作。

2.2.2 自動問答模塊

自動問答模塊是平臺交互性的體現(xiàn)，主要包括語音識別、文本分詞、問題匹配、語音合成4 個部分。自動問答模塊涉及一系列機器學(xué)習(xí)算法的實現(xiàn)：首先學(xué)生通過語音與虛擬被試以及虛擬教師進行交流，這段語音會被識別成文字，再通過分詞、提取關(guān)鍵字等一系列操作得到問題的核心內(nèi)容，接下來通過混合式模糊匹配算法從問題庫中匹配相應(yīng)的答案，最后由虛擬教師將語音合成后的答案反饋給學(xué)生，從而完成整個自動問答過程。該模塊在平臺上實現(xiàn)的主要功能包括：實驗開始語音提示告知被試實驗的注意事項；實驗過程中語音詢問被試感受；被試針對感受作出自動回 復(fù)；詢問虛擬教師實驗步驟；虛擬教師針對實驗步驟作出自動回復(fù)以及虛擬教師對學(xué)生進行最終考核。

2.2.3 自動評分模塊

自動評分模塊是平臺對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的客觀評價，是對實驗教學(xué)效果的檢驗，它通過一系列機器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)。平臺實現(xiàn)了兩種自動評分方式：（1）同步記錄學(xué)生在實驗過程中的每一個步驟，并對步驟的正誤進行判斷，實時自動更新學(xué)生的分數(shù)；（2）通過虛擬教師與學(xué)生的對話考核來進行自動評分，首先由虛擬教師提出問題，學(xué)生針對問題的回復(fù)會通過語音識別模塊轉(zhuǎn)變成文本，并經(jīng)過分詞、去除停用詞、提取關(guān)鍵詞等步驟，得到答案文本的關(guān)鍵內(nèi)容，最后對關(guān)鍵內(nèi)容的關(guān)鍵詞與問題的標準答案進行語義相似度計算，從而判斷學(xué)生對知識的掌握情況，由虛擬教師完成最終的評分。

該模塊在平臺上實現(xiàn)的主要功能包括：通過平臺的自動檢測和虛擬教師的問答，考核學(xué)生對實驗步驟相關(guān)細節(jié)的掌握情況，并進行自動評分。

3 教育神經(jīng)科學(xué)視域下數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)虛擬仿真實驗流程

教育神經(jīng)科學(xué)視域下數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)虛擬仿真實驗主要由“理論學(xué)習(xí)、虛擬操作、項目考核”3 部分組成，實驗過程中學(xué)生需依次完成這3 個階段的學(xué)習(xí)。

3.1 理論知識的學(xué)習(xí)與拓展

數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)實驗涉及“特殊兒童早期干預(yù)”和“實驗兒童心理學(xué)”這兩門專業(yè)課程，其中要掌握的知識點包括與數(shù)學(xué)認知有關(guān)的ERP 成分、特殊兒童數(shù)學(xué)認知任務(wù)的行為學(xué)和ERP 特點、ERP 信號的采集與分析步驟、tDCS 信號干預(yù)步驟以及干預(yù)之后數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童數(shù)學(xué)認知任務(wù)的指標變化。由于涉及內(nèi)容繁多且操作過程復(fù)雜，學(xué)生在開始實驗之前難免會對實驗步驟有所疏漏或存在部分疑慮。因此，本平臺在開始實驗前，需要學(xué)生對實驗的理論基礎(chǔ)和實驗?zāi)康倪M行全面了解，并且在執(zhí)行每一項實驗任務(wù)前，平臺會向?qū)W生介紹實驗的操作步驟和需要注意的事項。通過觀看虛擬演示和實時操作指導(dǎo)，學(xué)生不僅可以順利完成實驗，還進行了理論知識的學(xué)習(xí)。通過將虛擬實驗中展示的理論與課下學(xué)習(xí)的理論相結(jié)合，平臺實現(xiàn)了知識點的多次重復(fù)，增強了學(xué)生對實驗過程中知識內(nèi)容的了解和掌握。

3.2 操作步驟

完成知識點的學(xué)習(xí)后，學(xué)生會進入高仿真的虛擬情境中，切身體驗實驗環(huán)境的搭建、實驗被試的招募以及ERP 和tDCS 干預(yù)實驗的操作過程。為了確保實驗的順利進行，在實驗操作的過程中，學(xué)生需根據(jù)先前進行的理論學(xué)習(xí)，依照操作指引，通過拖拽、放置等動作完成每一步操作。例如ERP 實驗中，學(xué)生需完成開熱水器→洗頭→取腦電膏→攪拌腦電膏→檢查腦電帽等一系列準備工作，再通過語音向被試介紹ERP實驗的基本信息和注意事項，之后點擊虛擬平臺桌面上的eeggo 軟件記錄數(shù)據(jù)，并通過給被試呈現(xiàn)70 道類似“2+5 等于多少？”這樣的問題，獲取被試兒童的反應(yīng)和正誤情況以及誘發(fā)出的ERP 波形，如圖2 所示。再如tDCS 干預(yù)實驗中，學(xué)生需通過語音先行告知被試實驗的準備工作和注意事項，再點擊經(jīng)顱直流電刺激儀學(xué)習(xí)陰陽極的擺放位置，為被試佩戴經(jīng)顱直流電刺激儀，如圖3 所示。實驗過程中學(xué)生需不斷用語音詢問被試的感受，并在實驗結(jié)束后繼續(xù)用語音詢問被試相關(guān)問題，最后聯(lián)系監(jiān)護人，告知下次干預(yù)的時間安排。學(xué)生通過以上操作步驟，切身地感受了特殊兒童干預(yù)實驗的整體流程，從而在實踐層面上對實驗有了一個全面的了解。

3.3 虛擬實驗結(jié)果查詢與分析

該虛擬實驗平臺的實驗結(jié)果主要通過對學(xué)生整個實驗過程的考核來呈現(xiàn)，有以下2 種方式：（1）在實驗過程中，平臺會自動對學(xué)生在整個過程中的操作步驟進行實時記錄，并根據(jù)操作的正誤生成一個自動評分界面，該界面在實驗過程中可隨時查看。（2）實驗結(jié)束后來自虛擬教師的考核。虛擬教師會通過語音對實驗操作步驟進行提問，并對學(xué)生的回復(fù)進行分析，若不正確，則提示學(xué)生錯誤的環(huán)節(jié)。學(xué)生可通過該考核了解到自身在實驗階段薄弱的部分，并重復(fù)參加考核，直至掌握整個實驗過程。

圖2 誘發(fā)的ERP 波形圖

圖3 tDCS 干預(yù)實驗演示圖

對實驗結(jié)果的分析主要體現(xiàn)在對實驗過程數(shù)據(jù)的處理。完成ERP 的后測實驗后，平臺會自動根據(jù)前面的被試選擇和實驗情況，隨機生成虛擬數(shù)據(jù)，如表1所示。該數(shù)據(jù)是基于此虛擬實驗場景生成的實驗結(jié)果，學(xué)生可下載數(shù)據(jù)，并利用SPSS 軟件進行分析處理，對ERP 實驗的前后測數(shù)據(jù)作數(shù)學(xué)認知能力的比較，從而以理性的方式理解數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)的規(guī)律，進而論證tDCS 干預(yù)實驗的有效性，最后撰寫實驗報告，完成整個實驗學(xué)習(xí)過程。

表1 虛擬實驗結(jié)果數(shù)據(jù)示例

4 結(jié)語

本文針對特殊兒童早期干預(yù)實驗教學(xué)環(huán)境難以滿足的問題，設(shè)計并構(gòu)建了以動畫、自動問答、自動評分3 個模塊為主的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)困難兒童早期干預(yù)虛擬仿真實驗平臺。通過3D 仿真技術(shù)實現(xiàn)高仿真實驗環(huán)境的構(gòu)建，為真實實驗環(huán)境難以搭建、被試難以招募、練習(xí)成本高提供了解決方案；通過Unity3D 技術(shù)制作動畫實現(xiàn)交互，為實驗教學(xué)理論部分教學(xué)效果的提升提供了思路，提高了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主觀能動性；通過人工智能算法實現(xiàn)虛擬教師的自動問答和自動評分，構(gòu)建了雙師課堂，促進了人工智能與教育神經(jīng)科學(xué)的融合。本文構(gòu)建的虛擬仿真平臺為培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實、專業(yè)素養(yǎng)過硬、綜合技能突出、創(chuàng)新能力出眾的特殊教育創(chuàng)新型科研人才和創(chuàng)業(yè)型實踐人才，以及開創(chuàng)虛擬仿真實驗平臺支持的新型教學(xué)形式，提供了支持。