基于AI技术的虚拟浸入式学习效果研究

刘 沛,崔 卓,郭小静

(北京猿力未来科技有限公司,北京 100102)

一、虚拟浸入式学习现状

浸入式(Immersion)是指将第二语言作为教学语言的一种教学模式[1]。放眼全球,追本溯源,早在20世纪60年代,浸入式教学法,即使用外语(第二语言)作为教学语言进行学科教学的双语教学模式[2]在加拿大魁北克的外语教学中悄然兴起[3]。由于能够在一定程度上帮助儿童迅速提升语言能力,浸入式教学法得到全球推广。自1997年传入中国至今,浸入式教学法已被广泛应用于英语教学中[4-5],且我国已有学者研究发现该教学法对学生的英语能力发展有促进作用[6-8]。

随着时代的进步,浸入式教学法已经由以教师为中心的“教”,而逐渐转变为以学习者为中心的主动“学”。在更多场景中,浸入式教学也逐渐转变为以学习者为主体的浸入式学习。在浸入式学习中,学习者会完全沉浸于第二语言学习环境中。此时,第二语言不仅是学习内容,而且是学习工具[9]。近年来,由于我国互联网科技突飞猛进,传统的浸入式教学模式也冲破校园边界,以在线教育为载体,进入千家万户,学习者通过应用媒介可以随时随地体验虚拟浸入式学习。目前,虚拟浸入式学习主要依托于3种应用媒介——VR、AR和视频课程。具体而言,VR是通过感知使用者位置,使其产生置身于仿真环境中的感觉[10-11];AR则是将真实环境与虚拟物体实时融合到同一个画面,来增强使用者的现实体验[12-13];视频课程则是通过多媒体技术,将文本、图形、图像、动画、视频、声音等多种形式信息整合,将其联合并组成教学资源呈现给学习者[14]。将3种应用媒介比较后发现,视频课程较前两种媒介对于外接设备的依赖性较低,更利于控制成本,且更易触达用户,易于广泛推广。因此,本研究以视频课程为应用媒介,对于虚拟浸入式学习效果进行探究。

目前,AI(人工智能)技术已经被广泛应用于生活的各个场景。在线教育领域中,视频课程也与AI技术相结合,使学习者足不出户就可以进行基于AI技术的虚拟浸入式学习。例如,很多在线教育产品将AI技术与在线英语课程相结合,使儿童不仅可以获得第二语言学习的沉浸感和真实感,而且可以与屏幕中的真人外教和卡通动画形象进行AI视频互动,大大提升学习效率与学习效果。同时,一些在线教育产品还能够依据大数据判断分析学习者的实际学习情况(例如自动口语测评技术),进而调整课程内容,给予教学反馈,实现语音交互与个性化学习。更值得关注的是,这种基于AI技术的英语浸入式学习模式不但打破了传统老师负责教,学生被动听的教学模式,而且使课程内容具有情景性、游戏性、交互性、新颖性和趣味性。当基于AI技术的浸入式学习通过教学视频动画这一媒介来呈现时,这不仅能够让学习者在故事情节中有效学习,而且能更好激发其内在动机和学习兴趣。尤其是面对3-8岁的儿童学习者时,将AI技术与浸入式英语学习模式有机结合,不仅可以满足儿童的好奇心,还促进儿童可以更好地完成教学内容,如语音跟读、单词识别、语音问答等。基于AI技术的虚拟浸入式学习的“虚拟”二字体现在通过与AI技术结合,创造出虚拟但趋近真实的语言场景,帮助学习者在这种虚拟的语言场景中习得、理解与应用第二语言,实现虚拟浸入式学习。例如,斑马英语会将真人与卡通形象同时合成在同一真实场景的画面中,并与儿童亲切互动。儿童可以通过眼睛看、手指触、耳朵听、嘴巴说全程参与视频互动,并得到及时反馈。

近年来,已有研究表明通过参加线下浸入式学习,儿童的语言认知发展水平可以在音素识别、音素定位、音节辨认、韵脚识别、工作记忆和用词能力等6个方面有所提升[6]。还有研究表明,通过浸入式学习,学生所获得的第二语言能力、母语能力,以及学科课程的成绩, 都明显高于其他外语教学模式培养出来的学生[15]。还有研究者通过7年的追踪实验调查证明,儿童在浸入式英语环境下,语言使用更为鲜活,且显示出更多生成部分;因为儿童在浸入式学习中不仅习得英语,而且还萌发了英语思维[5]。已有研究多基于以校园/幼儿园为载体的线下浸入式学习模式,但是对于线上浸入式学习的研究凤毛麟角,尤其是针对与AI技术相结合的虚拟浸入式学习的研究更是少之甚少。

基于此,本研究以斑马英语在线视频课程为例,通过分组对比实验与数据分析,尝试研究基于AI技术的虚拟浸入式学习效果的问题,特别是在英语跟读能力以及听力理解水平方面,以期找到有效提升儿童英语水平的学习方式,达到帮助儿童全面提升英语听说能力的研究目的。同时,本研究力图通过对以下假设的检验和分析来实现最终的研究目的。

研究假设1:在英语学习开始时,有虚拟浸入式学习史儿童的英语语言发展水平,在跟读能力、听力理解方面均高于无虚拟浸入式学习史儿童。

研究假设2:在经过一个月的虚拟浸入式学习后,有虚拟浸入式学习史儿童的英语语言发展水平,在跟读能力、听力理解方面,仍高于无虚拟浸入式学习史儿童,且此优势不会在短时间内消退。

二、研究方法

本研究共进行了两项实验,分别是跟读能力实验和听力理解实验;并根据被试有无虚拟浸入式学习史,将其分为实验组与对照组。在实验开始时第一周,对所有被试都进行第一阶段测,包含跟读能力和听力理解水平两项测试。经过一个月的英语虚拟浸入式学习后,即第四周,对被试进行分组第二阶段测,仍包含跟读能力和听力理解水平两项测试,但是两阶段测试内容根据所学内容不同而有所区别。具体实验设计如下:

1.跟读能力实验

(1)被试

本实验以斑马英语S3级别①斑马设定S1至S5共5个级别的英语课程,分别对应3-8岁学员年龄阶段。某期2801名学员为被试。一部分被试已在斑马系统中完成S2级别英语课程学习,并有至少一年虚拟浸入式学习史。我们将此部分被试作为实验组。另一部分被试首次参加斑马英语课程学习,从未有虚拟浸入式学习史或接受虚拟浸入式学习史过短。我们将这部分被试作为对照组。在数据分析时,本研究首先剔除跟读测试作答不完整的被试(共剔除1198人);其次,由于实际参加课程的被试年龄分布较广,我们剔除了年龄分布在两个标准差以外的被试(共剔除81人),最终剩余1522名被试,具体信息如表1所示。

表1 跟读实验被试信息

(2)实验设计

两组被试同时开始斑马英语S3级别课程学习。学习在斑马APP中的英语系统版进行,学习时长共一个月(包含四周课程)。在每周课程中,周一至周三为新知课,周四为复习课,周五为拓展型外教直播课。其中,周一至周三的新知课中均包含跟读环节,跟读内容为该日课程中学过的绘本故事。学生跟读题得分由AI算法实现自动打分,分数区间为1-100。实验记录了每周前三天新知课跟读环节总得分(满分为300分)。我们将学习开始时第一周的跟读环节总得分作为第一阶段跟读能力测试得分;学习结束时,将第四周的跟读环节总得分作为第二阶段跟读能力测试得分。

2.听力理解实验

(1)被试

为了考查被试的听力理解能力,我们向参与跟读能力实验的被试发放了听力理解测试问卷。回收有效问卷为:实验组222份,对照组439份。由于被试年龄分布较广,我们同样排除了年龄分布在两个标准差以外的被试。被试信息如表2所示。

表2 听力理解实验被试信息

(2)实验设计

听力理解测试以问卷形式进行,由于被试年龄较小,因此被试在家长指导下完成问卷填写。问卷通过网络问卷形式发放,共发放两次。在学习开始时第一周,向被试发放第一阶段问卷(第一周周四);在学习结束时,向被试发放第二阶段问卷(第四周周四)。问卷分为两部分:第一部分为主观评分题,被试根据自己本周英语学习情况,对自己听力理解能力进行自主评分,问卷使用10点Likert式量表(1代表“完全没听懂”,10代表“完全听懂”),此题满分为10分;第二部分为听力理解客观选择题,根据当天视频内容设置了3道3选1的听力理解单选题,答对一题得1分,答错得0分,3道题全部答对满分为3分。

本实验将两组被试学习开始时第一周,即第一阶段问卷的听力理解测试主、客观题得分作为第一阶段成绩(满分13分),将学习结束时的第四周,即第二阶段问卷的听力理解主、客观题得分作为第二阶段测试成绩(满分13分)。

三、 实验结果

两组被试在实验第一、二阶段跟读题和听力理解客观题、主观题得分如表3所示。由表3可知,在第一、二阶段中实验组在跟读题、听力理解主、客观题上均高于对照组得分;在听力理解方面,经过四周的英语学习后,实验组与对照组被试在听力理解主、客观题得分均有所提高。

表3 两个阶段测试得分(M (SD ))

在跟读测试和听力理解测试中,通过独立样本t检验和单因素协方差分析,发现其结果一致表明,两组被试在第一阶段的跟读测试、听力理解客观题、听力理解主观题得分存在显著性差异,在控制第一阶段得分后,第二阶段得分也存在显著差异。具体实验结果如下:

(一)跟读能力

我们对第一阶段两组被试跟读测试得分进行独立样本t检验,结果发现实验组平均得分为256.40分,对照组平均得分为238.80分,t(1520)=14.22,p＜.001。因为p＜.001,所以实验组得分显著高于对照组得分。这说明在学习开始时,有虚拟浸入式学习史被试跟读能力显著高于无虚拟浸入式学习史被试。

为了解控制被试起始水平后第二阶段两组学员得分是否有差异,我们将第一阶段得分数据作为协变量后,对两组被试的第二阶段得分数据进行单因素协方差分析。结果发现实验组平均得分为245.10分,对照组平均得分为231.40分,F(1,1519)=5.63,p=0.018。因为p＜.05,所以分组主效应显著,实验组得分显著高于对照组得分(如图1所示)。这说明在控制被试起始跟读能力后,经过一段时间的英语虚拟浸入式学习,有虚拟浸入式学习史被试跟读能力优势能够持续保持,不会消退。

图1 不同阶段两组被试跟读题得分

(二)听力理解客观题

我们对第一阶段两组被试听力客观题得分也进行了独立样本t检验。结果发现,实验组平均得分为2.36分,对照组平均得分为2.14分,t(593)=3.07,p=0.002。因为p＜.01,所以实验组得分显著高于对照组得分。这说明有虚拟浸入式学习史被试听力理解水平显著高于无虚拟浸入式学习史被试。

进而我们将第一阶段得分数据作为协变量后,对第二阶段得分数据进行单因素协方差分析。结果发现,实验组平均得分为2.52分,对照组平均得分2.36分,F(1,592)=4.01,p=0.046。因为p＜.05,所以分组主效应显著,实验组得分显著高于对照组得分(如图2所示)。这说明在控制被试起始听力理解水平后,经过一段时间英语虚拟浸入式学习,有虚拟浸入式学习史被试听力理解水平优势能够保持,在短时间内不会消退。

图2 不同阶段两组被试听力理解客观题得分

(三)听力理解主观题

我们对第一阶段两组被试听力主观题得分进行独立样本t检验,实验组平均得分为8.30分,对照组平均得分7.81分,t(593)=2.504,p=0.013。因为p＜.05,所以实验组得分显著高于对照组得分。这说明有虚拟浸入式学习史被试对于英语听力的理解程度显著高于无虚拟浸入式学习史被试。

另外,我们对两组被试的第二阶段得分数据进行单因素协方差分析。第二阶段实验组平均得分为8.89分,对照组平均得分为8.24分,F(1, 592)=8.19,p=0.004。因为p＜.01。所以分组主效应显著,实验组得分显著高于对照组得分(如图3所示)。这说明在控制被试起始跟读能力后,经过一段时间的英语虚拟浸入式学习,有虚拟浸入式学习史被试英语听力理解优势能够持续保持,不会迅速消退。

图3 不同阶段两组学员听力理解主观题得分均分

四、讨论

本研究选取斑马英语S3级别在课1522名儿童作为被试,在学习第一周开始时和第四周结束时分别测试了虚拟浸入式学习对儿童跟读及听力理解能力的影响。结果发现,在第一阶段测试中实验组的跟读测试、听力理解客观题、听力理解主观题得分均显著高于对照组得分。这说明有虚拟浸入式学习史儿童在跟读能力和听力理解能力上都显著高于无虚拟浸入式学习史儿童。此结果与本研究假设1一致。此外,当第一阶段得分被控制以后,第二阶段得分协方差分析的结果也表明有虚拟浸入式学习史儿童得分显著高于无虚拟浸入式学习史儿童的得分。这说明经过一段时间的学习后,虚拟浸入式学习的优势能够在一段时间内得到保持,这与本研究的假设2一致。

由于本研究两项实验均为自然分组,两组儿童存在年龄差距。为了排除年龄对本实验结果可能造成的影响,我们对儿童的月龄和两阶段测试得分进行了皮尔逊相关分析。在跟读能力实验中,儿童月龄与第一、二阶段跟读得分相关系数低,且不显著:第一阶段r=-0.05,p=0.077,第二阶段r=-0.01,p=0.626。在听力理解实验中,听力理解主观题得分与学员月龄的相关系数较低,且不显著:第一阶段r=0.06,p=0.176,第二阶段r=0.04,p=0.348。听力理解客观题得分与儿童月龄的相关性分析结果为:第一阶段r=-0.13, p=0.002,第二阶段r=-0.01,p=0.894。虽然第一阶段月龄与客观题得分相关显著,但是相关系数较低,此外我们在分析时将第一阶段得分作为协变量进行了控制,因此实验结果实际受到月龄的影响并不大。综上所述,我们认为月龄并未对本实验结果造成显著影响。未来实验可考虑控制两组被试的年龄范围,将两组被试年龄差距缩小。

此外,在跟读能力实验中,我们观察到两组被试第二阶段跟读得分均低于第一阶段,因此我们检验了两组被试在两个阶段的跟读得分差异,结果显著(实验组t(684)=-18.46,p＜.001,对照组t(836)=-10.34,p＜.001)。结果说明第二阶段测试中,两组被试的跟读得分确实显著低于第一阶段。这可能是因为跟读题的难度随课程的进行逐渐递增,第二阶段的跟读题目难度大于第一阶段。尽管被试得分降低,但是实验组的得分始终高于对照组得分,这说明虚拟浸入式学习的有效性。

随着实验的进行,听力理解实验中被试流失较多。出现该现象的原因可能是由于随着两组被试在实验进行过程中对学习内容逐渐熟悉,参与新活动的好奇心和耐心会逐渐消退,学习重心由一开始的参与实验转向完成英语系统版内其他环节。未来实验可以考虑在实验过程中设置更多阶段性奖励,控制实验流失人数。此外,本研究只研究了虚拟浸入式学习在一个月内的保持效果,未来的研究可以从探讨虚拟浸入式学习效果保持时长入手,延长实验时间。

目前,国内外对于浸入式学习效果的研究主要还集中在线下传统浸入式课堂对于儿童听说能力的培养[5-6,16]。本研究与时俱进,以斑马英语在线视频互动课为例,对线上虚拟浸入式学习对儿童英语语言发展的效果进行研究,特别聚焦于儿童的跟读能力、听力理解方面,填补了此细分领域的研究空白。本研究通过研究数据证实了以AI互动视频课作为虚拟浸入式学习媒介可以对儿童跟读及听力水平起到提升作用。这也为将虚拟浸入式学习融入在线英语教学提供了实证依据。建议在英语在线教育未来的课程设计中,可以拓展人机交互环节,以提升情景及场景的丰富程度,扩展视频课程内容,为儿童提供更逼真、更全面的浸入式语言学习环境。此外,本研究还证实了虚拟浸入式学习能够让儿童的跟读及听力提升在一段时间内得到保持,不会立刻消退。因此,建议儿童可以尽早接触虚拟浸入式学习,以促进其第二语言发展。

五、结论

本研究探讨了基于AI技术的虚拟浸入式学习对儿童的英语语言发展中跟读能力及听力理解效果的影响;并通过对比学习开始和学习结束时儿童的跟读和听力得分,得到以下结论:(1)以AI互动视频课程为媒介的虚拟浸入式学习能够显著提高儿童的英语跟读和听力理解能力;(2)虚拟浸入式学习产生的效果能够维持一段时间,所产生优势不会在短时间内消退。因此,基于AI技术的虚拟浸入式学习在一定程度上可以有效提升学习者英语听说能力。