基于人工智能的沉浸式在线学习环境构建研究

摘要：随着互联网技术的迅猛发展，沉浸式在线学习环境在教育领域日益受到瞩目，而人工智能技术以其强大的数据处理、模式识别以及智能决策能力，为构建沉浸式在线学习环境提供了强大的技术支持。本文深入剖析了当前在线学习的现状与不足，并结合人工智能技术的最新进展，提出了一种基于人工智能的沉浸式在线学习环境框架。

关键词：人工智能；VR技术；AR技术；在线学习；沉浸式在线学习环境

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2024）17-0000-05

研究背景

互联网的快速发展颠覆了人们的生活生产模式，学习方式也随之改变，由原来单一化的线下学习演变成多元化的“线上+线下”学习。然而，在线学习的普及也带来了一系列问题。其中，学生学习兴趣不高、学习目标不明确以及学生间实时互动机制不完善等问题愈发显现。

在这一背景下，人工智能为在线学习注入了新的内涵与特色。沉浸式在线学习不仅为学习者提供虚实融合的无边界学习环境和多感官参与的互动形式，还带来了多角度、情境式、游戏化的学习体验，可有力提升学习者的知识转化与迁移能力，全面助力智能时代创新型人才的培养。因此，本研究致力于通过整合人工智能技术，构建一个更加沉浸式的在线学习环境，激发学生的深度学习和理解，进一步提升学生的学习效率。

沉浸式在线学习环境研究综述

1.在线学习环境研究现状

在线学习环境是指利用互联网和相关技术，通过电子设备和网络连接来支持和促进学习的虚拟或数字环境，其已受到国内外学者的广泛关注和研究。在国内学者中，朱珂通过深入分析操作、信息和概念三种互动模式，构建了一个在线学习者交互模型，该模型能够预测在线学习者的学习行为[1]；查先进等人认为，在线学习平台的选择受到从众心理影响，而平台的使用度则受平台评价、社会认知、感知收益、质量、信息差及用户需求等多重因素影响，因此高质量的平台建设是推动在线教学有效的关键[2]；贾非等学者的研究成果揭示了在线学习环境中多个关键元素之间的相互作用，特别是学生学习投入、交互投入与网络环境、资源环境、交互环境之间的关系。[3]

在国外，也有很多学者对在线学习环境状况做了很多研究。例如，阿萨塔（Asarta）等人分析了网络传输速度的快慢对学生使用网络平台有很大的影响，网络环境的好坏也会对学生在网上学习的积极性产生很大的影响[4]；迪安（Dean）研究了学生内容行为发布的关联性，通过回归分析，利用学习者发布次数来预测后续的浏览和评价行为[5]；文志远和金英杰等人在在线学习平台上添加了更多元的功能模块，通过对学习行为数据研究后发现，学生表现的学习行为的不同与学习平台设置的不同功能模块具有相关性。[6]

2.沉浸式在线学习环境研究现状

沉浸式在线学习环境是指通过技术手段，将学习者置身于一种仿真的、引人入胜的学习环境中，以提高学习体验、加深学习效果的学习模式。目前，我国学者对此的研究主要集中在虚拟实验教学、虚拟仿真培训等方面。近年来，也有许多国外学者提出了不同的沉浸式学习模型，如基于特定情境的沉浸式学习模型、基于二元认知模型的沉浸式学习模型等。

综上所述，尽管现有的研究已经对在线教学和学习环境的数字化、网络化发展进行了深入探讨，但如何借助AI技术构建出真正沉浸式的学习体验，以及在这样的环境中如何培养和提升学习者的线上学习能力，仍是一个亟待解决的问题。因此，本研究通过结合AI技术与沉浸式学习理论，构建了一个沉浸式在线学习环境系统，以期能够提升学习者的学习体验。

沉浸式在线学习环境架构设计

1.设计思路

在环境设计方面，充分利用VR和AR技术构建学习场景，使学习者仿佛置身于真实的学习环境中，从而更好地沉浸于学习。同时，为了实现个性化学习体验，系统借助AI算法深入分析学习者的学习习惯、兴趣爱好和能力水平。基于这些数据，系统能够智能推荐适合学习者的学习资源和课程，并为他们量身定制个性化的学习路径。

智能化学习辅助是该系统设计的亮点。AI技术能实时跟踪学习者的学习进度和效果，通过智能分析，准确识别学习者的学习难点和薄弱点；系统再根据这些信息提供针对性的解题思路和反馈，帮助学习者克服困难，提高学习效率。此外，系统还能智能生成练习题和测试题，帮助学习者巩固所学知识，检验学习成果。

同时，学习者可以与虚拟教师进行实时互动、参与小组讨论、进行实验操作等。这种高度互动的学习方式不仅增强了学习的趣味性，还提高了学习者的实践能力和团队协作能力。

2.沉浸式在线学习环境框架及模块设计

（1）框架设计

为了满足基于人工智能的沉浸式在线学习环境的设计需求，本研究提出了沉浸式在线学习环境框架。这一框架包含用户登录、学习界面、学习场景、实践活动以及实时反馈与指导机制等组成部分（如图1）。

（2）模块设计

基于AI的沉浸式在线学习环境的模块设计，集成了场景模块、教学模块、体验模块及拓展模块等组成部分。

①场景模块设计（如图2）是以人工智能技术为核心，致力于打造一个虚拟学习环境。通过选择适合学习内容的主题和场景，设计合理的布局和元素，并添加丰富的细节元素，以提供给学生一种沉浸式的学习体验。这一设计不仅与教学内容紧密结合，还能更有效地促进学习者的理解和参与，从而提升学习效率。

②教学模块设计（如图3）着重于将学习内容分解为可管理的单元或模块，并设计相应的教学目标、教学方法和评估方式，以引导学生按照逻辑顺序学习，同时提供个性化的学习路径和资源，以满足不同学生的学习需求，促进他们的参与和成长。

③体验模块设计（如图4）致力于通过创造性的交互设计、动态效果和情感元素，提升学习者在虚拟学习环境中的沉浸感和参与度，同时优化用户界面和操作方式，以确保流畅的学习体验，并通过额外资源、社交互动和探索性任务，鼓励学习者的创新、合作与成长。

④拓展模块设计（如下页图5）提供额外的资源和挑战，以满足不同学生的学习需求和兴趣。通过设计社交互动、合作学习机会和探索性任务，激发学生的好奇心和创造力，促进自主学习和发展，从而达到拓展学习空间、丰富学习内容和促进学生发展的目的。

沉浸式在线学习环境的实践应用

本研究提出的沉浸式在线学习环境在教育领域的应用中涵盖了广泛的场景和功能，能够为学生和教师提供丰富的学习资源和工具，可以模拟各种真实场景，如历史事件、科学实验室、文学作品的情境等，让学生身临其境地参与其中，从而深入理解和掌握知识。

1.虚拟学习空间

该沉浸式在线学习环境能够在语文、英语、历史及政治等学科中为学生提供学习辅助。以英语学习为例，该环境利用虚拟场景和智能互动，帮助非英语国家的学生克服学习英语的语言环境障碍。学生将进入一个模拟的英语学习场景，在虚拟现实技术的支持下体验使用英语的情境，并与虚拟人物进行互动。这些场景是随机或预设的，学生需要灵活运用已学语言与虚拟人物进行对话。此外，学习环境还涵盖多种学习游戏，如闯关游戏用于测试和评估学生的表现。

此外，沉浸式在线学习环境还能够模拟学习环境，为学生提供身临其境的学习体验。例如，在语文方面，学生可以沉浸在各种语言环境中，如古代文学作品的场景中，或者模拟实际生活中的对话场景，通过与虚拟角色的互动来提高语言理解能力和沟通技巧。这种环境还可以通过语音识别和自然语言处理技术提供实时的语言指导和反馈，帮助学生更好地掌握语言表达的技巧和规范。在历史方面，沉浸式在线学习环境可以重现各种历史时期的场景和事件，让学生仿佛置身于历史之中。学生可以通过虚拟现实技术探索古代文明的遗迹，参与历史上的重要事件，甚至与历史人物进行互动。

2.虚拟实验室

该沉浸式在线学习环境引入了虚拟实验室应用，涵盖化学、物理、生物等多个学科领域。这一系统利用建模工具和仿真技术准备各类实验材料和仪器，使学生能够在自由选择并结合实物模型与数字化面板的基础上获取真实感。

以虚拟化学实验室为例，学生能够自主选择化学药品、设定属性和数量，通过不同药品组合和参数设置进行实验，获取多样的实验结果。在虚拟环境中，学生可以进行各类实验，包括涉及有毒、腐蚀性或刺激性气味的实验，而无需担心真实实验中的潜在危险。这种学习环境允许学生详细观察模拟实验过程，甚至进行微观的观察，如观察分子的合并和分裂等反应过程。系统根据实验结果提供适当的评价，对于不可行的结果，系统也能提供解释或发出警告，为学生提供更深层次、安全而丰富的学习体验。

另外，在虚拟物理实验室中，学生可以通过模拟实验来探索各种物理现象和定律，无需使用真实的物理实验室和设备。例如，学生可以模拟重力实验，通过调整物体的质量和距离，观察重力对物体的作用，并测量加速度和力的变化，等等。通过虚拟物理实验室，学生可以安全地进行各种物理实验，观察实验现象，分析数据，探索物理规律，从而加深对物理学知识的理解和掌握。这种技术的应用为学生提供了更加直观、互动和安全的学习方式，极大地丰富了他们的学习体验。

结语

基于人工智能的沉浸式在线学习环境为学生提供了更加贴近实际、更具挑战性的学习场景，培养了他们的创造力、合作能力和实践技能。通过沉浸式体验，学生可以更深入地参与到学习中，不再是被动地接受知识，而是能够积极探索、互动、合作，从而更好地理解和应用所学内容。随着人工智能技术的不断进步和应用的不断深化，可以预见，未来教育将更加注重个性化、互动性和实用性，为学生提供更加丰富、有趣且实用的学习体验。

参考文献：

[1]朱珂.网络学习空间中学习者交互分析模型及应用研究[J].电化教育研究，2017，38（05）：43-48.

[2]查先进，张坤，严亚兰.在线学习平台从众选择行为形成机理的扎根分析[J].图书情报工作，2022，66（02）：90-98.

[3]贾非，赵彬竹，李志创.混合学习与在线学习对学生投入度的影响——以学习环境为视角[J].复旦教育论坛，2019，17（05）：55-61

[4]Asarta C J，Schmidt J R.The effects of online and blended experience on outcomes in a blended learning environment[J].The internet and higher education，2020（44）：100708.1-100708.10.

[5]Money W H，Dean B P.Incorporating student population differences for effective online education：A content-based review and integrative model[J].Computers & Education，2019.

[6]Moon J W，Kim Y G.Extending the TAM for a World-Wide-Web context[J].Information & Management，2001，38（04）：217-230.