基于游戲教學的分層數(shù)據(jù)挖掘方法研究與應用

張琳 李小平 來林靜 吳曉兵 孫清亮

摘要：該文基于游戲教學和數(shù)據(jù)挖掘算法，首次開展了游戲教學的數(shù)據(jù)挖掘方法問題研究，提出了分層挖掘的概念和應用方法，通過研究游戲教學中的數(shù)據(jù)元素、教學目的和教學效果之間的關系，完成了游戲教學形態(tài)化的設計。提出了游戲教學的數(shù)據(jù)框架、數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)驅動，構建了分層數(shù)據(jù)挖掘模型和分層挖掘邏輯結構，分析了數(shù)據(jù)視點層、數(shù)據(jù)意義層、數(shù)據(jù)元素層和元素來源獲取層之間的關系，提出了不同視點在教學管理、教學設計下的數(shù)據(jù)挖掘函數(shù)嵌套分量和控制關系。首次提出了游戲知識的獲取、知識的聚類和知識挖掘的方法，提出了數(shù)據(jù)挖掘量化強度的概念，構建了基于數(shù)據(jù)分層挖掘的游戲設計與能力培養(yǎng)評測關系控制模型，為未來游戲教學設計框架及元素設計提供了參考標準。

關鍵詞：數(shù)據(jù)挖掘;游戲教學;分層挖掘;數(shù)據(jù)視點;教學控制

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

一、引言

游戲數(shù)據(jù)挖掘是針對學習者對游戲教學中各種教學設計元素所產(chǎn)生的反應與要評價的學習者能力之間關系的挖掘，是一種能力的映射效果。在游戲教學中，游戲元素的設置體現(xiàn)了設計者自身的素質和能力，是教學智能性和科學性的反映。游戲元素設置是否成功、是否對教學產(chǎn)生積極作用是通過學習者的體驗反映出來的。因此，只有對其教學行為數(shù)據(jù)進行挖掘才能實現(xiàn)教學效果的驗證。

傳統(tǒng)的教學數(shù)據(jù)挖掘主要針對網(wǎng)絡教學平臺中產(chǎn)生的各種教學數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的提取以及利用日志搜索分析技術完成用戶日志數(shù)據(jù)的采集，得到各種在線分析數(shù)據(jù)。常見的研究包括學習者在線學習行為規(guī)律的分析、學習者學習影響因素的分析以及學習者學習模型的建立等。這些數(shù)據(jù)挖掘的過程通常都是單一層次的挖掘，有些挖掘具有一定的盲目性以及目標的不清晰性。數(shù)據(jù)挖掘必須基于一定的挖掘視點，明確挖掘目標，而且要進行多次分層挖掘，這樣才可以找到教學數(shù)據(jù)之間更深層次的關系。針對游戲教學，數(shù)據(jù)挖掘的目標就是要挖掘出學習者對教學設計元素的反應能力，明確這些元素的設計與學習者的能力是否能夠對應、教學能否成功等。數(shù)據(jù)挖掘必須有先決路徑和存在的元素才有挖掘的意義，才能反映出游戲的特有視點，即數(shù)據(jù)挖掘的原點。數(shù)據(jù)挖掘原點決定數(shù)據(jù)視點，不同的應用具有不同的原點，游戲的原點來自于設計元素功能所體現(xiàn)的初衷，即學習者在游戲教學中展現(xiàn)的能力。只有找到挖掘原點才能找出培養(yǎng)學習者對這些元素適應能力的規(guī)律，通過設計元素的修正再去培養(yǎng)學習者的能力，通過教學元素模型的不斷訓練，可以形成優(yōu)質的游戲教學模型和架構。

游戲數(shù)據(jù)挖掘中除了常規(guī)的數(shù)據(jù)挖掘問題之外，還存在一些自身特有的需要解決的問題，例如為什么要對游戲進行挖掘？誰來進行游戲挖掘？如何對游戲進行挖掘？挖掘的結果為誰？挖掘的內容包含什么？游戲挖掘是否具有目的性？如何確定挖掘的深度？能否對游戲行為直接進行挖掘？游戲挖掘需要具備哪些條件？本文針對以上問題展開了深入研究。

二、游戲教學挖掘

游戲教學是借鑒游戲的設疑、挑戰(zhàn)、自主等理念，把教學目標隱藏于游戲活動中，根據(jù)學習者的特征以及教學內容，采取相應的游戲化教學策略，從而使學習者在放松的狀態(tài)下，從樂趣中獲得知識、提高技能和陶冶情操。游戲教學是在數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)挖掘的基礎上，通過情形、環(huán)境等的設計體現(xiàn)人才培養(yǎng)的目標、意義和方法的一種新型的教學形態(tài)。游戲教學不是為了告訴學習者什么是知識，而是通過綜合知識或技能沖突空間的設計使學習者在游戲中獲得能力的提升，從而建構學習者自身的知識體系，并用自身感知的知識和技能去解決問題。學習者能夠在興奮或刺激的氣氛中，以忘我的本能和態(tài)度“建構”或“毀滅”虛擬空間，從中獲得影視教學設計中的懸念、驚奇和滿足三大體驗。學習者將自己的行為軌跡通過在游戲空間中與各個元素作用所產(chǎn)生的效應數(shù)據(jù)記錄下來，以此來展示和證明自己解決問題的能力。所有學習者在游戲中的歷史行為記錄構成了游戲行為大數(shù)據(jù)，游戲大數(shù)據(jù)為游戲數(shù)據(jù)挖掘、教學效果與游戲設計關聯(lián)問題研究提供了數(shù)據(jù)基礎。通過游戲數(shù)據(jù)挖掘可以找出教學問題的規(guī)律，找出教學數(shù)據(jù)之間的關系，找出設計元素與教學之間的關系，找出游戲元素及游戲空間設計與教學效果、游戲學習者能力提升三者之間的關系，找出知識與教學元素的關系以及游戲教學設計的平衡量和控制關系，構建教學控制模型并實施教學控制。通過關系的挖掘形成游戲問題的數(shù)據(jù)視點，由此提出挖掘分層、問題聚類、數(shù)據(jù)挖掘量化分析、游戲教學能力與元素的控制模型和反向設計模型。

游戲教學挖掘模型如圖1所示。游戲教學是一種傳統(tǒng)教學通過教學形體轉換形成的新型的教學模式，學習者在游戲學習過程中產(chǎn)生了大量的教學行為，這些行為通過游戲系統(tǒng)記錄到相應的數(shù)據(jù)庫中，通過對大量學習者游戲痕跡的挖掘，可以實現(xiàn)游戲元素與學習行為關系的提取，將不同的關系存儲在相關關系庫中，可以構建相應的教學控制策略。

三、教學數(shù)據(jù)挖掘視點

教學數(shù)據(jù)挖掘視點是研究教學數(shù)據(jù)挖掘的立場、目標和態(tài)度，是探究基于不同的視角獲取和挖掘數(shù)據(jù)的研究過程。教學數(shù)據(jù)挖掘視點是基于教學數(shù)據(jù)基礎上，結合觀測者本人的視點以及研究視點需求的基礎上，提出自己對數(shù)據(jù)的獲取方法和獲取手段的觀點。教學數(shù)據(jù)挖掘視點是根據(jù)技術環(huán)境和信息獲取方法及途徑，通過多種表現(xiàn)形態(tài)的數(shù)據(jù)給出事件真?zhèn)闻c對錯以及是否與事實相符的結論。

人們在觀察事物的時候總是帶有一定的態(tài)度，視點本身含有一種主觀性.是根據(jù)主觀的態(tài)度對所要獲取的客觀數(shù)據(jù)進行分析的過程。由于挖掘者本身帶有主觀的感情和情緒，所以挖掘的立場各不相同，挖掘數(shù)據(jù)的關注度也各不相同。很多問題需要基于一定的生活經(jīng)歷和知識基礎，通過技術手段或人為手段對教學數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進行分類判斷、從數(shù)據(jù)中獲取需要的信息。

數(shù)據(jù)挖掘視點是專家經(jīng)驗的體現(xiàn)，經(jīng)驗越豐富，視點越準確，找到相關的因素越全面，挖掘出的規(guī)律與事實越相符。因此，挖掘視點對大數(shù)據(jù)挖掘效率及準確性起著重要作用。視點最初是人為經(jīng)驗，根據(jù)人為經(jīng)驗可以建立初始事件影響因素的挖掘模型。隨著數(shù)據(jù)的不斷挖掘，可以將挖掘結果與模型進行比對，在挖掘中不斷校正模型，最后產(chǎn)生一個相對優(yōu)化的模型，挖掘出事件的因果關系。因此，大數(shù)據(jù)挖掘是通過尋找相關因素去更深層次地探尋其因果關系。

在游戲教學中，由于教學數(shù)據(jù)的類型和結構各不相同，大量的數(shù)據(jù)以不同的形式存儲在教學數(shù)據(jù)庫中，因此對于游戲教學數(shù)據(jù)的挖掘必須具有明確的挖掘視點、管理方向和目標。這就是數(shù)據(jù)挖掘的原點，數(shù)據(jù)原點決定數(shù)據(jù)視點，不同的應用具有不同的原點，不同的挖掘需求具有不同的原點。

四、游戲教學數(shù)據(jù)分層挖掘方法

分層挖掘是指根據(jù)不同視點將挖掘目標分解成多個中層挖掘元素，并將這些元素與數(shù)據(jù)進行關聯(lián)挖掘分析，確定挖掘目標與數(shù)據(jù)集元素關系的過程。當頂層挖掘目標與底層數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集之間關系不明確或關系太復雜，無法直接挖掘到底層數(shù)據(jù)與頂層目標之間的關聯(lián)關系時，中間層的建立有效實現(xiàn)了二者關系的建立。分層挖掘是一種多元組合、嵌套式函數(shù)關系深度挖掘，它體現(xiàn)了數(shù)據(jù)挖掘的多維特性。

（一）分層挖掘模型

分層挖掘模型如圖2所示，模型共分三層：頂層根目標層、中層元素層和底層數(shù)據(jù)層。頂級到中層的挖掘是指標分解挖掘，中層到底層的挖掘是學習者軌跡行為效果聚類的挖掘。

1.根目標層

根目標的視點是可變的，站在不同的教學設計者角度，根目標的挖掘具有不同的意義。數(shù)據(jù)挖掘的最終目標是建立根目標與底層數(shù)據(jù)元素之間的關系。例如，當確定學習效果提升為最終根目標之后，需要通過對底層數(shù)據(jù)庫中學習者活動痕跡數(shù)據(jù)進行挖掘分析，明確哪些因素對于提升學習效果起到重要的作用。如果通過根目標層直接挖掘底層數(shù)據(jù)，雖然可以找出關聯(lián)關系，但如果關聯(lián)不明確，就無法構成學習的邏輯規(guī)律，因此有必要對挖掘目標進行分層聚類，在不同的聚類中找出對學習效果影響強烈的元素。

2.中層元素層

中層元素層構造的是頂層與底層之間的關系，中間層元素可以有自己獨立的數(shù)據(jù)意義或管理意義，可以是基于教學管理經(jīng)驗構造而成的獨立數(shù)據(jù)，它無法直接從數(shù)據(jù)集中獲取，而是通過大量的數(shù)據(jù)關聯(lián)關系分析，最終確定影響根目標的重要中間元素。例如，底層記錄的學生闖關成功的行為數(shù)據(jù)與根目標層學習效果提升之間缺乏直接強相關性，但闖關成功實際是學生對于已知知識的有效運用，甚至是對知識的創(chuàng)新，它與根目標具有很重要的關聯(lián)關系，如果利用傳統(tǒng)的單層數(shù)據(jù)挖掘，這樣的數(shù)據(jù)將被忽略，就會使得最終的挖掘結果出現(xiàn)偏差。

在分層數(shù)據(jù)挖掘模型中，可以根據(jù)挖掘難度構造多個中間層，中間層元素在整個數(shù)據(jù)挖掘策略中起到了承上啟下的作用，既要作為自變量支撐第一視點根目標層的數(shù)據(jù)挖掘因果關系，又要作為因變量挖掘與底層數(shù)據(jù)之間的因果關系。

3.數(shù)據(jù)層

底層數(shù)據(jù)層記錄的是教學系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)，它們來源廣泛，體現(xiàn)了游戲設計的功能元素，被存儲于不同的數(shù)據(jù)庫中。不同的底層元素聚類形成關系的數(shù)量就是因果關系的強度，是所有學習者對某一個元素反應的概率，是所有學習者對這個元素反應的能力評價。建立某一個元素的聚合挖掘特性，以強度作為因果關系系數(shù)或權重，在其中根據(jù)概率進行權重計算，就可以系列地構成各層數(shù)據(jù)挖掘因果關系控制模型，控制模型從質到量上對數(shù)據(jù)挖掘進行了方法性描述，通過控制模型的構建，可以使教學視點的觀察者明確根目標的影響因素及控制方。

（二）分層挖掘邏輯結構

分層挖掘邏輯結構如圖3所示，自下而上分別是元素來源獲取層、數(shù)據(jù)元素層、數(shù)據(jù)意義層和數(shù)據(jù)視點層。其中每一個上層的數(shù)據(jù)均可以被看作因變量y，其下層數(shù)據(jù)則是自變量x，下層數(shù)據(jù)經(jīng)過大數(shù)據(jù)挖掘形成的相關函數(shù)f轉換后可以求得上層數(shù)據(jù)的值。自變量可以是自然的數(shù)據(jù)源或情節(jié)故事源，也可以是人為隱含構造出來的教學中間行為結果，因變量和自變量是一個相對的概念。每一層既可以是它上層的自變量，也可以是它下層的因變量，因此便可以形成頂層數(shù)據(jù)與底層數(shù)據(jù)的多級嵌套轉換關系。挖掘中以誰為核心點，則可以視其為y，是挖掘的原點，視點決定數(shù)據(jù)挖掘的方向，視點不同，原點不同，挖掘路徑不同。

多級嵌套分層數(shù)據(jù)挖掘提出了自頂向下的挖掘方向和自底向上數(shù)據(jù)組合方向，形成了完整多層次函數(shù)嵌套挖掘框架。自頂向下的挖掘由挖掘根目標為源頭出發(fā)，以正序方向進行挖掘問題需求式延伸。自底向上數(shù)據(jù)組合是由反方向底層數(shù)據(jù)因果關系挖掘結果與中間層子挖掘目標銜接，進而獲得根目標的因果關系表達。

（三）分層挖掘量化控制

分層挖掘中可以通過大數(shù)據(jù)挖掘聚類，完成各元素量化控制。聚類實現(xiàn)的是不同元素的聚合，是對學習者人群的綜合評價，是對觸及挖掘目標的學習者的整體挖掘，挖掘的是學習者在各種影響元素中表現(xiàn)的反應能力和行為能力。因此，數(shù)據(jù)挖掘實現(xiàn)的是最終所有學習者闖關概率的計算，這個概率構成了在總體目標中的權重。

在游戲教學中，游戲行為動作反映了學生的學習軌跡、考慮問題的思路和掌握知識的能力，這些行為動作被記錄在軌跡數(shù)據(jù)庫中，體現(xiàn)了學生是否成功解決問題、是否在規(guī)定時間內通過關卡等內容。這些動作不是在一個時間段內完成的，而是按照游戲進程，在每個階段都會產(chǎn)生同步的故事情節(jié)、氣氛以及環(huán)境。因此，需要根據(jù)不同的視點建立先決的挖掘路徑和元素，在此基礎上，挖掘所有人在該元素中的表現(xiàn)能力和概率，最終形成某個能力的聚合挖掘特性。

分層挖掘的量化包括中層元素的量化以及根目標的量化。中層元素的量化模型通過數(shù)據(jù)挖掘聚類產(chǎn)生，反映了底層與之相關的數(shù)據(jù)對該元素的影響程度。根目標的量化模型是建立在中間層元素量化模型基礎之上，通過利用已有的中間元素與根目標之間的權重關系，最終確定根目標的取值。

公式1所示me為中層元素的控制模型，其中fe為與該中層元素相關的底層數(shù)據(jù)，共有j個fe與me相關，fw為該底層數(shù)據(jù)fe在中層元素me控制中所占的權值。

公式2所示為總體根目標rg的控制模型，其中me為中層元素的計算取值，mw為各中層元素對應的權值，每個根目標rg與i個中層元素me相關。

游戲教學層次挖掘的目標是通過數(shù)據(jù)挖掘構建多個中層元素的控制模型，最終組合形成根目標的控制模型，實現(xiàn)多因素多目標綜合評判，為游戲教學設計提供量化依據(jù)。

五、游戲教學分層挖掘方法應用研究

任何對人的能力的數(shù)據(jù)挖掘都是建立在人與事物發(fā)生作用以后所產(chǎn)生效應的基礎上進行挖掘的。游戲教學不是挖掘游戲中部件的使用情況，而是要挖掘所有游戲者與游戲部件、游戲路徑、游戲關卡發(fā)生關系之后所產(chǎn)生的作用與效應，通過數(shù)據(jù)效應的挖掘，找出效應的大小，并根據(jù)游戲定義的自身功能與創(chuàng)新能力等中間層的關系，對中間層聚類的強度進行計算。游戲教學挖掘要求底層的數(shù)據(jù)元素要具有與教學相關的、隱含的或直接的教學作用，根據(jù)每個人對元素的反應情況，例如是否通過關卡，進行相應的強、弱或發(fā)生、不發(fā)生等關聯(lián)強度分析，最終通過挖掘聚類分析找出整體目標的控制模型。挖掘應用分層是聚類與聚類之間發(fā)生的挖掘關系，不是底層單元素之間的關聯(lián)，單元素的挖掘對于游戲教學的管理意義相對較小，必須挖掘出學習者對于游戲教學環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的效果，才能真正反映出教學設計是否成功。

本研究以北京理工大學汽車實驗游戲教學設計為例，在分層挖掘模型和邏輯架構的設計基礎上，明確了實驗中記憶能力、運用能力、技能能力、超越能力和創(chuàng)新能力等中間層元素。通過對學習者運用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的車輛性能原理分析、觀察仿真與解析、拆裝技能實訓、虛擬排故演練和故障導航等實驗中的教學痕跡的挖掘，獲得了各中間層的影響子因素及其對中間層元素的影響權重，并由此建立了中間層元素及根目標的控制模型。

（一）游戲教學分層挖掘模型

1.根目標層

在汽車實驗游戲教學中，從管理者視點出發(fā)，明確汽車專業(yè)人才培養(yǎng)素質是數(shù)據(jù)挖掘的頂層根目標。

2.數(shù)據(jù)層

一個元素可以具備多個教學設計發(fā)生的事件，例如部件的維修設計可以體現(xiàn)創(chuàng)新和超越兩種能力，如果維修速度超過已有最高記錄，是超越能力的體現(xiàn)，如果創(chuàng)新地利用某些其他手段完成這一功能，則體現(xiàn)了學習者的創(chuàng)新能力。數(shù)據(jù)層通過對存儲的學習者在汽車游戲教學中所留下的底層各種教學痕跡元素的挖掘分析，可以聚類出不同的學習者對學習能力的反應。

3.中層元素層

分層挖掘通過挖掘不同底層數(shù)據(jù)元素與中層元素之間的因果關系，可以明確如何提升記憶能力、運用能力、技能能力、超越能力以及創(chuàng)新能力。由于五個元素無法同時達到最佳狀態(tài)，因此將人才培養(yǎng)素質提升定義為五個元素的組合，在組合中找出最佳結合點，構成因果到因果的關系，從而使游戲教學設計達到最佳的狀態(tài)。如圖4所示為汽車專業(yè)人才培養(yǎng)素質的分層挖掘示意圖，本實例中從教學管理的視點出發(fā)，以頂層人才素質培養(yǎng)作為根目標，展開形成五個中間層分支節(jié)點。底層數(shù)據(jù)層是對所有學習者與不同的功能元素作用產(chǎn)生的效果的聚類，對每一個元素的聚類中可以體現(xiàn)多種學習能力，假設元素1實現(xiàn)的是發(fā)動機的檢測功能，則對元素1的聚類中，既體現(xiàn)了知識的運用能力，又體現(xiàn)了學習者的超越能力。同樣，對于同一個中間層元素而言，它的能力也體現(xiàn)在學習者對不同元素的反應中，例如創(chuàng)新能力既可以體現(xiàn)在元素2的分聚類中，也可以體現(xiàn)在對元素n的分聚類中。例如在發(fā)動機拆裝過程中學習者可以創(chuàng)新闖關方法，也可以在漫游中創(chuàng)新學習路徑。

汽車人才培養(yǎng)素質的控制模型構成如公式3所示，其構建示意圖如圖5所示。

汽車人才培養(yǎng)素質=記憶能力+運用能力+技能能力+超越能力+創(chuàng)新能力 （3）

（二）游戲教學分層挖掘邏輯結構

以人才培養(yǎng)素質中總成績評價為例，形成了如圖6所示的總成績評價分層挖掘邏輯結構。元素來源獲取層中擁有大量的與成績相關的實體數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中記錄了每次操作軌跡記錄的各層內容和各層表現(xiàn)的成績，包括編導庫、軌跡庫、成績庫、元素觸發(fā)庫等，通過對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的關聯(lián)等操作，形成數(shù)據(jù)元素層中與成績相關的底層軌跡記錄集，記錄集記錄的是學習者學習軌跡、學習動作和底層成績，對這些數(shù)據(jù)進行挖掘分析，便可以形成數(shù)據(jù)意義層中在各個游戲中產(chǎn)生的邏輯成績和游戲過程的表現(xiàn)子成績，最終根據(jù)已有的成績訓練模型，形成數(shù)據(jù)視點層的總成績評價，即游戲教學結束后的總成績。

（三）中層元素構建

五個中層元素的定義、基本元素組成、驅動及環(huán)境參數(shù)如表1-5所示，其中符號“V”代表了多個元素的并集，符號“八”代表了多個元素的交集。由于汽車實驗游戲教學具有很強的時間連續(xù)性，隨著時間的不斷推移，學習者會通過不同的學習行為表現(xiàn)出其對知識的理解、對知識的運用和對知識的創(chuàng)新所具有的不同表現(xiàn)形式，五大因素的基本影響因素在不同的時間段中會有不同的表現(xiàn)。

1.基本元素

基本元素是學習者在游戲教學中各種行為的記錄，底層的基本元素是數(shù)據(jù)記錄集，例如在游戲教學中，它們可以是來自游戲的設計元素反饋結果，路徑或關卡等觸發(fā)回饋結果，或來自影視編導同步設計元素，如氣氛等。

2.定義

若干個關聯(lián)性很強的基本元素進行合取運算，形成了對中間元素的綜合影響，而每個中間元素的影響因素會有多組相關性很強的綜合結果組成，這些結果通過析取運算進行組合，共同構成了對中間元素的定義。如對于創(chuàng)新能力的定義有多種，可以是首次挑戰(zhàn)新的教學方法，可以是學習者構建與他人不同的知識體，也可以是在教學中具備選擇最優(yōu)路徑進行學習的能力。由于在不同的游戲情形下對于創(chuàng)新的含義和表現(xiàn)各不相同。因此，對于這些中間元素給出了多種定義方式。

3.環(huán)境參數(shù)

環(huán)境參數(shù)是由故事空間編導同步設計的，對于不同的中間元素性能的提升，需要構造不同的設計環(huán)境。例如，為了給學習者的創(chuàng)新營造一定的環(huán)境，適當?shù)年P卡設置、氣氛渲染以及影視故事情節(jié)的編排都可以使學習者產(chǎn)生身臨其境的感覺。

4.驅動

驅動實現(xiàn)了各元素之間關聯(lián)關系的建立，它通過將中間元素與環(huán)境參數(shù)進行合取運算，實現(xiàn)了在不同環(huán)境下該中間元素性能的提升。環(huán)境的興奮點與能力的提升具備正向關系，例如學習者自身的學習興奮狀態(tài)、對知識和技能的聯(lián)想能力、對比手段的有效運用等都可以對創(chuàng)新能力提升起到積極的正向驅動作用。

（四）教學元素設計與教學效果評測標準

游戲教學元素設計與教學效果評測標準如表6所示。通過在游戲中加入環(huán)境、故事、關卡、工具、空間、知識等設計元素，使學習者能夠充分感受游戲帶來的教學體驗，不斷實現(xiàn)知識體系的構建。游戲教學系統(tǒng)能夠對學習者的軌跡進行追蹤實現(xiàn)其學習效果的評價，從而為游戲教學設計的改進提供相應的指導。

（五）控制模型的構建

在游戲教學過程中，學習者的學習行為動作和路徑被不斷記錄在相應的數(shù)據(jù)庫中，例如學習者整體操作速度提升、游戲的設備運用、動手能力增強和游戲難度升級等都是學習者最后成績的反映，它們的總和形成了最終的學習成績。學習成績是超越能力的基本組成元素，因此與超越能力產(chǎn)生關聯(lián)，根據(jù)關聯(lián)的次數(shù)形成了成績在超越能力中的權重。通過數(shù)據(jù)挖掘手段，可以實現(xiàn)對這些底層元素之間關聯(lián)關系以及五大因素之間關聯(lián)關系的分析，實現(xiàn)分層關聯(lián)關系的構造。數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)性分為強關聯(lián)、弱關聯(lián)和無關聯(lián)，數(shù)據(jù)挖掘關聯(lián)性的強度取決于兩個數(shù)據(jù)之間發(fā)生關聯(lián)的次數(shù)，關聯(lián)次數(shù)越多關聯(lián)度越高，關聯(lián)性越強。通過對關聯(lián)次數(shù)的挖掘，可以判定數(shù)據(jù)元素之間的強弱關系，從而為挖掘的目標找出有效的影響因素。超越能力的影響因素聚類示意圖如圖7所示，在汽車游戲教學中，根據(jù)對超越元素的挖掘共形成多個聚類，每個聚類中有不同的影響因素，每個因素都具有相應的權重值w，其中各權重值滿足公式4-8。

w1+w2+w3+w4=1 （4）

w11+w12=1 （5）

w21+w22=1 （6）

w31+w32=1 （7）

w41+w42=1 （8）

對超越能力的影響因素進行關聯(lián)分析后按照自身時間軸發(fā)生事件聚類，根據(jù)聚類產(chǎn)生對超越因素的影響比例，形成超越能力的控制模型，如公式9所示。

超越能力= （w11×w1+w21×w2）+w12×w1+（w31×w3+w41×w4）+w22×w2+w32×w3+w42×w4 （9）

人才培養(yǎng)的類型不同，五個中層元素對于總體人才素質的影響權重各不相同，因此需要根據(jù)事先訓練形成的人才素質模型獲取不同類型人才的影響因素比例，如技能型人才、創(chuàng)新型人才等，最終通過五個元素的權重計算，疊加形成人才培養(yǎng)素質的控制模型和控制結果，如公式10、11所示。

汽車專業(yè)人才培養(yǎng)素質=記憶能力×權值1+運用能力×權值2+技能能力×權值3+超越能力×權值4+創(chuàng)新能力×權值5 （11）

六、結語

本研究以游戲教學為例，研究了教學數(shù)據(jù)挖掘中的視點問題和挖掘方法問題，明確了教學挖掘必須具有一定的視點，必須具備明確的挖掘目標和明確的子目標銜接節(jié)點，必須具有明確的以問題為導向和符合邏輯的因果遞推關系。游戲教學的性質是經(jīng)過操作和體驗完成能力的提升，它對知識和問題的理解和體驗都作為行為痕跡存儲在數(shù)據(jù)庫中，必須要進行數(shù)據(jù)挖掘，找出學習者學習的規(guī)律，總結出由此獲得能力的提升與游戲設計所形成的關系，形成另一種形態(tài)的教學統(tǒng)計評價反饋的機制。游戲教學挖掘的對象是人對元素作用后產(chǎn)生的效果，在所有效果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計基礎上找出教學設計與能力提升之間的關系。由于游戲知識學習的獲取評價主要反映在游戲教學之后個人的能力提升方面，因此數(shù)據(jù)挖掘對人的能力進行評價也是對游戲教學效率的評價。游戲教學挖掘的層次與管理者的自身管理分層有關，例如是否設置中間層分量，是否進行間接分類將直接決定挖掘的有效性。游戲教學不僅是教學方法的革新，而且是教學范式的革新，是基于數(shù)據(jù)挖掘和行為分析得到的一種新型教學形式。在數(shù)據(jù)隱藏層中自行設計挖掘規(guī)則，體現(xiàn)了教學設計者的設計意圖，對于數(shù)據(jù)挖掘的效率提升具有重要的指導作用。

作者簡介：

張琳：副教授，在讀博士，研究方向為教育游戲、大數(shù)據(jù)挖掘、智能信息處理、圖像處理和人工智能（zhanglin@bucea.edu.cn）。

李小平：教授，博士，研究方向為大數(shù)據(jù)挖掘、智能圖像處理、虛擬現(xiàn)實和人工智能（lxpmx@263.net）。