Web3D虛擬實驗中探究式學(xué)習(xí)行為建模與分析研究

摘要：當(dāng)前，探究式虛擬實驗已在轉(zhuǎn)變科學(xué)教育方式、落實核心素養(yǎng)目標(biāo)方面發(fā)揮了積極作用，但有關(guān)探究式學(xué)習(xí)行為分析的研究較少，尚未形成系統(tǒng)的理論成果以更好地指導(dǎo)教學(xué)實踐。為此，文章針對Web3D虛擬實驗中的探究式學(xué)習(xí)活動，構(gòu)建了具備行為記錄屬性的學(xué)習(xí)行為模型，并借助該模型設(shè)計實施了教學(xué)應(yīng)用實證研究。通過聚類分析，本研究發(fā)現(xiàn)大致存在四類學(xué)習(xí)者：擅長理論學(xué)習(xí)，重視測試結(jié)果的學(xué)習(xí)者；喜歡視頻/動畫類學(xué)習(xí)資料，重視評價與反思的學(xué)習(xí)者；擅長建構(gòu)實驗，對理論性概念學(xué)習(xí)不感興趣的學(xué)習(xí)者；投入程度低，完成任務(wù)型的學(xué)習(xí)者。最后，文章結(jié)合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為分析結(jié)果，從激勵機制、學(xué)習(xí)資源、實驗設(shè)計、討論交流四個方面提出了優(yōu)化策略，以期為后續(xù)探究式虛擬實驗平臺的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗；探究式學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)行為；學(xué)習(xí)分析

【中圖分類號】G40-057 【文獻標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009—8097（2024）04—0132—11"【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2024.04.013

2022年4月，《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》發(fā)布，從課程標(biāo)準(zhǔn)層面強調(diào)以科學(xué)思維能力、科學(xué)探究和實踐能力、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的培養(yǎng)為重點^[1]。2023年5月，《教育部等十八部門關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》從實踐路徑層面指出要探索利用人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段改進和強化實驗教學(xué)，重視開展實驗和探究實踐活動^[2]。在相關(guān)政策的推動下，借助各類數(shù)字技術(shù)開發(fā)的探究式虛擬科學(xué)實驗不斷涌現(xiàn)，已被廣泛應(yīng)用在很多教育場景中，然而目前尚缺乏對于探究學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果的深度分析與評價研究。究其原因，在于缺乏虛擬實驗中行為數(shù)據(jù)采集與記錄的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大部分虛擬實驗未預(yù)留行為數(shù)據(jù)采集的接口，研究人員無法詳細(xì)地采集、保存和分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為。基于此，本研究針對Web3D虛擬實驗中的探究式學(xué)習(xí)活動，試圖構(gòu)建一個具備行為記錄屬性的學(xué)習(xí)行為模型，通過對學(xué)習(xí)者探究式學(xué)習(xí)行為的實時分析，洞察關(guān)鍵問題和內(nèi)在機制，為后續(xù)探究式虛擬實驗平臺的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。

一 研究綜述

1"探究式虛擬實驗平臺的發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬實驗在一定程度上是對真實實驗的模擬、替代和創(chuàng)新，探究式虛擬實驗則是一種在探究式學(xué)習(xí)理念指導(dǎo)下設(shè)計開發(fā)的學(xué)習(xí)環(huán)境。探究是科學(xué)學(xué)習(xí)的核心，學(xué)生可以通過將科學(xué)知識與推理和思維技能相結(jié)合，積極發(fā)展其對科學(xué)的理解^[3]。近30年來，國內(nèi)外研究機構(gòu)和高校均在積極開展基于探究式學(xué)習(xí)理念的實驗平臺與虛擬實驗的設(shè)計開發(fā)。例如，PhET提倡學(xué)習(xí)者以自主實驗的方式探究科學(xué)問題^[4]；WISE同時提供了在線動畫制作工具、圖表工具和內(nèi)容管理工具，以豐富知識建構(gòu)方式^[5]；NOBOOK通過提供精準(zhǔn)的實驗相關(guān)數(shù)據(jù)和真實的實驗現(xiàn)象與反饋，增強實驗探究性^[6]。這些平臺包含生物、化學(xué)、物理、科學(xué)和地理等學(xué)科領(lǐng)域的虛擬實驗，探究性強，但其中大部分探究式虛擬實驗的用戶界面為2D形態(tài)。隨著瀏覽器性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬的大幅度提升，以及WebGL技術(shù)的出現(xiàn)，3D技術(shù)不再局限于桌面程序，越來越多的Web應(yīng)用納入3D技術(shù)，Web3D由此開始受到越來越多的關(guān)注。Web3D核心技術(shù)涉及VRML、JavaScript、XML、動畫腳本以及流式傳輸?shù)龋诰W(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境的開發(fā)中已被廣泛應(yīng)用。其中，基于Web3D的虛擬實驗?zāi)軌蜻€原真實實驗場景，使學(xué)習(xí)者通過與3D實驗器材的自主交互開展實驗活動，從而提高實驗操作技能水平，建構(gòu)科學(xué)知識，提升科學(xué)探究能力。

2 探究式學(xué)習(xí)行為分析的研究現(xiàn)狀

學(xué)習(xí)分析是基于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)信息的相關(guān)數(shù)據(jù)，運用不同的分析方法和數(shù)據(jù)模型探究學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程與情境，闡釋學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)規(guī)律，以提供學(xué)習(xí)反饋改進學(xué)習(xí)效果的技術(shù)^[7]。當(dāng)前，已有針對課堂探究式學(xué)習(xí)行為分析的研究，如楊曉露^[8]從學(xué)習(xí)行為的表現(xiàn)、水平和背景三方面構(gòu)建了探究式學(xué)習(xí)行為研究分析模型，通過課堂觀察和錄像分析研究高中化學(xué)探究式課堂教學(xué)實例，發(fā)現(xiàn)我國目前的探究式教學(xué)在一定程度上忽略了學(xué)生的“提出問題”“反思與評價”等行為。黃慧^[9]使用問卷調(diào)查法、課堂觀察法、訪談法對淮安生物工程分院共460名大專在讀學(xué)生進行了學(xué)習(xí)行為研究，發(fā)現(xiàn)探究式學(xué)習(xí)對于營造學(xué)生積極的內(nèi)部學(xué)習(xí)動機具有顯著的正面作用。通過梳理探究式學(xué)習(xí)行為分析的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)行為相關(guān)模型多為學(xué)習(xí)行為分析模型，用于描述學(xué)習(xí)行為分析的整個過程^[10]，其基于行為分析的過程增加了特定的分析技術(shù)、手段和目標(biāo)等內(nèi)容^[11]。行為數(shù)據(jù)的采集是進一步開展學(xué)習(xí)行為分析的基礎(chǔ)，但針對學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進行建模的研究不多，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)模型只是闡述了行為要素^[12]或是將數(shù)據(jù)集進行分類^[13]，而在明確行為數(shù)據(jù)采集與記錄的要素與屬性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建其內(nèi)在的聯(lián)系是數(shù)據(jù)建模的關(guān)鍵。

綜上所述，盡管圍繞探究式虛擬實驗已經(jīng)開展了大量實踐，也有研究者針對課堂探究式學(xué)習(xí)行為進行了研究，但尚缺少探究式虛擬實驗中學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)建模與分析的相關(guān)研究案例。為此，本研究在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上結(jié)合虛擬實驗和探究式學(xué)習(xí)的特點，試圖構(gòu)建一個針對虛擬實驗中探究式學(xué)習(xí)行為的、可清晰描述各主體屬性與聯(lián)系的模型，進而基于該模型研發(fā)創(chuàng)新的Web3D學(xué)習(xí)環(huán)境，通過開展教學(xué)應(yīng)用實踐，獲取學(xué)生的探究式學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)以進行數(shù)據(jù)挖掘和聚類分析。

二 Web3D虛擬實驗中探究式學(xué)習(xí)行為模型的構(gòu)建

1"模型構(gòu)建的要素分析

在Web3D虛擬實驗中，學(xué)習(xí)者行為相關(guān)數(shù)據(jù)是學(xué)習(xí)行為分析的基礎(chǔ)，因此在數(shù)據(jù)采集前首先需要了解Web3D虛擬實驗可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)種類，從而提高采集效率。關(guān)于學(xué)習(xí)與學(xué)習(xí)活動，Bruner等提出了發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，即學(xué)習(xí)者應(yīng)該自主發(fā)現(xiàn)問題，自發(fā)尋求答案，主動建構(gòu)知識，以此學(xué)會“如何學(xué)習(xí)”^[14]。Lave等^[15]提出了情境學(xué)習(xí)理論，認(rèn)為學(xué)習(xí)者應(yīng)在應(yīng)用情境中進行知識、技能的學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者會因環(huán)境因素的影響發(fā)生一系列學(xué)習(xí)行為，如在圖書館查詢?yōu)g覽資料、在考場參與測試等，進一步總結(jié)后可將其描述為：誰在哪里做了什么。細(xì)化該描述，可以將其分為四個問題：①who（學(xué)習(xí)者）；②how（學(xué)習(xí)行為）；③what（學(xué)習(xí)資源）；④where（學(xué)習(xí)環(huán)境）。前三個問題對應(yīng)了發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，最后一個問題則對應(yīng)了情境學(xué)習(xí)理論。學(xué)習(xí)者是在教育或教學(xué)活動中進行學(xué)習(xí)活動的對象或主體，并不局限于學(xué)生；學(xué)習(xí)行為是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)活動中發(fā)生的一系列行為；學(xué)習(xí)資源既可以是學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)活動中的學(xué)習(xí)對象，也可以是教育者或教育平臺所提供的資料，還可以是在觀察、思考、實驗等過程中獲得的經(jīng)驗與技能；學(xué)習(xí)環(huán)境可以是學(xué)校環(huán)境、圖書館等線下環(huán)境，也可以是在線學(xué)習(xí)平臺等線上環(huán)境。

結(jié)合上述理論分析，本研究提出的虛擬實驗環(huán)境中的學(xué)習(xí)行為模型涉及四個要素，包括學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)資源與學(xué)習(xí)環(huán)境。

2"探究式學(xué)習(xí)過程分析

傳統(tǒng)實驗過程一般包括提出實驗問題、實驗設(shè)計、實驗實施、實驗結(jié)果分析與處理、實驗結(jié)論報告與交流5個步驟^[16]。探究式學(xué)習(xí)以提出問題為導(dǎo)向，通過探索發(fā)現(xiàn)解決問題，具有問題性、情境性、自主性、建構(gòu)性及協(xié)作性等特征^[17]。Pedaste等^[18]將探究式學(xué)習(xí)的一般過程歸納為5個階段：情境導(dǎo)入、概念形成、探索調(diào)查、結(jié)論形成、交流討論。本研究基于上述實驗過程分類，提出Web3D虛擬實驗中探究式學(xué)習(xí)的基本過程（如圖1所示）：平臺或教育者將研究主題呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，借用技術(shù)構(gòu)建學(xué)習(xí)者感興趣的學(xué)習(xí)情境，學(xué)習(xí)者自主針對問題提出假設(shè)并設(shè)計實驗方案，再對問題的答案進行探尋及驗證，最后得出結(jié)論并進行自我評價與反思。此外，探究式學(xué)習(xí)流程不僅需要激發(fā)學(xué)習(xí)者的求知欲，還應(yīng)具有一定的學(xué)習(xí)成效，因此增加了實驗前測和實驗后測環(huán)節(jié)，以了解學(xué)習(xí)者的實驗預(yù)備知識情況和知識理解、建構(gòu)情況。考慮到虛擬實驗不僅適用于有講解的課堂環(huán)境，也適用于自主學(xué)習(xí)環(huán)境，因此增加了知識預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。

3"Web3D虛擬實驗中探究式學(xué)習(xí)行為模型

基于上述模型構(gòu)建的要素及探究式學(xué)習(xí)過程分析，本研究構(gòu)建了Web3D虛擬實驗探究式學(xué)習(xí)行為模型（如圖2所示），作為采集與記錄學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)者利用多樣化學(xué)習(xí)資源開展探究式學(xué)習(xí)活動的基礎(chǔ)架構(gòu)。

（1）學(xué)習(xí)者

學(xué)習(xí)者是學(xué)習(xí)行為的產(chǎn)生者及學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的創(chuàng)造者。CELTS-11是關(guān)于學(xué)習(xí)者信息的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)依照邏輯與概念對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)信息進行分類，Web3D虛擬實驗中學(xué)習(xí)者信息數(shù)據(jù)的獲取形式主要參考了這一標(biāo)準(zhǔn)。本模型中，學(xué)習(xí)者ID是每個學(xué)習(xí)者獨一無二的身份標(biāo)識，主要包括四類數(shù)據(jù)：個人基本數(shù)據(jù)，包含姓名、性別和學(xué)號等固有信息；管理數(shù)據(jù)，包括注冊信息、登錄信息等，用以管理用戶賬號、檢測賬號異動；關(guān)系數(shù)據(jù)，包括師生關(guān)系、生生關(guān)系等關(guān)系的描述；偏好數(shù)據(jù)，包括用戶點贊、收藏等體現(xiàn)學(xué)習(xí)者與虛擬實驗關(guān)聯(lián)的信息。

（2）探究學(xué)習(xí)行為

學(xué)習(xí)行為是學(xué)習(xí)者在環(huán)境因素的影響及自身某種意識的控制下，以取得某種學(xué)習(xí)結(jié)果為目的而與外界進行雙向交互活動的總和^[19]。探究學(xué)習(xí)行為則強調(diào)學(xué)習(xí)者基于對“探究”的自主控制以開展學(xué)習(xí)的行為。人類行為包含五個行為要素，分別是行為主體、行為客體、行為結(jié)果、行為環(huán)境、行為手段^[20]。探究學(xué)習(xí)行為主要包含瀏覽實驗知識點、填寫實驗前測、觀看情境導(dǎo)入、提出假設(shè)、設(shè)計實驗方案、實驗探究、得出結(jié)論、總結(jié)與反思和填寫實驗后測等行為，探究學(xué)習(xí)行為產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將被記錄，包含行為主體——學(xué)習(xí)者；行為客體——Web3D虛擬實驗、學(xué)習(xí)資源；行為結(jié)果——反饋信息、行為結(jié)果；行為環(huán)境——場景/環(huán)節(jié)、時間；行為手段——動作，并被賦予一個新建虛擬實驗記錄ID（學(xué)習(xí)者進入某一虛擬實驗時產(chǎn)生的自增ID），用以區(qū)別某一學(xué)習(xí)者多次進行同一虛擬實驗時產(chǎn)生的學(xué)習(xí)行為記錄。

（3）學(xué)習(xí)資源

廣義上來說，有助于學(xué)習(xí)的技術(shù)、物質(zhì)、信息、自然資源、設(shè)備、多媒體資源、地區(qū)獨特的文化歷史資源等都可稱為學(xué)習(xí)資源。為了方便各類型資源的管理，本模型將學(xué)習(xí)資源分為媒體資源與測試資源兩類：媒體資源按照格式主要分為文本類（如知識點名稱、知識點介紹）、圖像類（如實驗配圖、知識點配圖等）、視頻類（如實驗介紹視頻、實驗情境視頻等）；測試資源按照題型進行分類存儲，主要分為選擇題、填空題、判斷題。每條文本、圖像、視頻、選擇題、填空題、判斷題等資源均具有唯一ID。

（4）學(xué)習(xí)環(huán)境

本模型中的學(xué)習(xí)環(huán)境主要為基于行為模型設(shè)計開發(fā)的Web3D探究式虛擬實驗平臺，所使用的系統(tǒng)架構(gòu)為B/S架構(gòu)，將瀏覽器作為主要的客戶端應(yīng)用軟件，以減輕終端設(shè)備渲染3D模型的負(fù)載。此外，本研究通過Node.js+Express框架開發(fā)平臺，使用Babylon.js 3D圖形引擎開發(fā)Web3D虛擬實驗。Web3D探究式虛擬實驗平臺的模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包含個人中心模塊、資源模塊和實驗?zāi)K，具備情境創(chuàng)設(shè)、問題提出、實驗假設(shè)、實驗設(shè)計、自由探究、引導(dǎo)式探究、實驗回顧等功能，能夠伴隨式收集、存儲學(xué)生的行為操作，借助嵌入式評價模塊，針對學(xué)生不同的實驗操作，及時提供適應(yīng)性引導(dǎo)與反饋。

三 探究式學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的獲取與分析

1"Web3D探究式虛擬實驗平臺的教學(xué)應(yīng)用實證研究

（1）研究對象及學(xué)習(xí)環(huán)境

本研究選取浙江省杭州市余杭區(qū)某中學(xué)的193名七年級學(xué)生作為研究對象，其中男生102人，女生91人。學(xué)習(xí)環(huán)境為本團隊研發(fā)的Web3D探究式虛擬實驗平臺，具體實驗為“鹽的溶解”，實驗內(nèi)容來源于浙教版《科學(xué)（八年級上冊）》“物質(zhì)的溶解”一節(jié)。這193名學(xué)生此前尚未學(xué)習(xí)過該小節(jié)內(nèi)容，其先驗知識儲備較為一致。

（2）研究過程

實驗前，教師先使用平臺中的其他實驗作為示例為學(xué)生講解平臺理念、規(guī)范操作標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)習(xí)流程與形式等內(nèi)容，為后續(xù)正式實驗的順利開展作鋪墊。

實驗時，學(xué)生需要在平臺中自主完成實驗，具體的過程如下：①學(xué)生登錄平臺后，進行“鹽的溶解”實驗知識點的學(xué)習(xí)，在完成知識點頁面學(xué)習(xí)后填寫實驗前測問卷。②學(xué)生需要經(jīng)歷“情境導(dǎo)入、實驗假設(shè)、方案設(shè)計、實驗探究、得出結(jié)論”等一系列環(huán)節(jié)，完整地開展探究式實驗，然后根據(jù)實驗探究階段針對科學(xué)知識的建構(gòu)與理解情況填寫后測問卷。③學(xué)生自主瀏覽平臺提供的實驗評價與反饋信息，借助實驗復(fù)盤，對實驗過程中存在的問題以及后期的改進方向進行思考。

實驗后，通過Web3D探究式虛擬實驗平臺中的對應(yīng)算法對學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進行采集與記錄，將數(shù)據(jù)記錄到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中，實驗結(jié)束后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進行清理、過濾及重組。

（3）研究方法與工具

①統(tǒng)計分析法。該方法主要用于采集和分析學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)。本研究主要選用描述性分析、聚類分析和相關(guān)性分析對學(xué)生學(xué)習(xí)行為進行分類。使用MySQL語句與Excel對收集到的數(shù)據(jù)進行篩選與整理，并通過SPSS 26.0軟件進行統(tǒng)計分析。

②案例分析法。該方法主要通過對代表性案例的深入分析以認(rèn)識整體。本研究選取Web3D探究式虛擬實驗平臺上的“鹽的溶解”實驗作為實驗課程，收集了193名學(xué)生的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)模型分析為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供策略與建議。

2"學(xué)習(xí)行為模式聚類分析

為驗證與改進Web3D虛擬實驗探究式學(xué)習(xí)行為模型，同時更好地幫助學(xué)習(xí)者改進學(xué)習(xí)策略，需要對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)進行分析。聚類分析將批量數(shù)據(jù)通過算法處理分成不同的幾個類別，要求相同類別中的數(shù)據(jù)之間比其他類別更具有類同性，適用于幫助不同類型的學(xué)習(xí)者改進學(xué)習(xí)策略。本研究使用SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)集進行分析，具體包括檢查數(shù)據(jù)、清除無關(guān)數(shù)據(jù)、確認(rèn)數(shù)據(jù)無遺漏、過濾敏感數(shù)據(jù)（如學(xué)習(xí)者個人信息）等預(yù)處理，得到193位學(xué)習(xí)者的2314條學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)。其中，頁面停留時長是判斷學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)情況的基本數(shù)據(jù)，盡管學(xué)習(xí)者在每一個頁面停留的原因不明，但聚類分析可以聚集大部分具有相同學(xué)習(xí)規(guī)律的學(xué)習(xí)者，避免了少量錯誤數(shù)據(jù)對研究結(jié)果的影響。因此，本研究基于提出的學(xué)習(xí)行為模型，在探究式學(xué)習(xí)行為模塊中，將學(xué)習(xí)者的瀏覽知識點頁面時長、觀看情境導(dǎo)入時長、實驗前測試時長、提出假設(shè)時長、設(shè)計實驗方案時長、實驗探究時長、實驗后測試時長、瀏覽實驗評價時長作為基本的聚類訓(xùn)練變量。考慮到得分并非嚴(yán)格的學(xué)習(xí)行為，但能夠體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，因此本研究將實驗前測試得分、提出假設(shè)得分、設(shè)計實驗方案得分、得出實驗結(jié)論得分、實驗后測試得分也作為訓(xùn)練變量，所有訓(xùn)練變量均來自學(xué)習(xí)行為模型。確定訓(xùn)練變量后，本研究使用K-S檢驗進行正態(tài)分布檢驗，檢驗結(jié)果顯示數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，因此使用斯皮爾曼等級相關(guān)對數(shù)據(jù)進行兩兩相關(guān)分析，學(xué)習(xí)行為相關(guān)分析矩陣如表1所示。

根據(jù)矩陣分析結(jié)果可以看出：①所有得分與實驗探究時長負(fù)相關(guān)，但實驗前測試時長、提出假設(shè)時長、設(shè)計實驗方案時長均與實驗探究時長正相關(guān)，判斷為部分學(xué)習(xí)者無法理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，需要在整個實驗探究過程中花費大量時間；②得出實驗結(jié)論得分與實驗前測試得分、提出假設(shè)得分、設(shè)計實驗方案得分正相關(guān)，與實驗探究時長負(fù)相關(guān)，判斷為部分學(xué)習(xí)者較好地理解了實驗探究過程，能快速完成實驗探究；③瀏覽實驗評價時長僅與實驗后測試得分有關(guān)，可判定其對絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)的預(yù)測性弱，故在后續(xù)分析中僅將用其作輔助參考。

完成相關(guān)分析后，本研究采用K-means聚類分析方法對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進行聚類訓(xùn)練。使用K-means聚類分析方法的關(guān)鍵在于K值的確定。肘部法則（Elbow"Method）常用于尋找K-means方法中最佳的聚類數(shù)量，隨著K值增大，平均畸變程度變小。一般而言，畸變程度改善效果下降最多的位置就是肘部對應(yīng)的K值^[21]。肘部法則計算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)K≥4后，隨著K值變大，畸變程度下降速率變慢。由此確定本次聚類的聚類數(shù)為4，迭代次數(shù)最大設(shè)置為10次。最終聚類得到四類學(xué)習(xí)者，此四類學(xué)習(xí)者的占比分別是19.69%、10.36%、38.34%、31.61%。對聚類結(jié)果的合理性進行檢驗，關(guān)鍵在于選取的探究式行為中的變量是否存在顯著差異。使用方差分析法可知，四類學(xué)習(xí)者聚類對于的學(xué)習(xí)行為指標(biāo)項均呈現(xiàn)出顯著性（p＜0.01）。四類學(xué)習(xí)者分布較為均勻，說明聚類結(jié)果合理，效果較好。聚類類別方差分析差異對比結(jié)果如表2所示。

為了探索四類學(xué)習(xí)者的行為模式，以更詳細(xì)地了解不同聚類間的差異，從而總結(jié)出不同行為模式學(xué)習(xí)者的特征，本研究根據(jù)已有聚類結(jié)果進行進一步分析。

聚類1：此類學(xué)習(xí)者包含38人，占比19.69%。此類學(xué)習(xí)者瀏覽知識點頁面、實驗前測試時長、實驗后測試時長顯著超過其余三類學(xué)習(xí)者，尤其是學(xué)習(xí)者瀏覽知識點頁面時長超出其余三類學(xué)習(xí)者3～8倍，除此之外的其余各探究環(huán)節(jié)的時間分配較為合理。此類學(xué)習(xí)者的實驗前測試得分、提出假設(shè)得分是四類學(xué)習(xí)者中平均分?jǐn)?shù)最高的，設(shè)計實驗方案、得出實驗結(jié)論的平均得分在四類學(xué)習(xí)者中排名第二。綜上分析可知，此類學(xué)習(xí)者在進行虛擬實驗的學(xué)習(xí)時可以保持較高的學(xué)習(xí)積極性。理論學(xué)習(xí)時間較長，提出假設(shè)、實驗前測試得分較高，說明此類學(xué)習(xí)者善于理解與消化概念類知識；實驗前、后測試時長較長，說明此類學(xué)習(xí)者面對測試問題時較為謹(jǐn)慎，對所選擇答案的正確性進行反復(fù)審思，思考的時間較長，也側(cè)面反映出其較為重視自己的測試結(jié)果。可將此類學(xué)習(xí)者定義為“擅長理論學(xué)習(xí)，重視測試結(jié)果的學(xué)習(xí)者”。

聚類2：此類學(xué)習(xí)者包含20人，占比10.36%。此類學(xué)習(xí)者觀看情境導(dǎo)入時長、瀏覽實驗評價時長超過其余三類學(xué)習(xí)者，尤其是學(xué)習(xí)者觀看情境導(dǎo)入時長遠遠超過其余三類學(xué)習(xí)者，其余各探究環(huán)節(jié)的時間分配較為合理。在相關(guān)得分中，此類學(xué)習(xí)者實驗前測試、設(shè)計實驗方案、得出實驗結(jié)論、實驗后測試的平均得分在四類學(xué)習(xí)者中排名均為第三。綜上分析可知，此類學(xué)習(xí)者在進行虛擬實驗的學(xué)習(xí)時對視頻類或動畫類的情境導(dǎo)入具有濃厚的興趣，有些學(xué)習(xí)者甚至進行了多次情境導(dǎo)入的觀看。結(jié)合實驗前、后測得分可以看出，此類學(xué)習(xí)者對實驗過程中相關(guān)知識掌握不夠，瀏覽實驗評價時長較長，說明此類學(xué)習(xí)者重視評價與反思環(huán)節(jié)，關(guān)注自身各個實驗階段的正誤情況。可將此類學(xué)習(xí)者定義為“喜歡視頻/動畫類學(xué)習(xí)資料，重視評價與反思的學(xué)習(xí)者”。

聚類3：此類學(xué)習(xí)者包含74人，占比38.34%。此類學(xué)習(xí)者設(shè)計實驗方案時長略微超過其余三類學(xué)習(xí)者，觀看情境導(dǎo)入、提出假設(shè)、實驗探究時長是四類學(xué)習(xí)者中最短的，瀏覽知識點頁面時長在四類學(xué)習(xí)者中排名第三。除此之外，此類學(xué)習(xí)者的設(shè)計實驗方案、得出實驗結(jié)論、實驗后測試的平均得分在四類學(xué)習(xí)者中最高，實驗前測試得分在四類學(xué)習(xí)者中排名第二。綜上分析可知，此類學(xué)習(xí)者在進行虛擬實驗的學(xué)習(xí)時將較多的時間與精力放在了設(shè)計實驗方案環(huán)節(jié)，并且設(shè)計的方案得分較高，說明其更為重視并擅長實驗方案的建構(gòu)。另外，此類學(xué)習(xí)者瀏覽知識點頁面時長較短，說明其對理論性概念的學(xué)習(xí)不感興趣，更希望通過實驗探究驗證假設(shè)的方式得出結(jié)論。可將此類學(xué)習(xí)者定義為“擅長建構(gòu)實驗，對理論性的概念學(xué)習(xí)不感興趣的學(xué)習(xí)者”。

聚類4：此類學(xué)習(xí)者包含61人，占比31.61%。此類學(xué)習(xí)者瀏覽知識點頁面、實驗前測試、設(shè)計實驗方案、實驗后測試、瀏覽實驗評價時長相較于其余三類學(xué)習(xí)者均為最短，尤其是設(shè)計實驗方案時長差距較大，但其在四類學(xué)習(xí)者中進行實驗探究的時長最長。除此之外，此類學(xué)習(xí)者的實驗前測試、提出假設(shè)、設(shè)計實驗方案、得出實驗結(jié)論、實驗后測試的平均得分在四類學(xué)習(xí)者中均為最低。綜上分析可知，此類學(xué)習(xí)者在進行虛擬實驗探究時缺乏學(xué)習(xí)動力與興趣。另外，從投入的時間角度分析，此類學(xué)習(xí)者整體的投入程度較低，部分學(xué)習(xí)者只是為了完成實驗任務(wù)而進行虛擬實驗的探究學(xué)習(xí)；從學(xué)習(xí)成效角度分析，此類學(xué)習(xí)者對于是否能在實驗中有良好表現(xiàn)并獲得較好的測試成績不夠重視，整體缺乏積極性。可將此類學(xué)習(xí)者定義為“投入程度低，完成任務(wù)型的學(xué)習(xí)者”。

四 Web3D虛擬實驗學(xué)習(xí)效果的優(yōu)化策略

本研究中基于Web3D探究式虛擬實驗的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為分析結(jié)果，對于學(xué)習(xí)環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計和探究式教學(xué)活動的有效開展具有重要的參考價值。根據(jù)上述聚類分析，可從中挖掘?qū)W習(xí)者的特征與需求，通過平臺功能完善或?qū)W習(xí)干預(yù)等方式提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果，優(yōu)化策略如下：

1 設(shè)計激勵機制

在虛擬實驗平臺中，針對聚類4的學(xué)習(xí)者投入程度低的現(xiàn)象，可通過設(shè)計更具體和可操作性的激勵機制，以提高其學(xué)習(xí)積極性。可以采取以下優(yōu)化策略：①設(shè)計個性化積分系統(tǒng)。為每個學(xué)習(xí)者設(shè)計個性化的積分系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)習(xí)者實驗表現(xiàn)實時更新積分，可包括準(zhǔn)確性、創(chuàng)造性、實驗時間等方面的評估。②展示實時排名。不僅呈現(xiàn)學(xué)習(xí)者自己的積分狀態(tài)，還實時展示班級中前三名同學(xué)的積分，以通過積分差對比，激發(fā)學(xué)習(xí)者的競爭意識和學(xué)習(xí)動力。③設(shè)置獎勵體系。例如，可為積分達到一定水平的學(xué)習(xí)者發(fā)放小禮品、頒發(fā)榮譽證書或采取其他激勵措施，以更直接地激發(fā)學(xué)習(xí)者的積極性。

2"優(yōu)化學(xué)習(xí)資源

為滿足不同學(xué)習(xí)者的喜好和需求，可以更具體地優(yōu)化學(xué)習(xí)資源。可以采取以下優(yōu)化策略：①定制學(xué)習(xí)路徑。針對聚類1的學(xué)習(xí)者偏好理論學(xué)習(xí)，聚類2的學(xué)習(xí)者偏好視頻/動畫學(xué)習(xí)，分別定制個性化學(xué)習(xí)路徑，讓學(xué)習(xí)者更便捷地找到符合自身學(xué)習(xí)風(fēng)格的資源。②外部資源推送。面向聚類1的學(xué)習(xí)者，增加平臺外的高質(zhì)量學(xué)習(xí)資源推送；面向聚類4的學(xué)習(xí)者，推送趣味性強的科學(xué)實驗視頻，并通過超鏈接、代碼嵌入視頻等形式呈現(xiàn)，以激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，拓寬其知識面。

3"優(yōu)化實驗方案設(shè)計環(huán)節(jié)

更具體地優(yōu)化實驗方案設(shè)計環(huán)節(jié)，以滿足聚類3的學(xué)習(xí)者需求。可以采取以下優(yōu)化策略：①設(shè)計詳細(xì)方案。在實驗方案設(shè)計環(huán)節(jié)采用填寫表格的方式，明確設(shè)計思路、實驗原理、實驗器材、實驗步驟、注意事項等方面的內(nèi)容，幫助學(xué)習(xí)者更深入地思考和理解實驗。②設(shè)置探索性問題引導(dǎo)。提供探索性問題引導(dǎo)，激勵學(xué)習(xí)者在方案設(shè)計階段發(fā)散思維，促使其更深入地認(rèn)識與理解實驗。

4"增加討論與交流功能

針對“瀏覽實驗評價時長相關(guān)數(shù)據(jù)難以反映學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況”這一現(xiàn)象，在Web3D探究式虛擬實驗平臺上增加更具體、更實用的討論與交流功能。可以采取以下優(yōu)化策略：①增加主題分類討論板塊。設(shè)立主題分類的討論板塊，讓學(xué)習(xí)者能夠針對不同實驗探究階段存在的問題進行有針對性的討論與交流。②展示問題整理與解答。在“討論與交流”區(qū)中展示整理出的問題及相應(yīng)的答復(fù)，以便學(xué)習(xí)者在后期實驗過程中能夠迅速得到解答與啟發(fā)。

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Research on Modelling and Analysis of Inquiry Learning Behavior in Web3D Virtual Experiment

XU Guang-Tao¹""""LU"Jun-Jie¹""""LI"Ying-Qian²

（1."Educational Modernization Research Institute， Hangzhou Normal University， Hangzhou， Zhejiang，

China 311121; 2. Hangzhou University Road Primary School， Hangzhou， Zhejiang， China"310009）

Abstract： At present， inquiry-based virtual experiments have played a positive role in transforming science education and implementing core competency objectives. However， there is limited research on the analysis of inquiry-based learning behaviors， and a systematic theoretical framework has yet to be established to better guide teaching practices. Therefore， aiming at the inquiry-based learning activities in the Web3D virtual experiment， this paper constructed a learning behavior model with behavioral recording attributes， and utilized this model to design and implement the empirical research of teaching applications. Through cluster analysis， four main types of learners were identified， namely learners who were proficient in theoretical learning and attached importance to test results， learners who preferred video/animation learning materials and valued evaluation and reflection， learners who were skilled in experiment construction but disinterested in theoretical concept learning， learners who completed tasks-oriented learning with low engagement degree. Finally， combined with"the analysis results of learners’"learning behaviors， this paper proposed"optimization strategies from four aspects"of incentive mechanisms， learning resources， experimental design， and discussion communication， aiming to provide reference for the development and application of subsequent inquiry-based virtual experiment platforms.

Keywords： Web3D virtual experiment; inquiry learning; learning behavior; learning analytics