编译：邓晓棠 东南大学脑与学习科学系
研究生导师：柏毅，夏小俊
作者：Ying-Hsun Lai, Shih-Yeh Chen, Chin-Feng Lai, Yao-Chung Chang & Yu-Sheng Su
【摘要】：由于人工智能（AI）和物联网（IoT）（统称为AIoT）在各种复杂问题上的应用，已成为新一代的流行课程，但学习这些课程需要考虑实际情况并分析复杂的问题，让学生难以提高学习成绩。计算思维教育的概念是让学生通过理解问题和分析解决步骤来找到不同领域问题的解决方案。在这项研究中，我们将计算思维教育的概念集成到基于情节图像的虚拟现实（VR）课程中。它结合了实际场景的拍摄、需要拍摄的电影说明和VR，以使学生能够通过基于情节图像的VR沉浸在对问题的思考中，进一步学习问题的本质，并制定可能的解决方案。通过实验和对照组的实验结果，我们发现基于图像情节的VR可以有效提高学生对学习和计算思维的兴趣。
【关键词】：计算思维；虚拟现实；基于图像情节的VR
1-简单介绍
随着科学技术的发展，各个领域都在逐渐走向自动化和智能化。AIoT是一种结合了人工智能和物联网的集成技术。对于课程教学，工程教育成为AIoT教学开发的重要环节之一。
AIoT架构正在使用物联网使用传感器收集大量数据，然后AI将数据值添加到应用程序中，系统设计了理论和实践，培养了专业知识、个人能力、职业能力和团队态度。学生可以学习特定的观点，广泛的思考，并逐渐形成与工程相关的概念。因此，科学教育与工程应用之间的相关性得到加强，科学技术知识和技能的整体发展得到了改善。此外，结合现有技术和应用，改变了整个教学模式。
2-相关概念解释
2.1 虚拟现实
虚拟现实（VR）利用计算机模拟生成虚拟空间，并为用户提供视觉等感官模拟。当用户移动时，计算机可以立即执行操作，并将准确的3D图像传输回来，以产生存在感。20世纪60年代，VR首次应用于航空公司和空军的飞行训练模拟器。随着技术的进步，VR已逐渐从相机和投影仪演变为专用眼镜，如头戴式Oculus Rift或Google Cardboard，以便用户可以查看虚拟世界。
2.2 独立沉浸式学习
一个关键在于，讲师的角色从知识提供者转变为帮助学生探索和学习的辅导员。通过模拟场景，学生可以获得身临其境的体验，自己控制他们的学习进度和方向，并独立地主宰他们的学习。
2.3 在安全和长途环境中学习
VR可以模拟危险和罕见的情况，以便学生可以安全地了解它们。例子包括练习手术技术或学习如何安全地使用机床。仅举几例，此外，一些研究人员专注于使用VR为自闭症儿童创造的学习环境，以提高他们在理解任务要求方面的动机和兴趣。
2.4 通过与现实的比较来学习
VR能够使用户理解不同规模的系统或对象。例如，巴西的一个大学建造了一个完整的木炭高炉及其所有子系统，并创建了一整套360度照片，以指导工程专业的学生如何工作，以及每个子系统如何相互作用，学生可以真正了解高炉大小对工作的影响。
2.5 计算思维
随着问题变得越来越复杂，可以采用计算思维（CT）来有效分析复杂的主题。基于计算概念的程序可用于解决问题，分析和理解人类解决问题的行为。计算机思维不是让人类像计算机一样思考，而是关于使用计算解决复杂问题所需的一整套思考工具。
三、方法论
3.1 参与者
在这项研究中，我们以大学信息工程系物联网应用和实践课程的学生为主题。他们被分成实验和控制组。实验组有43名学生，对照组有47名学生。他们的年龄在21岁到25岁之间。在一些学生放弃课程后，实验组有40名学生，最后对照组有45名学生。对于最终项目的分组，两到四名学生组成一个小组。实验组共有11个分组，对照组共有14个分组。
3.2 教学材料
我们使用物联网传感设备和程序、基于情节的VR教学材料和AIoT平台来指导物联网课程。对于物联网传感设备，Arduino Uno被用作基本的物联网开发板，并配有传感器，如温度和湿度、超声波以及火焰和加速度感应。在基本编程语言方面，使用了原始的Arduino语言而不是Scratch。EduVenture®VR和AIoT分析平台也用于支持课程，并帮助学生更好地了解整体场景。照片可以通过360度全景相机拍摄并上传到平台。然后，指令可以在平台上编辑指导材料，如图1所示。
在镜头方面，这项研究选择了校园、农场、工厂和当地旅游景点来拍摄镜头。图2显示了整个流程规划。
3.3 实验程序
在这项研究中，我们设计了一个学期课程的过程。课程在本学期初就开始了，如图3所示。
一学期的课程分为上半场的基本知识培训，下半场对特定主题的场景和思考。学生应该根据他们学到的东西和AIoT进行设计。最后，学生对特定主题上的作品进行了评分。
该课程包括上半学期的基本理论和程序代码。基本理论主要介绍了联网和物联网开发板，结合传感器，要求学生练习相关的Arduino应用，包括LED和光传感器测量的I/O控制；以及使用无线传输模块的传输控制。通过这种方式，学生可以了解如何完成与Arduino函数相对应的开发板的外围控制。在期中，需对学生基本编程能力和基本主题概念进行测试，以检查学生的基本学习能力。下半学期将教学方法应用于实验组。实验组使用了VR。学生花了一到两周的时间来熟悉每个主题和每个场景的应用，此外，学生还必须尽最大努力完成与AIoT程序代码和每个主题算法相关的培训。控制组使用PPT遵守AIoT应用程序的指令，然后练习程序和算法。
学期结束时，学生接受了期末测试，以评估他们对物联网专业克的熟悉程度。最后报告由一名学校教授和一名行业专家共同评分。如表1所示，有六个评分项目，包括物联网、实用性、完整性、可行性、预期收益和简要报告。
四、结果和讨论
4.1 AIoT编程的学习效果分析
该实验通过中期和最终的AIoT程序测试检查了学生物联网编程的学习效果。它分析了控制组和实验组之间编程的差异。因此，使用协方差来分析相关课程的学习效果。
在这里，F（1,71）为4.447，p < 0.05，这意味着在调整因变量后，实验组的平均值仍然明显高于对照组。η2的效果大小在0.138和0.059之间为0.106，也就是说，该方法具有适度的实用意义。基于情节的VR可以提高学生在编程中的学习效率。
对照组的期末考试题结果低于期中考试，主要是因为难度增加。为了排除历史和测试对性能内部有效性的影响，测试被进一步分为与中期测试（40%）和与中期测试不同的测试（60%）。两组之间存在差异，即期中考试问题，对照组最多得5.69分。因此，在非中期测试差异区间中，性能存在差异。结果表明，历史对中期测试产生了影响，以取得接近的结果。拟议方法的学习效果与中期测试的差异很大。
4.2 AIoT主题学习效果分析
本节讨论主题学习效果的分数。实验组的学生分为11个分组，而对照组的学生分为14个分组。主题学习由两位专家（各40%）和指导（20%）评分。期中主题规划和构思分数被用作测试前分数，而最终报告分数是测试后分数。采用协方差分析来分析学习效果。其中F(1,20) = 0.139，p = 0.713 > 0.05，表明两组的回归系数是均匀的，因此可以使用协方差分析。
进一步讨论了两组之间的差异。按物联网技术、实用性、完整性、可行性和预期效益对分数进行了比较，如表1所示。在完整性和可行性方面的差异是显而易见的。
4.3 基于情节的VR对物联网学习兴趣
和动机的影响分析
在这项研究中，我们通过图形方法和问卷比较学生的兴趣。在图形方法中，我们通过分析学生在浏览程序代码文件上花费的时间，通过指令上传到网络的相关传感器和算法的介绍，以及操作AIoT平台的时间，并统计学生在课程中花费的总时间，分析完成这两组阅读的学生的比例。实验组中超过80%的学生完成了阅读，远远高于对照组的不到40%，对照组分布在20-80%之间。因此，实验组完成AIoT课程的学生比例更高。
五、讨论
我们发现，两组之间与期中测试相同的内容没有显著差异。然而，对于与期中考试不同的内容有较大差异。在仔细观察对比了两组的答案后，我们可以看到实验组的学生采用计算思维，在最终测试中将困难的程序分解为不同的因素和子函数。他们还完成了他们能力范围内的子功能。相比之下，对照组中的大多数学生直接选择放弃回答这些问题。在学习动机评估中，实验组对学习的兴趣较高也是造成期末考试差异巨大的原因之一。研究发现，实验组的学生更全面地考虑了特殊环境下的问题。他们把问题分解成不同的段落和章节，完成了测试。相反，对照组的学生倾向于设计与字段不一致的简单概念或概念，导致分数差异。
六、结论
对于AIoT课程，我们采用基于VR的图像教学方法，让学生充分沉浸在物联网场景和领域的探索和理解中，利用VR平台形式函数将计算思维（CT）纳入绘图规划，并将情节分解为问题分解、问题探索和程序算法。随着情节的进展，学生们熟悉了CT过程。结合AIoT分析平台，进行了物联网算法练习。最后，学生回答了基于情节的问题，以检查他们对算法的熟悉程度，以提高他们因复杂的场景和算法而无法参加物联网课程的学习动机和每次形式。通过最终的学术表现和最终报告，我们可以看到基于情节的VR使学生更熟悉场景，并提高他们的主题完整性和可行性。看完剧情电影后，学生们提高了学习兴趣和整体学习成绩。
但在Alot课程方面，仍有一些问题需要进一步研究。首先，在指导之前，应由讲师完成和划分情节规划，这未能整合学生的主题规划。未来的研究可以尝试让学生参与VR教学材料的规划，这不仅可以帮助扩展VR教学材料，还可以加深学生对CT过程的不足。其次，这项研究将本科生视为其科目。未来的研究可以针对小学生，并结合Scratch和Maker指导，以提高学生的创造力和解决问题的能力。
本文于2021年发表于“Interactive Learning Environments”
DOI: 10.1080/10494820.2019.1580750
转自：“百研工坊”微信公众号
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