基于在線3D教育平臺(tái)的學(xué)習(xí)者行為分析模型研究

吳永和 田雅慧 郭守超 朱麗娟 馬曉玲

摘要：3D設(shè)計(jì)軟件作為STEAM教育領(lǐng)域中的教學(xué)軟件，可以有效培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的空間思維、創(chuàng)新創(chuàng)造、批判性思維與解決問(wèn)題等能力。目前，隨著3D設(shè)計(jì)課程蓬勃發(fā)展，評(píng)價(jià)課程效果成為必然需求，但評(píng)價(jià)主要基于總結(jié)性和形成性評(píng)價(jià)，缺少基于學(xué)習(xí)過(guò)程行為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的評(píng)價(jià)。文章提出使用基于xAPI規(guī)范的3D設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)采集機(jī)制與STEAM 3D教育學(xué)習(xí)者行為分析模型，首先針對(duì)3D設(shè)計(jì)軟件對(duì)微觀“點(diǎn)擊流”和中觀“活動(dòng)流”數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，定義適合3D設(shè)計(jì)平臺(tái)的動(dòng)詞和對(duì)象，獲取學(xué)習(xí)者在3D設(shè)計(jì)平臺(tái)中的全過(guò)程行為數(shù)據(jù)。并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)STEAM 3D教育學(xué)習(xí)者行為分析模型對(duì)小樣本教學(xué)實(shí)踐3D設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期實(shí)現(xiàn)STEAM教育領(lǐng)域中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，提高教與學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：STEAM教育;3D設(shè)計(jì)：xAPI規(guī)范;學(xué)習(xí)行為;教育評(píng)價(jià);行為分析模型

中圖分類(lèi)號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

STEM教育源自美國(guó)，誕生于20世紀(jì)80年代，最初STEM教育的概念是集成科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）以及數(shù)學(xué)（Mathematics）4門(mén)學(xué)科的應(yīng)用型學(xué)科。2007年，英國(guó)“國(guó)家科學(xué)基金研討會(huì)”開(kāi)始討論將藝術(shù)類(lèi)課程也融入其中。自此STEM教育的發(fā)展步入新的階段，由原來(lái)的4門(mén)學(xué)科加上藝術(shù)類(lèi)課程（ARTS）變?yōu)椤癝TEAM”教育。根據(jù)《中國(guó)STEAM教育發(fā)展報(bào)告》中數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)STEAM教育課程種類(lèi)，教學(xué)模式等種類(lèi)繁多，教學(xué)效果難以評(píng)價(jià)。STEAM教育的踐行需要多學(xué)科交叉融合，多維度的頂層設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐的教育模式以及基于案例的課程設(shè)計(jì)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和政策的不斷革新，STEAM教育的教學(xué)場(chǎng)景和培養(yǎng)目標(biāo)也在不斷發(fā)生變化，STEAM教育更加關(guān)注學(xué)生的多方面能力和核心素養(yǎng)的發(fā)展，近幾年3D打印技術(shù)在STEAM教育領(lǐng)域發(fā)展迅速，各種3D設(shè)計(jì)平臺(tái)和相關(guān)資源層出不窮，3D平臺(tái)有3D one、Tinker cad、GeekCAD、3dmax、Maya等。3D打印設(shè)計(jì)平臺(tái)為STEAM教育提供了重要教學(xué)平臺(tái)。3D打印技術(shù)具有跨學(xué)科的特點(diǎn)，可以為學(xué)習(xí)者搭建虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)場(chǎng)景，符合STEAM教育的跨學(xué)科特點(diǎn)，并且可以培養(yǎng)學(xué)生的藝術(shù)設(shè)計(jì)能力和審美能力，3D設(shè)計(jì)需要學(xué)習(xí)者創(chuàng)造設(shè)計(jì)，動(dòng)手操作，在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要用到高階思維能力進(jìn)行分析、綜合、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造。3D設(shè)計(jì)可以同時(shí)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的多種能力，是STEAM教育的良好載體。并且3D打印技術(shù)有豐富的課程案例和課程資源，開(kāi)源免費(fèi)獲取，并且3D設(shè)計(jì)平臺(tái)眾多，為學(xué)習(xí)者提供更廣泛的選擇。眾多3D設(shè)計(jì)軟件學(xué)習(xí)者產(chǎn)生的學(xué)習(xí)者行為數(shù)據(jù)可以為STEAM教育領(lǐng)域數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，本研究可以借助3D在線設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)收集。這些3D在線學(xué)習(xí)平臺(tái)均是通過(guò)學(xué)習(xí)者在平臺(tái)上操作進(jìn)行的3D設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，具有一定共性，通過(guò)收集平臺(tái)數(shù)據(jù)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)分析，把采集、分析與數(shù)據(jù)可視化串聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)。

一、3D設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

目前，在國(guó)內(nèi)一線教學(xué)中，STEAM教育課程評(píng)價(jià)多是老師主觀分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)，對(duì)STEAM教育評(píng)價(jià)大多仍然停留在對(duì)學(xué)習(xí)者的作品進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià)的階段，這導(dǎo)致教學(xué)評(píng)價(jià)具有較強(qiáng)主觀性，缺乏科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)教育數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)評(píng)價(jià)成為亟需解決的問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)研究中，通常把教學(xué)評(píng)價(jià)分為3類(lèi)：總結(jié)性評(píng)價(jià)、診斷性評(píng)價(jià)以及形成性評(píng)價(jià)。而國(guó)內(nèi)STEAM領(lǐng)域中，3D打印設(shè)計(jì)教學(xué)評(píng)價(jià)多為總結(jié)性評(píng)價(jià)以及少量形成性評(píng)價(jià)。其中總結(jié)性評(píng)價(jià)主要從學(xué)習(xí)者最終作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成性評(píng)價(jià)主要從學(xué)習(xí)者實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、知識(shí)技能等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，比較主觀，缺乏數(shù)據(jù)支撐。例如，張陳燕、王莉、潘士杰等人，就分別進(jìn)行了中小學(xué)3D設(shè)計(jì)校本課程的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐研究，但評(píng)價(jià)方法都是通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、訪談、階段性評(píng)價(jià)以及作品最終完成情況等方面對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行課程效果評(píng)價(jià)，缺少過(guò)程性學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)作為支撐。

國(guó)內(nèi)3D打印設(shè)計(jì)教學(xué)評(píng)價(jià)缺少學(xué)習(xí)者行為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)分析是值得解決的問(wèn)題。收集學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)并進(jìn)行量化分析，可以提高教學(xué)評(píng)價(jià)的科學(xué)性并且降低主觀性因素，因此我們需要解決三個(gè)問(wèn)題：?jiǎn)栴}一，如何收集3D設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過(guò)程中的教育數(shù)據(jù);問(wèn)題二，如何針對(duì)3D設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，定義適合3D平臺(tái)的動(dòng)詞和對(duì)象;問(wèn)題三，如何對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)。

二、基于xAPI的3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集

目前，xAPI技術(shù)（原名Tin Can API，是Experience API的簡(jiǎn)稱(chēng)）作為一個(gè)新技術(shù)規(guī)范被使用在學(xué)習(xí)分析領(lǐng)域。xAPI技術(shù)常用在數(shù)字化在線學(xué)習(xí)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，它作為新的學(xué)習(xí)技術(shù)規(guī)范，彌補(bǔ)SCORM標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)共享及個(gè)性化學(xué)習(xí)等方面的局限。目前，使用xAPI技術(shù)收集數(shù)據(jù)的平臺(tái)主要有：各類(lèi)學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)LMS，例如：Moodle平臺(tái);數(shù)字教材平臺(tái);MOOC在線學(xué)習(xí)平臺(tái)等。xAPI技術(shù)在這些數(shù)字化在線學(xué)習(xí)平臺(tái)中發(fā)揮記錄跟蹤數(shù)據(jù)的作用，為學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)表現(xiàn)和學(xué)習(xí)行為分析提供數(shù)據(jù)支持。

在3D設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)領(lǐng)域，同樣可以使用xAPI技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者行為數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄跟蹤，通過(guò)對(duì)在線學(xué)習(xí)行為全過(guò)程數(shù)據(jù)的記錄跟蹤，從而記錄學(xué)習(xí)者在使用平臺(tái)過(guò)程中的操作行為數(shù)據(jù)。本研究通過(guò)xAPI技術(shù)可以收集學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的全過(guò)程數(shù)據(jù)，記錄3D打印課程學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程中的每一條的平臺(tái)操作經(jīng)歷，通過(guò)微觀“點(diǎn)擊流”數(shù)據(jù)，中觀“活動(dòng)流”數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為進(jìn)行量化分析和評(píng)價(jià)。

其中， “點(diǎn)擊流”指的是鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作和操作對(duì)象形成的有意義集合?！盎顒?dòng)流”指的是xAPI規(guī)范中的Statement，包含Actor、Verb和Object等信息。首先，記錄學(xué)習(xí)者在3D打印在線學(xué)習(xí)平臺(tái)中的鼠標(biāo)點(diǎn)擊“微操作”形成的“點(diǎn)擊流”，“微操作”指的是鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作，并基于“點(diǎn)擊流”合成中觀“活動(dòng)流”，最終統(tǒng)計(jì)分析“活動(dòng)流”，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析。通過(guò)從微觀“點(diǎn)擊流”，到中觀“活動(dòng)流”，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的3D設(shè)計(jì)平臺(tái)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)分析，為進(jìn)行學(xué)習(xí)分析和教學(xué)評(píng)價(jià)提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。實(shí)現(xiàn)教學(xué)全過(guò)程的數(shù)據(jù)采集及分析和評(píng)估，將對(duì)衡量3D設(shè)計(jì)平臺(tái)教學(xué)效果具有重要價(jià)值。

1.xAPI規(guī)范

xAPI技術(shù)規(guī)范的誕生，是克服SCORM等標(biāo)準(zhǔn)存在記錄局限等問(wèn)題，增加了可以追蹤更加具體和復(fù)雜的學(xué)習(xí)過(guò)程經(jīng)歷，推動(dòng)了在線學(xué)習(xí)新的發(fā)展。xAPI利用“活動(dòng)流”（Activity Stream）的概念來(lái)記錄每個(gè)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，不僅與SCORM等標(biāo)準(zhǔn)相兼容，而且還可以廣泛應(yīng)用到各種學(xué)習(xí)情境中。xAPI通過(guò)“聲明”（Statement）的形式來(lái)存儲(chǔ)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，每一條“聲明”都包括“Actor”（執(zhí)行者）、“Verb”f動(dòng)作）、“Object”（對(duì)象）這三個(gè)基本屬性?！奥暶鳌边€可以包括“Result”（結(jié)果）、“Context”（環(huán)境）等可選屬性。每一個(gè)屬性都定義了類(lèi)型、屬性值、及描述，來(lái)確保在實(shí)施xAPI規(guī)范時(shí)，數(shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ)遵循統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)。LRS（Learning Record Store）學(xué)習(xí)記錄存儲(chǔ)是xAPI獨(dú)特的存儲(chǔ)機(jī)制，用來(lái)保存學(xué)習(xí)記錄。LRS是使用xAPI技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)記錄的存儲(chǔ)，LRS可以共享和轉(zhuǎn)移。LRS中的數(shù)據(jù)具有可量化，可分享，可追蹤的特性。xAPI可以對(duì)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)做更細(xì)膩的追蹤記錄，所以可以對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)與學(xué)習(xí)者作更深入的剖析。近年來(lái)，有研究者使用xAPI規(guī)范在各類(lèi)學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，為學(xué)習(xí)平臺(tái)的學(xué)習(xí)分析提供了新的技術(shù)支持。例如：方海光等人，基于xAPI技術(shù)對(duì)在線交互式的學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析;肖君等人，基于xAPI技術(shù)對(duì)MOOC平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

2.3D數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

本文以GeekCAD 3D設(shè)計(jì)平臺(tái)為例，GeekCAD是一個(gè)在線3D設(shè)計(jì)平臺(tái)，學(xué)習(xí)者使用瀏覽器就可以在線進(jìn)行3D設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)平臺(tái)包含二維對(duì)象17個(gè)、三維對(duì)象14個(gè)、命令101個(gè)以及其他元素。打開(kāi)GeekCAD在線3D設(shè)計(jì)平臺(tái)界面，點(diǎn)擊“開(kāi)始創(chuàng)作”進(jìn)入GeekCAD 3D設(shè)計(jì)平臺(tái)操作界面如圖1所示。操作界面包含：一維對(duì)象區(qū)、命令區(qū)、工作區(qū)。

學(xué)習(xí)者在進(jìn)行3D課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，使用xAPI規(guī)范的3D設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)采集與反饋模型可以記錄學(xué)習(xí)者操作數(shù)據(jù)。教師借助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程的行為數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)分析和教學(xué)評(píng)價(jià)。通過(guò)參考xAPI的相關(guān)規(guī)范，可以收集學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為的全過(guò)程真實(shí)數(shù)據(jù)，首先對(duì)學(xué)習(xí)行為“微操作”進(jìn)行編碼分類(lèi)，通過(guò)對(duì)“微操作”的鼠標(biāo)“點(diǎn)擊流”合成，進(jìn)一步形成“活動(dòng)流”，再對(duì)“活動(dòng)流”進(jìn)行分類(lèi)分析，可以更加精準(zhǔn)地量化評(píng)估學(xué)習(xí)者在3D打印設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中的行為頻次和偏好。在跟蹤學(xué)習(xí)經(jīng)歷時(shí)，使用xAPI規(guī)范技術(shù)收集數(shù)據(jù)，并且使用免費(fèi)開(kāi)源的LRS用來(lái)存儲(chǔ)和檢索學(xué)習(xí)經(jīng)歷數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為Json格式。

3D設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)采集與反饋模型首先將GeekCAD 3D在線操作平臺(tái)數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器并存儲(chǔ)于LRS數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)對(duì)LRS數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析形成分析報(bào)表，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的STEAM教育3D設(shè)計(jì)課程教學(xué)效果評(píng)價(jià)。并且xAPI規(guī)范的移植性好，適合各類(lèi)3D設(shè)計(jì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集，其中數(shù)據(jù)采集反饋系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

3.3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與編碼

目前，STEAM教育中應(yīng)用的3D設(shè)計(jì)平臺(tái)大多數(shù)都是通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊和輸入等操作完成作品制作，學(xué)習(xí)過(guò)程通過(guò)學(xué)習(xí)者操作得以實(shí)現(xiàn)，適合使用xAPI技術(shù)跟蹤捕獲學(xué)習(xí)者操作過(guò)程。本研究數(shù)據(jù)采集有效字段包含6個(gè)字段，這6個(gè)字段包括Actor、Verb、Object、Timestamp、Result、Context，其中有三個(gè)必選字段，三個(gè)可選字段。在這些字段中包含學(xué)習(xí)者信息、操作時(shí)間、操作對(duì)象、操作情景等信息。其中Verb動(dòng)詞字段里的信息包含“微操作+操作命令”的信息。在3D設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)習(xí)者為執(zhí)行者，是活動(dòng)的主體;動(dòng)作代表行為類(lèi)型，比如觀看、點(diǎn)擊等。與xAPI運(yùn)用在其他在線學(xué)習(xí)平臺(tái)直接獲取活動(dòng)流不同，xAPI規(guī)范在Moodle等其他在線學(xué)習(xí)平臺(tái)中進(jìn)行的數(shù)據(jù)收集機(jī)制以及動(dòng)詞和對(duì)象不適用于3D設(shè)計(jì)平臺(tái)，因此在3D設(shè)計(jì)中，我們單獨(dú)定義了適合于3D設(shè)計(jì)平臺(tái)的動(dòng)詞和對(duì)象集合;對(duì)象通常是學(xué)習(xí)者與之交互的對(duì)象，比如經(jīng)驗(yàn)、表現(xiàn)，也可以是一個(gè)有形的物體，比如圖片、命令等。并對(duì)要收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，編碼用英文縮寫(xiě)表示，編碼一方面是定義針對(duì)3D設(shè)計(jì)平臺(tái)的Actor、Verb以及Object，另一方面是方便數(shù)據(jù)收集和處理。

在STEAM領(lǐng)域的3D設(shè)計(jì)平臺(tái)中，由于學(xué)習(xí)行為動(dòng)作粒度比其他在線學(xué)習(xí)平臺(tái)更細(xì)，細(xì)化到鼠標(biāo)操作層面，因此增加一層“微操作”，即微觀鼠標(biāo)“點(diǎn)擊流”。在3D設(shè)計(jì)平臺(tái)中，我們以GeekCAD 3D設(shè)計(jì)平臺(tái)為例定義了“微操作”，動(dòng)詞和對(duì)象的合集，由于收集的數(shù)據(jù)是基于“微操作”進(jìn)行的。首先對(duì)“微操作”進(jìn)行編碼，通過(guò)“微操作+操作命令”的“點(diǎn)擊流”就可以知道動(dòng)詞Verb和對(duì)象Object，從而獲得“活動(dòng)流”。其中“微操作”的編碼如表1所示，“操作命令”的編碼如表2所示。其中動(dòng)詞合集如下頁(yè)表3所示，列出的動(dòng)詞僅為本篇文章案例分析所涉及的動(dòng)詞，對(duì)象合集如下頁(yè)表4所示。

三、3D學(xué)習(xí)者行為分析模型

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的3D教育學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，首先要在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)3D設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)的收集，其次要構(gòu)建3D教育學(xué)習(xí)者行為分析模型，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供分析依據(jù)和理論指導(dǎo)。構(gòu)建STEAM 3D教育學(xué)習(xí)者行為分析模型，首先需要了解STEAM教育培養(yǎng)目標(biāo)。STEAM教育強(qiáng)調(diào)4C核心能力：創(chuàng)造創(chuàng)新能力（Creativity and Innovation）、批判性思維與解決問(wèn)題能力（Critical Thinking）、溝通交流能力（Communication）、合作協(xié)作能力（Collaboration）。4C能力由美國(guó)21世紀(jì)技能學(xué)習(xí)聯(lián)盟（United States-based Partnership for 21Century Skills）提出，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的21世紀(jì)人才培養(yǎng)必備的能力。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者將STEAM教育的培養(yǎng)目標(biāo)與4C能力對(duì)接，進(jìn)行課程開(kāi)發(fā)的研究。3D教育學(xué)習(xí)者行為分析模型可以基于學(xué)習(xí)者的行為數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果和能力發(fā)展做出初步判斷，目的在于了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，評(píng)估學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)度，幫助教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和學(xué)習(xí)過(guò)程中的潛在問(wèn)題，以便更好地調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)內(nèi)容。分析模型結(jié)合x(chóng)API數(shù)據(jù)規(guī)范，布魯姆認(rèn)知行為分類(lèi)以及STEAM 4C能力三方面內(nèi)容進(jìn)行構(gòu)建。3D教育學(xué)習(xí)者行為分析模型將行為分為三類(lèi)，低級(jí)階段學(xué)習(xí)行為、中級(jí)階段學(xué)習(xí)行為以及高級(jí)階段學(xué)習(xí)行為。3D教育學(xué)習(xí)者行為分析模型具有多階段、多能力的分析特點(diǎn)。其中多階段主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中為解決不同問(wèn)題而采取的操作，具有不同的認(rèn)知加工階段特點(diǎn)。多能力主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中為解決不同問(wèn)題而采取的操作具有培養(yǎng)學(xué)生各項(xiàng)能力的特點(diǎn)。具體分析模型如表5所示。

1.低階學(xué)習(xí)行為包括各種基本確認(rèn)和刪除操作或者不構(gòu)成意義的鼠標(biāo)操作。這些操作體現(xiàn)了學(xué)習(xí)者對(duì)電腦的基本操作能力和在線3D平臺(tái)的使用能力，屬于低階段基本能力。這些操作行為為學(xué)習(xí)者進(jìn)行更深層次的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，屬于準(zhǔn)備工作。對(duì)比其他操作，這些操作需要較少的認(rèn)知加工過(guò)程和思考過(guò)程。

2.中階學(xué)習(xí)行為包括二維、三維圖形構(gòu)建和對(duì)圖形在畫(huà)布上的大小和方位的調(diào)整和判斷。中階行為主要是指學(xué)習(xí)者對(duì)圖形進(jìn)行意義建構(gòu)的過(guò)程，包括形狀，大小和方位。因此涉及到圖形建構(gòu)，和調(diào)整圖形大小和方位的操作，都體現(xiàn)了學(xué)習(xí)者的空間思維能力。

3.高階學(xué)習(xí)行為包括培養(yǎng)創(chuàng)造創(chuàng)新能力、批判性思維與解決問(wèn)題能力、溝通交流能力和合作協(xié)作能力。對(duì)二維、三維圖形的組合、變換，或者自己進(jìn)行超出課堂教學(xué)內(nèi)容的平臺(tái)操作行為等，以及創(chuàng)作有實(shí)際意義的具有個(gè)人風(fēng)格的二維或者三維實(shí)物可以培養(yǎng)創(chuàng)造創(chuàng)新能力。其中，對(duì)基本二維和三維圖形的改造能力，可以體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)造力;制作有意義的實(shí)物，可以體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)作能力;自己進(jìn)行超出課堂教學(xué)內(nèi)容的平臺(tái)操作行為，改造作品，屬于創(chuàng)新能力。批判性思維與解決問(wèn)題能力可以通過(guò)學(xué)習(xí)者的自省操作體現(xiàn)，例如頻繁使用視圖操作（底視、右視、前視、左視）來(lái)觀察作品的外觀，解決瑕疵問(wèn)題和美化作品。或者通過(guò)ssc（展示）操作觀看作品效果，通過(guò)hvgc（隱藏視圖網(wǎng)格）觀看無(wú)網(wǎng)格的作品效果等。

四、教學(xué)案例的學(xué)習(xí)者行為分析

本研究在GeekCAD 3D平臺(tái)上進(jìn)行，以案例教學(xué)的方式進(jìn)行課程，共有15名學(xué)習(xí)者參加，15名學(xué)習(xí)者均具備基本的軟件操作能力和空間設(shè)計(jì)能力，對(duì)這15名學(xué)習(xí)者每個(gè)學(xué)習(xí)者完成任務(wù)使用的10到16個(gè)操作進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)采集分析流程如圖3所示。學(xué)生的作品案例如圖4所示。

通過(guò)Actor字段我們可以得知學(xué)習(xí)者的編號(hào)，通過(guò)Verb動(dòng)詞字段里的“微操作+操作命令”點(diǎn)擊流信息，可以得知Verb，通過(guò)Object得知操作對(duì)象。舉例說(shuō)明如下，首先Actor字段得到編號(hào)為“508977”的信息，確定學(xué)習(xí)者身份;其次，通過(guò)Verb動(dòng)詞字段里的鼠標(biāo)“點(diǎn)擊流”，例如“鼠標(biāo)左擊（LC）+復(fù)制命令”可以得知Verb為“復(fù)制”;通過(guò)Object對(duì)象字段里的信息得知操作對(duì)象是二維圖形矩形。由此可知，這條Statement活動(dòng)流表示編號(hào)為“508977”的學(xué)習(xí)者復(fù)制了一個(gè)矩形。針對(duì)某一個(gè)Actor，當(dāng)多條Statement活動(dòng)流按時(shí)間順序跟蹤記錄存儲(chǔ)之后，就可以分析這-Actor在3D操作平臺(tái)中完成3D設(shè)計(jì)作品的每一步操作過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)STEAM教育學(xué)習(xí)全過(guò)程行為數(shù)據(jù)收集，為學(xué)習(xí)行為的定量分析和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

本文分別對(duì)編號(hào)為“508977”的單個(gè)學(xué)習(xí)者的操作頻次和15名學(xué)習(xí)者的總操作頻次做了統(tǒng)計(jì)。編號(hào)為“508977”的單個(gè)學(xué)習(xí)者操作頻次如圖5所示，15名學(xué)習(xí)者的總操作頻次如圖6所示。在此基礎(chǔ)上根據(jù)3D學(xué)習(xí)者行為分析模型，對(duì)操作頻次進(jìn)行能力劃分和認(rèn)知階段劃分。所得結(jié)果如下頁(yè)圖7-圖10所示。

從圖6中可以看出，對(duì)于全體學(xué)習(xí)者co、end、ki、start等操作次數(shù)最多。其中，bvi（底視）、hsc（隱藏）、rvi（右視）、lvi（左視）、tvi（俯視）、fvi（前視）等操作使用較少個(gè)體操作頻次基本符合全體操作頻次規(guī)律。

從圖7和圖9可以看出，對(duì)于個(gè)體和全體學(xué)習(xí)者而言，本次教學(xué)中對(duì)于低階行為和高階的行為訓(xùn)練比較明顯，對(duì)于中階行為操作的次數(shù)不夠多，教師在進(jìn)行作品教學(xué)過(guò)程中，可以進(jìn)一步加入更多中階操作，對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行教學(xué)。

從圖8和圖10可以看出，對(duì)于個(gè)體和全體學(xué)習(xí)者而言，本次教學(xué)中對(duì)于四種能力均能進(jìn)行訓(xùn)練，其中對(duì)基本操作能力的訓(xùn)練占了很大一部分，對(duì)批判思維與解決問(wèn)題能力的訓(xùn)練也有所體現(xiàn)。隨著課程難度的不斷加深，教師在教學(xué)習(xí)者制作作品時(shí)，可以多加入有關(guān)空間思維的操作，例如制定作品的大小、方位和所包含的基本形狀等要求，同時(shí)盡可能多地給予學(xué)生制作作品的自主權(quán)，例如制作桌椅，可以讓學(xué)生自由發(fā)揮制作的桌椅種類(lèi)、個(gè)數(shù)和外觀等，讓學(xué)生有發(fā)揮自己創(chuàng)新創(chuàng)造能力的機(jī)會(huì)。基于平臺(tái)行為數(shù)據(jù)和STEAM 3D學(xué)習(xí)者行為分析模型，教師可以更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，通過(guò)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)反饋及時(shí)調(diào)整課程進(jìn)度和課程內(nèi)容，提升3D教育效果。

五、結(jié)語(yǔ)

本研究使用xAPI規(guī)范的3D設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)采集機(jī)制與基于xAPI的3D學(xué)習(xí)者行為分析模型，并將此模型應(yīng)用于GeekCAD 3D設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)編碼的方式獲取學(xué)習(xí)者在3D設(shè)計(jì)課程中全過(guò)程的行為數(shù)據(jù)，通過(guò)微觀“點(diǎn)擊流”和中觀“活動(dòng)流”還原學(xué)習(xí)者在平臺(tái)學(xué)習(xí)全過(guò)程的操作行為。并以小樣本的教學(xué)實(shí)踐為例，對(duì)STEAM教育中3D設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)過(guò)程行為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)利用學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程行為數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)分析及評(píng)價(jià)。通過(guò)分析收集到的學(xué)習(xí)者行為數(shù)據(jù)分析學(xué)習(xí)者的操作行為和頻次，可以驗(yàn)證通過(guò)xAPI相關(guān)技術(shù)收集和分析3D設(shè)計(jì)課程中學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)的可行性，為學(xué)校和教師獲取學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過(guò)程性數(shù)據(jù)、量化分析及評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)者3D設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)效果提供借鑒。

后續(xù)研究可以結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)背景進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，收集微觀“點(diǎn)擊流”和中觀“活動(dòng)流”數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)不僅可以了解學(xué)習(xí)者進(jìn)行二維操作和三維操作的次數(shù)和偏好以及學(xué)習(xí)者的能力培養(yǎng)的情況，還可以通過(guò)操作的時(shí)間序列進(jìn)一步了解學(xué)習(xí)個(gè)體的學(xué)習(xí)軌跡，更加客觀地了解學(xué)習(xí)者的能力發(fā)展變化情況?；趚API的STEAM 3D學(xué)習(xí)者行為分析模型具有學(xué)習(xí)分析價(jià)值和教學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)用價(jià)值。后續(xù)可以將xAPI規(guī)范的數(shù)據(jù)采集機(jī)制和STEAM學(xué)習(xí)者行為分析模型運(yùn)用到STEAM教育領(lǐng)域更多不同的教育場(chǎng)景中，通過(guò)學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)，分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果和能力發(fā)展情況，實(shí)現(xiàn)STEAM教育領(lǐng)域數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)分析和評(píng)價(jià)。

*本文系國(guó)家新聞出版署教育內(nèi)容產(chǎn)品互聯(lián)網(wǎng)傳播與營(yíng)銷(xiāo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題“基于學(xué)習(xí)分析的用戶(hù)學(xué)習(xí)能力模型構(gòu)建”（項(xiàng)目編號(hào)：14108-412312-19023）、上海市人力資源和社會(huì)保障局（上海市浦江人才計(jì)劃項(xiàng)目）“基于教育大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)分析教育應(yīng)用創(chuàng)新研究”（項(xiàng)目編號(hào)：14PJC034）的研究成果。