基于多源數(shù)據(jù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目改進(jìn)方法研究

邵長金，楊東杰，趙 利，楊振清，周廣剛

(1.中國石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249；2.北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，北京 100088)

教育部對認(rèn)定的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)國家一流本科課程提出了明確要求，即持續(xù)改進(jìn)、持續(xù)開放服務(wù)和持續(xù)監(jiān)管。實(shí)驗(yàn)空間(http://www.ilab-x.com/)推出了人氣指數(shù)、互動(dòng)指數(shù)、好評指數(shù)、吸引力指數(shù)四個(gè)排行榜對平臺上的項(xiàng)目進(jìn)行評價(jià)，一些專家和學(xué)者也對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的持續(xù)改進(jìn)問題給予了關(guān)注[1-5]。實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的頁巖氣物理吸附解吸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)獲得國家首批一流本科課程，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，對項(xiàng)目改進(jìn)情況進(jìn)行介紹。

1 項(xiàng)目內(nèi)容及操作環(huán)節(jié)分解

頁巖氣物理吸附解吸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是以頁巖氣開發(fā)工程為背景，依托大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程。主要是闡述頁巖氣開發(fā)工程中的物理吸附問題。從物理學(xué)角度看，不論是游離態(tài)還是吸附態(tài)的頁巖氣，其運(yùn)動(dòng)都受到分子間作用力(范德華力)的控制，可以用氣體分子動(dòng)理論來解釋。項(xiàng)目只涉及物理吸附，突出的是物理概念。本項(xiàng)目包括對實(shí)物測試系統(tǒng)工作流程的仿真及物理吸附的分子動(dòng)力學(xué)機(jī)理兩個(gè)部分，如圖1所示。

項(xiàng)目分三個(gè)單元，一是頁巖氣物理吸附解吸實(shí)驗(yàn)操作；二是頁巖氣物理吸附的微觀機(jī)理解釋；三是實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及報(bào)告。物理吸附實(shí)驗(yàn)操作部分能夠進(jìn)行360°全方位的展示，并搭配文字說明，讓用戶達(dá)到真實(shí)認(rèn)知的效果吸附機(jī)理模擬模塊，需要系統(tǒng)構(gòu)建吸附模型，通過模擬樣品氣體吸附模型分子微觀結(jié)構(gòu)，展示范德華力在物理吸附中的作用，從而使學(xué)生探索頁巖氣吸附/解吸平衡的物理本質(zhì)。

圖1 物理吸附解吸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)完全采用鼠標(biāo)鍵盤操作。實(shí)驗(yàn)界面各模塊一目了然，對提示點(diǎn)擊內(nèi)容采用高亮處理，方便學(xué)生操作。交互性操作步驟設(shè)計(jì)為17個(gè)。為了后期有針對性的改進(jìn)項(xiàng)目，我們把整個(gè)操作環(huán)節(jié)進(jìn)行了分解，如表1所示，為頁巖氣物理吸附虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)分解。

表1 頁巖氣物理吸附解吸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)分解

從表1中可以看出，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，實(shí)驗(yàn)流程和操作環(huán)節(jié)多，對學(xué)生的要求比較高，這有利于物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的訓(xùn)練和提高。為了讓學(xué)生把精力集中到物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)本身問題上，我們需要對各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，不斷地進(jìn)行改進(jìn)。

2 基于過程性數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改進(jìn)分析

2020年春季，由于新冠肺炎疫情的影響，很多學(xué)校采用了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，為項(xiàng)目提供了800名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一般需要4個(gè)學(xué)時(shí)才能完成，考慮到實(shí)際虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生思考時(shí)并不需要操作動(dòng)作，因此學(xué)生的操作動(dòng)作時(shí)間累積，有可能在1～3 h左右，其余的時(shí)間可能是在思考。我們把獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照操作總時(shí)長進(jìn)行篩選，對于操作動(dòng)作時(shí)長在一小時(shí)以下的都過濾掉，只保留1～4 h的學(xué)生數(shù)據(jù)，共有664個(gè)，對這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)空間網(wǎng)站上是自由注冊，并根據(jù)各自的時(shí)間分散地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此學(xué)生樣本具有隨機(jī)性和代表性。

因篇幅限制，僅以第7步中的“關(guān)閉多通閥E2”操作為例進(jìn)行說明。對664個(gè)樣本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

(a)操作所用時(shí)長統(tǒng)計(jì)

(b)鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖2 關(guān)閉多通閥E2操作的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2(a)為操作所用時(shí)長的統(tǒng)計(jì)直方圖，最短用時(shí)0.42 s，最長用時(shí)88.8 s，平均用時(shí)5.7 s，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.2 s，統(tǒng)計(jì)偏度值為7.0。大部分(594/664)同學(xué)的用時(shí)都在10 s內(nèi)，20 s內(nèi)的比例為649/664。圖2(b)為操作過程鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)的統(tǒng)計(jì)直方圖，絕大部分(615/664)同學(xué)的點(diǎn)擊次數(shù)都在5次以內(nèi)，但也有一些同學(xué)點(diǎn)擊超過20次，說明這部分同學(xué)沒有找到操作按鈕，在隨意點(diǎn)擊。根據(jù)項(xiàng)目的初始設(shè)計(jì)，只要使用者有一次鼠標(biāo)點(diǎn)擊正確，實(shí)驗(yàn)就會(huì)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)操作環(huán)節(jié)，因此，鼠標(biāo)點(diǎn)擊次數(shù)的增加，意味著操作者的鼠標(biāo)點(diǎn)擊正確率會(huì)逐漸下降，多于一次的鼠標(biāo)點(diǎn)擊，意味著均出現(xiàn)了錯(cuò)誤的操作。

“關(guān)閉多通閥E2”只是一個(gè)點(diǎn)擊鼠標(biāo)的簡單操作，為什么有這么多同學(xué)花了很長時(shí)間卻依然出錯(cuò)呢？和學(xué)生溝通發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理中對多通閥E2的關(guān)閉操作描述及意義是明確的，問題可能出現(xiàn)在多通閥E2的仿真上。在實(shí)物多通閥中，操作者可以看到立體的閥門，E2閥門在多通閥的后面(圖3a)，需要時(shí)可以繞到后面進(jìn)行操作。但在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，雖然在仿真時(shí)都是三維可視化的，但操作者往往不習(xí)慣場景的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致E2閥門操作容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

(a)多通閥實(shí)物

(b)多通閥仿真圖3 多通閥E2的仿真設(shè)置

按照相同的方法，我們對表1中的各個(gè)操作環(huán)節(jié)，均可以統(tǒng)計(jì)分析使用者的過程性數(shù)據(jù)，由此得到操作用時(shí)較長、出現(xiàn)錯(cuò)誤較多的環(huán)節(jié)，為后續(xù)項(xiàng)目的改進(jìn)提供了依據(jù)。

利用過程性數(shù)據(jù)的好處是：通過程序設(shè)計(jì)，可以針對實(shí)驗(yàn)的任何環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測，給出的數(shù)據(jù)定量化程度高。但由于需要記錄每一位用戶的操作過程數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)記錄量非常龐大，這為后續(xù)的統(tǒng)計(jì)工作帶來很大困難，我們在實(shí)際統(tǒng)計(jì)中就出現(xiàn)了溢出Excel表的情況，往往需要對用戶分批次統(tǒng)計(jì)。

3 基于眼動(dòng)儀的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改進(jìn)分析

在2019年11月到2020年1月份期間，利用眼動(dòng)儀對頁巖氣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了測試。在測試設(shè)計(jì)中，采用了背靠背的方式，由輔導(dǎo)員聯(lián)系二十幾位志愿測試者，以免對被測試人員產(chǎn)生潛在的引導(dǎo)和影響，以確保數(shù)據(jù)的客觀性。

眼動(dòng)儀是根據(jù)瞳孔和角膜反射原理追蹤眼球關(guān)注點(diǎn)的設(shè)備。利用紅外攝像頭將眼球運(yùn)動(dòng)捕捉下來，和場景視頻錄像進(jìn)行疊加，通過眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)軟件分析，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出眼球的水平和垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)間、位移、速度及瞳孔直徑、注視位置等數(shù)值。由于眼動(dòng)儀可反映視覺聚焦的情況，近幾年被應(yīng)用于教學(xué)評價(jià)，取得很好的效果[6-8]。我們選擇表1中“實(shí)驗(yàn)儀器認(rèn)知”的兩個(gè)操作流程進(jìn)行了眼動(dòng)儀測試，16位測試者的平均結(jié)果列入表2中，熱點(diǎn)追蹤圖如圖4。

(a)

(b)圖4 眼動(dòng)儀追蹤的熱點(diǎn)圖

表2 眼動(dòng)儀測試結(jié)果

由表2可知，在兩個(gè)階段778.8秒的測試時(shí)間內(nèi)，測試者的平均注視時(shí)間達(dá)到208.1 s，這一比例高于我們用相同設(shè)備在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中所測的數(shù)值情況[9]，反映出測試者對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的興趣較高，注意力更加集中。在樣品制備儀器認(rèn)知測試階段，注視時(shí)間為103.5 s，占測試時(shí)長的28%，圖4(a)也反映出在該階段關(guān)注熱點(diǎn)集中在烘箱上(圖中顯示為高亮的紅點(diǎn))。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析表明，這103.5 s的注視時(shí)間內(nèi)，其中有41.87 s集中在熱點(diǎn)區(qū)域(儀器熱點(diǎn)占38.45 s，左下角的操作提示占3.42 s)，其余的關(guān)注時(shí)間都分散在畫面的其他區(qū)域，說明烘箱、電子天平、粉碎機(jī)的布放位置較好、仿真度較高，能夠充分吸引測試者的注意力。實(shí)驗(yàn)設(shè)備認(rèn)知階段，注視時(shí)間為104.6 s，占測試時(shí)長的26%，與前一測試階段相比較，本階段關(guān)注點(diǎn)較分散，表現(xiàn)在圖4(b)中熱點(diǎn)范圍很大，沒有突出的高亮點(diǎn)。通過分析，初步認(rèn)為形成這種情況的原因在測試系統(tǒng)設(shè)備較多，而且每一件設(shè)備對于學(xué)習(xí)者來講都是新鮮的，造成關(guān)注熱點(diǎn)被平均化，這也從側(cè)面提示我們：在后續(xù)改進(jìn)中，應(yīng)該在每一幅仿真畫面中，集中突出2～3件設(shè)備，不要集中放在一起。

4 基于生理數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)改進(jìn)分析

測試者進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用心率測試儀和血氧儀可以同時(shí)測量心跳和血氧情況，給出一些伴隨性生理數(shù)據(jù)，它們從人體生理角度側(cè)面反映了測試者的活動(dòng)狀態(tài)和劇烈程度，并用來反映人體的情感狀態(tài)[10-12]。我們采用的測試方法為：選擇右手傾向者作為被測試者，在左手佩戴指夾式脈搏血氧儀，不影響右手操作鼠標(biāo)。在脈搏血氧儀記錄的同時(shí)，對操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行錄像，以便將脈搏血氧儀記錄數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)相對應(yīng)。圖5給出部分測試者的心率和血氧量數(shù)據(jù)，為了集中顯示曲線形態(tài)，圖中的縱坐標(biāo)值依次進(jìn)行了偏移(心率偏移值為60，血氧量偏移值為10)。

(a)心率變化

(b)血氧含量變化圖5 心率和血氧量數(shù)據(jù)

由于條件限制，初期實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了指夾式脈搏血氧儀，對簡單的指夾式或腕式便攜儀器，由于只能記錄心率數(shù)值，無法提供波形圖，因此，其特征參數(shù)只能用頻率值來反映，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件改進(jìn)時(shí)，可用采樣頻率較高的心率檢測儀器，則可以分析心率變異性數(shù)據(jù)。

從圖5可以看出，由于測試者個(gè)體身體條件不同，個(gè)體間心率和血氧量變化差異較大；但對某個(gè)體而言，如將其心率和血氧量變化曲線畫在一起，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)較好，一般心率升高(峰值)對應(yīng)于血氧量下降(谷值)。將個(gè)體心率峰值和仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對應(yīng)起來，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3。在測試的整個(gè)時(shí)間段內(nèi)(6 201 s)，平均心率為72.7次/分鐘，平均血氧量為96.9%，而在表3中的3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，心率均高于平均值，形成心率曲線上的極大值；血氧量均低于平均值，形成血氧量曲線上的極小值，初步認(rèn)定測試者在這3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的操作環(huán)節(jié)上，生理活動(dòng)強(qiáng)度出現(xiàn)極大值，反映這些環(huán)節(jié)的內(nèi)容需要實(shí)驗(yàn)者投入較大，一方面可能是內(nèi)容本身難度的問題，也可能是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)不夠合理，這同樣為后續(xù)改進(jìn)提供了參考。

需要指出的是，由于目前心率和血氧量技術(shù)的限制，心率/血氧量特征參數(shù)本身誤差較大，因此，它們和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的對應(yīng)關(guān)系存在較大的不確定性，只能作為一種輔助參考。

表3 生理數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的對應(yīng)關(guān)系

5 結(jié) 論

把頁巖氣物理吸附解吸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了操作環(huán)節(jié)分解，通過664名學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)分析，可以對仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的各個(gè)部分給出是否合理的定量依據(jù)。眼動(dòng)儀數(shù)據(jù)可以很好地反映測試者的興趣熱點(diǎn)和關(guān)注程度，給出具體的改進(jìn)點(diǎn)。把實(shí)驗(yàn)過程中的生理數(shù)據(jù)與伴隨性過程數(shù)據(jù)、眼動(dòng)儀等相結(jié)合，完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)性改進(jìn)點(diǎn)的評估，為后續(xù)構(gòu)建以情緒、行為、能力等作為評價(jià)指標(biāo)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目評價(jià)方法提供基礎(chǔ)。