邓 勇，唐 祯，周炫余，卢 笑，李 璇

（1.湖南师范大学 教育科学学院，湖南 长沙 410006；2.湖南师范大学 工程与设计学院，湖南 长沙 410006）

教育神经科学是将教育科学、认知科学、神经科学等学科知识与技能整合起来，研究人类教育现象及其一般规律的一门新兴交叉学科[1]。目前，许多教育学二级学科领域在教育神经科学的启发下正大量开展与教学实践问题相关的神经科学研究，如特殊儿童的早期干预实验。但是，此类实验常常面临着伦理、特殊被试难以招募、特殊环境难以真实呈现、仪器昂贵等问题[2-3]。

随着计算机网络和虚拟现实等技术的迅猛发展和普及，虚拟仿真技术被广泛应用于实验教学中。虚拟仿真技术具有不受时空限制、成本低、可重复使用等优点，很好地对真实实验进行了补充。

湖南师范大学以充分响应“世界一流，国家急需”的特殊教育创新型科研人才和创业型实践人才培养为导向，在教育神经科学视域下，依托湖南省认知与人类重点实验室、湖南师范大学认知科学研究中心等单位，利用湖南师范大学教育学科的优质资源，紧握信息化革命浪潮带来的机遇，将虚拟仿真技术引进特殊儿童早期干预实验教学中，建立了数学学习困难儿童早期干预虚拟仿真实验平台。通过虚拟仿真实验教学手段，构建了高仿真实验室环境，既解决真实实验招募人数难以达到、场景要求严格、流程复杂的问题[4]；又将复杂实验过程可视化，增强学生主观能动性，降低了因构建真实实验场景而消耗的成本，为人工智能与教育神经科学的深度融合、学生在自主学习中概念性思维的提升和创新活动的开展创造了条件[5]。

1 虚拟仿真实验的设计背景与目的

1.1 设计背景

数学学习困难（mathematics learning disability,MLD）是指由于数学能力上的缺陷而导致学生在数学学习上明显落后于同龄人水平的现象[6]。美、德、印度、以色列以及中国的流行病学研究表明，该病的流行率约为3%～6.5%，合计患病人数达数百万。由此推测，中国有相当一部分青少年正在遭受数学学习困难的困扰[7]。该病的一个重要临床表现为数学认知能力缺陷，而经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）技术对人类认知数学的过程有调节作用[8]。该技术对认知能力的提高可以通过事件相关电位（event-related potential，ERP）这一指标来进行判断。对于特殊教育专业的学生来说，重复进行以数学学习困难儿童干预为代表的经典实验是很有价值的教学内容，可加强学生对tDCS 干预特殊儿童认知功能过程的感性认识，并使学生在体验特殊儿童早期干预实验过程中加强对实验规范的了解。

然而，真实实验教学往往需要招募大量特殊儿童作为实验对象。通常情况下，不仅实验对象招募人数难以达到要求，而且真实实验对实验环境和实验员的要求很高。一方面，对于尚为新手的特殊教育专业学生来说，实验难度较大，操作较为复杂，难以一次成功；另一方面，对于被招募的特殊儿童来说，实验过程中难以对其进行控制，且很容易对被试造成生理或心理上的伤害，导致获取的实验数据不准确。因此，在特殊教育早期的干预实验教学中，较少要求学生对此类实验进行真实操作。

利用虚拟仿真技术为学生营造一个虚拟的真实场景，很好地解决了真实实验受限的问题，为教学实践提供了新思路。在教育神经科学的背景下，虚拟仿真技术被运用于国内外心理学的多个分支领域，并产生了重要影响和重大研究成果。例如，国外临床治疗恐高疟和社交恐惧症等研究课题，以及国内华中师范大学国家级心理与行为虚拟仿真实验教学中心在虚拟认知心理实验等多个子模块下进行的课题研究[9]。因此，在特殊儿童早期干预实验中充分利用虚拟仿真技术已成为一个重要趋势。

开展数学学习困难儿童早期干预虚拟仿真实验平台建设，构建信息化虚拟平台，将复杂的ERP 和tDCS干预实验流程以虚拟仿真实验来实现，可以使学生在一个生动、交互的虚拟环境中开展多次经济、安全的实验，形成tDCS 干预实验对被试认知功能促进作用的感性认识，体验干预过程的必要行为规范。并且，虚拟仿真实验能引导学生学习和研究实验整个流程，掌握真实实验可能会遇到的问题，对于提升学生的概念性思维能力和主观能动性、降低培养成本，以及融合人工智能与教育神经科学具有重要意义。

1.2 设计目的

1.2.1 构建高仿真实验环境，提升特殊教育和心理学专业实践教学效果

虚拟仿真实验是指在计算机系统的控制下，营造一个与真实场景相似的虚拟实验环境，从而使实验者在近似真实的环境中完成指定任务。在这样一个高度逼真的环境中，实验者获得了更为广泛的学习体验，所取得的学习或训练效果往往等价于甚至优于在真实环境中取得的效果[10]。数学学习困难儿童早期干预虚拟仿真教学平台基于教育神经科学视域，深度融合了“特殊儿童早期干预”和“实验儿童心理学”这两门核心课程的重要内容，通过在高仿真环境下进行实验，加深了特殊教育专业学生对于tDCS 干预特殊儿童认知功能的感性认识，增强了学生在遇到问题时进行自主解决的能力，提升了特殊教育和心理学专业的实践教学效果。

1.2.2 可视化复杂实验过程，增强学生主观能动性

传统教学过程往往采用教材进行知识的传授，教材里复杂、抽象的过程以及原理，难免会扼杀学习者的兴趣，使其感到枯燥，甚至产生厌烦心理。将虚拟仿真技术运用于教学中，不仅能提高学生的积极性，还能培养创新能力[11]。本文将复杂的ERP 和tDCS 干预实验用可视化的方式呈现，使学生产生身临其境之感，可以挖掘学生潜意识中对科学研究的兴趣；并且，虚拟教师以游戏方式与学生进行互动，引导学生完成实验平台的搭建，增强学生的主观能动性[12]。因此，利用虚拟仿真平台进行实验教学，能够激发学生的求知欲，充分发挥学生在实验教学过程中的主体作用。

1.2.3 以虚补实，降低培养成本

虚拟仿真实验室是一个成本低、效率高的平台[13]，通过构建逼真的实验操作环境和合适的实验对象，很好地解决了实验操作环境要求过高、实验对象难以招募以及实验过程中可能因为不当操作而产生的伦理问题，对于高成本、高消耗的综合型实验项目，起到了节约成本的作用[14]。以“虚”为手段，学生通过在数学学习困难儿童早期干预虚拟仿真实验平台上的多次学习，掌握ERP 和tDCS 干预实验的基本流程；再将虚拟实验手段融入特殊教育专业学科的“实际”学习中，“以虚补实”[12]，从而使学生逐步成为基础理论扎实、实践能力强的特殊教育人才。

1.2.4 开创双师课堂，促进人工智能和教育神经科学的融合

在虚拟仿真实验平台学习过程中，学生若对实验过程存在疑问，可随时通过语音向平台内的虚拟教师进行提问，并通过人工智能算法获得教师的回答。本文提出利用虚拟教师的智能性，协同传统教师构建双师课堂。由虚拟教师解决不同学生在实验过程中出现的步骤错误问题，为学生的个性化学习提供支持；传统教师则摒弃了重复性工作，可将更多的精力放在对学生核心素质的培养中；两者共同作用，一起促进学生的发展[15]。平台通过人工智能算法实现虚拟教师与学生的交互，为教育神经科学的研究提供了帮助。未来，人工智能和教育神经科学会不断走向融合，教育会迈向教师与人工智能协作的时代，他们将发挥各自的优势，共同实现个性化、包容、公平的教育，从而促进人类的全面发展[16]。

2 虚拟仿真实验的框架设计

2.1 整体架构

为了解决实验平台难以搭建、实验成员难以招募的问题，并将人工智能运用于教学过程中，构建双师课堂，更好地提升实验教学效果，首先要保证虚拟实验平台的真实性和智能性。因此，笔者从开发端、学生端、教师端、管理端4 个方面入手，以促进学生的学习效果为目标，将复杂实验过程以可视化方式呈现，再采用人工智能、AR、WebGL 以及Unity3D 等技术，构建包含动画、自动问答、自动评分3 个模块以及多个功能的数学学习困难儿童早期干预虚拟仿真实验平台，实现对特殊教育专业学生的实验教学。平台的基本框架如图1 所示。

2.2 模块与功能

动画、自动问答、自动评分模块是此虚拟仿真实验平台的核心内容。下面分别介绍3 个模块具体实现的功能。

2.2.1 动画模块

动画模块是整个虚拟仿真实验平台实现交互的基础，它采用了目前应用广泛、共享性强大的Unity3D技术，借助三维建模、人机交互、VR 等信息化技术，构建了多类虚拟仿真教学资源，同时每类教学资源下又包含了多个实验操作。该模块在平台上实现的主要功能包括：（1）构建虚拟仿真环境，允许学生根据固定金币选择不同的实验仪器来个性化搭建实验环境；（2）构建虚拟仿真被试招募，允许学生根据实验要求招募指定数量的不同年龄和性别的正常被试和数学学习困难被试；（3）构建虚拟仿真实验训练，允许学生实现ERP 的前后测实验和tDCS 干预实验，完成开热水器→洗头→取脑电膏→搅拌脑电膏等系列操作。

2.2.2 自动问答模块

自动问答模块是平台交互性的体现，主要包括语音识别、文本分词、问题匹配、语音合成4 个部分。自动问答模块涉及一系列机器学习算法的实现：首先学生通过语音与虚拟被试以及虚拟教师进行交流，这段语音会被识别成文字，再通过分词、提取关键字等一系列操作得到问题的核心内容，接下来通过混合式模糊匹配算法从问题库中匹配相应的答案，最后由虚拟教师将语音合成后的答案反馈给学生，从而完成整个自动问答过程。该模块在平台上实现的主要功能包括：实验开始语音提示告知被试实验的注意事项；实验过程中语音询问被试感受；被试针对感受作出自动回 复；询问虚拟教师实验步骤；虚拟教师针对实验步骤作出自动回复以及虚拟教师对学生进行最终考核。

2.2.3 自动评分模块

自动评分模块是平台对学生的学习效果的客观评价，是对实验教学效果的检验，它通过一系列机器学习算法实现。平台实现了两种自动评分方式：（1）同步记录学生在实验过程中的每一个步骤，并对步骤的正误进行判断，实时自动更新学生的分数；（2）通过虚拟教师与学生的对话考核来进行自动评分，首先由虚拟教师提出问题，学生针对问题的回复会通过语音识别模块转变成文本，并经过分词、去除停用词、提取关键词等步骤，得到答案文本的关键内容，最后对关键内容的关键词与问题的标准答案进行语义相似度计算，从而判断学生对知识的掌握情况，由虚拟教师完成最终的评分。

该模块在平台上实现的主要功能包括：通过平台的自动检测和虚拟教师的问答，考核学生对实验步骤相关细节的掌握情况，并进行自动评分。

3 教育神经科学视域下数学学习困难儿童早期干预虚拟仿真实验流程

教育神经科学视域下数学学习困难儿童早期干预虚拟仿真实验主要由“理论学习、虚拟操作、项目考核”3 部分组成，实验过程中学生需依次完成这3 个阶段的学习。

3.1 理论知识的学习与拓展

数学学习困难儿童早期干预实验涉及“特殊儿童早期干预”和“实验儿童心理学”这两门专业课程，其中要掌握的知识点包括与数学认知有关的ERP 成分、特殊儿童数学认知任务的行为学和ERP 特点、ERP 信号的采集与分析步骤、tDCS 信号干预步骤以及干预之后数学学习困难儿童数学认知任务的指标变化。由于涉及内容繁多且操作过程复杂，学生在开始实验之前难免会对实验步骤有所疏漏或存在部分疑虑。因此，本平台在开始实验前，需要学生对实验的理论基础和实验目的进行全面了解，并且在执行每一项实验任务前，平台会向学生介绍实验的操作步骤和需要注意的事项。通过观看虚拟演示和实时操作指导，学生不仅可以顺利完成实验，还进行了理论知识的学习。通过将虚拟实验中展示的理论与课下学习的理论相结合，平台实现了知识点的多次重复，增强了学生对实验过程中知识内容的了解和掌握。

3.2 操作步骤

完成知识点的学习后，学生会进入高仿真的虚拟情境中，切身体验实验环境的搭建、实验被试的招募以及ERP 和tDCS 干预实验的操作过程。为了确保实验的顺利进行，在实验操作的过程中，学生需根据先前进行的理论学习，依照操作指引，通过拖拽、放置等动作完成每一步操作。例如ERP 实验中，学生需完成开热水器→洗头→取脑电膏→搅拌脑电膏→检查脑电帽等一系列准备工作，再通过语音向被试介绍ERP实验的基本信息和注意事项，之后点击虚拟平台桌面上的eeggo 软件记录数据，并通过给被试呈现70 道类似“2+5 等于多少？”这样的问题，获取被试儿童的反应和正误情况以及诱发出的ERP 波形，如图2 所示。再如tDCS 干预实验中，学生需通过语音先行告知被试实验的准备工作和注意事项，再点击经颅直流电刺激仪学习阴阳极的摆放位置，为被试佩戴经颅直流电刺激仪，如图3 所示。实验过程中学生需不断用语音询问被试的感受，并在实验结束后继续用语音询问被试相关问题，最后联系监护人，告知下次干预的时间安排。学生通过以上操作步骤，切身地感受了特殊儿童干预实验的整体流程，从而在实践层面上对实验有了一个全面的了解。

3.3 虚拟实验结果查询与分析

该虚拟实验平台的实验结果主要通过对学生整个实验过程的考核来呈现，有以下2 种方式：（1）在实验过程中，平台会自动对学生在整个过程中的操作步骤进行实时记录，并根据操作的正误生成一个自动评分界面，该界面在实验过程中可随时查看。（2）实验结束后来自虚拟教师的考核。虚拟教师会通过语音对实验操作步骤进行提问，并对学生的回复进行分析，若不正确，则提示学生错误的环节。学生可通过该考核了解到自身在实验阶段薄弱的部分，并重复参加考核，直至掌握整个实验过程。

图2 诱发的ERP 波形图

图3 tDCS 干预实验演示图

对实验结果的分析主要体现在对实验过程数据的处理。完成ERP 的后测实验后，平台会自动根据前面的被试选择和实验情况，随机生成虚拟数据，如表1所示。该数据是基于此虚拟实验场景生成的实验结果，学生可下载数据，并利用SPSS 软件进行分析处理，对ERP 实验的前后测数据作数学认知能力的比较，从而以理性的方式理解数学学习困难儿童早期干预的规律，进而论证tDCS 干预实验的有效性，最后撰写实验报告，完成整个实验学习过程。

表1 虚拟实验结果数据示例

4 结语

本文针对特殊儿童早期干预实验教学环境难以满足的问题，设计并构建了以动画、自动问答、自动评分3 个模块为主的数学学习困难儿童早期干预虚拟仿真实验平台。通过3D 仿真技术实现高仿真实验环境的构建，为真实实验环境难以搭建、被试难以招募、练习成本高提供了解决方案；通过Unity3D 技术制作动画实现交互，为实验教学理论部分教学效果的提升提供了思路，提高了学生在学习过程中的主观能动性；通过人工智能算法实现虚拟教师的自动问答和自动评分，构建了双师课堂，促进了人工智能与教育神经科学的融合。本文构建的虚拟仿真平台为培养基础理论扎实、专业素养过硬、综合技能突出、创新能力出众的特殊教育创新型科研人才和创业型实践人才，以及开创虚拟仿真实验平台支持的新型教学形式，提供了支持。