1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

兴起于20世纪80年代末90年代初的学习科学，二十余年来以其不断涌现的有关学与教的创新研究，迅速成为当今教育革新的重要推动力，在教育领域的影响力与日俱增，令人瞩目。《剑桥学习科学手册》主编索耶(Sawyer,2006)在该手册开篇中将学习科学称作研究学习的新科学。之所以称其为研究学习的新科学，其旨意在于超越传统学习理论的实验研究范式的局限，将认知神经科学、教育学、计算机科学、人类学等多个领域的研究者聚集在一起，建立一门跨学科的研究共同体。这个共同体首先需要建立在对基本的学习观点理解一致的基础之上，如强调深度的概念理解；聚焦学生的学习过程并关注教学技术；关注创建帮助学生获得深度理解的学习环境；强调基于学习者先前知识建构新知识以及学习绩效评估的重要性；等等。学习科学以研究和探索学习的本质与机制，创新和发展学习的理论与方法，创建高技术含量的学习环境，探索改进人类学习的绩效为己任。作为一个多学科交叉的研究领域，其研究视角涵盖对学习基本机制的揭示、学习环境的创建、学习技术的研发、学习的社会文化背景分析等方面。

空间学习是学习科学重要的分支，也是教育学、心理学、地图学、地理学、计算机科学和人工智能等学科的一个研究方向。迄今为止，人们已经从许多不同的角度对于自身是如何认识和理解空间的问题进行了研究。近年来，随着虚拟现实技术的应用，人们对空间学习的研究范围也从简单的实验室人工环境和较为复杂的自然环境(如校园、公园和城市等)逐步扩展到三维虚拟空间。利用虚拟现实技术可以让研究者构造出实验所要求的任意环境，甚至自然界不存在的实验场景。采用虚拟呈现系统，通过软件可以创造出实验研究所需的任意场景，大大节约时间、人力和财力。与此相对应，利用虚拟现实技术可以较好地解决实验控制和生态效度之间的冲突问题，它既能保证实验在良好的控制条件下进行，又使实验的生态效度达到最大化。

已有研究表明，人们在三维虚拟情景下的空间学习与真实环境中具有相似性，而且人们从虚拟环境中所获得的空间知识可以迁移到真实环境当中(Witmer et al.,1996; Stanton, et al.,1996)。由于以下三个原因人们常选择三维虚拟空间作为空间学习新手段：(1)虚拟环境是高仿真的并且场景是连续和动态的，与在真实的环境里一样；(2)计算机生产的三维虚拟环境具有灵活、易操作特点；(3)虚拟环境可以将用户空间学习过程中的全方位信息实时记录并加以反馈。随着计算机软硬件技术的快速发展，现在桌面式虚拟环境在空间学习研究中被公认为非常有效的一种研究手段(Peruch, Vercher &Gauthier,1995; Tlauka &Wilson,1994; Waller et al.,1998)。

1.1.2 研究意义

本研究拟在自行开发的三维虚拟系统(三维虚拟迷宫漫游系统)上，从用户特征、环境特征和任务特征三个方面，深入探讨影响空间学习绩效的主要因素及其交互作用，并采用神经网络模型构建空间学习绩效的预测模型。本研究意义主要体现在以下三个方面：

(1)有助于扩展以往空间学习研究的研究环境，丰富空间学习研究的应用范围。国内外以往关于空间学习绩效影响因素的研究大多使用的是真实环境或二维模拟系统。由于所采用的实验环境不统一，造成了研究得出的结果有比较大的差异。

(2)深入了解用户特征、环境特征和任务特征三方面因素对三维虚拟环境中空间学习绩效的综合影响。尽管空间学习一直被建筑设计学、环境心理学、认知心理学、人工智能等众多学科所关注，但迄今为止人们尚未完全了解影响空间学习绩效各因素之间的关系及其内在机理(Carpman & Grant, 2002)。

(3)进一步完善空间学习的研究方法。本研究操纵用户特征、环境特征和任务特征三方面的因素，采用神经网络建模方法，构建在三维虚拟空间学习绩效的预测模型。相较于传统的单因素分析方法和线性建模方法，神经网络模型具有大规模并行、分布式存储和处理、自组织、自适应和自学习能力，特别适合处理需要同时考虑多个因素和条件的、不精确和模糊的信息处理问题。使用神经网络建模不仅可以同时获得多种因素对学习绩效的影响，也可以发现因素之间的相互作用，对于建构学习绩效预测模型和发展空间学习理论具有重要作用。

本研究将有助于丰富空间学习理论，并为改进与三维虚拟情景中空间学习绩效有关的界面设计和不同虚拟环境中各种信息的呈现方式提供科学依据。同时，本研究的成果在城市交通与应急逃生系统的规划、复杂人机系统交互界面的设计以及智能机器人自主导航系统的研发等方面也将具有应用价值。