教育元宇宙创新虚拟自习室设计与应用.pdf

85计 算 机 教 育Computer Education第 11 期2023 年 11 月 10 日中图分类号：G642教育元宇宙创新虚拟自习室设计与应用张 蕾1，王一夫2，王 乙1，张娅洁1，陈淑鑫1（1.天津仁爱学院 智算工程学院，天津 301636；2.灵然创智（天津）动画科技发展有限公司，天津 300480）摘 要：针对线上教学遇到的问题，提出教育元宇宙教学模式，以软件测试课程的实验学习为例，阐述虚拟自习室设计方法，并介绍在实验室中的应用。关键词：教育元宇宙；虚拟自习室；自主学习；计算机网络文章编号：1672-5913(2023)11-0085-04基金项目：国家自然科学基金联合项目（U2031142）；全国高等院校计算机基础教育研究会计算机基础教育教学研究项目“基于岗位能力需求导向的软件测试课程教学改革与实践”（2022-AFCEC-128）。作者简介：张蕾，女，高级工程师，研究方向为软件质量保证、人工智能等，；陈淑鑫（通信作者），女，教授，研究方向数据分析、虚拟现实仿真等，。0引 言元宇宙（Metaverse）构造出一系列互联网技术、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、数字孪生、区块链、边缘计算等新技术的混合虚拟空间，作为现实世界的镜像，交互融合着现实世界。早在 1990 年，钱学森先生在给汪成为院士的信件中，提到将“Virtual Reality”一词翻译为带有东方色彩的“灵境”，后续汪院士出版灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用 书中详细描述“元宇宙”的形态。1992 年美国作家尼尔斯蒂芬森创作的科幻小说雪崩1中进入元宇宙，描述了人们在现实世界里生活，又同时在“超元域”大街生活的情景。2021 年，Facebook、Roblox2等多家国际著名互联网科技公司，在元宇宙方面做出巨大投资与建设，对元宇宙方面的探索达到一个前所未有的新高度，同时也将元宇宙带到大众的视野下。2022 年 11 月，工信部等 5 部门联合发布了支持虚拟现实产业发展的行动计划，全国多个省份也开始了自己的元宇宙发展规划。虽然元宇宙还处于萌芽阶段，但是伴随着数字孪生3、区块链技术初见雏形4，数字虚拟人像技术与 VR 全景深耕发展，教育元宇宙已延伸到课堂、办公、游戏、旅游等诸多方面。元宇宙技术锦上添花融入计算机教学，使得元宇宙教学空间与现实教学空间平行交互，同时反作用于现实教学模式。用户在虚拟环境中感受沉浸式的独特体验，打破了现实与虚拟的边界。教育元宇宙的种种理念符合计算机课程教学的需求，更是必要的发展空间，它能对其传统的教学实验进行补充，提升学生的自主学习能力。1线上教学现状分析近几年受新冠疫情影响，线上教学在继承传统教学观念、教学内容、教学手段的基础上，不断发展和创新，被广大师生所接受。教育部数据显示，2022 年 3 月正式上线的智慧高教平台为 166 个国家和地区的用户提供服务，在短短 8个月内，已有累计 292 亿人次访问过平台，近5 亿人次在平台上选课学习5。截至 2022 年 11月，国内慕课平台上已提供了超过 6.2 万门优质课程，国内累计 9.79 亿人次通过慕课平台进行 学习。在线上教学模式中，学生根据兴趣和自身知识掌握情况选择课程、开展自主学习，学生不再受到时空限制，极大地提高了学习效率，但由于受到视频、图像、音频、文字等媒介自身的能力局限，线上教学也暴露出如下弊端。202386计 算 机 教 育Computer Education合实体、元素、代理、服务及对象软硬复合体的自习室。2.2情景交互式教学体验元宇宙构建虚实结合的环境，虚实结合体现为虚拟世界和真实的教学环境无缝衔接和融合。元宇宙的自习室采用数字虚拟人直播教学，学生和老师身份都是虚拟的，教学情况却是真实的。通过终端接入元宇宙自习室，随时随地交流互动，交互形式包括以下 3 种。（1）与系统界面的互动，如系统的登录和退出功能以及元宇宙形象设定功能都需要相应的界面供用户进行操作。（2）与自习室场景的互动。作为场景的核心，用户需要一个简洁的交互功能控制屏幕上的内容。通过设计生成目录，选择自己想阅读、观看的学习资料，选择自己在场景中所处的位置，调节灯光亮度等。（3）与其他用户的互动。用户需要单独的聊天页面与周围共同学习的用户交流，打破时空限制，拉进人与人之间的物理距离。教育元宇宙的交互性，适用于不同的阶段、不同的层次、不同的学校甚至不同的国家，互惠互利共同交流学习，共同进步。由于元宇宙的教学模式完全不必受限于地理物理等条件限制，学生间实现异地小组协作共同完成项目，或者学校和公司之间校企合作实行人才差异化分层次的 培养。2.3多维多样式教学资源传统的教学资源形式单一，多采用课件形式，以老师讲授课件为主，内容偏理论，概念抽象，缺乏趣味性和创新性，学生难以理解。元宇宙的教学资源具备形式多样性和情景交互性。在虚拟自习室中，采用 VR、动画、3D 等多种形式的教学资源展示知识点，形象化高仿真，吸引学生注意力。教学资源支持情景交互，降低学生的学习难度。在虚拟环境下，多元化的教学资源不受外界环境限制，学生在学习内容上互相讨论，支持学生对一个特定的情景表达自己的想法，由此激发出学生的潜质。2.4高效激励式学习效果传统的线上教学中，由教师负责考核学生（1）线上教学手段单一，吸引力不高，课堂学习氛围不足，学生容易受到外界环境干扰，无法专心学习。（2）线上教学由于学生之间、师生之间交流不畅，课程实践中的小组合作、翻转课堂中的案例分享等活动的实施效果受到影响。（3）教学内容上仍以传统的教学课件为主，单纯由线下形式变化为提供直播或网络课程资源的形式。（4）线上教学中，教师对学生课堂行为的管控和调动手段非常有限，不能第一时间了解学生的听课状态，很可能会忽略对难点疑点的讲解，难以在课堂内掌握学生对知识的理解情况。（5）线上教学需要学生长时间久坐，甚至家长陪坐在电脑前，缺乏体育锻炼，长期如此造成运动不足、体能素质下降。教师为适应互联网+教育氛围新要求，努力运用新技术、新工具、新理念，敢于尝试教学新模式，开发教学资源，采用有效技术适宜地监测学生线上课堂表现，利用数据分析技术合理实现教学评价等，为学生提供沉浸式的学习环境，营造及时沟通交流氛围，给予评价鼓励，有利于引导学生自定学习目标，培养学生自主学习意识，从而提升学生自主学习能力。2教育元宇宙创新模式2.1沉浸式元宇宙自习室元宇宙本身是利用虚实融合的技术，实现数字模拟构建虚拟的世界。教育元宇宙采用虚拟仿真的形式，融入高精度的复原校园教室生活，教学用具包含教学需要用到的其他事宜等，生成沉浸式的虚拟教学环境，实现虚拟和真实教学世界的相互融合。引入沉浸式听觉、视觉、触觉、嗅觉感官的感知理解，主动适应教学环境和教学活动，以此开始自主学习和研究并且和老师实时互动。考虑到学生需要沉浸式学习，打造元宇宙的自习室，学生自主选座位，选课程，设置明亮程度，选择自身元宇宙形象，在元宇宙的自习室达到沉浸式学习，避免外界打扰，提升学习效率，通过跨网络、跨领域、跨区域、跨学科的聚合与协同中共生形成复杂服务形态，实现数字化的复元宇宙教学第 11 期87的学习效果，由于教师和学生处于不同地点，教师讲授课程过程中，不能直接看到学生的听课状态，很难正确地评估出每个学生的课堂表现。元宇宙自习室中通过捕捉学生的眼球或者分析面部表情和神态，实时监测学生个体的学习状态。老师通过监测数据掌握学习情况，设计课程资源，调动学生的学习兴趣和积极性。教师也可采用不同形式的课堂小测实现阶段考核。在元宇宙自习室中，监测学生课堂表现的数据、课堂测验数据、课程资源学习数据等进行大数据分析，从而反映出学生真实的学习效果。教师可以根据数据分析结果调整教学安排，进一步提升教学 质量。2.5增强递进式身心素养“元宇宙+X”应用领域扩展教育形态、教育模式、教学方法、教育技术的平台架构，利用 VR/AR/MR 等技术构建自习室场景，融入特定的学习相关场景，沉浸虚拟环境中人或物互动，实现身临其境及虚拟实验具身学习的效果。结合学习环境，计算连续学习时间，超时触发久坐提醒。在元宇宙自习室中，学生可以开展体育锻炼，不受场地天气的限制，放松身心，增强 体魄。3元宇宙赋能计算机专业自主学习开创教育元宇宙自习室可突显时空延展性，根据教育内容、教育对象等特定需求实现空间连续性，按照专业教学需要设计跨时空的教学场景，充分融合人机混合增强智能技术及智能交互设计教学模式，智能形成真实教师和虚拟教师联合授课的协作教学手段。计算机专业课程既重视理论知识的掌握，又要求培养较强的实践能力。以开设软件测试课程为例，该课程要求学生系统学习软件测试理论的同时，熟练掌握软件测试方法、技术和测试工具的使用，使学生具备软件测试实施、软件项目管理等职业能力。3.1元宇宙自习室建设计算机类课程具有很强的实践性，为此虚拟自习室课程设计了许多实验课程，但由于实验设备配置复杂，安装难度大且不方便搬移，不利于学生的学习和实践。以软件测试课程中的性能测试实验为例，融入元宇宙方法和技术，将实验设备虚拟化，学生进入虚拟自习室后自主学习完成实验。虚拟自习室设计思路如图 1 所示，基于Unity Web 平台搭建 VR 虚拟自习室，使用者可以随时随地访问浏览器进入虚拟自习室。沉浸式的学习场景中，自习室高度还原实体教室、实验室的环境，将学习所需的工具、实验使用的设备及系统虚拟化，让情境更加逼真。学生借助终端接入设备包含 AR/VR 头显、PC、TV 等，以虚拟人物的形象进入虚拟自习室中自主学习。教师使用智能人机交互动作捕捉系统，映射为虚拟人物，进入虚拟自习室中，进行教学互动。虚拟自习室还会借助摄像头和姿态捕捉系统对学生个体进行人脸识别、坐姿识别，判断学生的专注度，并结合实验报告和专注度生成课程考核评价。虚拟自习室还搭配了智能数据分析功能，将学生或班级的学习数据统计分析、智能分析，通过可视化图表将学习情况反馈给老师，以便优化课程 教学。3.2元宇宙实验课应用软件测试课程中，学生需掌握黑盒、白盒、自动化、性能等多种测试技术，并能够独立搭建、配置、管理和维护测试环境，能够完成测试计划、设计、实施和总结，能基本承担起软件测试的工作任务。实现教学目标，从自主学习、小组合作探究+AR/VR 互动+3D 展示+学习状态监测、总结分析交流 3 个层次实施教学，采用 AR/VR 互动、3D 展示、人脸识别、视线跟踪等多种结合元宇宙方法及技术实现交互与监测等，元宇宙教学模式体现了以学生为中心的实验教学理念。3.2.1 提前预习阶段学生通过浏览器访问虚拟自习室平台网页，登录进入平台。调整好上课所需的 AR/VR 头显设备或 PC 端、移动设备端，设定元宇宙形象，访问浏览器进入自习室，选择自习室中的座位入座，选取教学资源库中软件测试课程的学习资源，自主预习课程内容和实验所涉及的知识点。学生听虚拟教师讲解的同时，通过观看 3D 大屏或 VR 展示出性能测试实验涉及的知识点及实验202388计 算 机 教 育Computer Education要求的教学材料，完成预习小测验，测验不合格时提供难点解析，为接下来的实验打下基础。3.2.2 自主完成实验在虚拟自习室中，学生从实验案例库中调取出性能测试实验教学资源进行模拟实验。性能测试实验阶段划分为测试环境准备、性能场景设计、自动化操作录制、测试实施、结果分析等阶段。传统教学中，测试环境准备是软件测试课程实验的难点，学生往往因为无法顺利搭建出环境而影响学习兴趣。在虚拟自习室中，实验所用到的仪器设备皆为高仿真虚拟设备，如 PC 机、服务器、交换机、路由器、网线等。设备形象具体，并具有良好的情景交互性，同时提供多种PC 机配置（如 CPU、内存、硬盘、操作系统、网口等）以及不同品牌型号的服务器、测试工具、辅助软件等供学生选用。学生如同在真实的实验环境中开展沉浸式自主实验，而且设备获取方便，环境搭建简单，直观展示测试数据，帮助学生轻松开展实验。性能场景设计阶段，学生基于实验目标，由手动设计或智能向导模式辅助完成。自动化操作录制阶段，学生手动操作被测软件的同时，操作步骤自动生成测试脚本，提高测试效率。测试实施阶段，学生配置虚拟用户数、服务器监控指标等，测试过程中同步展示出指标变化情况，并支持随时暂停、回放、继续、问题记录、数据保存等，便于缺陷分析定位。学生在实施阶段发现的性能问题在被测软件上突出标记显示，并自动更新记录到管理系统中。结果分析阶段，学生对问题进一步分析定位和总结。学生按照实验步骤完成实验期间，可以使用实验帮助、讨论协作来完成实验，如实验过程中遇到问题无法解决，可以实时邀请老师或同学接入自习室。完成实验后，平台会根据学生完成实验过程中的环境准备、设备配置日志、测试结果、完成实验时间形成操作成绩，学生获取由实验涉及的知识点、实验原理、结果分析、回答实验问题所形成的完整实验报告。实验所用的全部资源保存在虚拟自习室的实验案例库中，如学生想再次回顾复习实验，则进入虚拟自习室继续使用即可。学生可以随时开展自主学习，还可使用社交功能与老师、同学讨论实验内容。3.2.3 成绩综合考核学生的实验成绩由 4 部分组成，分别是预习成绩、操作成绩、实验报告、教师评价报告，通过占比权重来计算。预习成绩由学生回答课程预习题目的成绩生成，操作成绩和实验报告在自主完成实验阶段生成，教师评价报告由虚拟自习室平台监测学生个体人脸识别、坐姿识别获取的学习状态、自主学习的有效时间分析、汇报学生在实验中出现的问题、学生及班级实验进度及学习情况等数据统计分析生成。若本次实验学生的实验成绩不乐观或有学生在自主完成实验时提出实验反馈，教师则根据平台反馈的情况进行课程的调整和课程资源的设计完善。3.2.4 社交与体育锻炼在虚拟自习室中，学生和学生之间、老师和学生之间的交流不受地理位置的限制，而是身处于一个面对面对话交流的环境中，能真切体验图 1 教育元宇宙创新虚拟自习室设计示意图虚拟教室环境社交/体育锻炼自主预习虚拟教具三维展示大屏小组讨论模式课程资源实验案例库虚拟实验设备虚拟化实验设备系统实验帮助人脸识别视线跟踪姿态估计学习状态监测虚拟化人物进入自习室自习室模块实验模块综合考核（下转第93页）元宇宙教学第 11 期93参考文献：1 修南.教育元宇宙:职业学校教学改革的未来路向J.中国职业技术教育,2022(14):48-53,75.2 温圳,王中伟,潘嘉铖,等.元宇宙背景下的C语言程序设计教学方式探索J.计算机教育,2022(11):15-19.3 钟正,王俊,吴砥,等.教育元宇宙的应用潜力与典型场景探析J.开放教育研究,2022,28(1):17-23.4 王冬,曹三省.元宇宙赋能下计算机课程教学改革探索J.计算机教育,2022(11):11-14.5 江帆.基于学习网络的Android程序设计课程学习资源个性化推荐模式构建J.计算机教育,2022(9):171-175.6 黄心渊,袁之路.元宇宙赋能在线教学模式新形态探究J.计算机教育,2022(11):7-10.（编辑：宋文婷）4结 语教育元宇宙为加强计算机专业建设，深入开展专业课程教学改革，提供了强大的支持。针对教育元宇宙的典型特征，基于数字孪生、脑机接口等核心技术，将混合式教学、情境化教学、个性化教学、游戏化教学 4 类教学方法应用于物联网系统设计课程，实现了教育元宇宙的典型应用，变革了传统的教学方法与教学模式。下一步，将继续探索教育元宇宙提升课程考核评价效果的方法，进一步实现元宇宙技术与课程教学的深度融合。（上接第88页）参考文献：1 王冬,曹三省.元宇宙赋能下计算机课程教学改革探索J.计算机教育,2022(11):11-14.2 温圳,王中伟.元宇宙背景下的C语言程序设计教学方式探索J.计算机教育,2022(11):15-19.3 王珊,沈旭昆.面向虚拟孪生的跨学科教学设计与科教融合实践J.计算机教育,2022(11):1-6.4 李鸣,张亮,宋文鹏,等.区块链:元宇宙的核心基础设施J.计算机工程,2022,48(6):24-32,41.5 丁雅诵.我国慕课学习人次达九点七九亿N.人民日报,2023-01-03(1).（编辑：宋文婷）到所处的交流情境。学生还可以在虚拟自习室中组织课间游戏进行放松。多种多样的课间健身游戏支持大多数学生共同参与互动，如建场线上踢球、高尔夫球或者健身运动等，增强以学生为中心的沉浸式、体验式、交互式、协同式学习与感知，提高教育教学效率与效果。4结 语元宇宙的发展突破传统教学模式，人工智能的引入给传统教育带来巨大变革，教育元宇宙自习室场景智能监测姿态估计、体感游戏、虚拟人行为、视线跟踪等应用，教师和家长隔空操作。元宇宙赋能计算机专业课程教学，极大地提升了学生自主学习能力，也为广大教师带来机遇与挑战，同时部分硬件设备投入较昂贵，受限于教育的均衡落地与扩展，应善于挖掘“具备网络环境优势、实验教学设备轻便、智能控制算力高、可穿戴式能耗低”等因素。在强技术型群体应用操作，以实现不同方式的交互行为，回避应用中误操作现象，实现自然运用、生动视觉、智能交互的教育元宇宙。