北京師范大學：從虛擬實驗到教育元宇宙（2022）（23頁）.pdf

1、從虛擬實驗到教育元宇宙北京師范大學智慧學習研究院 姚有杰2022年6月2022年6月2引自李平博士，教育部教育裝備研究與發展中心虛擬現實教育應用研究院成立暨虛擬現實教育應用學術交流會 虛擬仿真實驗教學 依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學目的。虛擬仿真實驗教學虛擬仿真實驗教學2022年6月3高?；驑O端環境（高壓電網操作、航空航天和核工程）不可及或不可逆操作（石油勘探、手術治療、汽車碰撞）大型或綜合訓練（物流、金融、市政交通管理）受時間、地點、人力、物力、財力等限制虛擬仿真實驗教學應用場景

2、虛擬仿真實驗教學應用場景2022年6月4 2017年，教育部決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作，計劃在2017-2020年認定涵蓋60個專業類的1000個國家級虛擬仿真實驗教學項目。2019年，教育部發布關于一流本科課程建設的實施意見，將國家虛擬仿真實驗教學項目納入一流本科課程建設。虛擬仿真實驗教學建設虛擬仿真實驗教學建設普通高等學校普通高等學校2022年6月 截止到2020年底，教育部已認定并公布國家虛擬仿真實驗教學一流課程有728門，覆蓋了41個專業類，168個專業。2021年4月，教育部發布關于開展第二批國家級一流本科課程認定工作的通知（教高廳函202113號），其中國家虛擬仿真實

3、驗教學一流課程擬認定360門。5虛擬仿真實驗教學建設虛擬仿真實驗教學建設普通高等學校普通高等學校2022年6月6高等教育:iLAB-X國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺：3000+16虛擬仿真實驗教學建設虛擬仿真實驗教學建設普通高等學校普通高等學校2022年6月7虛擬仿真實訓基地虛擬仿真實訓基地職業教育職業教育2022年6月8虛擬仿真實訓基地虛擬仿真實訓基地職業教育職業教育 公布職業教育示范性虛擬仿真實訓基地培育項目名單之后，為指導職業教育示范性虛擬仿真實訓基地培育項目單位高效率、高質量開展建設工作，教育部科技發展中心制定、發布了職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設指南。央館虛擬實驗虛擬實驗虛擬實

4、驗概述l虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實（又稱VR）等技術在計算機上營造可輔助傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目。l虛擬實驗的實現將有效緩解很多學校在經費、場地、器材等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開展網上虛擬實驗教學能夠突破傳統實驗對“時、空”的限制，無論是學生還是教師，都可以自由、無顧慮地隨時隨地上網進入虛擬實驗室，操作儀器，進行各種實驗，有助于提高實驗教學質量。虛擬實驗價值點（一）實驗條件不可及操作通過虛擬實驗模擬真空條件，解決實物實驗無法完全達到真空的問題，直達實驗本質，幫助學生對實驗原理的理解。不可逆操作（破壞性）通過虛擬實

5、驗模擬電路電流過載操作，呈現器材損壞現象，拓寬實驗探究場景，減少實物實驗器材的損耗，提升課堂效率。虛擬實驗價值點（二）實驗時間長難以在課堂開展通過視頻從卵、蠶幼蟲、蛹、成蟲四個階段直觀的呈現出來，節省實驗觀察的時間成本。變化太慢難以在課堂開展利用虛擬實驗時間加速功能，實現短時間內觀察到實驗過程較長的實驗現象，節省課堂時間，提升課堂效率。虛擬實驗價值點（三）實驗變化太快難以觀察通過時間變速功能，解決煙草浸出液對水蚤心率的影響實驗中加入高濃度的煙草浸出液，水蚤心跳速率過快，難以數清楚的痛點。對環境有害（有毒）通過虛擬實驗模擬實驗操作，避免有害氣體的產生對師生身心的危害，同時為情景化的數據探究提供支

6、撐。虛擬實驗價值點（四）危險性實驗通過虛擬實驗室還原真實的實驗器材及操作，解決了實際實驗中因爆炸產生的完全隱患，讓學生在安全的環境完成對知識的學習。實驗成本昂貴通過虛擬實驗模擬價格昂貴且反應過程劇烈的實驗，直觀呈現出實驗的現象，解決了實物實驗難以進行的問題，幫助學生對原理的理解。虛擬實驗價值點（五）減少實驗誤差通過虛擬實驗模擬功能，實現實驗數據的精確無誤，減小實際實驗中的誤差。大型或綜合訓練利用虛擬實驗模擬青蛙在大型草地的自然環境中保護色的形成過程，解決了大型實物實驗的場地及實驗數據獲取的痛點。虛擬實驗價值點（六）逼真實驗情景創造運用虛擬仿真技術，借助VR設備，創導出逼真的實驗環境，實現視覺、

7、聽覺乃至觸覺的全方位沉浸式交互資源，強化實驗現象及知識記憶。實驗操作反復訓練運用虛擬仿真技術及AI 技術，借助VR設備，創導出逼真的實驗操作場景，同時實現AI助教的實時指導、幫助學生規范實驗操作及明確實驗注意事項，提升實驗操作的訓練效果2022年6月元宇宙定義元宇宙定義“元宇宙是整合多種新技術而產生的新型虛實相融的互聯網應用和社會形態，它基于擴展現實技術提供沉浸式體驗，基于數字孿生技術生成現實世界的鏡像，基于區塊鏈技術搭建經濟體系，將虛擬世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，并且允許每個用戶進行內容生產和世界編輯?！鼻迦A大學沈陽團隊2020-2021年元宇宙發展研究報告“元宇

8、宙是通過虛擬增強的物理現實，呈現收斂性和物理持久性特征的、基于未來互聯網的、具有連接感知和共享特征的3D虛擬空間?！敝旒蚊鳌氨挥脕砻枋鲆粋€未來持久化和去中心化的在線三維虛擬環境”維基百科2021年9月24日信息化：人類大部分活動都在物理世界中完成，少量行為只借助信息化提升效率。數字化：人類大部分活動及交互都在數字化世界中進行，少量決策指揮信息回到物理世界指揮設備和機器完成操作。信息信息化、化、數字數字化、元宇宙化、元宇宙數字孿生：物理世界中的實體與數字世界中的孿生體（實體的靈魂）相互映射、相互影響；數字世界中的孿生體主要功能是分析和決策，而物理世界中的實體主要功能是接受指令并執行。進一步演進過

9、程：數字孿生、數字原生（多元宇宙）、虛實相生（超元宇宙）2022年6月屬性特點創造簡單易用的創造工具，賦予人們充滿想象的創造力沉浸沉浸式體驗，帶來超越時空的震撼社交社交是元宇宙的原始屬性經濟數字身份數字資產、數字貨幣數字創造、數字市場、數字消費共創、共享、共治，不同的元宇宙，會形成不同的形態基本特征基本特征四大屬性四大屬性 創造、沉浸、社交、經濟2022年6月屬性特點Roblox虛仿實驗創造簡單易用的創造工具，賦予人們充滿想象的創造力52沉浸沉浸式體驗，帶來超越時空的震撼33社交社交是元宇宙的原始屬性31經濟數字身份數字資產、數字貨幣數字創造、數字市場、數字消費共創、共享、共治，不同的元宇宙，

10、會形成不同的形態30基本特征基本特征四大屬性四大屬性 創造、沉浸、社交、經濟備注：數字越大表示匹配度越高，最大值為52022年6月沉浸性教學符合教育理論的觀點沉浸性教學符合教育理論的觀點蔡蘇,王沛文,楊陽,劉恩睿.增強現實(AR)技術的教育應用綜述J.遠程教育雜志,2016,05:27-40行為主義 學習是刺激-反應(S-R)聯結公式，由刺激得到反應而完成學習具身認知理論 只有當學習者的認知、身體與環境三者進行有效互動時才能進行學習建構主義 “把實驗室搬到課堂中去”“學習是一種真實情境的體驗”2022年6月教學設備虛仿實驗、數字孿生改變學校實驗（實訓）模式1.高度仿真的數字化虛仿教學設備能對物

11、理設備進行自然規律擬真，讓學生通過操作虛仿教學設備進行實驗實訓，掌握所需知識和技能，為后期實際操作物理設備做準備；2.進一步采用數字孿生技術，物理世界中的實體與數字世界中的孿生體相互映射、相互影響，通過數字世界中的孿生體進行分析和決策，進而直接作用于物理世界中的實體接受指令并執行。教師虛擬教師（第二教師，Second Teacher）實現全時個性化教育作為第二教師的虛擬教師不能替代真實教師，但虛擬教師能為學生提供全時教育服務，隨時解答學生問題并提供個性化教育。虛擬教師（第二教師）是以協助者的角色，以學生為中心，因材施教，在共同成長中獲得更多的幫助。師生通過化身（Avatar）進行教學等各類活動

12、1.教師和學生通過化身（Avatar）作為代理進行靈活多變的教學活動。師生之間、生生之間在元宇宙中通過化生進行各類社交活動，彰顯了個性，拓展了社交的領域；2.真身、化身、機器人，構建虛實融合的社交活動。學生元宇宙中游戲式教學更能激發學生的學習興趣游戲化教學讓學生在元宇宙中的學習變得更加有趣，在元宇宙中創設的虛擬教學場景，設置通關游戲，讓學生有強烈的參與感和成就感，讓學生學習活動變得更加有趣。學習環境沉浸式學習環境為提升學習深度創造有利條件沉浸式學習環境，突破了物理世界的局限，使師生可以模擬真實情境進行教學，也可以為了教學需要創作出各類不同的教學情境，為提升學習深度創造有利條件。教育元宇宙思考教育元宇宙思考謝 謝！