從虛擬實驗到教育元宇宙

1、從虛擬實驗到教育元宇宙22022年6月引自李平博士，教育部教育裝備研究與發(fā)展中心虛擬現(xiàn)實教 育應(yīng)用研究院成立暨虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用學術(shù)交流會虛擬仿真實驗教學 依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)， 構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，學生在虛擬環(huán)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3高?；驑O端環(huán)境（高壓電網(wǎng)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(shù)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2022年6月虛擬仿真實驗教學應(yīng)用場景2017年，教育部決定開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作，

2、計劃在2017-2020年認定涵蓋60個專業(yè)類的1000個國家 級虛擬仿真實驗教學項目。2019年，教育部發(fā)布關(guān)于一流本科課程建設(shè)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(shè)。4虛擬仿真實驗教學建設(shè)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(yè)類，168個專 業(yè)。2021年4月，教育部發(fā)布關(guān)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驗教學一流課程擬認定360門。5虛擬仿真實驗教學建設(shè)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

3、享平臺：3000+2022年6月 16虛擬仿真實驗教學建設(shè)普通高等學校7虛擬仿真實訓基地職業(yè)教育2022年6月虛擬仿真實訓基地職業(yè)教育公布職業(yè)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(yè)教育示范性虛擬仿真實訓基地培育項目單位高效率、 高質(zhì)量開展建設(shè)工作，教育部科技發(fā)展中心制定、發(fā)布了職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓基地建設(shè)指南。82022年6月央館虛擬實驗虛擬實驗虛擬實驗概述虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實（又 稱VR）等技術(shù)在計算機上營造可輔助傳統(tǒng)實驗各操作環(huán) 節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境 中一樣完成各種實驗項目。虛擬實驗的實現(xiàn)將有效緩解很多學校在經(jīng)費、場地、

4、 器材等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開展網(wǎng)上虛擬 實驗教學能夠突破傳統(tǒng)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(wǎng) 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(zhì)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(zhì)，幫助學生對實驗原理的理解。不可逆操作（破壞性）通過虛擬實驗模擬電路電流過載操作，呈現(xiàn)器材損壞現(xiàn)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(xiàn)出來，節(jié) 省實驗觀

5、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(xiàn)短時間內(nèi)觀察到實驗過程較長的實 驗現(xiàn)象，節(jié)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(shù)清楚的痛點。對環(huán)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(chǎn)生對師生身 心的危害，同時為情景化的數(shù)據(jù)探究提供支撐。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(chǎn)生的完全隱患，讓學生在安全的環(huán)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(yīng)過程劇烈

6、的實驗，直觀呈現(xiàn)出實驗 的現(xiàn)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(xiàn)實驗數(shù)據(jù)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(huán)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(shù)據(jù)獲取的痛點。虛擬實驗價值點（六）逼真實驗情景創(chuàng)造運用虛擬仿真技術(shù)，借助VR設(shè)備，創(chuàng)導出逼真的實驗環(huán)境，實 現(xiàn)視覺、聽覺乃至觸覺的全方位沉浸式交互資源，強化實驗現(xiàn)象 及知識記憶。實驗操作反復訓練運用虛擬仿真技術(shù)及AI 技術(shù)，借助VR設(shè)備，創(chuàng)導出逼真的實驗操作 場景，同時實現(xiàn)AI助教的實時指導、幫助學生規(guī)范

7、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“被用來描述一個未來持久化和去中心化的在線三維虛擬環(huán)境”維基百科“元宇宙是通過虛擬增強的物理現(xiàn)實，呈現(xiàn)收斂性和物理持久性特征的、基于未來互聯(lián)網(wǎng)的、具有連 接感知和共享特征的3D虛擬空間?！敝旒蚊鳌霸钪媸钦隙喾N新技術(shù)而產(chǎn)生的新型虛實相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會形態(tài)，它基于擴展現(xiàn)實技術(shù) 提供沉浸式體驗，基于數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟體系，將虛擬 世界與現(xiàn)實世界在經(jīng)濟系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)上密切融合，并且允許每個用戶進行內(nèi)容生產(chǎn) 和世界編輯?！鼻迦A大學沈陽團隊2020-2021年元宇宙發(fā)展研究報告

8、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(shù)字化：人類大部分活動及交互都在數(shù)字化世界中進行，少量決策指揮信息回到物理世界指揮設(shè)備和機器完成操作。信息化、數(shù)字化、元宇宙數(shù)字孿生：物理世界中的實體與數(shù)字世界中的孿生體（實體的靈魂）相互映射、相互影響；數(shù)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(zhí)行。進一步演進過程：數(shù)字孿生、數(shù)字原生（多元宇宙）、虛實相生（超元宇宙）2021年9月24日屬性特點創(chuàng)造簡單易用的創(chuàng)造工具，賦予人們充滿想象的創(chuàng)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(jīng)濟數(shù)字身份數(shù)字資產(chǎn)、數(shù)字貨幣數(shù)字創(chuàng)

9、造、數(shù)字市場、數(shù)字消費共創(chuàng)、共享、共治，不同的元宇宙，會形成不同的形態(tài)2022年6月基本特征四大屬性創(chuàng)造、沉浸、社交、經(jīng)濟屬性特點Roblox虛仿實驗創(chuàng)造簡單易用的創(chuàng)造工具，賦予人們充滿想象的創(chuàng)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(jīng)濟數(shù)字身份數(shù)字資產(chǎn)、數(shù)字貨幣數(shù)字創(chuàng)造、數(shù)字市場、數(shù)字消費共創(chuàng)、共享、共治，不同的元宇宙，會形成不同的形態(tài)302022年6月基本特征四大屬性創(chuàng)造、沉浸、社交、經(jīng)濟備注： 數(shù)字越大表示匹配度越高，最大值為5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(xiàn)實(AR)技術(shù)的教育應(yīng)用綜述J. 遠程教育雜志,2016

10、,05:27-402022年6月行為主義學習是刺激-反應(yīng)(S-R)聯(lián)結(jié)公式，由刺激得到反應(yīng)而完成學習具身認知理論只有當學習者的認知、身體與環(huán)境三者進行有效互動時才能進行學習建構(gòu)主義“把實驗室搬到課堂中去”“學習是一種真實情境的體驗”教學設(shè)備虛仿實驗、數(shù)字孿生改變學校 實驗（實訓）模式高度仿真的數(shù)字化虛仿教學設(shè)備能對物理設(shè)備進行自然規(guī)律擬真，讓學生通過操作虛 仿教學設(shè)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(shè)備做準備；進一步采用數(shù)字孿生技術(shù)，物理世界中的實體與數(shù)字世界中的孿生體相互映射、相互 影響，通過數(shù)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(zhí)行

11、。教師虛擬教師（第二教師， Second Teacher）實現(xiàn)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(wù)， 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(xié)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(lǐng)域；真身、化身、機器人，構(gòu)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(fā) 學生的學習興趣游戲化教學讓學生在元宇宙中的學習