從虛擬實(shí)驗(yàn)到教育元宇宙

1、從虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)教 育應(yīng)用研究院成立暨虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué) 依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)， 構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱 所要求的教學(xué)目的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)3高危或極端環(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(chē)碰撞）大型或綜合訓(xùn)練（物流、金融、市政交通管理）受時(shí)間、地點(diǎn)、人力、物力、財(cái)力等限制2022年6月虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景2017年，教育部決定開(kāi)展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，

2、計(jì)劃在2017-2020年認(rèn)定涵蓋60個(gè)專(zhuān)業(yè)類(lèi)的1000個(gè)國(guó)家 級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。2019年，教育部發(fā)布關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)，將國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目納入一流本科課程建設(shè)。4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)普通高等學(xué)校2022年6月截止到2020年底，教育部已認(rèn)定并公布國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程有728門(mén)，覆蓋了41個(gè)專(zhuān)業(yè)類(lèi)，168個(gè)專(zhuān) 業(yè)。2021年4月，教育部發(fā)布關(guān)于開(kāi)展第二批國(guó)家級(jí)一流本科課程認(rèn)定工作的通知（教高廳函202113號(hào)）， 其中國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程擬認(rèn)定360門(mén)。5虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)普通高等學(xué)校2022年6月6高等教育:iLAB-X國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共

3、享平臺(tái)：3000+2022年6月 16虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)普通高等學(xué)校7虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地職業(yè)教育2022年6月虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地職業(yè)教育公布職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地培育項(xiàng)目名單之后，為指導(dǎo)職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地培育項(xiàng)目單位高效率、 高質(zhì)量開(kāi)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(shí)訓(xùn)基地建設(shè)指南。82022年6月央館虛擬實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)概述虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)（又 稱(chēng)VR）等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán) 節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境 中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)將有效緩解很多學(xué)校在經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、

4、 器材等方面普遍面臨的困難和壓力，而且開(kāi)展網(wǎng)上虛擬 實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)“時(shí)、空”的限制，無(wú)論 是學(xué)生還是教師，都可以自由、無(wú)顧慮地隨時(shí)隨地上網(wǎng) 進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，有助于提 高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。虛擬實(shí)驗(yàn)價(jià)值點(diǎn)（一）實(shí)驗(yàn)條件不可及操作通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M真空條件，解決實(shí)物實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全達(dá)到真空的 問(wèn)題，直達(dá)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)，幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。不可逆操作（破壞性）通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路電流過(guò)載操作，呈現(xiàn)器材損壞現(xiàn)象，拓寬實(shí)驗(yàn) 探究場(chǎng)景，減少實(shí)物實(shí)驗(yàn)器材的損耗，提升課堂效率。虛擬實(shí)驗(yàn)價(jià)值點(diǎn)（二）實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)難以在課堂開(kāi)展通過(guò)視頻從卵、蠶幼蟲(chóng)、蛹、成蟲(chóng)四個(gè)階段直觀(guān)的呈現(xiàn)出來(lái)，節(jié) 省實(shí)驗(yàn)觀(guān)

5、察的時(shí)間成本。變化太慢難以在課堂開(kāi)展利用虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間加速功能，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)觀(guān)察到實(shí)驗(yàn)過(guò)程較長(zhǎng)的實(shí) 驗(yàn)現(xiàn)象，節(jié)省課堂時(shí)間，提升課堂效率。虛擬實(shí)驗(yàn)價(jià)值點(diǎn)（三）實(shí)驗(yàn)變化太快難以觀(guān)察通過(guò)時(shí)間變速功能，解決煙草浸出液對(duì)水蚤心率的影響實(shí)驗(yàn)中加 入高濃度的煙草浸出液，水蚤心跳速率過(guò)快，難以數(shù)清楚的痛點(diǎn)。對(duì)環(huán)境有害（有毒）通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)操作，避免有害氣體的產(chǎn)生對(duì)師生身 心的危害，同時(shí)為情景化的數(shù)據(jù)探究提供支撐。虛擬實(shí)驗(yàn)價(jià)值點(diǎn)（四）危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室還原真實(shí)的實(shí)驗(yàn)器材及操作，解決了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中 因爆炸產(chǎn)生的完全隱患，讓學(xué)生在安全的環(huán)境完成對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)成本昂貴通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M價(jià)格昂貴且反應(yīng)過(guò)程劇烈

6、的實(shí)驗(yàn)，直觀(guān)呈現(xiàn)出實(shí)驗(yàn) 的現(xiàn)象，解決了實(shí)物實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行的問(wèn)題，幫助學(xué)生對(duì)原理的理解。虛擬實(shí)驗(yàn)價(jià)值點(diǎn)（五）減少實(shí)驗(yàn)誤差通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確無(wú)誤，減小實(shí)際實(shí) 驗(yàn)中的誤差。大型或綜合訓(xùn)練利用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M青蛙在大型草地的自然環(huán)境中保護(hù)色的形成過(guò)程， 解決了大型實(shí)物實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的痛點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)價(jià)值點(diǎn)（六）逼真實(shí)驗(yàn)情景創(chuàng)造運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，借助VR設(shè)備，創(chuàng)導(dǎo)出逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí) 現(xiàn)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)乃至觸覺(jué)的全方位沉浸式交互資源，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 及知識(shí)記憶。實(shí)驗(yàn)操作反復(fù)訓(xùn)練運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)及AI 技術(shù)，借助VR設(shè)備，創(chuàng)導(dǎo)出逼真的實(shí)驗(yàn)操作 場(chǎng)景，同時(shí)實(shí)現(xiàn)AI助教的實(shí)時(shí)指導(dǎo)、幫助學(xué)生規(guī)范

7、實(shí)驗(yàn)操作及明確實(shí) 驗(yàn)注意事項(xiàng)，提升實(shí)驗(yàn)操作的訓(xùn)練效果2022年6月元宇宙定義“被用來(lái)描述一個(gè)未來(lái)持久化和去中心化的在線(xiàn)三維虛擬環(huán)境”維基百科“元宇宙是通過(guò)虛擬增強(qiáng)的物理現(xiàn)實(shí)，呈現(xiàn)收斂性和物理持久性特征的、基于未來(lái)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(shí)相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會(huì)形態(tài)，它基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù) 提供沉浸式體驗(yàn)，基于數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)體系，將虛擬 世界與現(xiàn)實(shí)世界在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)上密切融合，并且允許每個(gè)用戶(hù)進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn) 和世界編輯?！鼻迦A大學(xué)沈陽(yáng)團(tuán)隊(duì)2020-2021年元宇宙發(fā)展研究報(bào)告

8、信息化：人類(lèi)大部分活動(dòng)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(lèi)大部分活動(dòng)及交互都在數(shù)字化世界中進(jìn)行，少量決策指揮信息回到物理世界指揮設(shè)備和機(jī)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(shí)體與數(shù)字世界中的孿生體（實(shí)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(shí)體主要功能是接受指令并執(zhí)行。進(jìn)一步演進(jìn)過(guò)程：數(shù)字孿生、數(shù)字原生（多元宇宙）、虛實(shí)相生（超元宇宙）2021年9月24日屬性特點(diǎn)創(chuàng)造簡(jiǎn)單易用的創(chuàng)造工具，賦予人們充滿(mǎn)想象的創(chuàng)造力沉浸沉浸式體驗(yàn)，帶來(lái)超越時(shí)空的震撼社交社交是元宇宙的原始屬性經(jīng)濟(jì)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(chǎng)、數(shù)字消費(fèi)共創(chuàng)、共享、共治，不同的元宇宙，會(huì)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(jì)屬性特點(diǎn)Roblox虛仿實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造簡(jiǎn)單易用的創(chuàng)造工具，賦予人們充滿(mǎn)想象的創(chuàng)造力52沉浸沉浸式體驗(yàn)，帶來(lái)超越時(shí)空的震撼33社交社交是元宇宙的原始屬性31經(jīng)濟(jì)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(chǎng)、數(shù)字消費(fèi)共創(chuàng)、共享、共治，不同的元宇宙，會(huì)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(jì)備注： 數(shù)字越大表示匹配度越高，最大值為5沉浸性教學(xué)符合教育理論的觀(guān)點(diǎn)蔡蘇, 王沛文, 楊陽(yáng), 劉恩睿. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)的教育應(yīng)用綜述J. 遠(yuǎn)程教育雜志,2016

10、,05:27-402022年6月行為主義學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)具身認(rèn)知理論只有當(dāng)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知、身體與環(huán)境三者進(jìn)行有效互動(dòng)時(shí)才能進(jìn)行學(xué)習(xí)建構(gòu)主義“把實(shí)驗(yàn)室搬到課堂中去”“學(xué)習(xí)是一種真實(shí)情境的體驗(yàn)”教學(xué)設(shè)備虛仿實(shí)驗(yàn)、數(shù)字孿生改變學(xué)校 實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）模式高度仿真的數(shù)字化虛仿教學(xué)設(shè)備能對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行自然規(guī)律擬真，讓學(xué)生通過(guò)操作虛 仿教學(xué)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，掌握所需知識(shí)和技能，為后期實(shí)際操作物理設(shè)備做準(zhǔn)備；進(jìn)一步采用數(shù)字孿生技術(shù)，物理世界中的實(shí)體與數(shù)字世界中的孿生體相互映射、相互 影響，通過(guò)數(shù)字世界中的孿生體進(jìn)行分析和決策，進(jìn)而直接作用于物理世界中的實(shí)體接 受指令并執(zhí)行

11、。教師虛擬教師（第二教師， Second Teacher）實(shí)現(xiàn)全時(shí) 個(gè)性化教育作為第二教師的虛擬教師不能替代真實(shí)教師，但虛擬教師能為學(xué)生提供全時(shí)教育服務(wù)， 隨時(shí)解答學(xué)生問(wèn)題并提供個(gè)性化教育。虛擬教師（第二教師）是以協(xié)助者的角色，以學(xué) 生為中心，因材施教，在共同成長(zhǎng)中獲得更多的幫助。師生通過(guò)化身（Avatar）進(jìn) 行教學(xué)等各類(lèi)活動(dòng)教師和學(xué)生通過(guò)化身（Avatar）作為代理進(jìn)行靈活多變的教學(xué)活動(dòng)。師生之間、生生 之間在元宇宙中通過(guò)化生進(jìn)行各類(lèi)社交活動(dòng)，彰顯了個(gè)性，拓展了社交的領(lǐng)域；真身、化身、機(jī)器人，構(gòu)建虛實(shí)融合的社交活動(dòng)。學(xué)生元宇宙中游戲式教學(xué)更能激發(fā) 學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣游戲化教學(xué)讓學(xué)生在元宇宙中的學(xué)習(xí)