从虚拟实验到教育元宇宙

从虚拟实验到教育元宇宙北京师范大学智慧学习研究院 姚有杰2022年6月 2022年6月2——引自李平博士，教育部教育装备研究与发展中心虚拟现实教育应用研究院成立暨虚拟现实教育应用学术交流会 虚拟仿真实验教学 依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学目的。虚拟仿真实验教学 2022年6月3高危或极端环境（高压电网操作、航空航天和核工程）不可及或不可逆操作（石油勘探、手术治疗、汽车碰撞）大型或综合训练（物流、金融、市政交通管理）受时间、地点、人力、物力、财力等限制虚拟仿真实验教学应用场景 2022年6月4 2017年，教育部决定开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作，计划在2017-2020年认定涵盖60个专业类的1000个国家级虚拟仿真实验教学项目。 2019年，教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》，将国家虚拟仿真实验教学项目纳入一流本科课程建设。虚拟仿真实验教学建设——普通高等学校 2022年6月 截止到2020年底，教育部已认定并公布国家虚拟仿真实验教学一流课程有728门，覆盖了41个专业类，168个专业。 2021年4月，教育部发布《关于开展第二批国家级一流本科课程认定工作的通知》（教高厅函〔2021〕13号），其中国家虚拟仿真实验教学一流课程拟认定360门。5虚拟仿真实验教学建设——普通高等学校 2022年6月6高等教育: iLAB-X国家虚拟仿真实验教学课程共享平台：3000+16虚拟仿真实验教学建设——普通高等学校 2022年6月7虚拟仿真实训基地——职业教育 2022年6月8虚拟仿真实训基地——职业教育 公布职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目名单之后，为指导职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目单位高效率、高质量开展建设工作，教育部科技发展中心制定、发布了《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》。 央馆虚拟实验 虚拟实验虚拟实验概述l虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实（又称VR）等技术在计算机上营造可辅助传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目。l虚拟实验的实现将有效缓解很多学校在经费、场地、器材等方面普遍面临的困难和压力，而且开展网上虚拟实验教学能够突破传统实验对“时、空”的限制，无论是学生还是教师，都可以自由、无顾虑地随时随地上网进入虚拟实验室，操作仪器，进行各种实验，有助于提高实验教学质量。 虚拟实验价值点（一）实验条件不可及操作通过虚拟实验模拟真空条件，解决实物实验无法完全达到真空的问题，直达实验本质，帮助学生对实验原理的理解。不可逆操作（破坏性）通过虚拟实验模拟电路电流过载操作，呈现器材损坏现象，拓宽实验探究场景，减少实物实验器材的损耗，提升课堂效率。 虚拟实验价值点（二）实验时间长难以在课堂开展通过视频从卵、蚕幼虫、蛹、成虫四个阶段直观的呈现出来，节省实验观察的时间成本。变化太慢难以在课堂开展利用虚拟实验时间加速功能，实现短时间内观察到实验过程较长的实验现象，节省课堂时间，提升课堂效率。 虚拟实验价值点（三）实验变化太快难以观察通过时间变速功能，解决烟草浸出液对水蚤心率的影响实验中加入高浓度的烟草浸出液，水蚤心跳速率过快，难以数清楚的痛点。对环境有害（有毒）通过虚拟实验模拟实验操作，避免有害气体的产生对师生身心的危害，同时为情景化的数据探究提供支撑。 虚拟实验价值点（四）危险性实验通过虚拟实验室还原真实的实验器材及操作，解决了实际实验中因爆炸产生的完全隐患，让学生在安全的环境完成对知识的学习。实验成本昂贵通过虚拟实验模拟价格昂贵且反应过程剧烈的实验，直观呈现出实验的现象，解决了实物实验难以进行的问题，帮助学生对原理的理解。 虚拟实验价值点（五）减少实验误差通过虚拟实验模拟功能，实现实验数据的精确无误，减小实际实验中的误差。大型或综合训练利用虚拟实验模拟青蛙在大型草地的自然环境中保护色的形成过程，解决了大型实物实验的场地及实验数据获取的痛点。 虚拟实验价值点（六）逼真实验情景创造运用虚拟仿真技术，借助VR设备，创导出逼真的实验环境，实现视觉、听觉乃至触觉的全方位沉浸式交互资源，强化实验现象及知识记忆。实验操作反复训练运用虚拟仿真技术及AI 技术，借助VR设备，创导出逼真的实验操作场景，同时实现AI助教的实时指导、帮助学生规范实验操作及明确实验注意事项，提升实验操作的训练效果 2022年6月元宇宙定义“元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态，它基于扩展现实技术提供沉浸式体验，基于数字孪生技术生成现实世界的镜像，基于区块链技术搭建经济体系，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、身份系统上密切融合，并且允许每个用户进行内容生产和世界编辑。”——清华大学沈阳团队《2020-2021年元宇宙发展研究报告》“元宇宙是通过虚拟增强的物理现实， 呈现收敛性和物理持久性特征的、 基于未来互联网的、 具有连接感知和共享特征的3D虚拟空间。” ——朱嘉明“被用来描述一个未来持久化和去中心化的在线三维虚拟环境” ——维基百科 2021年9月24日信息化：人类大部分活动都在物理世界中完成，少量行为只借助信息化提升效率。数字化：人类大部分活动及交互都在数字化世界中进行，少量决策指挥信息回到物理世界指挥设备和机器完成操作。信息化、数字化、元宇宙数字孪生：物理世界中的实体与数字世界中的孪生体（实体的灵魂）相互映射、相互影响；数字世界中的孪生体主要功能是分析和决策，而物理世界中的实体主要功能是接受指令并执行。进一步演进过程：数字孪生、数字原生（多元宇宙）、虚实相生（超元宇宙） 2022年6月属性特点创造简单易用的创造工具，赋予人们充满想象的创造力沉浸沉浸式体验，带来超越时空的震撼社交社交是元宇宙的原始属性经济数字身份数字资产、数字货币数字创造、数字市场、数字消费共创、共享、共治，不同的元宇宙，会形成不同的形态基本特征——四大属性 创造、沉浸、社交、经济 2022年6月属性特点Roblox虚仿实验创造简单易用的创造工具，赋予人们充满想象的创造力52沉浸沉浸式体验，带来超越时空的震撼33社交社交是元宇宙的原始属性31经济数字身份数字资产、数字货币数字创造、数字市场、数字消费共创、共享、共治，不同的元宇宙，会形成不同的形态30基本特征——四大属性 创造、沉浸、社交、经济备注： 数字越大表示匹配度越高，最大值为5 2022年6月沉浸性教学符合教育理论的观点蔡苏, 王沛文, 杨阳, 刘恩睿. 增强现实(AR)技术的教育应用综述[J]. 远程教育杂志,2016,05:27-40行为主义 学习是刺激-反应(S-R)联结公式，由刺激得到反应而完成学习具身认知理论 只有当学习者的认知、身体与环境三者进行有效互动时才能进行学习建构主义 “把实验室搬到课堂中去” “学习是一种真实情境的体验” 2022年6月教学设备虚仿实验、数字孪生改变学校实验（实训）模式1. 高度仿真的数字化虚仿教学设备能对物理设备进行自然规律拟真，让学生通过操作虚仿教学设备进行实验实训，掌握所需知识和技能，为后期实际操作物理设备做准备；2. 进一步采用数字孪生技术，物理世界中的实体与数字世界中的孪生体相互映射、相互影响，通过数字世界中的孪生体进行分析和决策，进而直接作用于物理世界中的实体接受指令并执行。教师虚拟教师（第二教师，Second Teacher）实现全时个性化教育作为第二教师的虚拟教师不能替代真实教师，但虚拟教师能为学生提供全时教育服务，随时解答学生问题并提供个性化教育。虚拟教师（第二教师）是以协助者的角色，以学生为中心，因材施教，在共同成长中获得更多的帮助。师生通过化身（Avatar）进行教学等各类活动1.教师和学生通过化身（Avatar）作为代理进行灵活多变的教学活动。师生之间、生生之间在元宇宙中通过化生进行各类社交活动，彰显了个性，拓展了社交的领域；2.真身、化身、机器人，构建虚实融合的社交活动。学生元宇宙中游戏式教学更能激发学生的学习兴趣游戏化教学让学生在元宇宙中的学习变得更加有趣，在元宇宙中创设的虚拟教学场景，设置通关游戏，让学生有强烈的参与感和成就感，让学生学习活动变得更加有趣。学习环境沉浸式学习环境为提升学习深度创造有利条件沉浸式学习环境，突破了物理世界的局限，使师生可以模拟真实情境进行教学，也可以为了教学需要创作出各类不同的教学情境，为提升学习深度创造有利条件。教育元宇宙思考 谢 谢！