元宇宙推动课程教学改革与实践探索*

2023-10-19刘德建邢璎凡靳帅贞

现代教育技术 2023年10期

刘德建邢璎凡吴镝靳帅贞钟正

元宇宙推动课程教学改革与实践探索*

刘德建1邢璎凡2吴镝3靳帅贞4钟正4[通讯作者]

（1．网龙网络控股有限公司设计中心，福建福州 350001；2．福州软件职业技术学院游戏产业学院，福建福州 350211；3．网龙网络控股有限公司工程院，福建福州 350001；4．华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心，湖北武汉 430079）

当前，虽然元宇宙正在促进课程教学改革，推动教与学模式的重构，但相应的教学设计与实践研究还在探索过程中。为此，文章首先构建包含多元化环境、多模态资源和多主体互动的课程元宇宙课堂模型，将省级精品课程“虚拟现实概论”打造成主题式课程，并依托此模型开展情境化教学、探究式学习、协作式学习等多样化课程教学实践。然后，文章采用前后测准实验，探究课程元宇宙教学对学生职业软技能与学习体验的影响。实验结果表明：相比传统课程教学，课程元宇宙更能促进学生的创新能力、批判性思维、团队协作能力等职业软技能发展，增强学生的自我效能感，提供更佳的沉浸式体验。最后，文章从制定行业标准、完善教学资源和健全保障机制三个方面给出课程元宇宙实施的推进建议，以期助力课程元宇宙的常态化、规模化教学应用。

课程元宇宙；课堂模型；教学改革；实践探索

如今，人工智能、大数据、虚拟现实（Virtual Reality，VR）等技术正加速推动社会产业变革，数字经济的发展对人才培养提出了更高的要求[1]，而人才培养需求的变化也将促进课程教学的改革与创新。其中，VR技术在航天、医学、游戏、创意等行业具有广阔的应用前景，多数游戏、创意专业均开设VR类实践课程。然而，在疫情期间，VR类实践课程的在线教学暴露出交互方式简单、教学资源不足、临场体验不强等问题[2]。针对这些问题，有学者提出借助元宇宙相关技术，构建高沉浸感、安全可靠、低试错成本的课程元宇宙平台，以有效丰富交互方式、生成创新教学资源和加强具身沉浸体验[3]。而基于课程元宇宙平台，深入探索VR类实践课程教学，可推动在线教学的流程再造和学生体验升级，助力培养适应未来社会发展所需的创新型高技能人才。但是，当前基于元宇宙的课程教学设计与实践应用研究成果相对较少。主题式课程有助于多元化、弹性化地整合教学资源、教学媒体和教学活动，提高学习者的高级思维技能、情感和理解力[4]，可为课程元宇宙的教学设计与实施提供理论支撑与实践指引。因此，本研究将福建省F学院的省级精品课程“虚拟现实概论”打造成基于元宇宙的主题式课程，针对该校游戏创意设计专业的大一学生开展教学实践，并从学习动机、自我效能感、沉浸感、认知负荷等方面验证其教学效果，以期丰富课程元宇宙的相关研究，为课程元宇宙教学实践提供参考，推动其在教育教学中的创新应用与发展。

一元宇宙促进课程教学改革

新一轮科技革命和产业转型升级正在系统性重塑生产方式、企业组织和就业形态[5]，人机协同、跨界融合、计算思维、沟通协作等关键能力成为新时代人才培养的新要求。而课程教学是人才培养的基础和保障，因此开展新技术条件下的课程教学改革，强化课程教学与数字技术的深度融合，以及与产业的协同创新，成为培养符合社会发展时代新人的有效途径[6]。

课程教学改革的核心是转变传统的教与学方式。围绕感知、计算、重构、协同、交互技术构建的课程元宇宙，将促进教与学方式的转变，塑造新形态的数字化课程[7]，从而满足课程教学改革的需求。其中，教学环境将从线下面对面授课与线上网络教学转变为真实环境和虚拟世界相融合的线上线下混合式教学[8]，可为学生带来更多沉浸式交互体验。教学资源将在传统的多媒体资源上叠加、融合更多的数字信息层，形成虚实融生的沉浸式资源，可帮助学生直观感受和理解知识与技能，激发其主动投入学习，提升学习认知、培养移情与知识关联能力。师生主体将由真实师生拓展到虚拟师生，真实师生在元宇宙中可依据自身偏好，选择或定制虚拟形象[9]，以虚拟化身的形式进入课堂教学、综合实训、课程实习等场景，开展灵活多变、多人同步、实时交互的教学活动；通过虚拟化身多角度观察、体验与感知多维度、可变化的空间场景[10]，与虚实对象或资源全方位互动，拓展“人-机-场”的多元交互关系，获得丰富的情感和行动体验。为此，本研究将充分利用课程元宇宙的优势，构建课程元宇宙课堂模型，基于虚拟化身、虚拟环境、虚拟资源和多感官互动，实现课堂内外的有效衔接，促进课程教学的改革与发展，有效提升课程教学的趣味性和有效性。

二课程元宇宙课堂模型的构建

在人工智能、大数据、VR、物联网、区块链等技术的加持下，元宇宙可重组课程教学中相互作用的教师、学生、教学环境、教学资源等诸多要素。实现课程元宇宙需要充分发挥各要素的优势，利用元宇宙的相关技术，使教学过程中学生与教师、环境、资源之间的交互更加多样化和个性化，从而深入发掘多模态技术的潜能，促进各要素之间的相辅相成。基于上述设计思路，本研究构建了课程元宇宙课堂模型，如图1所示。该模型由多元化环境、多模态资源与多主体互动共同联结，形成具有立体沉浸、具身参与、自由开放、公平适切特征的课堂教学。将虚拟教学空间与真实教学空间相融合，可以使学生打破现实环境的束缚，在虚实融合的环境中开展沉浸式学习，获得真正跨越时空、身临其境、亦真亦幻的学习体验。

图1 课程元宇宙课堂模型

1 多元化环境——自由探索

基于元宇宙的课堂教学将连接学校内外、融合线上线下的不同环境[11]，接入多种形态的智能终端和教育装备（如VR头显、广角摄像头、移动终端等），实现可视化、可感知软硬件设备间的无缝互联和协同工作。在此环境下，教师可根据课程目标和任务，自主创建学习、探究、体验等多元化的教育场景，选择课堂、会议、休息等用途各异的虚拟教学空间，在不同空间场景中无缝转换开展教学活动，实现多场景融合的教学模式；个性化定制虚实融合的教学空间，采用行动导向、角色扮演、仿真训练等公平适切的教学方式，使学生在“所想即可尝试”的教学环境中突破重难点知识，有效解决理论与实践脱离的问题。另外，师生使用个人账号登录元宇宙教学平台，即可定制专属虚拟化身。学生可操纵化身进入、浏览和探索虚实交融的开放式学习场景，自由开展虚拟创作或参与课程学习，依据需求开展设备操作和实践模拟，提升专业技能水平。

2 多模态资源——学习体验

基于元宇宙的课堂教学支持教师使用虚实融合、实时交互的多模态资源开展教学活动，可有效激发学生的学习兴趣和动机，提高教学效果。在课前备课阶段教师可整合VR/AR/MR、音视频、动画等多模态教学资源，将其嵌入虚拟场景，充分支持学生的自主探究、小组协作、情境体验等学习活动，满足其知识、技能、素养等方面的多样化学习需求；在课中教学阶段，使用虚实融合的多模态学习资源，还原和升级传统的书本知识，帮助学生从视觉、听觉、触觉等多感官通道获取立体信息，实现“心流”体验的沉浸式学习[12]。学生可根据自身的学习特点与学习任务的实际情况，合理、自如地选用虚拟教学资源与工具，自由旋转、缩放、拆分学习对象；通过课堂观察、参观展览、实地考察、项目实践等方式，充分调动自身的主观能动性，深入探索逼真的虚拟资源，获得高度真实、沉浸、互动的学习体验，提高感知能力与学习能力。

3 多主体互动——知识建构

基于元宇宙的课堂教学支持师生利用VR头显设备，以3D虚拟化身参与视觉、听觉和触觉多通道交互，实现“师-机-生”三位一体的教学互动与交流。真实教师与虚拟教师共同配合，可协作构建线上线下融合的双师课堂[13]，创新情境化、主题式、探究式等教学模式，开展小组讨论、合作探究、虚拟创作等多样化教学活动，引导学生形成新旧概念之间的交互，发生意义与行为上的改变。学生以虚拟化身方式在VR/AR/MR环境中与真实/虚拟教师交互，可调动自身多重感官，与其他教师和同伴展开深入讨论和交流，实现信息在物理世界与虚拟环境中的双向传输；依靠自身的感知与认知能力全面获取知识，深入理解与掌握教学内容，内化知识与习得技能，获得深层次的知识建构，实现由“学”到“习”的重要转变，有效提升复杂问题解决、沟通协作、人机协作等高阶思维能力。

三课程元宇宙教学的设计与实践

基于“学生中心，需求导向，能力本位，学做合一”的教学理念[14]，本研究依托课程元宇宙课堂模型，将福建省F学院的省级精品课程“虚拟现实概论”打造成主题式课程，并于2022年10月1日～12月31日面向该校游戏创意设计专业的大一学生开展了教学实践，以期为后续类似课程元宇宙的设计与实践提供案例参考。

1 课程目标制定

课程基于“社会·生活·职业”融合的职业教育价值取向，从知识、技能、素质三个维度制定了“虚拟现实概论”的课程目标（如表1所示）。学生通过课程学习能够了解VR的特点，并初步掌握VR的策划、设计、测试、维护、服务等相关内容。

2 学生特征分析

学生在接触VR游戏后，对VR的特点已有初步了解，但对其具体的概念知识与操作方法尚未形成系统性的认知。此外，学生对感兴趣的学习内容积极性较高，对动手实践的课程兴趣明显高于理论课程。

3 主题式课程内容设计

根据学生已有的知识水平与认知特点，针对“虚拟现实概论”课程所具有的工学结合、理实一体等教学特点和实时性、有用性、丰富性等内容特征，需要将VR技术及衍生产品作为课程设置及内容选择的参照点，选取教材中涉及VR发展历程、相关产品、行业应用等方面内容的章节，结合元宇宙知识内容形成对应的主题式课程。在持续八周的课程教学活动中，需引导学生在开放、可拓展的元宇宙虚拟场景中深切感受VR技术的特征与典型产品，直观认识当前学习内容与未来工作的契合之处，充分发挥学习内驱力，主动深化知识体系结构。同时，还要基于元宇宙虚拟工作情景呈现职业教育常规教学难以企及的部分，在授课、讨论、体验、分享等教学环节中激发学生对VR在多行业应用的深度思考，提升其职业岗位技能，从而有效达成课程教学目标，实现课程组织结构、开展形式和内容呈现方式的改革与创新。

4 多样化课程教学实践

本课程改变以教师为主导的授课方式，组合运用“腾讯会议+华渔元宇宙+福软通”平台，搭建情境化教学、探究式学习、协作式学习等多样化元宇宙教学场景，开展课程教学实践，每次课时长控制在2小时内。为避免VR引起晕动症，学生连续佩戴头显设备时间不超过30分钟。

（1）情境化教学

出门的时候，倩倩在搭积木，大林还昏睡在他的小床上。杜一朵问倩倩，你去不去外婆家？倩倩说愿意呆在家里陪爸爸。杜一朵说，那就和妈妈再见。倩倩说，再见妈妈。杜一朵在穿衣镜前摆弄了一番姿态，她很满意自己今天的扮相。尤其是短裙下那两条长腿，笔直修长白皙，腿是她的骄傲。

依据情境认知理论[15]，本课程以学生为中心，利用元宇宙虚拟重现和虚拟仿真的特征，构建虚实交融的情境化教学场景，丰富学生体验，提高其知识理解和应用能力。在元宇宙平台支持下，教师根据前期企业调研和专家走访，创设与当次主题教学内容高度关联的虚拟工作情境，向学生立体化呈现并描述真实岗位的工作内容、流程与所需的职业技能，激发学生的认同感与代入感，引起其有意注意。如图2所示，学生佩戴头显设备，以虚拟化身形式进入逼真的工作情境，然后根据福软通平台发布的学习任务，通过角色扮演、事件模拟、动手实践等方式，与元宇宙环境中的内容开展积极、有效的互动，在互动过程中完成有意义的知识建构，掌握未来工作岗位需要的VR策划、维护、服务等技能。在元宇宙情境化教学场景中，学生能够拥有更加真实、直观、互动的学习体验，更好地掌握职业技能和素养，提高职业竞争力和就业能力。

图2 情境化教学体验

图3 探究式学习效果图

图4 协作式学习效果图

（2）探究式学习

利用元宇宙去中心化和自由开放的特征，构建高度逼真的探究式学习场景，使学生在元宇宙虚拟体验与创作中充分发挥自主性，通过认知、联想和自学，亲身发现与领悟知识，以获得职业技能。教师基于学生的先前经验，在元宇宙环境中布置与真实岗位相对一致的探究任务。学生佩戴VR设备进入无限广袤、自由交互的元宇宙沉浸式场景开展探究式学习（如图3所示），将专业理论知识、技能和方法运用于问题解决、任务推进、工作演练等实践探究中，在谙熟相应职业知识、技能的基础上实现超越与创新。例如，在第6周的“元宇宙知识概述”一课中，学生进入沉浸式虚拟竞技场后，自主探究、真实感受飞碟射击游戏操作，深度思考该游戏场景、交互方面的优缺点，不断强化对VR产品效果的认知，并迁移知识至未来VR场景制作中。在元宇宙探究式学习场景中，学生能够充分探索职业性、开放性学习情境，深入挖掘职业教育的专业性知识内容，在边学、边做、边思考的过程中提升动手能力和专业技能。

（3）协作式学习

基于元宇宙超时空化和沉浸交互的特性，构建虚实联动的协作式学习场景，在一定的激励机制下，以学习小组为基本单位，可最大化学生的习得成果[16]。教师采用异质分组策略，保证小组内的学生具有不同的特征[17]，使其在协作过程中相互取长补短。小组成员通过元宇宙平台创建虚拟会议室，围绕课前阅读中的问题或学习任务展开讨论，共同规划和制定元宇宙体验探究方案，明确查找资料、记录内容、总结结果、汇报发言等任务分工，以促进成员间的积极互赖与个人参与。如图4所示，学生在充分的讨论与交流过程中完成对VR相关知识的建构，有效提升沟通协作能力。教师随时进入不同小组的会议室，了解各组学生的讨论情况，引导讨论方向，掌握讨论进展。讨论结束后，各组总结和归纳讨论情况，对于疑问、分歧之处，通过腾讯会议开展集体交流，由其他小组成员或教师解答。在元宇宙协作式学习场景中，学生围绕复杂问题展开深度分析与研讨，能够提供多角度的思维碰撞，有效培养学生的批判性思维，高效完成多维度的学习内容。

四课程元宇宙的实施效果评价

1 实验设计与实施

本研究采用前后测准实验设计，选取福建省F学院游戏创意设计专业大学一年级的两个平行班级分别作为对照组（50人）与实验组（46人），探究课程元宇宙教学对学生职业软技能与学习体验的影响。首先，在第一周课程开始前，由教师向学生介绍课程内容并开展元宇宙平台操作培训，做好课程教学准备。接着，采用简单随机分组的方式将两个班级分为对照组和实验组，由同一位授课教师进行课程教学；在控制教学进度、内容、模式等无关变量的基础上，对照组使用图片、视频等多媒体资源开展传统课程教学，而实验组使用虚实结合的多模态教学资源开展课程元宇宙教学；在实验过程中，有2名研究人员监督课程。第8周课程教学结束后，由教师组织所有学生填写职业软技能评估量表与学习体验量表。

2 数据收集与处理

表2 问卷基本信息

3 教学效果分析

（1）职业软技能

职业软技能维度独立样本T检验结果如表3所示，两组学生经过课程学习后，在团队沟通能力（t＝1.209，=0.230＞0.05）方面不存在显著差异，但在创新能力（t＝2.868，=0.005＜0.05）、批判性思维（t＝2.777，=0.007＜0.05）和团队协作能力（t＝3.259，=0.002＜0.05）方面均存在显著差异，且实验组学生的得分比对照组学生更高，这表明课程元宇宙能够促进学生自主思考和生成创造性想法，可以推动创新思维意识和能力的培养；激发学生从不同角度批判性分析问题，提升其在发现问题、厘清要素、设计方案、解决问题等方面的能力；有助于培养学生的团队意识和责任感，引导学生建立良好的合作关系，以共同协作、高效完成学习任务。

表3 职业软技能前后测情况

（2）学习体验

学习体验维度独立样本T检验结果如表4所示，两组学生经过课程学习后，在学习动机（t＝1.336，=0.185＞0.05）和认知负荷（t＝0.762，=0.448＞0.05）方面不存在显著差异，但在自我效能感（t＝2.800，=0.006＜0.05）和沉浸感（t＝2.463，=0.016＜0.05）方面存在显著差异，且实验组得分均高于对照组，这表明课程元宇宙教学能使学生在完成任务时获得更强烈的成就感，并提供更强的沉浸感，更能激发学生的学习兴趣。

表4 学习体验前后测情况

五课程元宇宙实施的推进建议

根据教学效果分析结果可知，课程元宇宙能够显著提升学习者的自我效能感和沉浸感，促进其创新能力、批判性思维和团队协作能力的发展。然而，课程元宇宙尚处于探索阶段，为了保障其发展秩序和实施效率，本研究拟从以下三个方面提出建议。

1 制定行业标准

课程元宇宙的深度推进需要网络、算力、智能技术、显示技术等协同配合，教育主管部门、行业协会、龙头企业、高水平院校等单位应共同制定适配、传输、共享等标准，实现教学系统之间的无缝连接，提升大规模用户参与的高度沉浸和拟真交互体验效果；应尽快建立课程元宇宙设计、开发、交付、评估等方面的标准体系，保证课程的建设质量与可持续发展；可协同制定相应数据采集、处理和应用的规范标准，实现用户隐私保护与信息安全管理，从而加强师生对课程元宇宙的信任，提高教师的教学活跃度和学生的学习动机，推动教育从物理和社会的双空间体系迈向物理、社会和信息的三空间全新生态体系[23]。

2 完善教学资源

学校应围绕课程教学目标，与企业联合，积极布局“云网数端”一体化的元宇宙教学基础环境，构建多模态和个性化的教学资源，提供智能化的教学辅助工具，支撑“师-机-生”三位一体的互动式课程元宇宙教学；还应在高水平院校专家的指导下，以学生为本，根据学生特征、课程特点和基于过程的教学理念开展多元化教学活动的再设计[24]，创设以体验和交互为主的课程元宇宙教学情境，生动形象地呈现知识内容，降低学生的认知负荷，促进其认知发展，同时立足于提高学生的创新能力、复杂问题解决能力、协作沟通能力等高阶思维能力，恰当地发挥技术作用，促进技术之间的相互促进、相互协同。

3 健全保障机制

教育主管部门与学校应共同制定教学统筹协调制度，在环境建设、资源投入、人员配备、综合管理、教师培训、教学应用等方面保障课程元宇宙教学顺利推进：一方面，应注重实施政策引导和制度保障，重塑人才培养方案，建设线上线下混合的课程体系，形成全流程教学质量监控体系，完善评估和奖励机制，激励专业教师积极参与课程教学改革，定期评估和改进课程元宇宙的教学效果和质量，切实提升学生的软技能和学习体验。另一方面，应适度超前布局，加大对于课程改革的经费投入，持续改善教学基础条件，发挥政府投资引导的带动作用，增强社会力量参与元宇宙教学的积极性，促进课程元宇宙的常态化有效实施。

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Metaverse Driving the Reform and Practical Exploration of Curriculum Teaching

LIU De-jian1XING Ying-fan2WU Di3JIN Shuai-zhen4ZHONG Zheng4[Corresponding Author]

At present, althouh the metaverse is promoting the reform of curriculum teaching and the reconstruction of teaching and learning mode, the corresponding teaching design and practical research are still in the process of exploration. Therefore, this paper firstly constructed a curriculum metaverse classroom model that included diversified environment, multimodal resources and multi-agents interaction. The “Introduction to Virtual Reality” of a college in Fuzhou was built into a thematic curriculum, and the diversified teaching practices such as situational teaching, inquiry-based learning and collaborative learning were carried out relying on the curriculum metaverse classroom teaching model. Then, the influence of curriculum metaverse teaching on students’ professional soft skills and learning experience was explored by the pre-test and post-test quasi-experiment. The experimental results showed that compared with traditional curriculum teaching, the curriculum metaverse could promote students’ vocational soft skills development such as innovation, critical thinking and teamwork ability, strengthen students’ self-efficacy and provide a better immersion experience. Finally, some suggestions on the implemetnation and promotion of the curriculum metaverse were proposed from three aspects of formulating industry standards, improving teaching resources and perfectinthe guarantee mechanism, in order to help the normalization and large-scale teaching application of the curriculum metaverse.

course metaverse; classroom model; teachinreform; practical exploration