元宇宙推動課程教學改革與實踐探索*

劉德建 邢瓔凡 吳 鏑 靳帥貞 鐘 正

元宇宙推動課程教學改革與實踐探索*

劉德建1邢瓔凡2吳 鏑3靳帥貞4鐘 正4[通訊作者]

（1．網龍網絡控股有限公司 設計中心，福建福州 350001；2．福州軟件職業技術學院 游戲產業學院，福建福州 350211；3．網龍網絡控股有限公司 工程院，福建福州 350001；4．華中師范大學 國家數字化學習工程技術研究中心，湖北武漢 430079）

當前，雖然元宇宙正在促進課程教學改革，推動教與學模式的重構，但相應的教學設計與實踐研究還在探索過程中。為此，文章首先構建包含多元化環境、多模態資源和多主體互動的課程元宇宙課堂模型，將省級精品課程“虛擬現實概論”打造成主題式課程，并依托此模型開展情境化教學、探究式學習、協作式學習等多樣化課程教學實踐。然后，文章采用前后測準實驗，探究課程元宇宙教學對學生職業軟技能與學習體驗的影響。實驗結果表明：相比傳統課程教學，課程元宇宙更能促進學生的創新能力、批判性思維、團隊協作能力等職業軟技能發展，增強學生的自我效能感，提供更佳的沉浸式體驗。最后，文章從制定行業標準、完善教學資源和健全保障機制三個方面給出課程元宇宙實施的推進建議，以期助力課程元宇宙的常態化、規模化教學應用。

課程元宇宙；課堂模型；教學改革；實踐探索

如今，人工智能、大數據、虛擬現實（Virtual Reality，VR）等技術正加速推動社會產業變革，數字經濟的發展對人才培養提出了更高的要求[1]，而人才培養需求的變化也將促進課程教學的改革與創新。其中，VR技術在航天、醫學、游戲、創意等行業具有廣闊的應用前景，多數游戲、創意專業均開設VR類實踐課程。然而，在疫情期間，VR類實踐課程的在線教學暴露出交互方式簡單、教學資源不足、臨場體驗不強等問題[2]。針對這些問題，有學者提出借助元宇宙相關技術，構建高沉浸感、安全可靠、低試錯成本的課程元宇宙平臺，以有效豐富交互方式、生成創新教學資源和加強具身沉浸體驗[3]。而基于課程元宇宙平臺，深入探索VR類實踐課程教學，可推動在線教學的流程再造和學生體驗升級，助力培養適應未來社會發展所需的創新型高技能人才。但是，當前基于元宇宙的課程教學設計與實踐應用研究成果相對較少。主題式課程有助于多元化、彈性化地整合教學資源、教學媒體和教學活動，提高學習者的高級思維技能、情感和理解力[4]，可為課程元宇宙的教學設計與實施提供理論支撐與實踐指引。因此，本研究將福建省F學院的省級精品課程“虛擬現實概論”打造成基于元宇宙的主題式課程，針對該校游戲創意設計專業的大一學生開展教學實踐，并從學習動機、自我效能感、沉浸感、認知負荷等方面驗證其教學效果，以期豐富課程元宇宙的相關研究，為課程元宇宙教學實踐提供參考，推動其在教育教學中的創新應用與發展。

一 元宇宙促進課程教學改革

新一輪科技革命和產業轉型升級正在系統性重塑生產方式、企業組織和就業形態[5]，人機協同、跨界融合、計算思維、溝通協作等關鍵能力成為新時代人才培養的新要求。而課程教學是人才培養的基礎和保障，因此開展新技術條件下的課程教學改革，強化課程教學與數字技術的深度融合，以及與產業的協同創新，成為培養符合社會發展時代新人的有效途徑[6]。

課程教學改革的核心是轉變傳統的教與學方式。圍繞感知、計算、重構、協同、交互技術構建的課程元宇宙，將促進教與學方式的轉變，塑造新形態的數字化課程[7]，從而滿足課程教學改革的需求。其中，教學環境將從線下面對面授課與線上網絡教學轉變為真實環境和虛擬世界相融合的線上線下混合式教學[8]，可為學生帶來更多沉浸式交互體驗。教學資源將在傳統的多媒體資源上疊加、融合更多的數字信息層，形成虛實融生的沉浸式資源，可幫助學生直觀感受和理解知識與技能，激發其主動投入學習，提升學習認知、培養移情與知識關聯能力。師生主體將由真實師生拓展到虛擬師生，真實師生在元宇宙中可依據自身偏好，選擇或定制虛擬形象[9]，以虛擬化身的形式進入課堂教學、綜合實訓、課程實習等場景，開展靈活多變、多人同步、實時交互的教學活動；通過虛擬化身多角度觀察、體驗與感知多維度、可變化的空間場景[10]，與虛實對象或資源全方位互動，拓展“人-機-場”的多元交互關系，獲得豐富的情感和行動體驗。為此，本研究將充分利用課程元宇宙的優勢，構建課程元宇宙課堂模型，基于虛擬化身、虛擬環境、虛擬資源和多感官互動，實現課堂內外的有效銜接，促進課程教學的改革與發展，有效提升課程教學的趣味性和有效性。

二 課程元宇宙課堂模型的構建

在人工智能、大數據、VR、物聯網、區塊鏈等技術的加持下，元宇宙可重組課程教學中相互作用的教師、學生、教學環境、教學資源等諸多要素。實現課程元宇宙需要充分發揮各要素的優勢，利用元宇宙的相關技術，使教學過程中學生與教師、環境、資源之間的交互更加多樣化和個性化，從而深入發掘多模態技術的潛能，促進各要素之間的相輔相成。基于上述設計思路，本研究構建了課程元宇宙課堂模型，如圖1所示。該模型由多元化環境、多模態資源與多主體互動共同聯結，形成具有立體沉浸、具身參與、自由開放、公平適切特征的課堂教學。將虛擬教學空間與真實教學空間相融合，可以使學生打破現實環境的束縛，在虛實融合的環境中開展沉浸式學習，獲得真正跨越時空、身臨其境、亦真亦幻的學習體驗。

圖1 課程元宇宙課堂模型

1 多元化環境——自由探索

基于元宇宙的課堂教學將連接學校內外、融合線上線下的不同環境[11]，接入多種形態的智能終端和教育裝備（如VR頭顯、廣角攝像頭、移動終端等），實現可視化、可感知軟硬件設備間的無縫互聯和協同工作。在此環境下，教師可根據課程目標和任務，自主創建學習、探究、體驗等多元化的教育場景，選擇課堂、會議、休息等用途各異的虛擬教學空間，在不同空間場景中無縫轉換開展教學活動，實現多場景融合的教學模式；個性化定制虛實融合的教學空間，采用行動導向、角色扮演、仿真訓練等公平適切的教學方式，使學生在“所想即可嘗試”的教學環境中突破重難點知識，有效解決理論與實踐脫離的問題。另外，師生使用個人賬號登錄元宇宙教學平臺，即可定制專屬虛擬化身。學生可操縱化身進入、瀏覽和探索虛實交融的開放式學習場景，自由開展虛擬創作或參與課程學習，依據需求開展設備操作和實踐模擬，提升專業技能水平。

2 多模態資源——學習體驗

基于元宇宙的課堂教學支持教師使用虛實融合、實時交互的多模態資源開展教學活動，可有效激發學生的學習興趣和動機，提高教學效果。在課前備課階段教師可整合VR/AR/MR、音視頻、動畫等多模態教學資源，將其嵌入虛擬場景，充分支持學生的自主探究、小組協作、情境體驗等學習活動，滿足其知識、技能、素養等方面的多樣化學習需求；在課中教學階段，使用虛實融合的多模態學習資源，還原和升級傳統的書本知識，幫助學生從視覺、聽覺、觸覺等多感官通道獲取立體信息，實現“心流”體驗的沉浸式學習[12]。學生可根據自身的學習特點與學習任務的實際情況，合理、自如地選用虛擬教學資源與工具，自由旋轉、縮放、拆分學習對象；通過課堂觀察、參觀展覽、實地考察、項目實踐等方式，充分調動自身的主觀能動性，深入探索逼真的虛擬資源，獲得高度真實、沉浸、互動的學習體驗，提高感知能力與學習能力。

3 多主體互動——知識建構

基于元宇宙的課堂教學支持師生利用VR頭顯設備，以3D虛擬化身參與視覺、聽覺和觸覺多通道交互，實現“師-機-生”三位一體的教學互動與交流。真實教師與虛擬教師共同配合，可協作構建線上線下融合的雙師課堂[13]，創新情境化、主題式、探究式等教學模式，開展小組討論、合作探究、虛擬創作等多樣化教學活動，引導學生形成新舊概念之間的交互，發生意義與行為上的改變。學生以虛擬化身方式在VR/AR/MR環境中與真實/虛擬教師交互，可調動自身多重感官，與其他教師和同伴展開深入討論和交流，實現信息在物理世界與虛擬環境中的雙向傳輸；依靠自身的感知與認知能力全面獲取知識，深入理解與掌握教學內容，內化知識與習得技能，獲得深層次的知識建構，實現由“學”到“習”的重要轉變，有效提升復雜問題解決、溝通協作、人機協作等高階思維能力。

三 課程元宇宙教學的設計與實踐

基于“學生中心，需求導向，能力本位，學做合一”的教學理念[14]，本研究依托課程元宇宙課堂模型，將福建省F學院的省級精品課程“虛擬現實概論”打造成主題式課程，并于2022年10月1日～12月31日面向該校游戲創意設計專業的大一學生開展了教學實踐，以期為后續類似課程元宇宙的設計與實踐提供案例參考。

1 課程目標制定

課程基于“社會·生活·職業”融合的職業教育價值取向，從知識、技能、素質三個維度制定了“虛擬現實概論”的課程目標（如表1所示）。學生通過課程學習能夠了解VR的特點，并初步掌握VR的策劃、設計、測試、維護、服務等相關內容。

2 學生特征分析

學生在接觸VR游戲后，對VR的特點已有初步了解，但對其具體的概念知識與操作方法尚未形成系統性的認知。此外，學生對感興趣的學習內容積極性較高，對動手實踐的課程興趣明顯高于理論課程。

3 主題式課程內容設計

根據學生已有的知識水平與認知特點，針對“虛擬現實概論”課程所具有的工學結合、理實一體等教學特點和實時性、有用性、豐富性等內容特征，需要將VR技術及衍生產品作為課程設置及內容選擇的參照點，選取教材中涉及VR發展歷程、相關產品、行業應用等方面內容的章節，結合元宇宙知識內容形成對應的主題式課程。在持續八周的課程教學活動中，需引導學生在開放、可拓展的元宇宙虛擬場景中深切感受VR技術的特征與典型產品，直觀認識當前學習內容與未來工作的契合之處，充分發揮學習內驅力，主動深化知識體系結構。同時，還要基于元宇宙虛擬工作情景呈現職業教育常規教學難以企及的部分，在授課、討論、體驗、分享等教學環節中激發學生對VR在多行業應用的深度思考，提升其職業崗位技能，從而有效達成課程教學目標，實現課程組織結構、開展形式和內容呈現方式的改革與創新。

4 多樣化課程教學實踐

本課程改變以教師為主導的授課方式，組合運用“騰訊會議+華漁元宇宙+福軟通”平臺，搭建情境化教學、探究式學習、協作式學習等多樣化元宇宙教學場景，開展課程教學實踐，每次課時長控制在2小時內。為避免VR引起暈動癥，學生連續佩戴頭顯設備時間不超過30分鐘。

（1）情境化教學

出門的時候，倩倩在搭積木，大林還昏睡在他的小床上。杜一朵問倩倩，你去不去外婆家？倩倩說愿意呆在家里陪爸爸。杜一朵說，那就和媽媽再見。倩倩說，再見媽媽。杜一朵在穿衣鏡前擺弄了一番姿態，她很滿意自己今天的扮相。尤其是短裙下那兩條長腿，筆直修長白皙，腿是她的驕傲。

依據情境認知理論[15]，本課程以學生為中心，利用元宇宙虛擬重現和虛擬仿真的特征，構建虛實交融的情境化教學場景，豐富學生體驗，提高其知識理解和應用能力。在元宇宙平臺支持下，教師根據前期企業調研和專家走訪，創設與當次主題教學內容高度關聯的虛擬工作情境，向學生立體化呈現并描述真實崗位的工作內容、流程與所需的職業技能，激發學生的認同感與代入感，引起其有意注意。如圖2所示，學生佩戴頭顯設備，以虛擬化身形式進入逼真的工作情境，然后根據福軟通平臺發布的學習任務，通過角色扮演、事件模擬、動手實踐等方式，與元宇宙環境中的內容開展積極、有效的互動，在互動過程中完成有意義的知識建構，掌握未來工作崗位需要的VR策劃、維護、服務等技能。在元宇宙情境化教學場景中，學生能夠擁有更加真實、直觀、互動的學習體驗，更好地掌握職業技能和素養，提高職業競爭力和就業能力。

圖2 情境化教學體驗

圖3 探究式學習效果圖

圖4 協作式學習效果圖

（2）探究式學習

利用元宇宙去中心化和自由開放的特征，構建高度逼真的探究式學習場景，使學生在元宇宙虛擬體驗與創作中充分發揮自主性，通過認知、聯想和自學，親身發現與領悟知識，以獲得職業技能。教師基于學生的先前經驗，在元宇宙環境中布置與真實崗位相對一致的探究任務。學生佩戴VR設備進入無限廣袤、自由交互的元宇宙沉浸式場景開展探究式學習（如圖3所示），將專業理論知識、技能和方法運用于問題解決、任務推進、工作演練等實踐探究中，在諳熟相應職業知識、技能的基礎上實現超越與創新。例如，在第6周的“元宇宙知識概述”一課中，學生進入沉浸式虛擬競技場后，自主探究、真實感受飛碟射擊游戲操作，深度思考該游戲場景、交互方面的優缺點，不斷強化對VR產品效果的認知，并遷移知識至未來VR場景制作中。在元宇宙探究式學習場景中，學生能夠充分探索職業性、開放性學習情境，深入挖掘職業教育的專業性知識內容，在邊學、邊做、邊思考的過程中提升動手能力和專業技能。

（3）協作式學習

基于元宇宙超時空化和沉浸交互的特性，構建虛實聯動的協作式學習場景，在一定的激勵機制下，以學習小組為基本單位，可最大化學生的習得成果[16]。教師采用異質分組策略，保證小組內的學生具有不同的特征[17]，使其在協作過程中相互取長補短。小組成員通過元宇宙平臺創建虛擬會議室，圍繞課前閱讀中的問題或學習任務展開討論，共同規劃和制定元宇宙體驗探究方案，明確查找資料、記錄內容、總結結果、匯報發言等任務分工，以促進成員間的積極互賴與個人參與。如圖4所示，學生在充分的討論與交流過程中完成對VR相關知識的建構，有效提升溝通協作能力。教師隨時進入不同小組的會議室，了解各組學生的討論情況，引導討論方向，掌握討論進展。討論結束后，各組總結和歸納討論情況，對于疑問、分歧之處，通過騰訊會議開展集體交流，由其他小組成員或教師解答。在元宇宙協作式學習場景中，學生圍繞復雜問題展開深度分析與研討，能夠提供多角度的思維碰撞，有效培養學生的批判性思維，高效完成多維度的學習內容。

四 課程元宇宙的實施效果評價

1 實驗設計與實施

本研究采用前后測準實驗設計，選取福建省F學院游戲創意設計專業大學一年級的兩個平行班級分別作為對照組（50人）與實驗組（46人），探究課程元宇宙教學對學生職業軟技能與學習體驗的影響。首先，在第一周課程開始前，由教師向學生介紹課程內容并開展元宇宙平臺操作培訓，做好課程教學準備。接著，采用簡單隨機分組的方式將兩個班級分為對照組和實驗組，由同一位授課教師進行課程教學；在控制教學進度、內容、模式等無關變量的基礎上，對照組使用圖片、視頻等多媒體資源開展傳統課程教學，而實驗組使用虛實結合的多模態教學資源開展課程元宇宙教學；在實驗過程中，有2名研究人員監督課程。第8周課程教學結束后，由教師組織所有學生填寫職業軟技能評估量表與學習體驗量表。

2 數據收集與處理

表2 問卷基本信息

3 教學效果分析

（1）職業軟技能

職業軟技能維度獨立樣本T檢驗結果如表3所示，兩組學生經過課程學習后，在團隊溝通能力（t＝1.209，=0.230＞0.05）方面不存在顯著差異，但在創新能力（t＝2.868，=0.005＜0.05）、批判性思維（t＝2.777，=0.007＜0.05）和團隊協作能力（t＝3.259，=0.002＜0.05）方面均存在顯著差異，且實驗組學生的得分比對照組學生更高，這表明課程元宇宙能夠促進學生自主思考和生成創造性想法，可以推動創新思維意識和能力的培養；激發學生從不同角度批判性分析問題，提升其在發現問題、厘清要素、設計方案、解決問題等方面的能力；有助于培養學生的團隊意識和責任感，引導學生建立良好的合作關系，以共同協作、高效完成學習任務。

表3 職業軟技能前后測情況

（2）學習體驗

學習體驗維度獨立樣本T檢驗結果如表4所示，兩組學生經過課程學習后，在學習動機（t＝1.336，=0.185＞0.05）和認知負荷（t＝0.762，=0.448＞0.05）方面不存在顯著差異，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）方面存在顯著差異，且實驗組得分均高于對照組，這表明課程元宇宙教學能使學生在完成任務時獲得更強烈的成就感，并提供更強的沉浸感，更能激發學生的學習興趣。

表4 學習體驗前后測情況

五 課程元宇宙實施的推進建議

根據教學效果分析結果可知，課程元宇宙能夠顯著提升學習者的自我效能感和沉浸感，促進其創新能力、批判性思維和團隊協作能力的發展。然而，課程元宇宙尚處于探索階段，為了保障其發展秩序和實施效率，本研究擬從以下三個方面提出建議。

1 制定行業標準

課程元宇宙的深度推進需要網絡、算力、智能技術、顯示技術等協同配合，教育主管部門、行業協會、龍頭企業、高水平院校等單位應共同制定適配、傳輸、共享等標準，實現教學系統之間的無縫連接，提升大規模用戶參與的高度沉浸和擬真交互體驗效果；應盡快建立課程元宇宙設計、開發、交付、評估等方面的標準體系，保證課程的建設質量與可持續發展；可協同制定相應數據采集、處理和應用的規范標準，實現用戶隱私保護與信息安全管理，從而加強師生對課程元宇宙的信任，提高教師的教學活躍度和學生的學習動機，推動教育從物理和社會的雙空間體系邁向物理、社會和信息的三空間全新生態體系[23]。

2 完善教學資源

學校應圍繞課程教學目標，與企業聯合，積極布局“云網數端”一體化的元宇宙教學基礎環境，構建多模態和個性化的教學資源，提供智能化的教學輔助工具，支撐“師-機-生”三位一體的互動式課程元宇宙教學；還應在高水平院校專家的指導下，以學生為本，根據學生特征、課程特點和基于過程的教學理念開展多元化教學活動的再設計[24]，創設以體驗和交互為主的課程元宇宙教學情境，生動形象地呈現知識內容，降低學生的認知負荷，促進其認知發展，同時立足于提高學生的創新能力、復雜問題解決能力、協作溝通能力等高階思維能力，恰當地發揮技術作用，促進技術之間的相互促進、相互協同。

3 健全保障機制

教育主管部門與學校應共同制定教學統籌協調制度，在環境建設、資源投入、人員配備、綜合管理、教師培訓、教學應用等方面保障課程元宇宙教學順利推進：一方面，應注重實施政策引導和制度保障，重塑人才培養方案，建設線上線下混合的課程體系，形成全流程教學質量監控體系，完善評估和獎勵機制，激勵專業教師積極參與課程教學改革，定期評估和改進課程元宇宙的教學效果和質量，切實提升學生的軟技能和學習體驗。另一方面，應適度超前布局，加大對于課程改革的經費投入，持續改善教學基礎條件，發揮政府投資引導的帶動作用，增強社會力量參與元宇宙教學的積極性，促進課程元宇宙的常態化有效實施。

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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

G40-057

A

1009—8097（2023）10—0118—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2023.10.012

本文為國家自然科學基金項目“基于多粒度教學資源聚合的立體綜合教學場生成與評價研究”（項目編號：62277024）的階段性研究成果。

劉德建，教授級高級工程師，博士，研究方向為教育技術、人工智能、虛擬現實、高等教育，郵箱為liudj@nd.com.cn。

2023年3月16日

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