浙东唐诗之路 新型冠状病毒相关生物标准样品研制虚拟仿真实验 生猪屠宰检验检疫虚拟仿真实验

    元宇宙（Metaverse）概念起源于20世纪90年代，不断进步的技术正在构建数字社会的新形态，为学习者的虚拟学习空间和场所实现数字化转型提供了新路径，教育元宇宙（Edu-Metaverse）时代已然来临。在此背景下，重构学习空间成为全球教育改革的重要议题，作为一所工科大学，中国计量大学（CJLU）一直走在技术革新和应用领域的前沿，致力将创新教学模式应用到课堂教学和实践的各个领域，加快了智能技术在高校创新应用的步伐，对元宇宙赋能的学习环境、新样态的学习空间及体验式学习空间的创新探索进行了积极有益的尝试，为后续先进的元宇宙平台在高等教育中广泛应用、进一步提高一流大学办学质量打下了良好的基础。

    “智能”元宇宙构建沉浸立体式教学空域

    一流大学智能教育发展需要对原有的课堂教学形态、学生学习环境等进行变革，提高教育教学质量。通过工科大学特有的智能技术敏感性和技术优势，中国计量大学大力开发和建设元宇宙技术加持的虚拟仿真实验室、虚拟仿真教学一流课程、智慧课堂等工程，围绕示范引领、成熟先上、应联尽联的工作原则，加强资源整合，推进虚拟仿真实验教学课程的共享应用，提高学校虚拟仿真实验教学课程的建设质量。到目前为止，中国计量大学共有3个国家虚拟仿真实验教学项目、30多个省级虚拟仿真教学项目、80多个智慧课堂教学项目等，投入资金近1000万元。在硬件方面，通过教室的升级换代、结构调整和物理空间的改造，打造了数十个技术先进的智能教学场所，使智能技术发挥其应有的作用；在软件方面，通过5G网络、云计算智能技术、区块链、VR/AR/MR、物联网等技术支撑，为学生创造了多模态、智适应的学习空间和学习环境。与以平面信息交互为主的传统互联网教育相比，元宇宙基于资产和身份的可信数字化，把点、线的交互层面扩展到立体、多维、实时的交互空间，构建了一个视觉沉浸的立体教学空间场域，极大地丰富和还原了真实的教学场景及师生关系。为了适应新技术改造的需求，中国计量大学还多次举办线上、线下的技术培训，邀请国内专家和学者传授经验、对教师进行课程建设的指导和培训，极大地调动了教师利用智能技术进行课程建设的积极性和能动性。目前，学校已经形成了智能教学及课程建设的新热潮，新型的元宇宙技术教育教学学习环境正在形成。

    “教育”元宇宙设计虚拟与现实交融的学习空间

    中国计量大学结合自身特色着力引导各学科利用智能技术打造新样态的学习空间。教育元宇宙显著的赋能特点在于元宇宙可以平衡教育技术和教育发展的结合模式。借助传感设备识别开展非面对面形式的学习活动，是虚拟的新样态学习空间。虚拟现实技术与网络学习空间的结合产生了一种典型虚拟现实类型——分布式虚拟现实（Distributed Virtual Reality，简称DVR）。在分布式虚拟现实环境中，虚拟的学习空间可获取真实环境中学习活动的客观信息，并通过互联网与真实的课堂环境融为一体，成为虚拟与现实交融的学习空间。如俞晓平教授主持的国家项目“生猪屠宰检验检疫虚拟仿真实验”，结合中国计量大学的办学特色，将科研新成果转化应用于教学，通过DVR、Unity 3D、Virtools等智能技术，在虚拟仿真实验涉及的室内外环境、仪器设备、人员、医药产品等采用ZBrush制作基础模型，模拟生猪宰前监督查验及宰中同步检疫，实现高风险致病菌和高成本检测实验的安全经济运行。本着“以学生为中心”的教学理念，该项目紧密结合学习定位和人才培养特点，采用“以虚补实、以虚促实、虚实互动”的教学模式，在高度仿真的实验对象和实验环境中开展探究式实验、问题式启发、研讨式互动及全方位评估，既培养了学生的创新思维，又切实提升了学生解决问题的综合能力。又如家具陈设课程中的虚拟空间打造，可以让学生穿越到家具史上成就辉煌的明代和清代，置身于两个不同朝代的居室中观察具有不同特色的家具及陈设品，经由虚拟仿真技术的信息处理，不同的家具设计方案可以再现于实际课堂教学中，让学生以设计师的角度审视方案设计。学生也可随时更改项目中的材质、色彩、造型等设计和设置，更细致地了解室内设计中具体材料的运用。这种新样态的学习空间可升级重构为虚拟仿真实践教学体系的基本教学单元，与常规理论教学并行，并随时为之补充内容，从而使设计基础课程与实践课程协调、优化、互补，提升了实践教学质量和水平，推动科学技术与艺术实践教育相结合。

    “虚拟”元宇宙打造共享互助的移动式跨界学习空间

    中国计量大学目前已建成多个省级虚拟仿真实验教学平台项目。通过虚拟技术构建的虚拟教学平台，与现实的教学信息界面交互相容，提供一个既独立于现实世界又能与现实世界相融合的具有交互性、沉浸性和多元性的虚拟综合教育环境，实现虚拟世界与真实教学环境的双向传递和有机结合。如叶子弘教授主持的“新型冠状病毒相关生物标准样品研制虚拟仿真实验”运用了Unity 3D、Maya、Visual Studio等技术，与实物1∶1构建分辨率高的三维视景，对场景模型及实验操作进行实时顶点优化和动态加载调整，模拟高度仿真的实验环境和实验对象，解决了该实验具有烈性传染风险、试剂价格昂贵、实验要求条件高、无法实现现场教学的问题。其高度共享的虚实交融的学习模式和学习理念给学生营造了一个无风险、无障碍、高仿真、可操作性强，便于共享互助的移动式跨界学习空间。通过生物标准样品研制的主题式案例、互动式体验和虚实结合的教学方法，树立了学生的计量、标准、质量和安全意识，培养了学生的生物标准样品研制能力。在商务英语视景仿真学习系统中，采用Vega环境软件和Multigen Creator视景建模软件对各种国际贸易流程进行详尽的模拟，学生通过建立符合自身要求的、属于自己的虚拟人物形象进行相关的商务情境实验，通过与虚拟环境中的机器人进行对话，开展模拟实景商务教学实践活动。这种高仿真的虚实交织的商务模拟环境，避免了现有教学过程中商务情境创设的空乏与单调，将原本固化、僵硬的商务内容以仿真商务活动形态呈现出来，增强了商务知识的可视性和商务实践过程的灵动性。

    “深度沉浸”元宇宙教育创造情境体验场域

    深度沉浸的体验式学习空间也是中国计量大学极力推崇的智能教学模式之一。沉浸式互联网技术不仅能使万物互联，还创造了有别于传统教学方式的沉浸式智能环境、智能学习空间和智能学习体验。在沉浸式学习空间中，学生可以具身化投入其中，与学习资源和学习场景自由自在地互动，通过感官体验，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉及本体感知，充分感受与沉浸式学习资源交相呼应的乐趣，在“心流”即“沉浸”过程的形成中引发情绪共鸣，不断激发学习兴趣，进而加深对所学知识的理解和应用，提升自适应学习能力。如房瑞丽教授主持的“浙东‘唐诗之路’体验虚拟仿真实验”以虚拟技术与古典文献相结合的方式，采用VR、MR、3D仿真等技术搭建山水意境场景中的模型，营造了一个由古典诗词意象、诗歌涉及地理区域实景影像和虚拟仿真教学场景共同构筑的跨时空界限的整合学习空间，所有自然环境、虚拟角色、交互行为及物理设备的结构参数等均根据实景与史料记载进行高度还原，使学生在实验教学过程中领悟自然万物之美、诗词意境之妙、文化自信之源，促使学生自主探究、知行合一。这种虚拟仿真的沉浸式学习空间解决了诗歌教学过程中缺乏一致性描述整个学习过程的问题，智能技术创设的具身社交环境、基于区块链的信任机制以及高保真学习环境等有效解决了学生在学习空间遇到的问题，如诗歌学习环境明显失真、以学生为中心难以体现、学习沉浸感缺乏以及跨时空高阶思维培养乏力等，让学生可以自由地进行诗歌创作、举办诗歌欣赏活动和相互交流，并由此产生了无限、多元、生动活泼的教学活动形式。沉浸式学习空间作为一种情境体验场域，为学生创设了一种知识体验空间，提供了个性化的互动体验方式，学生在诗歌的视、听、感的沉浸环境中形成深度认知，顺利实现知识的认知和建构。

    教育元宇宙是元宇宙的教育应用，它显著的赋能特点在于提供了一个既独立于现实世界又能与现实世界相融合的具有交互性、沉浸性和多元性的综合教育环境，能同步满足学生在物理世界和虚拟世界中的教学需求。多层次虚拟交融的学习空间为学生带来了极为丰富的学习情境、多渠道的交互方式、全方位的学习资源，激活了学习氛围，有利于协同知识的形成。目前中国计量大学对元宇宙教育应用和实践的研究还处在发展初期，但对教育教学领域的思考和启迪是显而易见的，且已展现出巨大的发展潜力。通过元宇宙技术的应用实践，中国计量大学改善了原有的课堂教学环境，开拓了课堂教学空间，丰富了课堂教学资源，提升了课堂教学效果，真正践行了“以学生为中心”的教学理念。（余姿）