元宇宙赋能下计算机课程教学改革探索
来源 | 计算机教育
早在 1992 年，“Metaverse”即“元宇宙”（当时译为“超元域”）一词便出现在尼尔· 史蒂芬森的《雪崩》一书中。在书中故事所描绘的赛博朋克世界中，人们可以通过类似于虚拟现实的人机交互设备以数字化身的方式在与现实世界“平行”的虚拟幻境中社交、娱乐、工作和消费，这与现今对于元宇宙概念的普遍定义一般无二 [1]。
然而受制于软、硬件技术的局限，在该科幻小说发表之后的较长一段时间内，元宇宙的概念仍仅存于各类科幻作品之中。随着扩展现实、数字孪生、人工智能、互联网、高速通信网络、区块链、大数据等诸多元宇宙基础支撑技术的发展，元宇宙一词在 2021 年再次出现于公众视野，尤其是在全球著名科技公司 Facebook 更名为“Meta”一事的助推下，元宇宙的火热达到了巅峰，国内外政产学研用各界如潮涌至，其热度和关注度仍持续至今，于是 2021 年被称为“元宇宙元年”。
尽管元宇宙相关理论探索与技术研发仍处于启蒙与发展的初期阶段，但在大众热议、企业追捧、政策激励的促动下，有如扩展现实技术之于数字化虚拟仿真和远程协作、数字孪生技术之于工业生产制造、数字人技术之于虚拟主播和虚拟演出、区块链技术之于 NFT 和数字藏品等，各行业在元宇宙赋能下的“离散式” 落地与应用已可初见端倪，在计算机课程教学视域下也不乏见到上述各技术以“锦上添花”的方式对传统实验实践手段的补充或增强。
然而能将这些“离散”的技术能力经过综合研判、统一整合、融合应用于满足教学需求的、“集大成”的元宇宙赋能教学的模式和生态尚未产生。同时，目前线上教学方式因受到传统的媒体技术、平台能力等的局限，教学效果和体验仍无法比肩线下教学方式，而元宇宙带来的高度沉浸、自然交互等特点可以有效填补传统网络教学的缺憾。为此，笔者以计算机专业相关课程教学为目标，从当前网络教学的泛在困境出发，探索元宇宙赋能下计算机课程教学的新模式。
计算机课程教学的困境
一场突如其来的新冠疫情，对各行业都带来巨大的冲击和颠覆式的改变。在这场变革中，线上教学一改从前在教学中的补充和辅助地位，登上了教学方式的主舞台。为确保学生群体健康安全的同时做到“停课不停教，停课不停学”，以网络远程教学为主的“互联网 + 教育”线上教学模式已成为教学实施的主流方式。然而，普通网络教学依托于直播、录播、慕课或“直播 + 录播”“直播 + 慕课”等形式，虽具有一定优势，如打破线下“面对面”教学的时空局限，有助于促进师生在教学活动中角色身份的转换实现翻转课堂，便于学生自主安排、充分利用碎片化学习时间等 [2]，但因严重受制于 2D 视频、图像、音频、文字等媒介自身的能力局限，在教学交互、教学环境以及教学行为管理等诸多层面仍与传统线下教学存在很大差距。
①教学交互发生在学生和学习环境之间，包括了教师与学生的交互、学生与学生的交互以及学生和各种教具、教资、场地环境之间的相互交流和相互作用 [3]。但在普通网络教学中，教学交互从媒介模态上，主要体现在语音交互以及与文字、图形界面之间的交互；从实施过程上，主要发生在口头交互、文字交互、通过图形界面完成的任务交互等课堂活动中；从时空上，直播中教师与学生处于同一时间但却位于不同空间，而录播更是既不同时间也不同空间。
②与线下教学方式相比，普通网络教学环境无法提供相近似的沉浸感、具身感和情境感，尤其欠缺对诸如机房、实验室等专业教学环境的复现和重构能力。当代认知理论的发展告诉我们，教学活动不仅是信息的线性传播，而应是大脑、身体和环境三者耦合、相互交织的过程 [4]。
③教学活动过程中的行为管理对于教学效果的影响和重要性同样不容忽视。教师要通过实时的调控引导学生的行为，使学生能在“漫长的”教学过程中集中注意力 [5]。但是在线上直播教学过程中，对学生课堂行为的管控和调动手段非常有限，只能通过呈现在图形界面上的视频矩阵来模拟线下课堂上的“面对面”， 或是通过定时或不定时的提问和答到来确认学生的听课状态，无论是效率还是效果都不甚理想。
当前的计算机课程线上教学既存在网络线上教学方式的泛在缺憾，也受到计算机课程自身专业教学特征的影响。在计算机课程教学中，通常将计算机图形技术与扩展现实等虚拟仿真技术应用于教学的实验环节中，主要作为课程理论教学的辅助或补充手段。例如针对编程语言、程序设计、软件开发等课程，在传统实验室机房授课开展线下实践教学的基础上，利用 Web 平台搭建的虚拟编程环境增设一定的线上实验环节；或是针对计算机硬件系统、电路设计、网络工程、信息安全等相关课程，通过虚拟仿真技术“以虚补实、强实”，旨在培养学生动手实践能力和养成“做中学”的学习习惯 [6-7]。
然而，这种线上线下“虚实” 相结合的实践教学方式，仍需要教师先在线下进行实验示范引导和统一指导，学生再根据指示说明在模拟环境中进行实验实践，这一方式在学生居家或在寝室以线上教学为主的时期便显得捉襟见肘。另一方面，理论教学在计算机课程教学体系中占有相当比重，却仍以讲解、板书、案例展示等传统方式为主，加之理论教学内容普遍因其概念抽象、枯燥乏味容易造成认知困难，因此相较于不断推陈出新的实践教学手段，计算机课程的理论教学无论是线上或线下都须在教学环境、教学交互、教学行为等多个方面与时俱进。
元宇宙在计算机课程教学中的潜能
得益于计算机与信息技术的发展，在教育教学的视域下元宇宙相关技术与教育相融合的应用案例已数见不鲜。以虚拟现实、增强现实、混合现实为代表的扩展现实技术，因其全息沉浸、自然交互等特点已被广泛用于满足教学中对数字化虚拟仿真、数字孪生、远程呈现等应用场景的需求。特别是在我国教育部教学信息化建设工作的大力助推下，基于扩展现实技术的虚拟仿真实验教学项目如雨后春笋般涌现，已广泛用于理学、工学、医学、语言等学科专业以及职业教育的教学实践中 [8-12]，成为诸多学科专业线下实践教学和传统实验手段的有力补充。
在元宇宙的赋能下，有了对诸如机房、实验室等教学场景以及电路、网络服务器等教学道具的三维可视化重建，加之与现实世界中相似的可交互能力，使得无论是在透过头戴式显示设备观察的“全包围”式虚拟现实场景或混合现实环境中，还是在透过普通手持 2D 屏幕设备观察到的“以虚强实”后的增强现实场景中，教师和学生参与教学活动的临场感和沉浸感都得到了进一步的增强，有效地避免或减轻因居家或在寝室等非专业教学环境对注意力和氛围感的影响，使教师授课与学生听课都更“有感觉”，这些都是普通的多媒体手段所不能及的。
在元宇宙赋能下的教学方式中，数字人不再仅是医学解剖中了解和模拟人体的数字教具 [13-14]，更是师生在元宇宙场景中实现具身交互的数字分身。师生以第一人称视角参与教学活动，以数字人的方式在场景中不仅可以“耳听八方”，更可以“眼观六路”。通过基于光学式、惯性式动作捕捉或基于机器视觉捕捉生成的数字人肢体动作，以及通过基于计算机视觉捕捉或基于语音等跨模态数据生成的面部表情等，都是在普通线上教学以文字和语音作为主要信息交流手段的基础上实现肢体语言和表情语言的补充，在实现师生之间自然沟通、有效沟通的同时还可以更好地帮助教师对学生的听课状态进行监管与调控。
360°空间音频技术在三维空间中的应用，为语音交流增添了空间定位感，使多方同时语音交流变得清晰可辨，参与者不必再盯着屏幕上的头像矩阵逐个查找语音的来源，尤其适用于 PBL、翻转课堂等教学方法中分组讨论等课堂活动的开展。在人工智能技术的加持下，数字人NPC 也将更出色地扮演好虚拟教师的角色。
计算机课程的专业特性要求教学过程中理论与实践有机结合，学生时常要根据教师或教程的演示边看边实践，这一方式在线下教学中轻而易举、稀松平常，在线上教学中却由于受到交互方式、显示面积等的局限变得格外难以实现，学生要么通过增加显示设备数量的方式增加屏幕面积，以容纳和显示更多信息，要么使用分屏的显示方式，但无论哪种方式在体验和效率上都不尽理想。然而在元宇宙打造的数字教学场景中，屏幕空间接近于无限，用户可以随意放置和安排显示区域的位置、大小和数量，大大提高多线程操作和学习效率。
同时，针对理论性较强、较抽象的教学内容，元宇宙赋能下的教师和学生可以充分利用三维空间中的 3D 绘画、书写、建模等可视化工具，增强对抽象概念更直观、更具象的表达和描述能力。
作为元宇宙主要技术之一的区块链技术与教育的融合，可以实现对教学资源确权、交易、使用的全过程进行记录和管理，协助师生对教学进展、成绩考试、学历学位认定等课程教学的全生命周期进行监管和监控 [15-16]。同时，元宇宙与生俱来的开放生态的特性使其不仅可以有效继承和兼容现有的虚拟仿真教学实践内容与线上教学资源，还可以进一步鼓励和扩大 UGC 等知识内容生产，使人人都可以成为知识内容的创造者和讲授者。
“互联网 + 教育”的远程教育模式已经成为当下开展教学活动的重要途径之一，特别是在疫情防控期间， 依托于网络的线上教学活动成为最主要的教学方式。在经历了疫情时期的考验后，随着 5G/6G 等高速通信网络的发展，元宇宙赋能下的线上教学或将线上与线下相结合的混合式教学模式也有望成为未来“后疫情”时代教学的主流甚至主要手段。
元宇宙赋能教学的挑战
无论应用场景如何，元宇宙应用目前面临的最大挑战仍然来自于硬件的市场普及。尤其是对于那些基于虚拟现实和混合现实的应用，头戴式显示设备更加不可或缺。但受限于目前硬件研发与生产的壁垒，轻便、算力高、能耗低、价格亲民、平台开放的可穿戴式显示设备少之又少；又由于缺乏现象级、杀手级应用，使得扩展现实硬件设备在大众消费电子品中的普及率和占有率仍有待提升。
较高的硬件门槛对于教育的均衡化发展也影响颇深，应警惕并注意城市群体先于农村群体、强技术型群体先于弱技术型群体、高消费群体先于低消费群体、高文化层次群体先于低文化层次群体等教育不均衡现象的产生。
元宇宙在为教学应用场景带来诸多便利和优化的同时，也伴随着对新操作方式的学习成本的提高。相较于网页和线上会议等基于 2D 图形的用户界面以鼠标点击和手指触摸为主的交互方式，元宇宙因其提供了丰富的交互能力，用户使用中须掌握更多的操作方式以实现不同的交互行为，师生在开展正式教学之前还须花费一定的时间和精力去熟悉，也一定程度上提高了应用中误操作的概率，亟待更自然、更直觉、更智能的人机交互手段上市。
结语
元宇宙不是单一的技术，而是众多技术成果应用的集大成者；元宇宙不是网络游戏般的虚拟世界，而是现实与虚拟的交互映射、相互补充和彼此强化；元宇宙更不是虚无缥缈的科学幻想，其包含的各项技术在各自相关领域早已开花结实。尽管元宇宙赋能教育的前景无限美好，但仍应清醒地认识到目前的技术研发水平距离实现人们理想的元宇宙体验还有很长的一段路要走。为使元宇宙可以在教育教学领域内稳健地可持续发展，我们对于元宇宙的教育应用更应该冷静研判、给予耐心、怀抱期望，警惕和杜绝画饼充饥、拔苗助长。
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基金项目：中国传媒大学中央高校基本科研业务费专项（CUC22GP004）。
作者简介：王冬，男，大连外国语大学讲师，研究方向为智能人机交互、虚拟增强现实与元宇宙，wangdong@dlufl.edu.cn；曹三省（通信作者），男，中国传媒大学教授，研究方向为智能媒体与媒体融合、网络与新媒体、虚拟增强现实与元宇宙，sxcao@cuc.edu.cn。
引文格式：王冬，曹三省. 元宇宙赋能下计算机课程教学改革探索[J].计算机教育,2022(11):11-14.
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