元宇宙在高职课程教学中的应用——以福州软件职业技术学院为例

李 晋,林土水,彭 静,徐 颖

(1.福建省华渔教育科技有限公司,福州 350001;2.福州软件职业技术学院,福州 350211)

当今时代,科技革命和产业变革日新月异,各行各业数字化蓬勃发展。习近平总书记指出:“数字技术作为世界科技革命和产业变革的先导力量,日益融入经济社会发展各领域全过程,深刻改变着生产方式、生活方式和社会治理方式。”职业教育是国民教育体系和人力资源开发的重要组成部分,在全面建设社会主义现代化国家新征程中,前途广阔、大有可为。职业院校作为培养高素质技术技能人才的重要基地,深化教育教学改革一直是其高质量发展过程中关注的重点和研究的热点。数字技术的快速迭代和发展,开启了一场影响深远的社会变革,重新定义了职业技能的价值与边界,对职业教育提出新要求。

元宇宙的出现为高职院校教育教学改革创新带来了新的机遇和可能性。本研究依托福州软件职业技术学院的教育信息化基础条件、专业课程和师资力量,探索元宇宙及其相关技术在课程教学应用的落地路径,通过大规模、长周期、常态化、深层次的“元宇宙+教学”融合创新实践,探析高职院校推进元宇宙赋能教学改革的有效策略和实施机制;并结合智慧校园建设、课程教学改革、教师队伍建设、教学成果培育等一系列工作,实现对学校教育数字化转型的全面赋能。

一、元宇宙及其教育应用

(一)元宇宙技术及发展

元宇宙(Metaverse),由美国科幻作家尼尔·斯蒂芬森于1992年在其著作《雪崩》中提出,是指一个与现实世界平行、相互影响并且始终在线的数字虚拟世界。业界对“元宇宙”的概念众说纷纭,至今未有被广泛认可的确切定义。Meta首席执行官扎克伯格说“元宇宙是更好体验版本的互联网”;南京大学钱志新讲到“元宇宙是数字技术的大集成,是数字经济的高形态元宇宙”;英伟达黄仁勋说“现实世界和元宇宙是相连接的,元宇宙是数个共享的虚拟3D世界”;清华大学研究团队认为元宇宙是整合多种技术产生的下一代互联网应用和社会形态,它基于扩展现实技术和数字孪生实现时空拓展,基于AI和物联网实现虚拟人、自然人和机器人融生,基于区块链、Web3.0、数字藏品/NFT等实现经济增值[1]。

近年来,国内多地政府纷纷提出建设元宇宙产业基地或产业园,多个地市出台的信息化发展十四五规划提到“元宇宙”。元宇宙具有拓展现实、虚实交互、数字孪生等特性,同XR、大数据、人工智能等前沿技术和数字经济息息相关,元宇宙技术和生态已经成为发展数字经济的切入点,被写入到多地政府工作报告中[2]。2022年10月,工信部等六部委联合发布《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划(2022—2026年)》,提出“以虚拟现实行业应用融合创新构建生态发展新局面,为制造强国、网络强国、文化强国和数字中国建设提供有力支撑”[3]。元宇宙成为重要的数字经济产业发展方向。

(二)元宇宙在教育领域的应用

教育元宇宙是元宇宙相关技术在教育领域应用发展的新形态、新样本。刘革平认为教育元宇宙是由扩展现实、数字孪生、人工智能、区块链、5G等新兴技术构设而成的虚实融合教育环境,是具有虚实交织、人机协同、全面交互等特征的智能交互空间,通过嵌入教育教学环境、资源、模式、活动等内容,创新学习、教学和管理等活动,推动教育的未来变革与生态重塑。[4]钟正等提到“教师、学生、管理人员”通过虚拟化身沉浸于教育元宇宙中,自主地创建、参与教学活动,自然地响应虚实世界的教学行为,突破教学过程中物理规律和地理空间的束缚,实现信息在虚实世界的双向传递。[5]华子荀等认为教育元宇宙可为教师、学生、管理者等相关者创建数字身份,在虚拟世界中开拓正式与非正式的教学场所,允许师生在虚拟的教学场所进行互动。[6]

当前,教育数字化应用情境中的元宇宙技术和元素特征越来越多,虚拟仿真、VR教学、虚拟老师授课、虚拟情景复原等正成为教育元宇宙应用场景的初级形态。2021年美国斯坦福大学开设的全球第一门元宇宙课程“虚拟人”,该门课程完全以VR技术为支撑,是元宇宙技术在教育教学中应用的一个范例。该元宇宙课程涵盖硬件、软件、内容,参与学生达263人,总学习时长达3500小时。自2020年起,教育部在全国6大实验区、68所实验校开展“央馆虚拟实验”应用试点,全面覆盖物理、化学、生物和小学科学等学科,高度还原逼真的实验现象与过程,为教师提供创新的教学方式方法、先进可靠的实验操作技术、稳定安全的实验模拟操作环境。元宇宙相关技术在教育领域已经越来越深入,对教育教学的变革性影响在发生。

应用元宇宙可以突破教学时空限制、延展教育边界、改变教学方式、提升学习体验、重塑课堂形态。一是元宇宙技术可以为师生提供更加丰富和多样化的教学资源,虚拟三维模型和场景使学生能够更加直观地理解和掌握知识。二是元宇宙技术可以创造出更加真实和逼真的教学环境,学生可以在虚拟环境中进行各种实践操作和模拟实验,提高实际操作能力和创新能力。三是元宇宙技术可以促进师生之间的交流和合作。老师和学生可以通过虚拟化身进行交流和合作,共同完成各种任务和项目,从而培养他们的团队合作精神和创新意识。由此看来,元宇宙技术应用于课程教学具有重要意义,高职院校需要把握社会与技术数字化、智能化发展的关键期,加快学校的教育数字化转型,实现“弯道超车”,开启高质量跨越式发展的新征途。

二、元宇宙融入高职教学的实践探索

中共中央、国务院印发的《关于推动现代职业教育高质量发展的意见》明确要求“深化教育教学改革,创新教学模式与方法。推动现代信息技术与教育教学深度融合,提高课堂教学质量”[7]。福州软件职业技术学院(以下简称福软)是福建省民办高职院校,学校已建成多间VR智慧实训教室,所有教室配备智慧黑板,搭建云桌面系统,实现讲台电脑、投影仪和教学到三方联动,信息化配置高。[8]学校教育信息化发展有着坚实的基础,为开展教育元宇宙应用实践和数字化课堂教学改革创造了良好条件。

(一)元宇宙融合高职教学的总体思路

设计五项原则和六大路径。元宇宙的概念进入高职院校视野时间较短,师生对其普遍认识的差异度较大,选择适宜的应用策略和路径是顺利推进元宇宙在教育教学中应用的重要工作。学校遵循“保障优先、课程突破、小步快跑、分步推进、迭代完善”总体原则,完善制度建设和强化环境保障,以专业课程为突破口、以教学改革为抓手、以资源供给为关键、以教师成长为动力,围绕“专业课程、课堂教学、资源建设、教师发展、育人环境、制度保障”六条关键路径,开展元宇宙在学校教育教学应用探索,如图1所示。

图1 元宇宙应用于教学的探索路径

实施长周期和全过程的深度融合应用。2022—2023学期,学校共有三个系部、五门课程开展元宇宙应用于教学的探索,打造了元宇宙与课堂教学融合应用的示范课。课程类型从专业基础课延伸至公共基础课、专业必修课,参与师生达275人。新学期,元宇宙应用将覆盖7个系部,试点课程扩大到10门,面向教、学、管、评、研教学全过程。学校配套优化教学环境,组建资源工坊强化校本特色资源供给能力。学校持续完善政策机制,形成了集体教研、听课评课、科研专题会、技术分享会、阶段总结会等体系化制度;从激励管理、科研课题等方面配套管理办法,为元宇宙教学应用创新提供可持续推进的保障机制。

(二)元宇宙赋能高职教学的具体实践

1.元宇宙促进课堂教学改革创新

教育部《关于加快推进现代职业教育体系建设改革重点任务的通知》中明确要求创新教学模式与方法,普遍开展项目教学、情境教学、模块化教学,推动现代信息技术与教育教学深度融合,提高课堂教学质量[9]。元宇宙集成糅合了虚拟现实、增强现实、人工智能、云计算、大数据、物联网、数字人等前沿技术,其沉浸式、情景化、具身交互等特征,为践行“以学生为中心”的教学理念,大力转变传统课堂教学模式,提供了技术可能和新路径。

游戏产业学院重塑“虚拟现实概论”课程内容,结合元宇宙知识重组成主题式课程,开展持续的沉浸式翻转课堂教学(如图2所示),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。公共建筑室内设计课程以“数字航空展厅设计”为主任务驱动,打造元宇宙课堂教学新形态,培养具有创新型数字工匠品质的设计师。公共基础部的“心理健康教育”课堂构建了“虚拟友谊空间”,完成了“飞船舱里的人际交往”沉浸化主题教学活动;打造“虚拟拍卖会”,围绕大学生生涯规划主题,虚拟师生在VR环境中展开一场情景化的“价值观的探索与澄清”沉浸式拍卖。借助元宇宙相关技术,使项目式、协作式、游戏化的学习方式在公共课程的课堂上赋能作用更加显著。

图2 “虚拟现实概论”沉浸式翻转课堂教学实施

2.元宇宙加速教学环境智能升级

元宇宙技术在教学中的应用对网络带宽、教学环境、终端设备、通信保障、外设线材等方面都提出了更高的要求。特别是虚拟沉浸的课堂教学场景构建、具身交互的虚拟师生形象、高清实时的立体资源体验、多模态“人-机-场”融合的情景化互动,都需要具备高性能计算设备、虚拟现实和增强现实终端。综合运用边缘计算、云端渲染、5G通信技术来增强元宇宙教学资源传输能力,以提升实际师生用户体验,保障课堂教学的顺利开展。

学校在开展元宇宙技术应用之前,就已经建成了VR智慧教室、VR实训教室、智能教室、多媒体实训室等多样态的智慧教学空间。随着应用的持续深化,通过提质改造解决VR终端配置不足、无线设备性能低等问题。一是部署60台PICO4一体机,满足师生对计算存储、体感交互、应用生态、外设扩展等方面的新需求。二是大幅度升级网络带宽,扩容无线网络设备,提升元宇宙教学资源传输速度和师生沉浸式交互体验。三是部署智能充电柜、桌面充电器等,增强VR终端的续航能力。四是增设直录播设备实现在线课堂和远程听课活动。

3.元宇宙增强优质教学资源供给

元宇宙条件下的课程教学对资源结构、呈现样态、数据反馈、交互形态、用户体验、软硬适配等方面都提出了更高要求。当前,教育领域的元宇宙数字资源十分单薄,主要服务于虚拟实验实训类课程教学为主,且数量较少,通用性、复用性存在局限。笔者发现试点课程普遍对VR沉浸式、3D立体素材等教学资源有急迫需求,对虚拟教生形象配置、虚拟数字人物构建、主题场景虚拟、化身沉浸式语音交互等应用有突出需求。元宇宙技术、资源和终端不再仅仅作为课程实验实训的辅助手段,已经成为重塑课程教学形态的关键变量。

为此,学校启动校本元宇宙教学资源建设工作。一是结合专业群建设,购置VR资源开发所需的设备和软件,对专技老师进行针对性培训,帮助他们掌握立体教学资源如全景图、全景视频、3D物体、虚拟人等的设计、采集、制作、发布、应用等技能,尽快上手开展简单资源开发。二是与专业化厂商合作,通过产教融合、校企合作的方式,针对优势核心课程,开发体系化的特色资源。三是设立资源开发中心,以应用项目为订单,组建专技教师团队、吸纳优秀学生、开展校企协同,形成专业化、科学化的资源开发流程。截至目前,学校已经开展沉浸式主题学习馆、虚拟友谊飞船、虚拟拍卖会、虚拟适老空间设计、VR游戏习作展评大厅等多门定制化元宇宙课程资源的开发与制作。

4.元宇宙提升教师数字素养与技能

习近平总书记指出,教师是教育发展的第一资源。数字时代的教师应成为学生学习活动组织者、成长过程导引者、教学资源开发者、教学方法创新者、教育教学研究者、教师专业发展终身学习者。[10]任友群指出要推动职业教育教师数字化学习,探索利用AR/VR/MR/AI等新技术开展教师虚拟仿真实训,提升职业教育教师数字素养,推进信息技术与教学深度融合。[11]元宇宙能促进教学环境的重塑、教学资源的聚合、教学方式的转变、师生关系的变化、教师职业规范的更新,为教师发展带来新的挑战[12]。

学校“心理健康教育”课程老师组建“成长共同体”,共同修订打磨课程方案,从课程内容、教学方法、教学资源、数据收集、结果评估、活动时长等方面不断完善课程教学设计。团队教师使用VR设备进入元宇宙环境,不断探索适合的教学资源,结合理论知识丰富课程教学内容。共同体教师开展模块化协作教学,做到不同教学主题有主有辅、群策群力。游戏产业学院的骨干教师带领青年教师一起集体备课、打磨教案,专技老师参与课程资源开发和技术支持,使年青教师在公共建筑室内设计、VR交互设计等课程教学中快速成长为中坚力量。

三、元宇宙在高职课程教学中的应用成效

福软正按照“单科突破、小步快跑、深化推广、全面赋能”四阶段的工作实施计划,高效有序地推进元宇宙在课程教学中的应用实践。自2022年秋季开始,教育元宇宙在学校的创新应用已经完成两个学期试点探索,初步形成了符合校情、教情、学情的高效应用模式,构建了可持续推进的工作机制,带动了学校教师队伍成长,涌现出一批课程教改创新案例。元宇宙技术对课程教学创新的赋能效应逐渐显现,学校教育数字化转型工作的新格局正加快构建。

(一)形成了“一体两翼四点”的创新应用模式

学校以教育数字化全面转型为统一整体目标,激发元宇宙技术特征优势,驱动牵引人才培养系统性重组和智慧教育生态重塑。以数字化教学环境强化和政策机制完善为双侧保障,以课程建设为切入点,以课堂教学改革为落脚点,以资源供给为关键点,以教师能力提升为发力点。聚焦“课程、教学、教师、资源、环境、制度”六条关键路径,一体推进“元宇宙+”课程教学创新实践探索。学校初步形成了“一体两翼四点”的应用模式(如图3所示),元宇宙条件下课程教学改革创新在短期内取得明显成效。

图3 “一体两翼四点”应用模式

(二)构建了激发教师教学动力的政策机制

学校搭建起以校领导为组长,试点系部和核心机构负责人为主要成员的教育元宇宙试点工作专班,统一思想认识,引入外部专家,谋定实施方案,统筹工作计划。学校对元宇宙应用事务安排专人开展全流程、全要素管理,贯穿任务推进、教学实施、听课评课、质量评价、成果积累、教师发展等各环节。试点期间,共召开9次校级工作推进会、3次系部经验交流会和2次学期总结及表彰会。学校修订完善了《教科研项目管理办法》《教学成果奖励办法》《公开课管理办法》《元宇宙资源建设流程指南》等若干个政策制度,出台了《教育元宇宙教学改革项目激励管理措施》,从工作量计算、职称评定、评优评先、成果认定等多方面给予激励,为学校的“元宇宙+教学”应用创新提供了可持续发展的工作机制。

(三)汇聚了一定数量的课程教改创新案例

学校试点课程全面开展项目式教学、任务驱动教学、小组协作学习、混合翻转课堂等教学活动,不少创新案例正在涌现。“虚拟现实概论”课程以“福软通+腾讯会议+华渔元宇宙”为支撑,打造主题式课程,初步构建元宇宙沉浸式翻转课堂教学模式;公共建设室内设计课程引入VR、AIGC、数字人助教、元宇宙课堂等元宇宙技术,构筑起“三师四维”教学新主体,开展了“三段七步”式的教学模式探索实践(如图4所示),打造出“虚实融合、具身沉浸、自主探究、多元互动、理实一体”的元宇宙课堂新形态。“毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论课程”教师团队打造“主题式课程学习馆”,围绕知识单元,构筑集情境再现、沉浸体验、人物复原、任务引导、教学交互等元素一体的虚拟数字化课堂,探索“元宇宙+思政”课堂教学模式创新。

图4 “三段七步”教学实施策略

(四)促进了教师教学能力和科研水平提升

教育元宇宙应用试点对教师成长带动作用明显。如心理健康教育课程老师利用元宇宙条件下支持多人协同、合作学习的技术特点,开展虚拟教研会,并把双师授课模式引入课堂,倒逼教师在课堂中转变角色,使之更好适应元宇宙条件下教学的特点,学生在课堂上主动沟通、主动探究、主动分享的意识和能力较大提升。各项激励措施提高了教师参加教学科研项目的主动性。学校教师在市属高校第二届大学生心理健康教育现场教学比赛中荣获二等奖和三等奖,向省教育厅报送2023年度职业教育改革发展典型案例2篇,申报2023年度职业教育研究课题一个,参与试点的系部已申报校级教育科研课题多项。

四、深化元宇宙在高职课程教学中应用的思考

(一)存在问题与不足

元宇宙能实现云计算、人工智能、虚拟现实、增强现实、物联网、区块链等数字技术的集成融合,并在深度学习、卷积神经网络、生成式对抗网络、大语言模型、计算机视觉等技术不断进化中加速演进,元宇宙在职业教育领域中的应用有着广阔的空间。本文以高职学院应用实践为样本,开展元宇宙条件下“全学期、全过程、全元素”的课程数字化教学深度融合应用。把“元宇宙+教学”创新应用作为重要抓手,实现了对学校课程教学改革的赋能和支撑。

目前,元宇宙在教学中的应用仍处于局部试点阶段,整体效益还未完全显现。一是应用试点课程覆盖面有限,全校开课占比较低。课程类型偏重于专业类课程,在公共和基础类课程中的应用还未完全开展(如大学语文、大学英语、思想道德修养等)。二是元宇宙面向教育场景中的关键元素应用体现不充分,“沉浸式教学场景、立体教学资源、VR终端环境”三个元素碎片化、割裂性应用的现象较为明显,“师生虚拟化身、师生具身交互”两个元素在教学中的应用还很薄弱。三是试点偏重于对VR终端和VR资源的关注,对学校全样态数字化教学技术手段的外延包容、深度融合不充分。

(二)深化应用的思考

习近平总书记强调,数字化是我国开辟教育发展新赛道和塑造教育发展新优势的重要突破口。数字教育已经作为“数字中国战略”的一部分,推进教育数字化转型是贯彻国家战略的应有之义。针对项目应用存在的不足与局限性,后续学校将持续深化在“六维度”关键路径上实践探索,不断扩大教育元宇宙衍生边缘。注重有效整合各类终端、平台、资源、数据等,把虚拟现实、数字人、云计算、人工智能、区块链、物联网等技术全链条应用于教育教学全过程,激发出教育元宇宙赋能课程教改的倍增效益。

一是有序扩大试点课程的覆盖范围。配合产业学院和特色双高专业群的建设工作,优先遴选关联度较高的专业和课程,重组再构课程体系,更新拓展涉及元宇宙技术的教学内容(包括技术原理、应用开发、交互设计等)。结合行业发展趋势和市场人才需求,树立师生主动开展元宇宙教学探索的意识。继续总结提炼已有的经验做法和策略模式,强化学习交流,推广辐射力度,有序扩大应用覆盖面。

二是在课程资源的供给上持续发力。充分发挥学校资源建设中心的专业老师和优秀学生优势,提升校本元宇宙资源的开发效率和质量。强化专业型课程的情景化教学场景和多模态用户交互形态构建;面向公共类课程打造沉浸式学习场馆、虚拟智能助教协同教学、构建虚实多维教学主体等,建设多元化、多样态的新型数字资源。

三是构建课程教学的典型应用场景。围绕“教、学、管、评、训、研”五类教学场景,充分融入生成式人工智能、大语言模型、智能物联终端、3D全息、自适应学习等技术及平台的应用,构建与课程教学相适配的情景化教学、沉浸式学习、数字化身互动、伴随性数据采集、即时性课堂评价、虚拟仿真实训、虚拟教研室等典型应用场景。打造优质课程案例、培育种子教师、提炼教学模式。

党的二十大把教育、科技、人才进行统筹安排、一体部署,要求“推进教育数字化”,赋予了教育在全面建设社会主义现代化国家中新的使命任务,明确了教育数字化未来发展的行动纲领。顺应国家战略需求,高职院校必须立足数字时代,准确识变、科学应变、主动求变,抓住以元宇宙、区块链、人工智能、大模型为代表的新一轮数字技术发展契机,依托教育数字化支撑引领学校教育高质量发展。