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数字孪生打造“教育元宇宙”,构建沉浸式教学场域

发布时间:2023-12-28

编辑人:灵图互动

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线上授课以来,教育者愈发感受到在线教学中师生缺乏互动、学生缺乏学习存在感等弊端,而具有交互性、沉浸性、多元性等特征的“教育元宇宙”作为弥补这些缺点的新型教育手段而备受关注。“教育元宇宙”是利用数字孪生技术打造沉浸式教学互动场域,通过构建与现实环境相同的虚拟数字模型,让教师和学生能够在线体验连续、真实、可互动的仿真学习环境。

一、“教育元宇宙”的特性与功能

“教育元宇宙”指以数字孪生技术为主构建的一种沉浸式的教学互动场域。这个场域能够提供多情景、虚实融合的学习环境,支持个性化教学,可适用于所有学习场景。

1.数字孪生与元宇宙

(1)数字孪生

数字孪生概念由美国密歇根大学教授提出,指指以数字化方式创建物理实体虚拟模型,通过空间变换映射、虚实反馈交互、数据融合分析、检测判断评价和决策迭代优化等手段,来全面精准高效智能地展示物理实体在信息环境全生命周期的过程行为。

简单来说,数字孪生就是通过虚拟三维模型对现实事物进行高精度的仿真模拟,使用户在虚拟世界得以具有和现实世界相同的感官体验。其技术最早起源于航天军工和生产,现正广泛应用于智能管理、智慧教育和辅助决策等领域。

(2)元宇宙

“元宇宙”一词来源于科幻小说,是一种融合了5G、云计算、人工智能、虚拟现实等一大批高新技术的技术概念总和,现在常提到的“元宇宙”通常被解释为“人类运用数字技术构建的,由现实世界映射或超越现实世界,可与现实世界交互的虚拟世界”。

打造“教育元宇宙”就是要打造由现实世界映射、可与现实世界产生交互的教育教学环境。以数字孪生技术为基础,实现具有完整学习流程的数字化教育体验。

2.数字孪生智能教育特性

借助数字孪生技术可以打造高沉浸性、高智能的教育教学环境,其主要具备三个特性。

(1)可视化呈现

数字孪生技术通过现实与虚拟场景双向映射,可成功构建出模拟实景的教学环境,不仅可以实现对复杂景物的虚拟再现,还可以强化用户对虚拟设备的自由操作。

在数字孪生智能教育系统中,教学资源均以可视化的形式呈现,教师和学生都可以随意对数字化模型进行放大缩小,甚至可以看到物体的内部。教学内容因此变得更加生动丰富,并且也更加易于理解。

数字孪生智能教育特性

(2)教育智慧运营与管理

数字孪生智能教育系统亦可融合物联网技术的数据收集、大数据分析和人工智能模型剖析等优势,完成对当前系统的问题分析并对发展趋势做出预测,进而为学校运营和管理提供决策帮助。

例如,可利用数字孪生技术构建的数字校园模型对学校占地位置、师资力量、建设规划等内容进行模拟,利用人工智能和大数据分析,提前规划各类资源的分配和方案的可执行度测试。充分利用数字孪生的虚实互相映射的技术特点为学校运营和管理提供帮助。

(3)精准教学分析与活动创新

在传统教学中,教育者常受技术环境和设备条件等因素的限制而无法做到对教学过程数据的全面把握与探索,尤其是对不同学科的教学活动环节很难做到精准分析。凭借物联网技术和大数据基础,数字孪生智能教育系统能够依靠大样本数据库和深度学习机制提供可及时精准测量的指标值。

另外,数字孪生模型的可操作特性可以让现实世界难以构建的学习和实验环境得以轻松实现,从而为教师和学生提供独特而创新的仪器设备或教学环境。

二、“教育元宇宙”应用场景分析

高沉浸性、高智能的教育教学环境可以被应用到几乎所有学习场景。

1.学科教育

自教育改革以来,学科教育中传统师讲生听的课堂教育模式就是研究和讨论的重点。数字孪生智能教育能够构建不同的虚拟可视化情景,凭借其交互功能,支持以学生为主体设计情景教学、游戏化教学协作式教学等新型教学方法。

“教育元宇宙”应用场景分析

2.德育

大多数学校的德育教育开展效果都不尽人意,这是因为德育的关键是贴近生活,而学校环境很难营造出生活氛围。目前比较受推崇的德育方式是游戏化学习。利用数字孪生技术,教师可以利用学习资源构建游戏场景,自行设计游戏机制和游戏奖励,有效改善传统德育教育呆板枯燥的问题。

3.心理教育与特殊教育

对于特殊群体而言,往往需要特定的环境帮助他们放松,从而更加有效地提供康复训练以及帮助掌握基本生活技能。数字孪生技术构建的沉浸、仿真的虚拟环境可以让特殊群体的看护不受空间限制,进而提供更加具有针对性的帮助措施。

4.学前教育与职业教育

学前教育和职业教育的共性就是学生正面临接收新环境的大量信息的情况。幼儿需要更加直观的生活情景才能更好地学习,利用虚拟模型构建不同场景,例如绘本故事情景,能够帮助幼儿增强故事体验。

职业教育虚拟仿真实训基地

职业教育需要具体的生产和专业情景才能帮助学生更好的掌握实用技能。而现实生产与教学结合的投入成本颇高,难以让学生长期进行体验学习。并且,部分生产或职业环境可能会有安全风险,也不利于教学活动开展。因此,利用数字孪生技术在虚拟世界构建仿真的实训环境是减少学习成本、降低实训风险的最佳选择。

利用数字孪生技术打造沉浸、智能的教育教学场域,构建多情景、虚实融合的学习环境,将有助于各类教学活动开展。数字孪生智能教育应用宽泛,对教育教学的数字化改革和沉浸式教学发展有重要意义。

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