产学合作协同育人教学内容和课程体系改革项目申报书-元宇宙赋能下计算机课程教学改革探索

2023年美丽软件科技有限公司教育部产学合作协同育人项目申请书项目名称：元宇宙赋能下计算机课程教学改革探索负责人：联系电话：工作邮箱：学校名称：通信地址：二○二三年七月制填表说明(1)全日制本科高校在职教师或在校学生；(2)原则上不接受之前已获得过同类项目资助的重复2.有关项目内容、具体要求和说明请参考项目申报指3.项目负责人填写的内容由所在单位负责审核，所填内容必须真实、可靠。4.申请书由项目负责人填写并手写签名，报送所在高校主管部门审查、签署意见并盖章后，将扫描文件上传到项目平台()。项目概况(单选)项目负责人(主要教学及科研工作)获得蓝桥杯软件设计大赛省赛二等奖2020.10操作系统慕课设计和制作的探究2024.6疫情下教师在线教学能力提升的探究项目主要成员(不含项目负元宇宙是依托互联网存在的平行于现实的数字世界。2021年被称为“元宇宙元年”，增强/虚拟现实、人工智能、云计算、区块链、5G等众多技术高速发展，也为新冠疫情下的在线教学模式提供了从数字化到智能化的全新转型思路。随着元宇宙逐渐从概念演变为现实，如何推进元宇宙相关技术的教育教学以及利用元宇宙的特点促进教育方式变革成为人们关心的问题。本期特开辟“元宇宙教学”专题，邀请多位该领域专家深入探讨元宇宙相关技术与计算机领域教育教学融合的可行性。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。1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。2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。3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。本次项目的实施为后续企业与高校的合作搭建了平台，具有桥梁的作用，项目实施的意义较大。2.项目培训方式：本项目培训的方式更加多元化，采用线上线下、理论+实践相结合的培训方式。大数据分析相关师资培训研议报告及大数据分析技术相关学习资料等，。在进行线下培训时，采用理论+实践的培训方式，不仅要注重理论知识，还要注重实战锻炼，在实学习成效。为了提高教师的学习效率，以及更好地掌握教师培训情况，本项目采用以任务为导向，将培训内容分解成每天的学习任务，最后以学习日志和课程设计的形式提交。除进行线下培训外，还可以带领高校教师参观企业，组织专任教师去企业顶中去。项目实施的途径和方式更加多元化，更具有趣味性，可以训。3.项目培训内容：本项目实施目的是提高教师专业技能、教学能力和课程建设水平。本项目对教师专业技能的培训更注重教师实践能力的提升，培训内容不拘泥于课本理论，侧重于大数据分析技术在企业中的实际应用。通过实际项目演练，加深教师对所学知识点的理解和掌握，使得教师通过培训达到大数据专业的能力要求。2基于游戏化学习的课程教学实践2.1游戏化学习的教学模式框架实验教学具有直观性、综合性、探索性、启发性等诸多优点，在培养学生理论联系实际、分析问题、解决问题方面有着非常重要的作用

[13]。针对数据库原理课程的实验内容

[14]，依据游戏化元素层次框架，建立融合教学设计和学习过程的游戏化学习教学模式，如图2所示。教师通过设计游戏化情境、关卡任务、竞争协作、动机策略、交流反馈、成绩评价方式、教学反思等流程，不断进行游戏化学习模式的优化，来支持引导学生开展游戏化学习。学生通过设定游戏目标、选择竞争协作策略，以个人挑战或团队挑战等形式挑战一个个学习任务关卡，依据游戏积分和排行榜等成果展示形式，激发学习动力，不断挑战，形成学习反思。2.2游戏化学习的详细教学设计游戏化学习情境的创建需要引导学生产生情境沉浸，调动学生的积极性与挑战欲望，沉浸在一定的故事情节中完成高质量的深度学习，这是决定学习质量好坏的关键。依据学生未来的职业岗位和相应的薪酬，建立5类玩家角色，分别是学生、实习生、软件测试员、软件工程师和软件架构师。鼓励学习基础较好的学生在有限的时间里，闯过所有的游戏关卡，达到熟练掌握所有知识点和提高自身综合能力的目标；鼓励学习基础不好的学生，尽自己的最大努力不断前进，获得相应的知识内化和能力增值。游戏关卡的设计需要综合考虑课程教学目标、课程教学内容、游戏元素、学生学情等因素，依据支架式教学模式进行详细设计。这里选用PTA程序设计类实验辅助教学平台和头歌实践教学平台，设计了12级递进式编程任务关卡，将知识点、编程技能和动机策略融入其中，见表1。学生在平台上通过竞争编程闯关、协作编程闯关和挑战编程闯关等形式，挑战编程任务，清除编程障碍，解决编程难题。通过遇见新问题和分析解决问题的循环闯关过程，激发学生的学习兴趣和学习斗志，进而达到课程教学目标。游戏的第1道关卡设计的好坏会直接影响学生的学习动机和最终的学习效果。教学中设计的游戏关卡1为条件查询，涉及需要掌握的知识点包括全部列的查询、指定列的查询、改变列名的查询、比较运算符的查询、确定范围的查询、确定集合的查询、字符匹配的查询、空值查询和逻辑谓词查询等内容

[14]，需要学生采用自学的方式阅读完书本的6页内容后编程完成。同时，还设计了3个子关卡，各包括15道编程题（含有前一关卡部分内容，），与知识点的对应关系见表2。子关卡2含有对子关卡1的知识复习，子关卡3含有对子关卡2的温故，难度都不大，学生花费较少的时间都可轻松完成，可以起到增强自学能力和编程信心的目的。游戏化学习中既有个体竞争，又有团队协作。依据数据库实验内容的难易程度，设计出5个个体性竞争性任务，通过完成必做任务和一些可选性随机任务，设置“积分排行榜”并实时更新，促使学生在相互竞争中成长进步，培养学生敢于接受挑战、不断努力进取精神和品质。团队竞技类游戏任务比角色扮演类游戏任务、答题类游戏任务更有吸引力，设计了7个团队竞技类合作任务（例如游戏关卡7中设计1个可以统计每天销售情况和销售总金额的存储过程，游戏关卡8中设计1个B站Up主发布视频后粉丝关注并涨粉的触发器，游戏关卡10中设计天猫用户利用积分限量换取1台天猫魔盒的程序等），引导学生在学习实践与合作互动中相互尊重、分工协作、取长补短，发挥团队的智慧与力量，培养学生的团结协作能力与集体主义精神。奖励是动机策略设计中的重点，有助于学生深层参与和主动学习，可以采用未来工资对应的积分、程序员级别奖章和排行榜等虚拟元素来记录学生的整个成长过程，让学生在游戏过程中能有较高的沉浸感、体验感和成就感，鼓励他们为自己的未来挣“工资”。采用团队午餐、团队电影票和团队生日大蛋糕等真实奖励，为学生团队的出色工作进行颁奖庆祝，引导在他们合作学习中更加认真努力，争取更大的进步。交流反馈是师生之间、学生之间产生各种形式的相互作用与影响。无论是认知互动、情感互动，还是行为互动，都有助于学生的心智发展和能力成长。通过实践教学平台，可以在游戏学习中的典型障碍之处设置有限次数的任务提示。鼓励学生通过课程论坛等，积极进行认知和情感交流，激发共鸣，获得精神满足，从而大大提高学习效率。例如可以采用课堂大讨论方式询问学生为什么很多数据表格不设年龄字段，如何利用出生日期求年龄问题？如果定义出生日期为datetime类型时，引导学生通过查询系统时间函数深入思考，时间函数中的current_timestamp、localtime、sysdate能否可以解决求年龄（因为学生相互交流的编程解决方案主要有2022-year(bday)、year(curdate())-year(bday)和year(now())-year(bday)3种答案）?如果定义出生日期为varchar类型时，该调用什么函数来求年龄？教师利用这些开放式典型教学案例进行相互交流，让学生在各种方案的碰撞中发散思维，实现自身知识的内化，可以起到很好的教学效果。教师要引导学生从游戏迷恋到游戏控制转变，从不了解到深入了解游戏的三层核心教育价值(游戏动机、游戏思维和游戏精神)的转变

[11]，从玩游戏到游戏化学习，再到游戏化产品设计进行转变。课程评价方式设计是激励学生进行高质量学习的关键。本课程的成绩评价主要由课内总成绩(80%)、课堂活跃度(10%)、课外学习成绩(10%)3部分组成。课内总成绩由通过的关卡数决定，一个游戏关卡通常由多个编程小任务组合而成，完成部分任务只能获得部分工资积分和经验值，学生只有完全完成所有任务，才算通过一个游戏关卡，才会获得额外的工资积分和经验值奖励。课堂活跃度通过给视频观看数量、作业完成数量、问卷完成数量、资源发布数量、帖子发布数量、帖子回复数量赋予一定的活跃度积分而得到。课外学习成绩主要由学生完成选做的实验任务数量获取的经验值来获得（经验值需经过一定换算）。反思是一个省察价值观、知识、道德和行为的过程，是整合实践、理论和经验的重要方式

[15]。教师通过布置游戏化学习的互评实践反思报告，让学生总结经验教训，感悟学习的过程与规律，建构自己的知识体系，进而提高分析问题和解决问题的能力。同时，教师自己也要依据游戏性学习平台生成的学生行为数据，反思游戏化学习的各个环节的不足，持续进行系统优化，提升学生的学习体验和学习质量。通过本课题的研究，力求达到以下预期目标：（1）对区域代表性企业进行调查走访，通过调查结果分析得到围绕软件工程专业人才培养方案要求及毕业要求的解决复杂工程问题的创新能力需求报告；（2）校企双方教师尝试在嵌入式核心课程的实践教学中将OBE教学模式进行应用，