编者按
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。
元宇宙｜面向虚拟孪生的跨学科教学设计与科教融合实践
元宇宙赋能在线教学模式新形态探究
元宇宙赋能下计算机课程教学改革探索
0 引 言
元宇宙是依托互联网存在的平行于现实的数字世界 [1]。2021 年被称为元宇宙元年，增强 / 虚拟现实（AR/VR）、人工智能、云计算、区块链、5G 等众多技术高速发展。Roblox 和 Facebook 公司将元宇宙的概念带入大众视野，引起商业投资和科技研究热潮。新冠疫情导致线上工作生活成为常态，加速社会虚拟化。在技术积累和社会推动的背景下，元宇宙逐渐从概念演变为现实，成为当下火热的话题。与此同时，元宇宙的发展引起了教育专家的注意，如何充分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 [2]。教育元宇宙为教师、学生、管理者创造了一个虚拟教育世界，可以同时满足现实和虚拟的教学需求 [3]，为弥补传统教学的缺陷提供了可能性。
程序设计是计算机教育中的必修课程。传统的程序设计课程存在以教师为主、偏重知识灌输、学生缺乏兴趣、疏忽实践能力培养等问题 [4]。本文探讨在元宇宙背景下，如何改善传统教学方式的缺陷，并以 C 语言程序设计课程为例介绍元宇宙教学案例。
1 元宇宙教学方法
元宇宙所具备的 3 个特点可以有效增强传统教学方法：①线上化，元宇宙是一个跨越现实和虚拟的在线世界，互联网将现实世界中的对象与元宇宙中的虚拟对象联系在一起；②虚拟化，元宇宙能以虚拟的形式模拟现实世界并提供高度的沉浸感与交互性；③大数据，元宇宙中存在海量多样的用户数据。基于以上 3 个特点，元宇宙教学存在 3 个可行方向：混合式教学、虚拟仿真和数据智能。
1.1 混合式教学
元宇宙在教育场景中的应用，实现了传统教育模式的升级。元宇宙技术进一步增强了线上教育的沉浸感和交互性，打破了教育的时空边界，推动了线上 + 线下混合式教学模式的发展。在这样的背景下，线上教学的地位逐渐提升，不再是线下教学的辅助，而是成为了教学的必要环节。传统的线下教学通常由于过度讲授使得学生的探索精神和思维能力没有得到充分锻炼，而以元宇宙为基础的线上教学充分尊重学生的自主性，学生在线上教学的过程中能够掌握线下课程所需要的基础知识，线下教学中，教师可以仅针对重难点进行讲解，提高了教育流程的效率。
学习评价是对已学习过程和结果的价值判断。以元宇宙为基础的混合式教学由于综合了多种多样的学习活动，对它的评价就应当更多元化，在对测试结果进行终结性评价同时，也要进行过程性评价。考核方式对于学生参与各类教学活动有着引导作用，合理的评价体系在一定程度上能够成为学生学习的动机。
从教师或教学研究设计者的角度来看，混合式教学要求教师充分利用元宇宙技术与教学工具，理清教学思路，依托教材大纲整合教学资源，达到教学目标 [5]。同时，在教学过程中，以对学生情况的了解和掌握为前提，对学生的学习情况和过程作出评价，提供合理建议，帮助学生适应混合式教学模式。从学生的角度来看，要有开放的心态，拥抱新的教学模式，充分利用网络学习的高效性、便捷性、灵活性，以及线下学习的全面性、互动性，在学习的过程中提升综合能力。
1.2 虚拟仿真
实践教学是计算机教学环节的重要组成部分，传统的实践教学存在一些问题，如模式单一、技术陈旧、与社会需求脱节、学生参与度不高等 [6]。随着元宇宙相关技术的迅猛发展，虚拟仿真技术融合的实践教学模式被广泛应用，此模式能够适应信息时代高等教育开放办学、资源共享的要求，提供开放平台和优质资源，为学生开展探究性学习、自主创新学习提供支持，提高人才培养的质量。
元宇宙具有深度体验、内容创造、角色交流及价值交换等基本特征，通过元宇宙虚拟仿真平台，可以产生虚实相生的协同性知识。引入此类平台并应用在高校实践教学体系中，能够克服实验周期长、危险性大等缺点，成本远低于实体实验，同时元宇宙技术的沉浸感和交互性保证了实践教学的质量，完善了传统的实践教学模式，提升了实践教学的效果。
目前，虚拟仿真技术正逐步在计算机高等教育中推广使用，多样的应用技术如虚拟现实、增强现实、混合现实等，以及多样的实验方式如云平台、虚拟实验等，在有限的课时内可以保证教学的质量，有利于激发学生的创新精神以及培养高素质应用型人才。
1.3 数据智能
当前，人类社会正加速迈向以高度数据化和高度智能化为核心特征的数据智能时代 [7]。在将元宇宙相关技术融入到教育教学的过程中会产生大量数据，这成为一种新的生产要素，对教育中产生的数据进行分析、处理与应用，推动了教育的升级。
在计算机教育中，教育教学的管理者在采集学生的信息后，应采用元宇宙教育信息化手段，对教育教学过程进行高效管理，使其成为高质量教育发展的助推器。教育教学的研究者对教育教学过程中产生的数据进行分析，指导课程改革与创新实践，可形成更完善、更标准化、更有效的课程体系。作为教育教学的实践者，教师可对学生学习过程中产生的数据进行分析，实现因材施教，给予学生最适配的资源，提供个性化的发展；同时教师可以分析学生对知识点的掌握情况，了解学生眼中的重难点，改变“一言堂”的教学方式，遵循“学生为主体、教师为主导”的基本原则，提升教学各环节效率。
2 教学案例
以 C 语言程序设计课程为例，该课程的目标是培养学生的逻辑思维能力以及用计算机解决问题的意识，通过编程技术学习和相应的实验训练，使学生了解高级程序设计语言的结构，掌握基本的程序设计过程和技巧以及分析问题和利用计算机求解问题的方法，具备初步的高级语言程序设计能力。课程内容包括数据基本类型与表达、程序基本流程控制、函数及程序模块化控制、数组与文件应用、算法基础等，整个课程程序设计实践量在 2 000 行以上。基于元宇宙线上化、虚拟化和大数据的 3 个特点，本课程在教师讲授、上机实验和考核评估的 3 个教学环节中融入元宇宙教学方法（如图 1 所示）。
2.1 混合式教学模式（智云课堂）
在教师讲授环节，本课程基于“智云课堂” [8]，采用线上、线下相融合的混合式教学模式。元宇宙中随时随地登录并与现实同步的愿景可以通过智云课堂实现。当教师在线下讲课时，利用配备好的超短焦投影、录制设备等，使线上与线下的学生可以获得同步一致的听课体验。通过课堂互动功能，教师与学生可以跨越现实空间的阻隔开展互动。此外，智云课堂还融合了多项先进的信息技术，提升教学效果与学生体验，例如智能笔记系统、同声传译字幕、课堂热词等。所有的课程录播数据都被储存在云端，学生可以随时进入重现的课堂场景，复习巩固知识或是学习错过的课程。
2.2 虚拟仿真系统（VAPL）
在上机实验环节，本课程采用一个专门设计的可视化编程学习系统——VAPL（如图 3 所示），以满足元宇宙中虚拟仿真和交互探索的需求。VAPL 是一个 Web 端应用，使用新颖的可视化与交互技术，在交互界面中使用动画等可视化手段直观形象地展示程序执行过程，解释程序执行逻辑和相关知识原理。VAPL 系统由如下 5 个功能模块组成。
1）代码编辑模块。
代码编辑模块负责 C 程序代码的编写（图3a），并提供了代码补全、代码高亮、设置断点等常用 IDE 功能。用户可以输入和修改代码，代码的运行过程和运行状态会在其他模块中以可视化的形式呈现。
2）输入输出模块。
输入输出区域负责传入 C 程序中需要的信息和输出程序打印的信息（图 3b）。与时间线模块联动，用户可以查看任意时间点的程序输出情况，观察程序输出产生的过程。
3）时间线模块。
时间线模块负责程序运行进度的展示（图3c），包含程序运行单步调试的控制按钮和运行步骤在时间线上的高亮展示。VAPL 支持时间旅行调试功能，通过点击调试控制按钮或时间线，用户可以在任意的程序执行步骤间随意跳转。利用此功能，教师可以方便地在课堂上回顾和讲解程序中重要的执行片段，而学生和普通用户则可以更灵活高效地完成程序调试工作。另外，用户在代码编辑区域中设置的断点语句会以可视化的形式呈现在时间线上。不同的语句会被赋予不同的颜色。当同一个语句被反复执行时，它的每次执行都会用一个与高亮颜色一致的柱形表示在时间线所对应的位置上。
4）调用栈模块。
调用栈模块负责程序运行过程的展示（图3d），结合动画展示程序中参数传递的过程，可视化地展示当前程序的调用栈状态，并提供了可缩放可拖拽的画布、单个变量的监控以及运行过程保存为 gif 格式并下载等功能。左侧一列将调用栈以堆叠的形式展现，栈中的变量信息以卡片的形式呈现。当程序运行过程中变量发生变化时，卡片中的变量信息会同步变化。若用户要查看指定的变量，可以在画布空白处添加新的卡片进行查看。
5）内存信息模块。
内存信息模块负责程序运行过程中的内存展示（图 3e），包括逻辑视图、物理视图和内存细节信息。逻辑视图中，分别展示栈内存、堆内存和全局 / 静态变量。栈中的内存根据栈的不同进行划分，与调用栈视图对应。物理视图中根据内存的物理地址，连续地展示内存分配情况。内存细节信息中展示特定内存块的变量名、地址、数据类型、二进制表示等信息。
以“循环控制语句”知识点教学为例，教师在实验教学中指引学生利用 VAPL 来理解程序逻辑并掌握知识点（如图 4 所示）。实验过程如下。
（1）输入教师指定的代码，点击代码编辑区域的行号栏，为代码第 14、 16、 19、 21 行添加高亮，结合时间线模块的交互解答后续问题。
（2）在输入框输入“24 7 4 3 5 0”，回答问题：① break 语句执行了几次？执行时 x 值分别为几？② continue 语句执行了几次？执行时 x 值分别为几？
（3）在输入框输入“24 12 4 3 2 1 0”，回答问题：① break 语句执行了几次？执行时 x 值分别为几？② continue 语句执行了几次？执行时 x值分别为几？
（4）根据对程序的理解回答：①在什么情况下 while 循环会终止？②在什么情况下 count 会+1 ？③ break 和 continue 语句分别有什么作用？
2.3 数据分析与评估（PTA）
本课程对学生编程能力的考核使用 PTA 程序设计类实验辅助教学平台完成。课程中的上机实验、课后练习以及期末考核都由 PTA 平台的在线评测完成。教师可以通过学生在平台上的做题记录获得每位学生的学习数据，包括班级的整体数据和学生的个性数据。从生成的班级整体数据中（例如所有试题的正确率），教师可以分析学生对知识的掌握程度，合理调整教学安排。从学生的个性数据中（例如试题的得分分布），可以依据数据为每位学生生成学习报告，并根据学生的弱点推荐重点学习方向。
在元宇宙背景下，教师可以获得大量的学生学习数据。本课程运用数据分析和处理技术自动化地生成学习报告并针对每位学生给出定制化的学习建议。结合人工智能的分析和推荐，可以一定程度上替代教师亲自指导，减轻了教师负担。自动化的大数据方法有效地解决了过去教师难以同时负责大量学生教学的问题，有助于在保证教学质量的情况下扩大教学规模。
3 结 语
元宇宙的线上化、虚拟仿真、大数据等特性能够在教学环节中发挥重要作用，弥补传统教学中存在的缺陷。本文提出的元宇宙教学方法已在 C 语言程序设计教学中进行了一个教学周期的实践，获得了良好的教学效果。目前元宇宙技术尚未成熟，本课程未来的教学建设仍有继续改进完善的空间，可以从 3 个方向进一步探索元宇宙在教育方面的潜力：① AR/VR 在教育应用中有很大的潜力 [9-10]，可以引入 AR/VR 技术进一步提高虚拟仿真的沉浸感和交互性；②加入一些社交元素以丰富元宇宙世界，例如试题分享、好友竞赛、天梯榜等，提高学生的参与度；③目前的课程学习数据局限在考勤和试题完成情况上，可以考虑收集更多方面的数据（如做题时的推演过程、情感分析数据等），结合人工智能技术，构建多元化评估体系，提升教学辅助效果。
参考文献：
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基金项目：国家自然科学基金重点项目（62132017）。
作者简介：温圳，男，浙江大学博士研究生在读，研究方向为可视分析，wenzhen@zju.edu.cn；陈为（通信作者），男，浙江大学教授，研究方向为大数据分析、人机融合智能，chenvis@zju.edu.cn。
引文格式：温圳，王中伟，潘嘉铖，等. 元宇宙背景下的 C 语言程序设计教学方式探索[J].计算机教育,2022(11):15-19.
转自：“计算机教育”微信公众号
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