教育元宇宙赋能物联网系统设计课程教学探索.pdf

89计 算 机 教 育Computer Education第 11 期2023 年 11 月 10 日中图分类号：G642教育元宇宙赋能物联网系统设计课程教学探索江 帆（江苏联合职业技术学院 苏州工业园区分院，江苏 苏州 215123）摘 要：针对现阶段计算机专业课程教学方法不合理的现状，提出教育元宇宙支持下的混合式教学、情境化教学、个性化教学、游戏化教学 4 类教学方法，以物联网系统设计课程为例，介绍元宇宙方法赋能教学实践过程，最后通过提升任务完成度和课程考试成绩两个方面说明教学效果。关键词：教育元宇宙；计算机专业；物联网系统设计；教学方法；教学改革基金项目：苏州市教育科学“十四五”规划 2022 年度课题“基于学习网络的高职物联网课程学习资源推荐模式构建的研究”（2022/LX/02/085/09）。作者简介：江帆，男，副教授，研究方向为物联网应用技术、职业教育，。0引 言2021 年，Meta 公司发布了元宇宙宣传片Metaverse，开启了教育元宇宙赋能课程教学，改革传统教学模式的新时代。在职业教育领域，各高职院校积极探索教育元宇宙融入课程教学的方法与路径，相继开展了计算机专业教学改革，取得了一定的成果。物联网系统设计是计算机专业的核心课程，传统的课程教学以教师讲授为主，未针对课程特点采用合理、有效的教学方法与教学手段，未摆脱“以知识为中心”的教学理念，教学效果不甚理想。1教育元宇宙的教学方法教育元宇宙利用数字孪生、人工智能、脑机接口等信息技术，依照真实的教学空间，构建与之相互渗透、相互联系的孪生化的虚拟空间，具有虚拟重现、虚拟仿真、虚实融合、虚实联动等典型特征，在激发学习热情、构建教学情境、丰富教学活动方面具有独特的技术优势，能够有效支持混合式教学、情境化教学、个性化教学与游戏化教学（如图 1 所示）。1.1混合式教学虚实融合混合式教学基于教育元宇宙虚实融合的技术特征开展教学活动，具有参与性高、实践性强、即时性佳的特点1。混合式教学充分整合线上与线下的学习资源，突破了单一教学模式下场所封闭、时空固定的桎梏，其特色优势如下：运用数字孪生技术，将虚拟的教学空间映射至现实的教学实体，实现线上理论知识与线下实践操作融为一体；运用边缘计算技术，通过虚拟的教学身份实现实体化的教学管理与课堂监督，有效地克服了传统网络教学缺乏监管的弊端；充分发文章编号：1672-5913(2023)11-0089-05图 1 基于教育元宇宙的教学方法混合式教学情境化教教育元宇宙个性化学习游戏化学学习参与性实践性即时性沉浸性交互性创造性精准性多元性新颖性真实性灵活性深入性虚拟重现虚实联动虚实融合虚拟仿真数字孪生脑机接口5G/6G网人工智能云/边缘计算区块链/机器人物联网/大数据VR/AR/XR 202390计 算 机 教 育Computer Education挥 5G/6G 网络技术的通信优势，将教学资源深度融合于教学过程，有利于开展跨平台、跨媒介的教学活动。1.2情境化教学虚实联动情境化教学基于教育元宇宙虚实联动的技术特征开展教学活动，具有真实性强、灵活性高、深入性大的特点。情境化教学在物理、心理、人际、文化 4 个方面，创设生动形象的、具有一定感情色彩的、与教学内容高度关联的学习场景，其特色优势如下：运用扩展现实技术，利用穿戴体感控制设备，使虚拟场景和实体设备有效联动，实现高仿真、多维度、全方位的学习体验；运用虚拟现实技术，创建虚拟学习社区，增强课堂互动，实现真实课堂与虚拟课堂无缝对 接2；运用脑机接口技术，开展头脑风暴、交流讨论、答疑解惑等教学活动，培养学生的团队协作意识与能力。1.3个性化教学虚拟仿真个性化教学基于教育元宇宙虚拟仿真的技术特征开展教学活动，具有精准性高、多元性强、新颖性佳的特点。个性化教学运用先进的算法，精准分析学生的学习行为和学情数据，满足学生个性化的学习需求，其特色优势如下：运用机器学习和智能分析技术，准确分析学习数据，有利于精准定位学习目标，制订个性化的教学策略；运用区块链技术区分不同学生的学习需求，关注个性化的学习情况，掌握其优势及特长；运用数据挖掘和数据分析技术，通过密集型评价方法，实时反馈测试成绩、任务完成度等考核评价数据。1.4游戏化教学虚拟重现游戏化教学基于教育元宇宙虚拟重现的技术特征开展教学活动，具有沉浸性高、交互性强、创造性佳的特点。游戏化教学通过教学场景与身体感官全面交互，充分调动学生的主观能动性，最大限度地激发学习兴趣与学习积极性，其特色优势如下：运用增强现实技术，打造高度仿真的学习场景，实现更佳的沉浸式体验效果3；运用脑机接口技术，创设不同的人物角色，设定不同的任务目标，以多种方式完成学习任务；运用5G/6G 和物联网技术，在开展游戏化教学过程中，实时、准确地收集学生的学习数据和学习行为。2基于教育元宇宙的教学实践以物联网系统设计课程为例，本课程的目标是运用物联网实训平台和编程软件，基于物联网三层体系架构，设计、搭建物联网系统，实现数据采集、分析、处理、输出的功能。课程内容包括整体架构设计、设备安装与调试、系统管理与维护、终端软件设计与开发 4 个教学模块。针对教育元宇宙的四大典型特征，分别运用游戏化教学、个性化教学、情境化教学和混合式教学，在各教学模块中分别应用 Unity3D 建模软件、物联网实训平台、云计算软件系统、可视化编程系统（如图 2 所示）。图 2 基于教育元宇宙的物联网系统设计教学实践教育元宇宙特征虚拟重现虚实联动虚拟仿真虚实融合元宇宙教学方法游戏化教学情境化教学个性化教学混合式教学教学模块三层架构设计设备安装与调试系统管理与维护软件设计与开发教学实践应用Unity3D 建模软件物联网实训平台云计算软件系统可视化编程系统2.1模块 1：三层架构设计Unity3D 建模软件应用三层架构设计采用游戏化教学方法。运用Unity3D 软件，构建空间结构性强、仿真程度高的三层体系架构，以克服二维平面设计无法清晰展示架构细节的问题。以游戏闯关的形式开展教学活动，将学习任务设置为各通关任务，将学习资源虚拟化为游戏中的各类道具与帮助文档，将小组成员设计为各类人物角色。Unity3D 建模软件在本教学模块中的应用如下。（1）三层框架设计。在工具箱中拖拽出 3 个层面形状，分别标注为感知层、网络层、应用层，作为物联网系统的框架。（2）设备模型设计。在部件中分别导入传感元宇宙教学第 11 期91器、网络设备、终端设备的 3D 模型，对其分别进行贴片和着色处理。（3）设备属性设置。分别选中各设备的模型，在属性窗口中标注设备的名称和型号，指定线路连接的接口，并设置模型能够沿三轴方向旋转。（4）线路连接方式。使用带箭头的直线，将各层次间的通信接口连接起来，表示三层架构间的通信方式。学生佩带 VR 眼镜，通过脑机接口进入三层架构设计的游戏场景，每完成一个任务关卡，系统奖励相应的积分，记录在学习平台中4。当通过了全部关卡，积分累计达到任务目标规定的分数时，表示三层架构设计任务已全部完成。通关遇到困难时，可以借助道具，也可以求助其他人物角色，通过分工协作，共同完成任务。2.2模块 2：设备安装与调试物联网实训平台应用设备安装与调试采用情境化教学方法。运用物联网实训平台，根据真实设备的安装需求，构建生动形象的设备安装与调试场景，以克服传统教学方式直观性差、互动性低等问题。物联网实训平台包括实训软件和搭建网板两个部分，其中，实训软件基于数字孪生技术，根据设备搭建的具体要求，依照真实设备的外观、型号、性能参数，构建虚拟化的设备安装场景。物联网实训平台在本教学模块中的应用如下。（1）设备模块选用。学生佩戴 XR 眼镜，在扩展现实技术的支持下进入物联网实训软件系统，根据设计完成的三层架构体系，选择各层次对应的物联网设备模块。（2）布局方式规划。在实训软件中规划感知设备、网络设备和应用终端的布局方式，分配各类设备的安装位置，确定安装顺序。（3）设备模块安装。在实训软件中将选择好的设备模块拖动到指定的安装位置，预留一定的安装空间并根据设备型号设置连接端口和波 特率。（4）系统功能调试。运用实训软件的验证功能，检验设备安装是否正确。通过检验后，在搭建网板中安装各物联网设备并连接线路，完成系统调试。为提升设备安装准确率，学生在正式安装设备之前，须通过实训软件的正确性检验，然后在搭建网板中准确选用物联网设备，合理规划安装布局，精准连接线路端口并调试设备功能，最终完成物联网设备安装与调试。2.3模块 3：系统管理与维护云计算软件应用系统管理与维护采用个性化教学方法。物联网系统管理与维护包括设备管理、网络管理、数据库管理以及终端设备维护，其学习目标具有多重性的特点，学生须运用多种管理软件，配置系统参数，保障系统正常运行，也就是说，在学习过程中，学生完成任务的目标不同，运用的方法不同，需要的学习资源也不同，因此，采用云计算软件系统，基于智能识别技术，精准定位学习目标，推荐适切的学习资源，指导学生运用合理的系统管理方法5。云计算软件在本教学模块中的应用如下。（1）新建项目。登录云计算软件，在系统中新建管理项目。项目名称根据任务描述设定，项目参数根据任务目标设置。（2）设备管理。进入管理项目，添加传感器、协调器、执行器等物联网设备，设置设备名称、波特率和端口编号。（3）网络管理。设置项目的连接方式为 TCP/IP 方式，其 IP 地址和连接端口可以采用默认值，也可以根据实际需要自行修改。（4）数据库管理。根据任务要求，建立系统管理数据库，设置访问方式为远程访问。在数据库中建立相应的数据表，用于存储传感器采集到的各种类型数据。根据任务目标，云计算软件推荐物联网云平台、设备代码烧写工具、网络管理工具、数据库管理系统 4 类教学资源，提供相应的使用方法，同时，借助云计算强大的算力，实时显示操作结果，减少系统响应时间，提升系统管理 效率。2.4模块 4：软件设计与开发可视化编程系统应用软件设计与开发采用混合式教学方法。物联网系统须配有高性能的客户端软件，以保障系统的执行效率。传统的在线教学注重理论知识，线下实践操作缺少理论指导，教学内容处于割裂状202392计 算 机 教 育Computer Education态，导致软件质量不高，因此，采用可视化编程系统，运用 5G/6G 和数据挖掘技术，充分整合线上与线下的学习资源。运用虚拟仿真技术，以图形化界面的形式对 C 语言、Java、C#等主流的程序设计语言进行模拟仿真6。可视化编程系统在本教学模块中的应用如下。（1）代码编辑。以 Web 方式登录可视化编程系统，导入程序代码，运用代码编辑功能，去除冗余的代码语句、未使用的变量和空语句，优化代码格式。（2）时间线调试。运用此功能可以在时间线上的程序步骤间任意跳转，调试结果有误的代码块以高亮显示，可以使用鼠标将其拖放到时间线上合适的位置，从而优化代码逻辑。（3）栈模块调用。运用此功能可以观察程序中函数调用和参数传递的过程，以卡片形式存放在栈中，可以通过拖拽卡片的方式优化函数调用。（4）内存信息查看。运用此功能可以观察本程序占用的物理内存大小，以及内存地址分配情况。根据显示的内存信息，优化变量名、数据类型和语法结构。对于代码量较大的软件，可以使用云端进度保存功能，将各个阶段的程序代码保存在云服务器上。此外，可视化编程系统还提供了协同编程功能，能够在不同的地点，以分工协作的方式，共同完成软件设计与开发。3教学效果3.1提升任务完成度为检验教育元宇宙支持下的任务完成效果，分析运用元宇宙技术前后，架构设计、设备搭建、系统管理、软件开发 4 项任务的完成情况（如图 3 所示）。可以看出，运用教育元宇宙技术开展教学活动后，各项任务的完成度均达到100%，相比于运用前不足 85%的完成度有比较明显的提升，因此，教育元宇宙对提升任务完成度和完成效率有较明显的促进作用。3.2提升课程考核成绩为了验证教育元宇宙对物联网系统设计课程教学改革的效果，在 2020 级、2021 级、2022 级学生中各选择 1 个教学实验班，运用教育元宇宙技术开展教学活动。记录实验班的课程考核成绩，分别计算优秀、良好、合格、不合格 4 个档次的人数占比，与其他平行班级进行比较分析（如图 4 所示）。可以看出，采用教育元宇宙技术开展课程教学的实验班级，成绩合格及优秀的人数均高于平行班，但不合格人数低于平行班。由此可见，教育元宇宙技术对于提升考试成绩，提高教学质量有较大的促进作用。图 3 任务完成情况对比83848281100100100100020406080100架构设计设备搭建系统管理软件开发%运用前运用后图 4 课程考核成绩对比24.134.326.714.932.927.932.46.80.010.020.030.040.0优秀(90100分)良好(8089分)合格(6079分)不合格(059分)%平行班占比实验班占比元宇宙教学第 11 期93参考文献：1 修南.教育元宇宙:职业学校教学改革的未来路向J.中国职业技术教育,2022(14):48-53,75.2 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):15-19.3 钟正,王俊,吴砥,等.教育元宇宙的应用潜力与典型场景探析J.开放教育研究,2022,28(1):17-23.4 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):11-14.5 江帆.基于学习网络的Android程序设计课程学习资源个性化推荐模式构建J.计算机教育,2022(9):171-175.6 黄心渊,袁之路.元宇宙赋能在线教学模式新形态探究J.计算机教育,2022(11):7-10.（编辑：宋文婷）4结 语教育元宇宙为加强计算机专业建设，深入开展专业课程教学改革，提供了强大的支持。针对教育元宇宙的典型特征，基于数字孪生、脑机接口等核心技术，将混合式教学、情境化教学、个性化教学、游戏化教学 4 类教学方法应用于物联网系统设计课程，实现了教育元宇宙的典型应用，变革了传统的教学方法与教学模式。下一步，将继续探索教育元宇宙提升课程考核评价效果的方法，进一步实现元宇宙技术与课程教学的深度融合。（上接第88页）参考文献：1 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):11-14.2 温圳,王中伟.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):15-19.3 王珊,沈旭昆.面向虚拟孪生的跨学科教学设计与科教融合实践J.计算机教育,2022(11):1-6.4 李鸣,张亮,宋文鹏,等.区块链:元宇宙的核心基础设施J.计算机工程,2022,48(6):24-32,41.5 丁雅诵.我国慕课学习人次达九点七九亿N.人民日报,2023-01-03(1).（编辑：宋文婷）到所处的交流情境。学生还可以在虚拟自习室中组织课间游戏进行放松。多种多样的课间健身游戏支持大多数学生共同参与互动，如建场线上踢球、高尔夫球或者健身运动等，增强以学生为中心的沉浸式、体验式、交互式、协同式学习与感知，提高教育教学效率与效果。4结 语元宇宙的发展突破传统教学模式，人工智能的引入给传统教育带来巨大变革，教育元宇宙自习室场景智能监测姿态估计、体感游戏、虚拟人行为、视线跟踪等应用，教师和家长隔空操作。元宇宙赋能计算机专业课程教学，极大地提升了学生自主学习能力，也为广大教师带来机遇与挑战，同时部分硬件设备投入较昂贵，受限于教育的均衡落地与扩展，应善于挖掘“具备网络环境优势、实验教学设备轻便、智能控制算力高、可穿戴式能耗低”等因素。在强技术型群体应用操作，以实现不同方式的交互行为，回避应用中误操作现象，实现自然运用、生动视觉、智能交互的教育元宇宙。