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。
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：①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；②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；③充分发挥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：①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；②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]；③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：①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；②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；③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：①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]；②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；③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。
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）。
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。
3.1 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。
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。
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.
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，江苏联合职业技术学院副教授，研究方向为物联网应用技术、职业教育，87360279@qq.com。
引文格式：吴志敏, 代玲莉, 曹敦, 等.元宇宙背景下面向数字信号处理课程的四维融合混合式教学改革[J].计算机教育,2023(11):80-84.
转自：“计算机教育”微信公众号
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