摘要：[目的/意義]通過對虛擬數字人技術的應用場景分析，進一步挖掘其在科普和教學中的創(chuàng)新應用潛力，以期為數字教育和科普提供新的解決方案。[方法/過程]系統梳理虛擬數字人的技術原理和關鍵技術，利用案例分析法探討其在細分領域的前沿應用和實踐研究，通過實證展示虛擬數字人在科普和教學領域的應用潛力。[結果/結論]虛擬數字人作為新型媒介，可以引領科普內容的創(chuàng)新表達，并以其高度擬人化和互動性，實現更具沉浸感和參與度的教學體驗。目前的挑戰(zhàn)來自于圖形和動畫技術、語音特征深度學習技術、交互和智能技術、認知建模和學習算法、大語言模型LLM技術以及算力背后的核心技術。

關鍵詞：虛擬數字人；科普；教學；計算機圖形學；人工智能；虛擬現實

分類號：G255; G434

引用格式：韓晶. 虛擬數字人在科普與教學中的應用研究與場景探析[J/OL]. 知識管理論壇， 2024， 9（5）： 460-476 [引用日期]. http：//www.kmf.ac.cn/p/406/. （Citation： Han Jing. Application Research and Scenario Analysis of Virtual Digital Humans in Science Popularization and Teaching[J/OL]. Knowledge Management Forum， 2024， 9（5）： 460-476 [cite date]. http：//www.kmf.ac.cn/p/406/.）

1" 引言/Introduction

2017年我國提出的“到2020年人工智能總體技術和應用與世界先進水平同步，人工智能產業(yè)成為新的重要經濟增長點，人工智能技術應用成為改善民生的新途徑，有力支撐進入創(chuàng)新型國家行列和實現全面建成小康社會的奮斗目標”的戰(zhàn)略目標[1]，到2024年已經基本實現。中國在人工智能領域取得了顯著進展，技術水平已接近世界先進水平，人工智能產業(yè)蓬勃發(fā)展，成為重要的經濟增長點。人工智能應用在醫(yī)療、教育、交通等領域廣泛普及，有效改善民生，助力實現全面建成小康社會。2022年國家“十四五”數字經濟發(fā)展規(guī)劃中就提升全民數字素養(yǎng)和技能提出：“實施全民數字素養(yǎng)與技能提升計劃，擴大優(yōu)質數字資源供給，鼓勵公共數字資源更大范圍向社會開放”[2]。其中，虛擬數字人作為一種新興的數字技術應用，正在成為提升全民數字素養(yǎng)和技能的重要途徑。根據中國人工智能產業(yè)發(fā)展聯盟總體組和中關村數智人工智能產業(yè)聯盟數字人工作委員會發(fā)布的《2020年虛擬數字人發(fā)展白皮書》中對虛擬數字人的描述，虛擬數字人是指具有數字化外形的虛擬人物[3]。與具備實體的機器人不同，虛擬數字人依賴于顯示設備（如計算機、智能終端等）而存在，并具備以下三個特征：①擁有人的外觀，具有指定性別、外貌、性格等人物特征；②擁有人的行為，具有用語言、面部表情和肢體動作表達的能力；③擁有人的思想，具備識別外部環(huán)境、可以與他人交流和互動的能力。

虛擬數字人既不同于數字人亦不同于虛擬人，而是同時兼具虛擬人和數字人特征[4]。數字人、虛擬人和虛擬數字人是與計算機技術和仿真技術相關的概念，都是基于計算機圖形學、人工智能等相關技術構建出來的，都對真實人體形態(tài)、外貌、動作和行為進行模擬和重現，但各自有不同的特點，如數字人涵蓋了廣泛的數字化人形象，而虛擬人更強調交互能力，虛擬數字人則具備更高級的逼真性和交互性能，這也使其在多個不同領域中得到應用，具體如表1所示：

綜上所述，數字人、虛擬人和虛擬數字人都是利用計算機技術創(chuàng)建的人體模擬實體，但它們在定義、范疇、應用領域和功能上存在一些區(qū)別。虛擬人是數字人的一部分，而虛擬數字人是數字人中更具技術復雜性和逼真性的一種類型，具備更高級的逼真性和交互性能，展示了更多應用的潛力。由于術語的使用可能存在不同的解釋，因此在具體情況下，這些概念的包含關系可能會有所變化。

虛擬數字人是近年來在計算機圖形學和人工智能、虛擬現實等前沿交叉領域的重要成果之一。它通過模擬人類的外貌、聲音和行為特征，在多個應用領域都取得了令人驚嘆的進展。利用高性能的語言建模、計算機視覺和圖像生成等數字化技術，虛擬數字人能夠模擬不同情境下的語言表達和行為感知，以實現與人類的多模態(tài)自然交互，同時，它還具備較強的情感表達、情緒交流、性格培養(yǎng)和個性化服務能力。根據市場分析機構預測，我國虛擬數字人市場規(guī)模在2026年將達到102.4億元。

雖然虛擬數字人擁有巨大的潛力，但在科普和教學中的應用仍處于起步階段，與“虛擬數字人在科普和教學中的應用”相關的文獻在CNKI中檢索結果不多，比較有代表性的如蔡雨坤等的研究表明，在數字技術的支持下，相關虛擬數字人人數不受限、樣貌更新穎，且擁有智能化的科學內容生產能力，可以減輕真人科學家從事科普面臨的時間壓力、傳播壓力，改善公眾對科學家的刻板印象[5]。王玄玄介紹了虛擬數字人在微課教學中應用的價值與局限性，然后分析了虛擬數字人在微課教學中的實現，最后針對虛擬數字人在微課教學中應用存在的問題提出了相應的解決措施[6］。當前中國在教育和科普方面面臨的最大問題是科學教育資源的不足和科學教育方法的落后，現有薄弱的師資力量將導致跨學科的教學能力和創(chuàng)新性教學方法缺乏，同時全社會科普資源的缺乏，將成為提升學生科學素養(yǎng)的障礙。黨的二十大明確提出，到2035年建成教育強國、科技強國、人才強國，強調教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰(zhàn)略性支撐，那么，虛擬數字人在科普和教學領域應用的重要性和迫切性顯而易見，虛擬數字人在解決教育資源分配不均和科普知識傳播不足方面具有廣闊的應用前景，但還需要在技術、內容、應用場景、社會認知度等方面不斷完善和突破，需要多方面的努力，才能真正發(fā)揮其作用，推動教育和科普事業(yè)的發(fā)展。

本文聚焦虛擬數字人的關鍵技術，借鑒其在細分領域的應用經驗，通過實證展示虛擬數字人如何有效提升效果評估和用戶體驗，從而引領科普創(chuàng)新和革新教學模式。本文通過對虛擬數字人技術的應用場景分析，進一步挖掘其在科普和教學中的創(chuàng)新應用潛力，創(chuàng)新性地通過《中國名師講壇》虛擬數字人形象定制為數字教育和知識科普提供新的解決方案。

2" 虛擬數字人技術應用概述/Overview of the Application of Virtual Digital Human Technology

2.1" 虛擬數字人定義

虛擬數字人指存在于非物理世界中，由計算機圖形學、圖形渲染、動作捕捉、深度學習、語音合成等計算機手段創(chuàng)造及使用，并具有多重人類特征（外貌特征、人類表演能力、人類交互能力等）的綜合產物[7]。簡而言之，是基于計算機圖形學和人工智能的仿真人體模型。

2.2" 技術原理與關鍵技術

虛擬數字人擁有的形象能力、表達能力和感知互動能力，其背后主要依托兩大類技術，一類是支撐虛擬數字人外觀形象生成方面的技術，包括三維建模、圖像處理與渲染技術、運動捕捉和手勢識別技術、語音合成與識別技術等；另一類是驅動虛擬數字人內在智能學習方面的技術，包括自然語言處理（natural language processing， NLP）技術、人工智能情感交互技術以及數據管理和安全技術。

2.3" 虛擬數字人應用的發(fā)展現狀與趨勢

在游戲領域，開發(fā)者為玩家提供更加豐富真實的游戲內容，如場景設計、武器裝備、皮膚裝扮等外設都可以自行定制和變化，如多人在線射擊游戲《堡壘之夜》（Fortnite），與歌手Travis Scott跨界合作舉辦虛擬演唱會，虛擬人物模擬了歌手的標志形象，如臟辮、赤膊等，這種虛擬數字人應用在游戲中獲得了高度關注，吸引了大量的玩家參與，并引發(fā)了廣泛的討論，見圖1[8]，因為它給玩家提供了個性化的角色選擇和展示方式，增加了游戲的互動性和深度參與感。隨著技術的進步，虛擬數字人將更加智能化、自主化，并根據玩家的動作和情感提供更真實的反應能力和更豐富的角色行為。

在娛樂領域，定制虛擬主持人/主播/偶像后，只需要事先準備音頻或者文字內容即可一鍵生成視頻，就可以實現節(jié)目內容快速、自動化生產，從根本上做到降本增效。通過統一且風險可控的人物形象打造品牌專屬IP形象，可實現與觀眾的實時互動，優(yōu)化觀看體驗。虛擬數字人在娛樂中扮演角色、增加互動性和沉浸感的應用已經相當普遍，虛擬數字人的逼真度、情感表達和個性化特點不斷提升。如圖2[9]所示，2022年國際足聯世界杯期間，中國體育播音員劉建宏的數字孿生人在抖音上宣讀比賽結果和其他相關新聞。

在影視領域，如電影《阿凡達2》融合動作捕捉技術、表情捕捉技術、人物和場景CG（computer graphics）造型、實景3D攝影系統、虛擬攝影系統等數字技術于一身，這一成功案例展示了虛擬數字人在影視領域的潛力，既能為角色創(chuàng)造新的發(fā)展維度，又能延續(xù)經典IP的角色魅力。電影《流浪地球2》幾乎全片都使用了虛擬拍攝技術，3 000多個視效鏡頭中，虛擬拍攝鏡頭有2 000多個，見圖3[10]。利用虛擬數字人創(chuàng)建實驗場景，可以替代演員進行危險動作，虛擬數字人技術真正使觀眾升級成為玩家，解鎖了更多前所未有的互動體驗，眼、耳、身、意，全息體驗影視魅力，走進IP世界數字空間，體會身臨“奇”境之感，這不僅為影視制作提供了更大的創(chuàng)作自由度和成本效益，還能將虛擬數字人打造成為新型IP的創(chuàng)作源泉，使電影藝術的表現空間日新月異。

在社交領域，如Snapchat中的“增強現實鏡頭”技術，Snapchat是一款流行的社交媒體應用，其“增強現實鏡頭”功能使用虛擬數字人技術，可以將虛擬效果疊加于用戶的面部，還可以用新的數字方式來幫助購物者試穿鞋子或嘗試虛擬妝容，疫情期間發(fā)揮了很強大的作用[11]。與朋友交流時使用這種虛擬數字人，可以增添趣味性和創(chuàng)造性，這種互動形式鼓勵人們增強社交體驗，正在逐漸成為一種新的社交互動方式。

在文旅領域，虛擬數字人是“導游”的不二人選，它可以在著名景點、各大主題公園、歷史博物館、科技館、名人故居等旅游線路上為游客提供智能服務，其多語言導游、便于更新和維護等天然優(yōu)勢可以使觀眾得到實時的路線規(guī)劃、詳盡的信息查詢和生動形象的語音講解，與此同時，觀眾還可以與虛擬數字人物互動，對場館的歷史淵源、文化背景、藝術特色和發(fā)展規(guī)劃有更深入的了解。此外，虛擬數字人在改善導游體驗、降低管理成本方面更值得推廣，見圖4[12]。

在金融領域，虛擬數字人作為智能理財顧問、智能引導員，不僅能在線下為客戶答疑解惑，引導辦理業(yè)務和按照客戶的需求推薦相關理財產品和服務，還可以進行線上線下的多線同步操作，大大提升了工作效率，也讓普通員工投身到更加有創(chuàng)造性的工作中去，使工作安排更加合理，避免了人力消耗在重復的工作上，見圖5[13]。

在政務領域，AI數字人首次智能解讀《最高人民法院的工作報告》（見圖6[14]），給觀眾帶來了全新的交互體驗，也讓“政策解讀”這一類嚴肅的新聞內容具有了“創(chuàng)意感”和“親和力”，將萬余字的報告精簡至千余字，同時又不失根本意思，以生動、便捷、有趣的方式向公眾快速解讀了重點內容，開啟了工作報告解讀的AI新方式，吸引了更多年輕群體觀看。這樣的方式相較于傳統的政策解讀，亦可理解為一種面向社會公眾的政治常識教育，通過三維建模和動畫制作，將看似晦澀難懂的知識點變得更加直觀形象，易于聽眾吸收理解，這對于科普類教育工作具有現實意義。

虛擬數字人的出現同時也為教育領域帶來了許多機遇和挑戰(zhàn)。教育部門公布的數據顯示，過去幾年來，中國的教師總人數保持在1 500萬人左右。教師數量不足，優(yōu)質師資匱乏，嚴重影響了我國教育質量的提升。虛擬數字人能夠在遠程教育中大顯身手，拓寬學生的學習渠道，倡導教育公平，同時，虛擬數字人還可以對學生進行個性化輔導，營造沉浸式課堂，激發(fā)學生的學習興趣，提高學習效果。它無與倫比的模擬實踐訓練能力、情感支持能力和情緒陪伴能力在安全風控和人文關懷方面更勝一籌。

虛擬數字人的引入可以有效降低教育相關視頻的制作成本，提高效率，使用虛擬數字人代替真實的教師進行教學，不需要人工出鏡和錄制，同時利用虛擬數字人可以創(chuàng)建可反復使用的教學視頻，從而減少教育視頻錄制中的重復工作，不受時間和地點限制。有限的人力資源可以被投入到視頻的后期制作與推廣宣傳中去，這在某種程度上可以推動教育質量的提升，擴大受眾的范圍，讓更多的人得到獲取知識的渠道，達到教育普惠性的效果。

3" 虛擬數字人引領科普創(chuàng)新/Virtual digital humans leading the innovation in science popularization

3.1" 虛擬數字人技術在科普應用中的需求分析

3.1.1" 科普人才短缺呼喚虛擬分身

截至2022年12月，我國科普信息員隊伍人數超1 380萬，科普內容分享傳播量累計達17.6億余次[15]，試想如果能利用虛擬數字人，科普效率將得到大幅提升。目前的科普人員受到策劃選題、撰稿、錄制設備、拍攝、剪輯等條件限制，耗時耗力，而科普類虛擬數字人可以根據受眾的需求，在任何時間出現在指定地點，甚至讓已故科學家“復活”，也就是人們常說的“數字永生”，這也是對科學家的一種緬懷和祭奠。利用虛擬數字人，可以極大程度提升科普生產力。

3.1.2" 科普工作缺乏創(chuàng)意需要創(chuàng)新科普形象

在聚焦基礎研究和前沿領域的科普工作時，新興媒體更應注重科技創(chuàng)新。以往科普專家給人的印象都是嚴肅刻板，缺乏吸引力和感染力，而科普類虛擬數字人的形象可以根據受眾的偏好設計，實現個性化、定制化和專業(yè)化的完美結合，還可以使虛擬形象、超寫實虛擬人等多種類型融合出現，從而更有效地搭建學術研究與Z世代年輕群體溝通的橋梁。比如在2022年冬奧會上出現的AI手語主播（見圖7[16]），她就是一位由手語翻譯引擎和自然動作引擎驅動的數字人[16]。根據央視披露的信息，AI手語主播長時間、系統性地學習了《國家通用手語詞典》，另外還學習了百萬量級的標準手語平行語料數據和超8 500條影視級手語動作數據，從而做出了精準、流暢的手語解說，并且表情自然生動，手語動作精準度達95%以上，出色地勝任了手語解說的工作。

3.1.3" 人機交互雙智能為科普提供源源不斷的素材

生活在現實世界中的人類如何最大限度地釋放潛能，超級AI或許會給科普帶來機遇和挑戰(zhàn)。虛擬數字人依托人工智能機制，能夠實現許多真人無法完成的功能，并且可以根據應用場景進行定制[17]。比如2024年初最熱門的人工智能文生視頻大模型Sora，雖然它目前還無法完全理解物理世界，時常制作出混淆了玻璃破碎和液體溢出順序的帶有缺陷的視頻（見圖8[18]），但不可否認，Sora的軟物理模擬，是大規(guī)模擴展文本到視頻訓練時的一項“涌現特性”[18]。通過對真實影像和文本描述結合生成的Sora視頻進行現場演示，可以直觀展現AI技術的“涌現特征”，使受眾清晰地辨別現實與AI生成內容的差異，并深刻認識到AI被濫用的潛在風險，這將是進行AI科普的最有效方式。

3.2" 虛擬數字人在科普展示中的前沿應用案例

為了弘揚老一輩航天人的精神，讓更多的青少年接觸并了解航天知識的魅力，商湯科技精心打造了錢學森先生的AI數字人形象，實現了真實的面部、聲音、表情和動作模擬，不僅高度還原了錢學森先生的語音和語調，做到了精準的口型匹配，細致入微地呈現出了他舉手投足間的神態(tài)與氣質，完成了高度逼真的AI數字人形象復刻，從而讓這位“兩彈一星功勛獎章獲得者”的音容笑貌在靈境空間中生動再現，仿佛真人一般真實自然。這不僅是對錢學森先生科學精神的傳承，更是對新一代青少年的激勵與啟迪，如圖9[19]所示：

又如在視覺上利用VR動畫的虛構性、視聽綜合性和三維仿真性，非遺“滬諺”中極具地方語言特色和影建場景的老上海意象和情境得以重現（如圖10[20]），在聽覺上注重對演述與三維動畫進行環(huán)繞收聲、混縮，特別要捕捉易忽略的環(huán)境聲與動效，這是觀眾獲得“在場”感最重要的元素。最終，非遺傳承人置身虛擬全景中，通過演述傳遞親身體驗感，讓學習者加速理解、實現心理沉浸，最終更好地傳承、認同并運用“滬諺”這種寶貴的非遺文化作品[20]。

通過以上案例的介紹和分析，可以得出結論：①虛擬數字人能夠以生動形象的方式呈現科學知識，吸引更多觀眾參與科普活動，提升科普效果；②虛擬數字人的互動性和個性化特點可以更好地滿足不同受眾的需求，拓展科普受眾群體；③利用虛擬數字人進行科普活動還能夠為科普教育注入創(chuàng)新元素，推動科普事業(yè)的發(fā)展。

3.3" 虛擬數字人的科普教育實踐研究

對于教育科普方面的嘗試而言，更加生動便捷的講解無疑是虛擬數字人最重要的競爭力與優(yōu)勢，擁有一個完整的知識儲備庫則是可以發(fā)揮數字虛擬人優(yōu)勢的必要條件，萬方視頻將在業(yè)內首次嘗試將虛擬數字人引入科普教育。萬方視頻是萬方數據旗下一款學術產品，其收錄的視頻內容以科教文化為主，通過多年的建設，已與國內眾多學術及媒體機構和欄目（如央視的科普頻道、鳳凰衛(wèi)視的訪談節(jié)目、中華醫(yī)學會的健康講座等）緊密合作，時長突破100萬分鐘。值得一提的是，其自主拍攝的《中國名師講壇》和《境內高端學術會議》這兩個欄目，為市場輸出了很多優(yōu)質的高校教師授課視頻、學術會議報告、院士的科普視頻等，為虛擬數字人系統的建設提供基礎的內容保障。同時，萬方視頻具有規(guī)范、完整的版權授權，基于授課專家的形象可制作不同風格的虛擬數字人，既保護了知識所有者的肖像權，又提升了教育視頻的產出效率，解決了知識產權方面的倫理沖突。

基于萬方數據《中國名師講壇》視頻庫，甄選出一批受到用戶廣泛認可的科普類視頻內容，將其升級為虛擬數字人互動視頻，分別以物理、醫(yī)學、互聯網、計算機這4個學科作為試點，邀請科普專家到拍攝現場進行錄制或提供已經拍攝好的視頻，形象克隆需要2小時左右，后續(xù)再提供30分鐘左右的音頻，提供這些素材之后，由視頻生成AI進行3-5天的機器學習訓練，即可生成屬于專家自己的數字人專屬形象。這個過程中要注意的是一般視頻生成AI只關注某個特定類別的視頻數據，或局限在較短的視頻上，或者局限在固定大小的視頻上，比如會將所有的視頻都拆解成256*256分辨率的標準尺寸的4秒視頻來處理，這種方法局限性很大，不夠靈活，我們可以借鑒Sora的方法，把之前用來訓練不同形式文本的條件擴散模型Diffusion Transformer的算法，拿來訓練不同時長、不同分辨率、和不同寬高比尺寸的視頻和圖像，在訓練之前，還需要對這些視頻數據進行一些準備工作，如對視頻數據進行降維處理，即把原視頻在時間和空間的維度上進行壓縮，進而在這個壓縮的數據集上進行訓練，訓練完之后再轉換成原始的像素空間，這樣做的目的是使形象更逼真，動作更自然，清晰度更高，聲音起伏有感情，真人還原度非常高。之后可與專家協商科普視頻的更新頻率，每次專家僅提供文字稿件即可完成一次科普短視頻內容的輸出，這種方式省時省力。目前萬方已成功制作出首個虛擬數字人形象——北京大學未來技術學院的席鵬教授（見圖11），未來將有更多學者加入該計劃。

總而言之，虛擬數字人代替講課的老師出鏡作為實驗項目，具有很大的建設意義和必要性。它不僅可以降低制作成本和提高效率，還可以提供更多個性化的學習體驗和多元化的教育選擇，同時也為教育視頻領域的發(fā)展提供了很好的思路和方式。因此，筆者建議在相關技術和設備條件具備的情況下，適當開展該項目的實踐研究，以期取得更加優(yōu)良的實踐效果，為教育事業(yè)的發(fā)展做出積極貢獻。

4" 虛擬數字人革新教學模式/Virtual digital humans revolutionize teaching models

4.1" 教育領域對虛擬數字人的期望與需求

2018年，新西蘭學生迎來世界首位數字虛擬教師。作為奧克蘭學校提供的免費教育項目之一，虛擬教師威爾Will出現在了小學關于可再生能源的課堂，如圖12[21]所示：

教育領域對虛擬數字人的期望與需求體現在以下幾點：

4.1.1" 提升個性化學習體驗

虛擬數字人能夠針對不同的學習者提供個性化服務，根據學習者的興趣愛好、學習進度等特點，智能推送相關學習資源和教學內容。例如，在教學中虛擬數字人可以根據學生的興趣愛好及現階段的學習目標，生成特定領域的知識內容，以動畫、視頻、圖片等多元結合的學習方式，提供定制化的學習體驗，使學習過程更加具有吸引力并獲得滿意的學習效果。

4.1.2" 提高知識傳遞效果

在教學中，虛擬數字人通過逼真的表情、動作等能夠更加生動地向學習者展示知識內容，有效地提高知識傳遞效果。相較于真人教師，學生面對虛擬數字人沒有面對傳統意義上教師的緊張感，授課過程更加放松，也更容易通過與虛擬數字人進行交互，掌握并理解復雜的科學概念。與傳統的聽課形式相比，虛擬數字人能夠提供更加直觀、生動的教學體驗，激發(fā)學生的學習興趣，提高學習效果。

4.1.3" 創(chuàng)新教學方法

虛擬數字人提供了一種新的教學手段，可以通過模擬實驗等方式，幫助學生更好地理解和應用知識。例如，在化學實驗中，虛擬數字人能夠根據學生的操作，模擬危險的化學反應，使學生能夠在安全環(huán)境下進行實踐操作，提高實踐能力和應用能力，同時模擬實驗中不真正消耗實驗原料，可以實現在重復多次模擬練習后再進行真實實驗操作，不但大大提升了實驗的成功幾率，還減少了消耗品的損耗，降低教學成本。

4.1.4" 豐富遠程教育輔助工具

虛擬數字人在遠程教育中能夠扮演重要的角色，相較于傳統的教育模式，通過互聯網技術以及與虛擬數字人的互動，學習者能夠隨時隨地與教育者進行交流和學習。老師面對面或者通過錄制的網課上課，受限于人的休息時間，如果不是老師一對一的連線則很難實現互動式的體驗，而虛擬數字人則可不受時間與空間的限制，更加靈活可以實現遠程實驗、遠程講解等教學活動，真正做到想學就學，大大拓展了教育的邊界。

數字人支持的多模態(tài)智慧課堂可以實現軟件和硬件之間的無縫互聯，人與數字人進行實時互動，為學生提供沉浸式的智慧學習體驗，學生可以獲得大量的學習機會[22]。

4.2" 虛擬數字人在教學輔助中的創(chuàng)新應用案例

虛擬數字人能夠增強教學互動性，提高學生參與度，提供個性化學習體驗，推動教育模式的創(chuàng)新與發(fā)展。虛擬現實教室更是超越了傳統教室的邊界，能以傳統課堂無法實現的方式豐富學生的學習體驗。

在佐治亞州亞特蘭大市的莫爾豪斯學院（Morehouse College），生物課上學生們可以和教授一起站在虛擬教室里，手拿一個真人大小的分子，解構并重建它，而不是以傳統學習方式在一本書里或在2D視頻中觀看復雜的分子結構[23]。學生們可以利用虛擬現實技術，通過3D模型的方式來觀察和操作一個放大的DNA鏈，直觀地理解其結構和功能，并進行分子結構的拆解和組裝，從而更深入地理解生命科學的基本原理，如圖13[23]所示：

利用虛擬數字人技術可輕松復刻教師的形象、聲音、動作或者打造一個學生更感興趣的虛擬形象，輸入準備好的腳本文案，即可生成一條數字人教學視頻，大幅提升短視頻內容制作的效率，有效滿足教培機構對大量課程的需求[24]，可根據學生的需求，生成虛擬教師＋虛擬場景、虛擬教師＋真實場景或真人教師＋虛擬場景，數字人的應用能有效縮短教學視頻的生成周期與成本。

4.3" 虛擬數字人在教學效果評估與學生學習體驗方面的研究

廣州番禺職業(yè)技術學院智慧職業(yè)教育大數據工程技術研究中心通過數據采集和處理、行為分析、主題相關性評估、結果排名和反饋，開發(fā)出了AI智能助教“番番”，在《人工智能導論》課程中展示出了卓越的應用效果[25]。教師可以通過“番番”發(fā)布討論主題，學生則可以通過語音參與討論，同時，討論的內容會實時顯示在教室的大屏幕上，見圖14[25]。這套系統的特點是利用人工智能技術對學生的行為、語言進行智能分析，能夠提取討論的高頻詞匯，評估主題的相關性，并對討論結果進行排名。智能分析的功能使得教師能夠更好地了解學生的討論行為和表達，從而更有針對性地提供指導和反饋。此外，學生之間的互動也得到了增強，他們可以更好地交流和分享觀點，促進學習的合作和共同進步。通過引入虛擬數字人技術，高職學校教學模式得到了創(chuàng)新和改進，這一研究成果也展示了人工智能在教育領域的巨大潛力。

由此可見，虛擬教師能夠與學生進行實時互動，回答學生的問題，并根據學生的反饋調整教學內容和方法。這種互動性大大提高了教學效果，使學生更容易理解復雜的概念，同時，通過虛擬實驗室和互動教學，學生可以親身參與實驗和探索，他們的參與度和學習興趣得到了極大的提高。這些結論和建議具有普適性和可操作性，對于推動虛擬數字人在教學中的應用和發(fā)展具有重要指導意義。

5" 挑戰(zhàn)與未來展望/Challenges and Future Prospects

5.1" 智能技術和資源儲備挑戰(zhàn)

5.1.1" 圖形和動畫技術

使用先進的圖形渲染技術和動畫技術，以增強虛擬數字人的視覺效果和逼真度。數字人雖然外表像人，但是其內核遠還沒有達到一個真人的狀態(tài)，或者說接近真人的狀態(tài)。比如數字人在自己的表情管理、感知互動上，其實還缺乏很多的親和力。這個過程首先需要創(chuàng)建一個三維模型來表示虛擬數字人的外觀，建模師需要具備良好的藝術感和對細節(jié)的關注，以確保模型看起來逼真且符合設計要求。

5.1.2" 語音特征深度學習技術

包含語言合成與識別技術，以捕捉和模擬人類的聲音，優(yōu)質的語音合成技術，使虛擬數字人的語音聽起來更加真實，并且能夠準確識別和理解用戶的語音指令和問題。這個過程的實現需要大量的數據和計算資源以及對人類行為和情感的深入了解。

5.1.3" 交互和智能技術

為了讓虛擬數字人與用戶進行自然互動，需要為其添加交互和智能功能。這包括自然語言處理、情感分析等技術。此外，還需要為虛擬數字人配置個性化的推薦和服務功能，以滿足用戶的需求。虛擬數字人技術的開發(fā)需要對人工智能和機器學習有深入的理解，以及對用戶需求和行為模式的準確把握。

5.1.4" 認知建模和學習算法

利用認知建模技術和機器學習算法，使虛擬數字人能夠不斷學習和改進自己的表現。這包括通過分析用戶的反饋和行為數據，調整虛擬數字人的表現方式，并提供更好的教學和科普體驗。

5.1.5" 大語言模型LLM技術

眾所周知，ChatGPT背后的技術是大型語言模型（Large Language Model，LLM）的應用。ChatGPT把各種形式的文本，包括自然語言、程序代碼和數字拆解成基本的文本建構塊，叫做Token，然后以Token作為基本單位來進行大規(guī)模文本數據的訓練和生成，而2024年初備受關注的Sora則是把不同形式的視頻和圖像拆解成一個個小的圖像塊，叫做Visual Patch，然后以Visual Patch圖像塊為基本單位，來進行大規(guī)模視頻數據的訓練和生成。這給虛擬數字人在教育領域的垂直應用提供了啟示，那就是在創(chuàng)建豐富多樣的教學資源視頻數據（包括視聽類教材、教師講授視頻、模擬實驗、互動演示、多媒體資料等）時，可以將其拆解成一個個小的教育資源圖像塊，以提升資源的靈活性和可擴展性。換而言之，Sora是一個視覺數據的通用模型，可以生成不同時長、不同長寬比尺寸和不同分辨率的視頻和圖像，正是這種靈活性使得OpenAI能夠將所有類型的視覺數據轉化為統一的表達方法，從而使得他們能夠使用網絡上海量的視頻數據去大規(guī)模訓練Sora，這種多樣化和靈活性為Sora成為通用物理模擬器奠定基礎。

5.1.6" 算力背后的核心技術

未來我們想要開發(fā)更強大的物理和數字世界的模擬器，那么需要繼續(xù)擴大視頻AI模型的訓練規(guī)模，而擴大視頻AI的訓練規(guī)模，則要求我們用更海量的視頻數據去訓練AI，也意味著需要更多的算力，而算力背后是高性能處理器芯片，這也是眾所周知我國被“卡脖子”的地方。多模態(tài)模型的爆發(fā)、視頻數據的生成和調用，對集群通信延遲和帶寬的要求更高，包括降低IT設備空間占有率、節(jié)能減碳等問題，都亟需在國內大模型研發(fā)應用加快、智算需求提升之際進行統一規(guī)劃設計。

5.2" 未來展望

為了提升用戶體驗并促進知識傳播和教育效果的進一步改善，虛擬數字人項目實施進度需要進一步加快，虛擬數字人的逼真度和情感表達能力也需要進一步增強，以提升用戶的沉浸感和互動體驗。

虛擬數字人技術是一種重要的工具，可以在科普與教學中提供以人為中心的學習體驗，尤其在個性化學習、多模態(tài)人機交互、全自主內容生成與更新、情感智能化反饋方面有著顯而易見的優(yōu)勢，在與虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、大語言模型（LLM）等技術結合之后，可以創(chuàng)建出更加沉浸式和互動性強的學習環(huán)境。在享受虛擬世界帶來的便利和樂趣的同時，我們也要保持清醒，避免過度沉迷，防止弱化人的身體知能。此外，盲目擴大數據采集會加劇隱私泄露風險，因此需要謹慎對待。在追求應用成效的同時，也不能忽略技術自身的特性，避免過度超前[26]。通過不斷的研究和創(chuàng)新，可以進一步推動虛擬數字人技術在科普與教學中的發(fā)展，提高學生的學習效果，并增加學習樂趣。

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Application Research and Scenario Analysis of Virtual Digital Humans in Science Popularization and Teaching

Han Jing

The Institute of Scientific and Technical Information of China， Beijing 100038

Abstract： [Purpose/Significance] By analyzing the application scenarios of virtual digital human technology， we aim to further explore its innovative potential in science popularization and teaching， in order to provide new solutions for digital education and knowledge popularization. [Method/Process] Systematically review virtual digital humans’ technical principles and key technologies， use case analysis to explore their cutting-edge applications and practical research in segmented fields， and empirically demonstrate the potential of virtual digital humans in science popularization and teaching. [Result/Conclusion] Virtual digital humans， as a new medium， can lead the innovative expression of popular science content and achieve a more immersive and participatory teaching experience with their high degree of anthropomorphism and interactivity. The current challenges come from graphics and animation technology， deep learning technology for speech features， interactive and intelligent technology， cognitive modeling and learning algorithms， LLM technology for large language models， and the core technologies behind computing power.

Keywords： virtual digital human" " science popularization" " teaching" " computer graphics" " " artificial intelligence" " virtual reality

Author（s）： Han Jing， librarian， master， E-mail： 1509213084@qq.com.

Received： 2024-05-12" " Published： 2024-09-30