随着互联网技术的飞速发展，网络在线学习已成为普遍的学习方式，虚拟教师也逐渐成为在线教学的重要主体。作为具有社会化具身形象的教育智能体，虚拟教师在网络学习空间中串联关键学习活动并提供反馈支持
[1]。而虚拟教室则是虚拟教师开展教学活动的场所，对学生的知识认知和能力建构起着重要作用
[2]。同时，信息和通信技术（ICT）的发展也为构建在线虚拟教室提供了有力支撑。目前，虚拟教室常结合虚拟教师形象以直播、微课录制等形式进行搭建，但教师虚拟教室搭建能力和信息技术运用水平的差异导致线上教学效果参差不齐。此外，现有虚拟教室在视觉表现力、吸引力及场景多样性等方面仍存在诸多不足
[3]。
鉴于上述研究背景，本研究设计并构建一个融合了虚拟教师形象的虚拟教室，并借助OBS Studio等专业软件，实现了该虚拟教室在口腔健康科普教学领域的有效应用，同时详细阐述了虚拟教室的构建步骤与流程，通过整合量化数据与质性用户访谈的结果，对虚拟教室在科普教育中的实际成效进行了全面而客观的评价，并且针对当前虚拟教室存在的问题，提出了具体可行的优化策略与改进建议，以期为后续虚拟教室的优化升级提供借鉴。
1 虚拟教室的搭建
1.1 虚拟教室概述
虚拟教室是指能够在时间、空间和内容上延伸的电子教室
[4]。其构建形式主要包括直播和翻转课堂等
[5]，能够克服空间与时间的限制，让学生在不同地点进入教室学习。已有研究表明，虚拟教室能增强学生的创造性思维
[6]，提升学生的学习质量，提高他们对学习活动的满意度和积极性
[7]。虚拟课堂填补了传统教学和学习方法中的空白，模糊了面对面课堂的界限，已成为全球新兴教育产业的重要组成部分
[8]。
虚拟教室常被应用于在线教学和混合式教学模式
[9]。它的特点之一是教师可以通过提前录制虚拟课程并上传至在线平台，还可以根据教学需要随时取用教学资料
[10]，学生可以根据自己的时间安排在任何地点进行观看
[11]。此外，学生在虚拟课堂中的表现可以被全程记录下来，教师可以根据学生的学习情况及时调整教学内容，以便提升教学效果。
目前，常见虚拟教室的搭建形式为“PPT窗口捕捉”“PPT+静态教师形象”“PPT+互动白板”“微课+实时教师影像抠图”等。这些传统的搭建方式，不仅画面比较单调，没有将不同的内容组合在同一视觉空间中，而且场景也较为单一，缺少景别变化，这样的线上课程很容易让学习者失去视觉中心，从而影响其学习兴趣
[12]。如今，随着网络教学的普及，虚拟教师逐步成为网络教学的重要主体之一，能够有效提升学习过程中的交互体验
[13]。因此，将3D虚拟教师形象与微课结合起来搭建的新型虚拟教室成为一种新的思路，可以很好地激发学生的学习动机并改变其学习行为
[14]。
1.2 OBS Studio简介
OBS Studio是一款免费开源的视频录制和实时流媒体创作工具，支持Windows、macOS和Linux等多个平台，广泛应用于在线教学、教学直播以及多媒体创作等多个领域，并可以帮助教师制作视频形式的学习资料
[15]。OBS Studio的工作界面包括场景、来源、混音器和控制按钮等部分（如
图1所示）。场景面版可根据需求添加或删除场景；来源面版可添加或删除媒体源，并通过选择色度键效果滤镜、设置绿色为关键色类型来抠除摄像头画面的绿幕背景；混音器面版可调整麦克风和系统的音量以确保输出的声音效果清晰；控制按钮可实现课程录制、启动虚拟摄像机、设置等功能，如直播设置可填写直播平台提供的推流服务器URL和串流密钥，正确配置后可以实现在线教学直播推流。OBS Studio还提供了多种转场效果，可通过设置对应快捷键实现不中断直播的流畅画面切换。
1.3 虚拟教室搭建流程
基于OBS Studio的多源编辑功能，结合窗口采集、音频输入以及色度键等，可以将3D虚拟教师形象加入构建的虚拟教室中。首先，教师需要准备一台配备1080P摄像头的电脑作为主设备，并外接一台显示器以扩展操作界面，同时配备纯绿色背景幕布，虚拟教室搭建设计图如
图2所示。摄像头与教师头部正视平齐，用于采集教师在绿幕前的授课表情；再配合VTmini虚拟角色软件进行真人表情面捕和映射。教师在VTmini软件界面选择预设的虚拟教师形象，然后在OBS Studio功能区中添加“窗口采集”源，将VTmini中的虚拟教师画面导入OBS，使用色度键对绿色幕布背景进行抠除，即可将虚拟教师形象实时置入虚拟教室教学场景，并可根据需要在VTmini中进行互动动作的选择。在OBS Studio的控制按钮面版启动虚拟摄像机后，在直播平台即可实时呈现虚拟教室画面。虚拟教室的搭建流程图如
图3所示。
在教学过程中，外接显示器作为辅助设备，主要根据脚本对虚拟教室教学场景进行切换。在正式直播前，教师需根据教学内容预先确定不同教学环节所需的场景，如背景图像、PPT教学资源等。在本研究中，预设了“主讲封面”“口腔结构讲解”“刷牙示范”“总结互动”等多个场景，并分别对应配置了背景图、演示内容窗口及设计了虚拟教师的置入位置，虚拟教室搭建界面如
图4所示。直播过程中，教师可根据课程进度在OBS Studio中切换场景，过程中使用快捷键可确保教学画面的顺畅衔接。
2 虚拟教室应用实践
本研究于2024年8月与G省口腔门诊合作，利用OBS Studio与VTmini软件搭建虚拟教室，并在视频号平台进行为期两周的口腔科普教学直播。实验将“虚拟教师+虚拟教室”与“传统真人抠像+虚拟教室”进行对比，通过收集和分析视频号后台数据以及用户访谈结果来评估应用效果。
2.1 研究方法
本研究采用准实验设计，共进行10场直播实验，每场直播安排在工作日20:00至20:30。实验分为“虚拟教师+虚拟教室”与“传统真人抠像+虚拟教室”两种模式，交替开展，各进行5场，将交替进行的两次直播记为同一场次进行对比。直播面向对象为企业组建的口腔健康社群全体成员。为确保实验的科学性，两种模式在主题、内容、脚本、教师及时长等方面均保持一致，仅直播方式不同。实验数据存放在视频号后台，结合实验结束后的半结构化访谈，将量性与质性数据综合分析后得出结论。
2.2 应用场景
本研究的应用场景为以儿童口腔健康为主题的科普教育直播。基于合作口腔企业儿童牙科的学科特色，故选择色彩清新、富有童趣的图片、视频等作为科普场景素材。另外，选择卡通的虚拟教师形象替代医护人员形象，虚拟教师语速适中，结合通俗易懂的直播脚本，随着故事化的情景进行多个场景的切换，使用户在轻松的氛围中掌握口腔护理知识，培养日常口腔保健意识。
2.3 数据对比
通过视频号后台数据发现，五个场次的“虚拟教师+虚拟教室”的总观看人数为858人，总观看次数为1 491次，高于“传统真人抠像+虚拟教室”模式的756人和1 469次。其中，在场次1中，“虚拟教师+虚拟教室”的观看人数为230人，“传统真人抠像+虚拟教室”的观看人数171人；在场次4中，“虚拟教师+虚拟教室”的观看次数达到296次，“传统真人抠像+虚拟教室”的观看次数为180次，差异最为明显。此外，从观看人数和观看次数的趋势可以看出，“虚拟教师+虚拟教室”不仅吸引了更多用户还促进了更高的互动性。但在场次3中，“传统真人抠像+虚拟教室”的观看人数169人，观看次数333次，均高于“虚拟教师+虚拟教室”的144人和219次。这说明部分用户仍偏爱真人讲解方式，认为其更具亲和力和信任感。两种直播形式的新增关注人数增长幅度均较为平稳，表明虚拟教室的科普内容已足够吸引现有用户。在10天的直播中，观看人数、总观看次数、新增关注数据变化趋势如
图5所示。
用户观看行为数据如
图6所示，场次1的“虚拟教师+虚拟教室”和“传统真人抠像+虚拟教室”的平均观看时长分别为24.7 min和15.7 min，观看完成率分别为82.2%和52.3%，均为五个场次中的最大值，表明两种直播形式均让用户产生了持续观看科普的兴趣。从总体表现来看，“虚拟教师+虚拟教室”的直播形式平均观看时长更长、首分钟跳出率更低、观看完成率更高。具体来说，“虚拟教师+虚拟教室”的用户平均观看时长约为18 min（各场次观看时长之和除以5），比真人直播多5 min；首分钟跳出率比真人直播低；观看完成率占60%（各场次观看完成率之和除以5），较真人直播提高15%。这表明虚拟教师有效提升了直播内容的吸引力，使用户更愿意持续观看直播并保持专注。
2.4 访谈分析
开展半结构化访谈时，研究选择了两个群体作为研究对象：一类是常看口腔直播且喜欢发弹幕互动的用户；另一类是有虚拟直播操作经验的专业技术人员。访谈的核心内容围绕以下几个问题展开：①对虚拟教师与虚拟教室结合的直观感受；②虚拟教室与传统真人抠像直播的优缺点对比；③虚拟教师与教学内容的相关度与适配性，及虚拟形象是否能对其学习兴趣的影响；④未来虚拟教室优化方向。
用户访谈结果显示，75%的用户对虚拟教师与虚拟教室结合的科普直播印象深刻，认为其更具有吸引力。一是画面层次更为生动活泼；二是虚拟教师的亲和力形象能有效缓解观看口腔科普内容时的紧张感。另有25%的用户认为虚拟教师在面部表情和情感传递上不如真人细腻，更倾向于选择真人直播形式科普口腔知识。访谈过程的关键词词云图如
图7所示。
专业人员访谈结果显示，OBS Studio实现了虚拟教师形象置入虚拟教室的目的，并使直播教学场景流畅切换。通过更具趣味性和互动性的科普直播形式讲授口腔保健知识，降低了理解专业知识的门槛。然而，实现该模式仍存在技术难点，如设备安装、信号源配置、教学场景媒体资源准备等，可能对虚拟教室的应用与推广造成阻碍。此外，虚拟教师的肢体语言表达、动态眼神变化等仍有优化空间。对访谈项的核心观点进行分析与归纳后，分析结果如
表2所示。
3 结论与展望
3.1 研究结论
本研究利用OBS Studio技术，将虚拟教师融入虚拟教室环境，并应用于口腔科普直播领域。通过综合分析直播后台数据及用户与专业人员的访谈反馈，得出以下主要结论：
首先，对比“传统真人抠像+虚拟教室”和“虚拟教师+虚拟教室”两种不同形式的口腔科普直播数据，采用虚拟教师结合虚拟教室的直播模式展现出显著优势。此模式不仅成功激发了用户对科普内容的兴趣，还延长了他们的观看时间。然而，当前的数据分析尚存在局限性，无法直接反映用户对知识的吸收程度和学习成效。因此，为了更全面地评估该模式的教学效果，未来研究需进一步搜集更多客观数据。
其次，虚拟教师的引入显著提升了在线科普直播的沉浸感，特别是在针对儿童口腔健康的科普内容中，通过卡通化的虚拟教师形象和多场景切换技术，使得相关知识更加生动有趣；但用户反馈也指出，虚拟教师的语音交互和表情动作较为单调，这可能对直播效果产生一定影响。
最后，虚拟教室的构建需要一定的技术支持。OBS Studio的多源编辑和绿幕抠像等功能虽然为教学场景的实时切换和课程内容呈现提供了便利，但虚拟教室的前期搭建和学习成本可能对教师的接受度和该模式的推广构成挑战，从而在一定程度上限制了其广泛应用。
综上所述，虚拟教师与虚拟教室的结合在口腔科普直播中具有潜在价值，但仍需进一步的技术优化和数据支持来完善其教学效果和推广应用。
3.2 改进建议
3.2.1 虚拟教师结合动态测评确定教学效果
未来在线课程可继续将虚拟教师加入虚拟教室进行教学，并伴随学习测评，如随堂测验、课堂问答等，以判断学生知识掌握程度及迁移能力，同时结合阶段性测试确定虚拟教师教学对学生的持续性影响，并根据学生反馈及时调整教学策略。
3.2.2 提升虚拟教师的互动能力
借助人工智能语音交互领域中的语音识别、自然语言处理、语音合成等技术，使虚拟教师能够理解学生问题并及时答疑，提升课堂互动效率。此外，还须优化虚拟教师在教学过程中的面部表情变化、互动手势及情感传达的生动性，以提高学生课堂参与度。
3.2.3 降低技术门槛
为降低教师使用虚拟教室的技术门槛，在未来可通过开发标准化的“虚拟教室一键式搭建”模版，减少教师技术学习成本。使教师能够更专注于教学内容讲授，保证教学效率的同时提升课堂流畅度。
3.3 展望
随着人工智能和虚拟现实等技术的加速融合发展，虚拟教师与虚拟教室的融合将朝着更加智能化与多元化的方向发展。在提升虚拟教师互动能力的同时，还须丰富教学内容与智能切换教学场景。结合虚拟现实与增强现实技术，教师可构建三维互动课堂，并辅以3D动画使教学直播更加生动有趣。此外，还可利用人工智能技术对学生的历史行为数据进行分析，根据学生特点智能调整课程难易度并实现教学场景的智能切换。未来，我们将根据不同学科的教学需求不断优化虚拟教室的智能适配能力。
湖北省教育厅教改项目“基于区块链构建实验室安全可溯源日志管理体系的研究”(鄂教高函〔2024〕2号)
2024年度黄石市社会科学研究课题“融入发展性评价理念的大学生人工智能素养评价体系研究”(2024sk104)
京公网安备11010202008535号
PDF
(1142KB)
