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2024 , Vol. 9 >Issue 5: 460 - 476

DOI: https://doi.org/10.13266/j.issn.2095-5472.2024.034

研究论文

虚拟数字人在科普与教学中的应用研究与场景探析

  • 韩晶
展开
  • 中国科学技术信息研究所 北京 100038

韩晶，馆员，硕士，E-mail: 1509213084@qq.com。

收稿日期: 2024-05-12

  网络出版日期: 2025-04-28

收起

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

  • Jing Han
Expand
  • Institute of Scientific and Technical Information of China Beijing 100038

Han Jing, librarian, master, E-mail: 1509213084@qq.com.

Received date: 2024-05-12

  Online published: 2025-04-28

Fold

摘要

[目的/意义] 通过对虚拟数字人技术的应用场景分析，进一步挖掘其在科普和教学中的创新应用潜力，以期为数字教育和科普提供新的解决方案。[方法/过程] 系统梳理虚拟数字人的技术原理和关键技术，利用案例分析法探讨其在细分领域的前沿应用和实践研究，通过实证展示虚拟数字人在科普和教学领域的应用潜力。[结果/结论] 虚拟数字人作为新型媒介，可以引领科普内容的创新表达，并以其高度拟人化和互动性，实现更具沉浸感和参与度的教学体验。目前的挑战来自于图形和动画技术、语音特征深度学习技术、交互和智能技术、认知建模和学习算法、大语言模型LLM技术以及算力背后的核心技术。

关键词： 虚拟数字人; 科普; 教学; 计算机图形学; 人工智能; 虚拟现实

本文引用格式

韩晶 . 虚拟数字人在科普与教学中的应用研究与场景探析[J]. 知识管理论坛, 2024 , 9(5) : 460 -476 . DOI: 10.13266/j.issn.2095-5472.2024.034

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.

Key words： virtual digital human; science popularization; teaching; computer graphics; artificial intelligence; virtual reality

1 引言/Introduction

2017年我国提出的“到2020年人工智能总体技术和应用与世界先进水平同步，人工智能产业成为新的重要经济增长点，人工智能技术应用成为改善民生的新途径，有力支撑进入创新型国家行列和实现全面建成小康社会的奋斗目标”的战略目标[1]，到2024年已经基本实现。中国在人工智能领域取得了显著进展，技术水平已接近世界先进水平，人工智能产业蓬勃发展，成为重要的经济增长点。人工智能应用在医疗、教育、交通等领域广泛普及，有效改善民生，助力实现全面建成小康社会。2022年国家“十四五”数字经济发展规划中就提升全民数字素养和技能提出：“实施全民数字素养与技能提升计划，扩大优质数字资源供给，鼓励公共数字资源更大范围向社会开放”[2]。其中，虚拟数字人作为一种新兴的数字技术应用，正在成为提升全民数字素养和技能的重要途径。根据中国人工智能产业发展联盟总体组和中关村数智人工智能产业联盟数字人工作委员会发布的《2020年虚拟数字人发展白皮书》中对虚拟数字人的描述，虚拟数字人是指具有数字化外形的虚拟人物[3]。与具备实体的机器人不同，虚拟数字人依赖于显示设备（如计算机、智能终端等）而存在，并具备以下三个特征：①拥有人的外观，具有指定性别、外貌、性格等人物特征；②拥有人的行为，具有用语言、面部表情和肢体动作表达的能力；③拥有人的思想，具备识别外部环境、可以与他人交流和互动的能力。
虚拟数字人既不同于数字人亦不同于虚拟人，而是同时兼具虚拟人和数字人特征[4]。数字人、虚拟人和虚拟数字人是与计算机技术和仿真技术相关的概念，都是基于计算机图形学、人工智能等相关技术构建出来的，都对真实人体形态、外貌、动作和行为进行模拟和重现，但各自有不同的特点，如数字人涵盖了广泛的数字化人形象，而虚拟人更强调交互能力，虚拟数字人则具备更高级的逼真性和交互性能，这也使其在多个不同领域中得到应用，具体如表1所示：
表1 数字人、虚拟人、虚拟数字人对比

Table 1 Comparison of digital humans, virtual humans, and virtual digital humans

分类 定义 范畴 功能 应用 举例
数字人 是一种以数字形式存在的、具有人类形象及身体特征的虚拟实体 其概念更广泛，可以包括虚拟人和虚拟数字人 数字人的身份可以根据现实世界中的人物进行设定和还原，也称为数字孪生,其行为和交互能力相对较低 主要应用于展示、数字娱乐、动画制作、电子游戏等领域 二维卡通形象：如迪士尼的卡通人物米老鼠；
三维动画角色：电影《阿凡达》中的虚拟人类人物
虚拟人 虚拟人是指利用图形渲染、动作捕捉、深度学习等计算机技术构建的、以代码形式运行的、能够展现出接近人类真实外观、动作、表情等多种特征的虚拟形象 包括虚拟数字人 具备一定的认知、学习和交互能力，可以进行对话、问题回答、情感表达等，现实世界中根本没有存在过 主要应用于娱乐领域，依赖于人工智能技术和虚拟现实技术，为观众提供沉浸式和交互性的娱乐体验。如虚拟偶像、虚拟演员、虚拟主持人、虚拟游戏角色等 虚拟歌手洛天依、虚拟偶像达人柳夜熙和虚拟代言人AYAYI等
虚拟数字人 虚拟数字人是指具有数字化外形的虚拟人。一般由人物形象、语音生成、动画生成、音视频合成显示、交互等5个模块构成 是数字人的一个子类 不但具有人的外观、人的行为，还拥有人的思想，具备识别外部环境及与他人交流和互动的能力 强交互性场景 患者咨询：患者通过语言或文字与虚拟数字人医生实时交互病情和治疗方案，同时，虚拟医生可通过计算机视觉和深度学习技术，对医学影像进行分析和诊断，提供进一步专业的医疗服务
综上所述，数字人、虚拟人和虚拟数字人都是利用计算机技术创建的人体模拟实体，但它们在定义、范畴、应用领域和功能上存在一些区别。虚拟人是数字人的一部分，而虚拟数字人是数字人中更具技术复杂性和逼真性的一种类型，具备更高级的逼真性和交互性能，展示了更多应用的潜力。由于术语的使用可能存在不同的解释，因此在具体情况下，这些概念的包含关系可能会有所变化。
虚拟数字人是近年来在计算机图形学和人工智能、虚拟现实等前沿交叉领域的重要成果之一。它通过模拟人类的外貌、声音和行为特征，在多个应用领域都取得了令人惊叹的进展。利用高性能的语言建模、计算机视觉和图像生成等数字化技术，虚拟数字人能够模拟不同情境下的语言表达和行为感知，以实现与人类的多模态自然交互，同时，它还具备较强的情感表达、情绪交流、性格培养和个性化服务能力。根据市场分析机构预测，我国虚拟数字人市场规模在2026年将达到102.4亿元。
虽然虚拟数字人拥有巨大的潜力，但在科普和教学中的应用仍处于起步阶段，与“虚拟数字人在科普和教学中的应用”相关的文献在CNKI中检索结果不多，比较有代表性的如蔡雨坤等的研究表明，在数字技术的支持下，相关虚拟数字人人数不受限、样貌更新颖，且拥有智能化的科学内容生产能力，可以减轻真人科学家从事科普面临的时间压力、传播压力，改善公众对科学家的刻板印象［5］。王玄玄介绍了虚拟数字人在微课教学中应用的价值与局限性，然后分析了虚拟数字人在微课教学中的实现，最后针对虚拟数字人在微课教学中应用存在的问题提出了相应的解决措施［6］。当前中国在教育和科普方面面临的最大问题是科学教育资源的不足和科学教育方法的落后，现有薄弱的师资力量将导致跨学科的教学能力和创新性教学方法缺乏，同时全社会科普资源的缺乏，将成为提升学生科学素养的障碍。党的二十大明确提出，到2035年建成教育强国、科技强国、人才强国，强调教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑，那么，虚拟数字人在科普和教学领域应用的重要性和迫切性显而易见，虚拟数字人在解决教育资源分配不均和科普知识传播不足方面具有广阔的应用前景，但还需要在技术、内容、应用场景、社会认知度等方面不断完善和突破，需要多方面的努力，才能真正发挥其作用，推动教育和科普事业的发展。
本文聚焦虚拟数字人的关键技术，借鉴其在细分领域的应用经验，通过实证展示虚拟数字人如何有效提升效果评估和用户体验，从而引领科普创新和革新教学模式。本文通过对虚拟数字人技术的应用场景分析，进一步挖掘其在科普和教学中的创新应用潜力，创新性地通过《中国名师讲坛》虚拟数字人形象定制为数字教育和知识科普提供新的解决方案。

2 虚拟数字人技术应用概述/Overview of the Application of Virtual Digital Human Technology

2.1 虚拟数字人定义

虚拟数字人指存在于非物理世界中，由计算机图形学、图形渲染、动作捕捉、深度学习、语音合成等计算机手段创造及使用，并具有多重人类特征（外貌特征、人类表演能力、人类交互能力等）的综合产物[7]。简而言之，是基于计算机图形学和人工智能的仿真人体模型。

2.2 技术原理与关键技术

虚拟数字人拥有的形象能力、表达能力和感知互动能力，其背后主要依托两大类技术，一类是支撑虚拟数字人外观形象生成方面的技术，包括三维建模、图像处理与渲染技术、运动捕捉和手势识别技术、语音合成与识别技术等；另一类是驱动虚拟数字人内在智能学习方面的技术，包括自然语言处理（natural language processing, NLP）技术、人工智能情感交互技术以及数据管理和安全技术。

2.3 虚拟数字人应用的发展现状与趋势

在游戏领域,开发者为玩家提供更加丰富真实的游戏内容，如场景设计、武器装备、皮肤装扮等外设都可以自行定制和变化，如多人在线射击游戏《堡垒之夜》（Fortnite），与歌手Travis Scott跨界合作举办虚拟演唱会，虚拟人物模拟了歌手的标志形象，如脏辫、赤膊等，这种虚拟数字人应用在游戏中获得了高度关注，吸引了大量的玩家参与，并引发了广泛的讨论，见图1[8]，因为它给玩家提供了个性化的角色选择和展示方式，增加了游戏的互动性和深度参与感。随着技术的进步，虚拟数字人将更加智能化、自主化，并根据玩家的动作和情感提供更真实的反应能力和更丰富的角色行为。
图1 Fortnite官网报道

Figure 1 Fortnite official website report

在娱乐领域，定制虚拟主持人/主播/偶像后，只需要事先准备音频或者文字内容即可一键生成视频，就可以实现节目内容快速、自动化生产，从根本上做到降本增效。通过统一且风险可控的人物形象打造品牌专属IP形象，可实现与观众的实时互动，优化观看体验。虚拟数字人在娱乐中扮演角色、增加互动性和沉浸感的应用已经相当普遍，虚拟数字人的逼真度、情感表达和个性化特点不断提升。如图2[9]所示，2022年国际足联世界杯期间，中国体育播音员刘建宏的数字孪生人在抖音上宣读比赛结果和其他相关新闻。
图2 刘建宏的数字孪生人

Figure 2 Liu Jianhong's digital twin

在影视领域，如电影《阿凡达2》融合动作捕捉技术、表情捕捉技术、人物和场景CG（computer graphics）造型、实景3D摄影系统、虚拟摄影系统等数字技术于一身，这一成功案例展示了虚拟数字人在影视领域的潜力，既能为角色创造新的发展维度，又能延续经典IP的角色魅力。电影《流浪地球2》几乎全片都使用了虚拟拍摄技术，3 000多个视效镜头中，虚拟拍摄镜头有2 000多个,见图3[10]。利用虚拟数字人创建实验场景，可以替代演员进行危险动作，虚拟数字人技术真正使观众升级成为玩家，解锁了更多前所未有的互动体验，眼、耳、身、意，全息体验影视魅力，走进IP世界数字空间，体会身临“奇”境之感，这不仅为影视制作提供了更大的创作自由度和成本效益，还能将虚拟数字人打造成为新型IP的创作源泉，使电影艺术的表现空间日新月异。
图3 《流浪地球2》虚拟拍摄现场

Figure 3 Virtual shooting scene of 'Wandering Earth 2'

在社交领域，如Snapchat中的“增强现实镜头”技术，Snapchat是一款流行的社交媒体应用，其“增强现实镜头”功能使用虚拟数字人技术，可以将虚拟效果叠加于用户的面部,还可以用新的数字方式来帮助购物者试穿鞋子或尝试虚拟妆容,疫情期间发挥了很强大的作用[11]。与朋友交流时使用这种虚拟数字人，可以增添趣味性和创造性，这种互动形式鼓励人们增强社交体验，正在逐渐成为一种新的社交互动方式。
在文旅领域，虚拟数字人是“导游”的不二人选，它可以在著名景点、各大主题公园、历史博物馆、科技馆、名人故居等旅游线路上为游客提供智能服务，其多语言导游、便于更新和维护等天然优势可以使观众得到实时的路线规划、详尽的信息查询和生动形象的语音讲解，与此同时，观众还可以与虚拟数字人物互动，对场馆的历史渊源、文化背景、艺术特色和发展规划有更深入的了解。此外，虚拟数字人在改善导游体验、降低管理成本方面更值得推广，如图4[12]所示：
图4 景区数字讲解员

Figure 4 Digital narrator in scenic area

在金融领域，虚拟数字人作为智能理财顾问、智能引导员，不仅能在线下为客户答疑解惑，引导办理业务和按照客户的需求推荐相关理财产品和服务，还可以进行线上线下的多线同步操作，大大提升了工作效率，也让普通员工投身到更加有创造性的工作中去，使工作安排更加合理，避免了人力消耗在重复的工作上，如图5[13]所示：
图5 银行网点虚拟引导员

Figure 5 Virtual guide for bank branch

在政务领域，AI数字人首次智能解读《最高人民法院的工作报告》（见图6[14]），给观众带来了全新的交互体验，也让“政策解读”这一类严肃的新闻内容具有了“创意感”和“亲和力”，将万余字的报告精简至千余字，同时又不失根本意思，以生动、便捷、有趣的方式向公众快速解读了重点内容，开启了工作报告解读的AI新方式，吸引了更多年轻群体观看。这样的方式相较于传统的政策解读，亦可理解为一种面向社会公众的政治常识教育，通过三维建模和动画制作，将看似晦涩难懂的知识点变得更加直观形象，易于听众吸收理解，这对于科普类教育工作具有现实意义。
图6 AI数字人林开开

Figure 6 AI digital human Lin Kaikai

虚拟数字人的出现同时也为教育领域带来了许多机遇和挑战。教育部门公布的数据显示，过去几年来，中国的教师总人数保持在1 500万人左右。教师数量不足，优质师资匮乏，严重影响了我国教育质量的提升。虚拟数字人能够在远程教育中大显身手，拓宽学生的学习渠道，倡导教育公平，同时，虚拟数字人还可以对学生进行个性化辅导，营造沉浸式课堂，激发学生的学习兴趣，提高学习效果。它无与伦比的模拟实践训练能力、情感支持能力和情绪陪伴能力在安全风控和人文关怀方面更胜一筹。
虚拟数字人的引入可以有效降低教育相关视频的制作成本，提高效率，使用虚拟数字人代替真实的教师进行教学，不需要人工出镜和录制，同时利用虚拟数字人可以创建可反复使用的教学视频，从而减少教育视频录制中的重复工作，不受时间和地点限制。有限的人力资源可以被投入到视频的后期制作与推广宣传中去，这在某种程度上可以推动教育质量的提升，扩大受众的范围，让更多的人得到获取知识的渠道，达到教育普惠性的效果。

3 虚拟数字人引领科普创新/Virtual digital humans leading the innovation in science popularization

3.1 虚拟数字人技术在科普应用中的需求分析

3.1.1 科普人才短缺呼唤虚拟分身

截至2022年12月，我国科普信息员队伍人数超1 380万，科普内容分享传播量累计达17.6亿余次[15]，试想如果能利用虚拟数字人，科普效率将得到大幅提升。目前的科普人员受到策划选题、撰稿、录制设备、拍摄、剪辑等条件限制，耗时耗力，而科普类虚拟数字人可以根据受众的需求，在任何时间出现在指定地点，甚至让已故科学家“复活”，也就是人们常说的“数字永生”，这也是对科学家的一种缅怀和祭奠。利用虚拟数字人，可以极大程度提升科普生产力。

3.1.2 科普工作缺乏创意需要创新科普形象

在聚焦基础研究和前沿领域的科普工作时，新兴媒体更应注重科技创新。以往科普专家给人的印象都是严肃刻板，缺乏吸引力和感染力，而科普类虚拟数字人的形象可以根据受众的偏好设计，实现个性化、定制化和专业化的完美结合，还可以使虚拟形象、超写实虚拟人等多种类型融合出现，从而更有效地搭建学术研究与Z世代年轻群体沟通的桥梁。比如在2022年冬奥会上出现的AI手语主播（见图7[16]），她就是一位由手语翻译引擎和自然动作引擎驱动的数字人[16]。根据央视披露的信息，AI手语主播长时间、系统性地学习了《国家通用手语词典》，另外还学习了百万量级的标准手语平行语料数据和超8 500条影视级手语动作数据，从而做出了精准、流畅的手语解说，并且表情自然生动，手语动作精准度达95%以上，出色地胜任了手语解说的工作。
图7 冬奥会上的AI手语主播

Figure 7 AI Sign Language Anchor at the Winter Olympics

3.1.3 人机交互双智能为科普提供源源不断的素材

生活在现实世界中的人类如何最大限度地释放潜能，超级AI或许会给科普带来机遇和挑战。虚拟数字人依托人工智能机制，能够实现许多真人无法完成的功能，并且可以根据应用场景进行定制[17]。比如2024年初最热门的人工智能文生视频大模型Sora，虽然它目前还无法完全理解物理世界，时常制作出混淆了玻璃破碎和液体溢出顺序的带有缺陷的视频（见图8[18]），但不可否认，Sora的软物理模拟，是大规模扩展文本到视频训练时的一项“涌现特性”[18]。通过对真实影像和文本描述结合生成的Sora视频进行现场演示，可以直观展现AI技术的“涌现特征”，使受众清晰地辨别现实与AI生成内容的差异，并深刻认识到AI被滥用的潜在风险，这将是进行AI科普的最有效方式。。
图8 Sora制作的存在缺陷的视频

Figure 8 Sora's video with bugs

3.2 虚拟数字人在科普展示中的前沿应用案例

为了弘扬老一辈航天人的精神，让更多的青少年接触并了解航天知识的魅力，商汤科技精心打造了钱学森先生的AI数字人形象，实现了真实的面部、声音、表情和动作模拟，不仅高度还原了钱学森先生的语音和语调，做到了精准的口型匹配，细致入微地呈现出了他举手投足间的神态与气质，完成了高度逼真的AI数字人形象复刻，从而让这位“两弹一星功勋奖章获得者”的音容笑貌在灵境空间中生动再现，仿佛真人一般真实自然。这不仅是对钱学森先生科学精神的传承，更是对新一代青少年的激励与启迪，如图9[19]所示：
图9 钱学森AI数字人形象

Figure 9 Qian Xuesen's AI digital human image

又如在视觉上利用VR动画的虚构性、视听综合性和三维仿真性，非遗“沪谚”中极具地方语言特色和影建场景的老上海意象和情境得以重现（如图10[20]），在听觉上注重对演述与三维动画进行环绕收声、混缩，特别要捕捉易忽略的环境声与动效，这是观众获得“在场”感最重要的元素。最终，非遗传承人置身虚拟全景中，通过演述传递亲身体验感，让学习者加速理解、实现心理沉浸，最终更好地传承、认同并运用“沪谚”这种宝贵的非遗文化作品[20]。
图10 沪谚演述场景

Figure 10 Shanghai proverbs performance scene

通过以上案例的介绍和分析，可以得出结论：①虚拟数字人能够以生动形象的方式呈现科学知识，吸引更多观众参与科普活动，提升科普效果；②虚拟数字人的互动性和个性化特点可以更好地满足不同受众的需求，拓展科普受众群体；③利用虚拟数字人进行科普活动还能够为科普教育注入创新元素，推动科普事业的发展。

3.3 虚拟数字人的科普教育实践研究

对于教育科普方面的尝试而言，更加生动便捷的讲解无疑是虚拟数字人最重要的竞争力与优势，拥有一个完整的知识储备库则是可以发挥数字虚拟人优势的必要条件，万方视频将在业内首次尝试将虚拟数字人引入科普教育。万方视频是万方数据旗下一款学术产品，其收录的视频内容以科教文化为主，通过多年的建设，已与国内众多学术及媒体机构和栏目（如央视的科普频道、凤凰卫视的访谈节目、中华医学会的健康讲座等）紧密合作，时长突破100万分钟。值得一提的是，其自主拍摄的《中国名师讲坛》和《境内高端学术会议》这两个栏目，为市场输出了很多优质的高校教师授课视频、学术会议报告、院士的科普视频等，为虚拟数字人系统的建设提供基础的内容保障。同时，万方视频具有规范、完整的版权授权，基于授课专家的形象可制作不同风格的虚拟数字人，既保护了知识所有者的肖像权，又提升了教育视频的产出效率，解决了知识产权方面的伦理冲突。
基于万方数据《中国名师讲坛》视频库，甄选出一批受到用户广泛认可的科普类视频内容，将其升级为虚拟数字人互动视频，分别以物理、医学、互联网、计算机这4个学科作为试点，邀请科普专家到拍摄现场进行录制或提供已经拍摄好的视频，形象克隆需要2小时左右，后续再提供30分钟左右的音频，提供这些素材之后，由视频生成AI进行3-5天的机器学习训练，即可生成属于专家自己的数字人专属形象。这个过程中要注意的是一般视频生成AI只关注某个特定类别的视频数据，或局限在较短的视频上，或者局限在固定大小的视频上，比如会将所有的视频都拆解成256*256分辨率的标准尺寸的4秒视频来处理，这种方法局限性很大，不够灵活，我们可以借鉴Sora的方法，把之前用来训练不同形式文本的条件扩散模型Diffusion Transformer的算法，拿来训练不同时长、不同分辨率、和不同宽高比尺寸的视频和图像，在训练之前，还需要对这些视频数据进行一些准备工作，如对视频数据进行降维处理，即把原视频在时间和空间的维度上进行压缩，进而在这个压缩的数据集上进行训练，训练完之后再转换成原始的像素空间，这样做的目的是使形象更逼真，动作更自然，清晰度更高，声音起伏有感情，真人还原度非常高。之后可与专家协商科普视频的更新频率，每次专家仅提供文字稿件即可完成一次科普短视频内容的输出，这种方式省时省力。目前万方已成功制作出首个虚拟数字人形象——北京大学未来技术学院的席鹏教授（见图11），未来将有更多学者加入该计划。
图11 席鹏教授的虚拟数字人形象

Figure 11 Professor Xi Peng's virtual digital human image

总而言之，虚拟数字人代替讲课的老师出镜作为实验项目，具有很大的建设意义和必要性。它不仅可以降低制作成本和提高效率，还可以提供更多个性化的学习体验和多元化的教育选择，同时也为教育视频领域的发展提供了很好的思路和方式。因此，笔者建议在相关技术和设备条件具备的情况下，适当开展该项目的实践研究，以期取得更加优良的实践效果，为教育事业的发展做出积极贡献。

4 虚拟数字人革新教学模式/Virtual digital humans revolutionize teaching models双击此处添加章节序号和标题

4.1 教育领域对虚拟数字人的期望与需求

2018年，新西兰学生迎来世界首位数字虚拟教师。作为奥克兰学校提供的免费教育项目之一，虚拟教师威尔Will出现在了小学关于可再生能源的课堂，如图12[21]所示：
图12 和多个小组同时上课的Will

Figure 12 Will attending classes with multiple groups simultaneously

教育领域对虚拟数字人的期望与需求体现在以下几点：

4.1.1 提升个性化学习体验

虚拟数字人能够针对不同的学习者提供个性化服务，根据学习者的兴趣爱好、学习进度等特点，智能推送相关学习资源和教学内容。例如，在教学中虚拟数字人可以根据学生的兴趣爱好及现阶段的学习目标，生成特定领域的知识内容，以动画、视频、图片等多元结合的学习方式，提供定制化的学习体验，使学习过程更加具有吸引力并获得满意的学习效果。

4.1.2 提高知识传递效果

在教学中，虚拟数字人通过逼真的表情、动作等能够更加生动地向学习者展示知识内容，有效地提高知识传递效果。相较于真人教师，学生面对虚拟数字人没有面对传统意义上教师的紧张感，授课过程更加放松，也更容易通过与虚拟数字人进行交互，掌握并理解复杂的科学概念。与传统的听课形式相比，虚拟数字人能够提供更加直观、生动的教学体验，激发学生的学习兴趣，提高学习效果。

4.1.3 创新教学方法

虚拟数字人提供了一种新的教学手段，可以通过模拟实验等方式，帮助学生更好地理解和应用知识。例如，在化学实验中，虚拟数字人能够根据学生的操作，模拟危险的化学反应，使学生能够在安全环境下进行实践操作，提高实践能力和应用能力，同时模拟实验中不真正消耗实验原料，可以实现在重复多次模拟练习后再进行真实实验操作，不但大大提升了实验的成功几率，还减少了消耗品的损耗，降低教学成本。

4.1.4 丰富远程教育辅助工具

虚拟数字人在远程教育中能够扮演重要的角色，相较于传统的教育模式，通过互联网技术以及与虚拟数字人的互动，学习者能够随时随地与教育者进行交流和学习。老师面对面或者通过录制的网课上课，受限于人的休息时间，如果不是老师一对一的连线则很难实现互动式的体验，而虚拟数字人则可不受时间与空间的限制，更加灵活可以实现远程实验、远程讲解等教学活动，真正做到想学就学，大大拓展了教育的边界。
数字人支持的多模态智慧课堂可以实现软件和硬件之间的无缝互联，人与数字人进行实时互动，为学生提供沉浸式的智慧学习体验，学生可以获得大量的学习机会[22]。

4.2 虚拟数字人在教学辅助中的创新应用案例

虚拟数字人能够增强教学互动性，提高学生参与度，提供个性化学习体验，推动教育模式的创新与发展。虚拟现实教室更是超越了传统教室的边界，能以传统课堂无法实现的方式丰富学生的学习体验。
在佐治亚州亚特兰大市的莫尔豪斯学院（Morehouse College），生物课上学生们可以和教授一起站在虚拟教室里，手拿一个真人大小的分子，解构并重建它，而不是以传统学习方式在一本书里或在2D视频中观看复杂的分子结构[23]。学生们可以利用虚拟现实技术，通过3D模型的方式来观察和操作一个放大的DNA链，直观地理解其结构和功能，并进行分子结构的拆解和组装，从而更深入地理解生命科学的基本原理，如图13[23]所示：
图13 虚拟现实课堂中的DNA链

Figure 13 DNA chain in virtual reality classrooms

利用虚拟数字人技术可轻松复刻教师的形象、声音、动作或者打造一个学生更感兴趣的虚拟形象，输入准备好的脚本文案，即可生成一条数字人教学视频，大幅提升短视频内容制作的效率，有效满足教培机构对大量课程的需求[24]，可根据学生的需求，生成虚拟教师＋虚拟场景、虚拟教师＋真实场景或真人教师＋虚拟场景，数字人的应用能有效缩短教学视频的生成周期与成本。

4.3 虚拟数字人在教学效果评估与学生学习体验方面的研究

广州番禺职业技术学院智慧职业教育大数据工程技术研究中心通过数据采集和处理、行为分析、主题相关性评估、结果排名和反馈，开发出了AI智能助教“番番”，在《人工智能导论》课程中展示出了卓越的应用效果[25]。教师可以通过“番番”发布讨论主题，学生则可以通过语音参与讨论，同时，讨论的内容会实时显示在教室的大屏幕上，见图14[25]。这套系统的特点是利用人工智能技术对学生的行为、语言进行智能分析，能够提取讨论的高频词汇，评估主题的相关性，并对讨论结果进行排名。智能分析的功能使得教师能够更好地了解学生的讨论行为和表达，从而更有针对性地提供指导和反馈。此外，学生之间的互动也得到了增强，他们可以更好地交流和分享观点，促进学习的合作和共同进步。通过引入虚拟数字人技术，高职学校教学模式得到了创新和改进，这一研究成果也展示了人工智能在教育领域的巨大潜力。
图14 虚拟数字人在《人工智能导论》课程中的应用

Figure 14 Application of virtual digital humans in the course of "Introduction to artificial intelligence"

由此可见，虚拟教师能够与学生进行实时互动，回答学生的问题，并根据学生的反馈调整教学内容和方法。这种互动性大大提高了教学效果，使学生更容易理解复杂的概念，同时，通过虚拟实验室和互动教学，学生可以亲身参与实验和探索，他们的参与度和学习兴趣得到了极大的提高。这些结论和建议具有普适性和可操作性，对于推动虚拟数字人在教学中的应用和发展具有重要指导意义。

5 挑战与未来展望/Challenges and Future Prospects

5.1 智能技术和资源储备挑战

5.1.1 图形和动画技术

使用先进的图形渲染技术和动画技术，以增强虚拟数字人的视觉效果和逼真度。数字人虽然外表像人，但是其内核远还没有达到一个真人的状态，或者说接近真人的状态。比如数字人在自己的表情管理、感知互动上，其实还缺乏很多的亲和力。这个过程首先需要创建一个三维模型来表示虚拟数字人的外观，建模师需要具备良好的艺术感和对细节的关注，以确保模型看起来逼真且符合设计要求。

5.1.2 语音特征深度学习技术

包含语言合成与识别技术，以捕捉和模拟人类的声音，优质的语音合成技术，使虚拟数字人的语音听起来更加真实，并且能够准确识别和理解用户的语音指令和问题。这个过程的实现需要大量的数据和计算资源以及对人类行为和情感的深入了解。

5.1.3 交互和智能技术

为了让虚拟数字人与用户进行自然互动，需要为其添加交互和智能功能。这包括自然语言处理、情感分析等技术。此外，还需要为虚拟数字人配置个性化的推荐和服务功能，以满足用户的需求。虚拟数字人技术的开发需要对人工智能和机器学习有深入的理解，以及对用户需求和行为模式的准确把握。

5.1.4 认知建模和学习算法

利用认知建模技术和机器学习算法，使虚拟数字人能够不断学习和改进自己的表现。这包括通过分析用户的反馈和行为数据，调整虚拟数字人的表现方式，并提供更好的教学和科普体验。

5.1.5 大语言模型LLM技术

众所周知，ChatGPT背后的技术是大型语言模型(Large Language Model，LLM)的应用。ChatGPT把各种形式的文本，包括自然语言、程序代码和数字拆解成基本的文本建构块，叫做Token，然后以Token作为基本单位来进行大规模文本数据的训练和生成，而2024年初备受关注的Sora则是把不同形式的视频和图像拆解成一个个小的图像块，叫做Visual Patch,然后以Visual Patch图像块为基本单位，来进行大规模视频数据的训练和生成。这给虚拟数字人在教育领域的垂直应用提供了启示，那就是在创建丰富多样的教学资源视频数据（包括视听类教材、教师讲授视频、模拟实验、互动演示、多媒体资料等）时，可以将其拆解成一个个小的教育资源图像块，以提升资源的灵活性和可扩展性。换而言之，Sora是一个视觉数据的通用模型，可以生成不同时长、不同长宽比尺寸和不同分辨率的视频和图像，正是这种灵活性使得OpenAI能够将所有类型的视觉数据转化为统一的表达方法，从而使得他们能够使用网络上海量的视频数据去大规模训练Sora，这种多样化和灵活性为Sora成为通用物理模拟器奠定基础。

5.1.6 算力背后的核心技术

未来我们想要开发更强大的物理和数字世界的模拟器，那么需要继续扩大视频AI模型的训练规模，而扩大视频AI的训练规模，则要求我们用更海量的视频数据去训练AI，也意味着需要更多的算力，而算力背后是高性能处理器芯片，这也是众所周知我国被“卡脖子”的地方。多模态模型的爆发、视频数据的生成和调用，对集群通信延迟和带宽的要求更高，包括降低IT设备空间占有率、节能减碳等问题，都亟需在国内大模型研发应用加快、智算需求提升之际进行统一规划设计。

5.2 未来展望

为了提升用户体验并促进知识传播和教育效果的进一步改善，虚拟数字人项目实施进度需要进一步加快，虚拟数字人的逼真度和情感表达能力也需要进一步增强，以提升用户的沉浸感和互动体验。
虚拟数字人技术是一种重要的工具，可以在科普与教学中提供以人为中心的学习体验，尤其在个性化学习、多模态人机交互、全自主内容生成与更新、情感智能化反馈方面有着显而易见的优势，在与虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、大语言模型（LLM）等技术结合之后，可以创建出更加沉浸式和互动性强的学习环境。在享受虚拟世界带来的便利和乐趣的同时，我们也要保持清醒，避免过度沉迷，防止弱化人的身体知能。此外，盲目扩大数据采集会加剧隐私泄露风险，因此需要谨慎对待。在追求应用成效的同时，也不能忽略技术自身的特性，避免过度超前[26]。通过不断的研究和创新，可以进一步推动虚拟数字人技术在科普与教学中的发展，提高学生的学习效果，并增加学习乐趣。

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