薛耀鋒，朱芳清，王 坤

(1.華東師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)系，上海 200062；2.華東師范大學(xué) 上海數(shù)字化教育裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200062)

元宇宙(Metaverse)由前綴“meta”(意指超越)與單詞“universe”(意為宇宙)的組合，描述了一個(gè)與物理世界相連的假想虛擬環(huán)境?！霸钪妗币辉~最早出現(xiàn)在尼爾·斯蒂芬森1992年創(chuàng)作的名為《雪崩》的科幻小說(shuō)中[1]，元宇宙在其中是一個(gè)與物理世界平行的巨大虛擬環(huán)境，用戶通過(guò)數(shù)字化身進(jìn)行交互。元宇宙為教育提供了一個(gè)虛擬的、充滿無(wú)限可能的學(xué)習(xí)空間，元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用值得深入挖掘與分析。本文將圍繞以下問(wèn)題進(jìn)行深入探究：元宇宙的概念是什么？元宇宙的技術(shù)框架是什么，其中有哪些核心技術(shù)？元宇宙在教育領(lǐng)域當(dāng)中有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？元宇宙與教育結(jié)合的未來(lái)發(fā)展是怎樣的？

一、元宇宙的概念

自元宇宙(Metaverse)被提出以來(lái)，其作為計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字空間被定義為各種各樣的概念，如生活日志[2]、虛擬中的集體空間[3]、實(shí)體互聯(lián)網(wǎng)/空間互聯(lián)網(wǎng)[4]、鏡像世界[5]等等。元宇宙的概念在不斷發(fā)展，目前尚未有一個(gè)統(tǒng)一的定義。Lee等人認(rèn)為元宇宙是一個(gè)融合了物理和數(shù)字的虛擬環(huán)境，由互聯(lián)網(wǎng)和Web技術(shù)以及擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(XR)的融合所促進(jìn)[6]。維基百科提到“元宇宙是超越元和宇宙的復(fù)合詞，是指化身從事政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化活動(dòng)的三維虛擬世界，它被廣泛用于基于日常生活的虛擬世界，真實(shí)與虛幻共存”[7]。

隨著元宇宙的不斷發(fā)展以及元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用不斷加深，一些學(xué)者對(duì)元宇宙的教育應(yīng)用進(jìn)行了研究。華子雄等人從技術(shù)角度出發(fā)，認(rèn)為元宇宙的教育應(yīng)用可以理解為教師、學(xué)生、管理者等教育活動(dòng)參與者創(chuàng)建數(shù)字身份，在虛擬世界中開(kāi)拓正式和非正式教學(xué)場(chǎng)所，在虛擬教學(xué)場(chǎng)所進(jìn)行互動(dòng)[8]。劉革平等人則認(rèn)為元宇宙的教育應(yīng)用是利用新興信息技術(shù)塑造的虛實(shí)融合教育環(huán)境，是虛擬與現(xiàn)實(shí)全面交織、人類與機(jī)器全面聯(lián)結(jié)、學(xué)校與社會(huì)全面互動(dòng)的智慧教育環(huán)境高階形態(tài)[9]?？傮w來(lái)說(shuō)，這些研究體現(xiàn)了元宇宙技術(shù)、理念與教育理念、情境的深度融合，是未來(lái)教育的重要發(fā)展方向。

二、元宇宙的技術(shù)框架

目前元宇宙還處于萌芽階段，在大多數(shù)人的認(rèn)知中，元宇宙僅僅只是在AR、VR等技術(shù)的基礎(chǔ)之上構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)世界。但元宇宙背后所涉及的核心技術(shù)還遠(yuǎn)不止于此，主要包括交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[10]。在這些技術(shù)相輔相成的基礎(chǔ)之上，才構(gòu)建出一個(gè)現(xiàn)實(shí)與虛擬相互聯(lián)結(jié)的世界。元宇宙的技術(shù)框架大致可分為三層，分別是用戶感知層、智能服務(wù)層與基礎(chǔ)設(shè)施層。首先，位于頂端的用戶感知層主要包括交互技術(shù)與電子游戲技術(shù)。其中的虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)為用戶提供了進(jìn)入元宇宙的入口，游戲引擎、3D建模和實(shí)時(shí)渲染等技術(shù)可用于元宇宙中數(shù)字內(nèi)容的制作與呈現(xiàn)，以及用戶在其中各種交互行為的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其次，位于中部的智能服務(wù)層主要包括人工智能技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)。以計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理與智能語(yǔ)音等為代表的人工智能技術(shù)為元宇宙中各種服務(wù)與場(chǎng)景應(yīng)用提供技術(shù)支撐，數(shù)字孿生技術(shù)則可以在元宇宙中建立現(xiàn)實(shí)物體的虛擬映射，連接現(xiàn)實(shí)與虛擬，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)共生。最后，位于底層的是基礎(chǔ)設(shè)施層，其主要為整個(gè)元宇宙的建立提供最基本的硬件與技術(shù)保障。比如，5G、邊緣計(jì)算和云計(jì)算等網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算技術(shù)為元宇宙提供高帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與高算力基礎(chǔ)，區(qū)塊鏈技術(shù)用于支持在元宇宙中實(shí)現(xiàn)更加安全、公開(kāi)的去中心化虛擬經(jīng)濟(jì)體系，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為底層技術(shù)使構(gòu)建更加精確映射的數(shù)字孿生與多元化交互方式成為可能。由這6大技術(shù)所組成的元宇宙技術(shù)框架見(jiàn)圖1。

(一)交互技術(shù)

交互技術(shù)向用戶提供了進(jìn)入元宇宙的接口，以提高用戶沉浸感為目標(biāo)。虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、混合現(xiàn)實(shí)(MR)等人機(jī)交互技術(shù)將成為未來(lái)用戶接入元宇宙的主要方式。 VR技術(shù)向用戶展現(xiàn)的是一個(gè)獨(dú)立于現(xiàn)實(shí)世界的、完全虛擬的世界，玩家通過(guò)頭戴VR設(shè)備，完全沉浸于虛擬環(huán)境。在這種虛擬環(huán)境中，多個(gè)用戶可共同從事某種活動(dòng)。如果說(shuō)VR是完全脫離現(xiàn)實(shí)的虛擬世界，那么AR與MR就是現(xiàn)實(shí)與虛擬的融合。AR技術(shù)是在現(xiàn)實(shí)世界的物體上疊加虛擬對(duì)象，MR通常被認(rèn)為是AR的進(jìn)一步演化，AR僅僅是物理環(huán)境上疊加虛擬信息，而不考慮交互性，MR技術(shù)則是通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的三維計(jì)算，重新構(gòu)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)一致的環(huán)境，并與虛擬實(shí)體融合，讓用戶獲得在真實(shí)環(huán)境中與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互的體驗(yàn)，讓用戶在現(xiàn)實(shí)中的處理虛擬內(nèi)容，而不必完全進(jìn)入虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬的無(wú)縫連接。

(二)電子游戲技術(shù)

電子游戲?qū)?huì)是元宇宙最直接的呈現(xiàn)形式，也是元宇宙首要的發(fā)展方向。電影《頭號(hào)玩家》中描繪的游戲——“綠洲”，就向我們初步展現(xiàn)了一個(gè)元宇宙的雛形。電子游戲技術(shù)主要包括游戲引擎、3D建模技術(shù)與實(shí)時(shí)渲染技術(shù)。游戲引擎可用于快速搭建元宇宙平臺(tái)，以及元宇宙中各種數(shù)字內(nèi)容呈現(xiàn)與交互的底層邏輯的實(shí)現(xiàn)。3D建模技術(shù)為元宇宙提供各種優(yōu)質(zhì)的數(shù)字實(shí)體資源，如場(chǎng)景、化身、NPC等。實(shí)時(shí)渲染技術(shù)可向用戶展現(xiàn)逼真的、高質(zhì)量的各種虛擬場(chǎng)景與對(duì)象。而且，電子游戲技術(shù)與交互技術(shù)共同運(yùn)作，這才保障了元宇宙體驗(yàn)的高度沉浸感。

(三)人工智能技術(shù)

人工智能(AI)是指讓機(jī)器從經(jīng)驗(yàn)中進(jìn)行學(xué)習(xí)并執(zhí)行各種任務(wù)的理論與技術(shù)，它能讓機(jī)器獲得類似于人一樣的智能。機(jī)器學(xué)習(xí)是目前應(yīng)用最為廣泛的一項(xiàng)人工智能技術(shù)，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，目前機(jī)器已經(jīng)可以具備基本的感知和學(xué)習(xí)的能力。這些年來(lái)，AI在各種場(chǎng)景中都有廣泛的應(yīng)用，并生成了許多不同的分支，如自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)，情感計(jì)算、推薦系統(tǒng)等。在如今的現(xiàn)實(shí)世界中，已然充斥著大量的數(shù)據(jù)，人工智能也正是在這種大數(shù)據(jù)環(huán)境中大放異彩，為現(xiàn)實(shí)世界提供各種智能化服務(wù)。元宇宙作為一個(gè)平行于現(xiàn)實(shí)的虛擬世界，其中必然也會(huì)產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)與人工智能應(yīng)用場(chǎng)景。除了數(shù)據(jù)處理以外，將人工智能用于自動(dòng)化數(shù)字內(nèi)容生成，將成其在元宇宙中的核心功能[11]。用戶以化身的形式存在于元宇宙中，并與其他玩家或虛擬對(duì)象進(jìn)行交互。人工智能算法可以自動(dòng)創(chuàng)建化身，解決在目前一些類似游戲中玩家角色形象過(guò)度相似的問(wèn)題。在元宇宙中除了有由真實(shí)用戶控制的化身，還會(huì)存在許多由AI驅(qū)動(dòng)的虛擬角色，也就是非玩家角色(NPC)。這些角色的行為看起來(lái)和人類用戶無(wú)異，并為人類用戶在元宇宙中提供引導(dǎo)、監(jiān)控、答疑等輔助服務(wù)。

(四)數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是指針對(duì)物理實(shí)體或系統(tǒng)具有高度完整性的數(shù)字化克隆，簡(jiǎn)而言之是在虛擬世界中構(gòu)建出現(xiàn)實(shí)中物理對(duì)象的數(shù)字表示形式，它能以數(shù)字化的方式實(shí)時(shí)模擬物理實(shí)體當(dāng)前的行為和狀態(tài)等。借助數(shù)字孿生技術(shù)，可在元宇宙中構(gòu)建現(xiàn)實(shí)中人或物的數(shù)字映射，加之物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供的多設(shè)備互聯(lián)互通與交互技術(shù)帶來(lái)的高沉浸交互方式，可讓用戶在元宇宙這一虛擬空間中查看物理實(shí)體當(dāng)前的行為狀態(tài)，以及與之直接進(jìn)行交互。比如，可以在虛擬空間中直接實(shí)時(shí)地查看在現(xiàn)實(shí)中你所擁有的各種智能設(shè)備的運(yùn)行情況并可對(duì)其進(jìn)行操作，甚至是查看家人的各項(xiàng)身體指標(biāo)。另外，在元宇宙的某些場(chǎng)景應(yīng)用中，還可以使用數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬環(huán)境中動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)物體在真實(shí)環(huán)境中的未來(lái)狀態(tài)，以便及時(shí)做出決策或制定干預(yù)措施。

(五)網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)算技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等技術(shù)將成為元宇宙的基礎(chǔ)設(shè)施，讓用戶能夠享受到高帶寬、低延時(shí)的元宇宙體驗(yàn)。5G為元宇宙提供最基本的高帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在元宇宙中，必須要保證用戶有身臨其境的沉浸感，而影響用戶沉浸體驗(yàn)的關(guān)鍵因素就是延遲，龐大的用戶接入數(shù)量與海量的數(shù)據(jù)傳輸，必然要求元宇宙擁有超高的網(wǎng)絡(luò)通信速率。其次，元宇宙中龐大的數(shù)據(jù)量使其對(duì)算力的要求比現(xiàn)實(shí)中更高，而手機(jī)、電腦等個(gè)人終端設(shè)備遠(yuǎn)不能滿足元宇宙中的算力要求，云計(jì)算、邊緣計(jì)算等技術(shù)便成為了元宇宙中解決延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)堵塞與高負(fù)荷數(shù)據(jù)運(yùn)算等問(wèn)題的核心技術(shù)選擇。以超高的網(wǎng)絡(luò)帶寬與算力為前提，才能帶來(lái)實(shí)時(shí)，沉浸、流暢的交互體驗(yàn)與場(chǎng)景應(yīng)用。

(六)區(qū)塊鏈技術(shù)

理想的元宇宙是能夠連接一切的，無(wú)論是現(xiàn)實(shí)世界的還是虛擬世界，因此在其中會(huì)產(chǎn)生不可估計(jì)的數(shù)據(jù)量，使用傳統(tǒng)的云服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)如此巨大的數(shù)據(jù)是不可能的。而且在元宇宙中，用戶的一切行為都將被記錄并儲(chǔ)存為數(shù)據(jù)，用戶的隱私安全就也不能得到保障。而區(qū)塊鏈(Blockchain)技術(shù)所具備的去中心化、開(kāi)放性、安全性、可追溯性等特點(diǎn)確保了元宇宙中數(shù)據(jù)的安全與完整性。區(qū)塊鏈技術(shù)也是構(gòu)成元宇宙經(jīng)濟(jì)體系最為關(guān)鍵的技術(shù)，它能夠確保元宇宙中產(chǎn)生的每一筆交易都是公開(kāi)、透明的，同時(shí)保障元宇宙用戶的虛擬資產(chǎn)、虛擬身份與經(jīng)濟(jì)體系中各種數(shù)據(jù)傳輸與驗(yàn)證的安全。

(七)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)借助各種傳感器設(shè)備，將各種設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)建立連接，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物與物、人與物的互聯(lián)互通[12]。隨著互聯(lián)網(wǎng)與芯片技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了迅速的普及與應(yīng)用?！叭f(wàn)物互聯(lián)”在現(xiàn)階段已初見(jiàn)雛形，智能家居、智能交通都是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為在元宇宙中實(shí)現(xiàn)跨越現(xiàn)實(shí)與虛擬的“萬(wàn)物互聯(lián)、虛實(shí)共生”奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，交互技術(shù)的發(fā)展使得人機(jī)交互形式越來(lái)越多樣化，物聯(lián)網(wǎng)也可以將AR、VR、MR等交互技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成多模態(tài)交互系統(tǒng)，為用戶帶來(lái)更佳的用戶體驗(yàn)。

三、元宇宙的教育應(yīng)用

教育是元宇宙的主要應(yīng)用場(chǎng)景[13]，這深刻體現(xiàn)了未來(lái)教育與技術(shù)融合的發(fā)展前景，以及技術(shù)創(chuàng)新是一種可以用來(lái)加強(qiáng)教育過(guò)程的方式。元宇宙中的技術(shù)早已滲透教育領(lǐng)域，作為一種新的教育環(huán)境與學(xué)習(xí)空間，目前元宇宙主要作用在利用拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，以此展現(xiàn)多樣化的學(xué)習(xí)內(nèi)容，提供高度沉浸感與學(xué)習(xí)新體驗(yàn)；同時(shí)構(gòu)建新的社會(huì)交流空間，進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)習(xí)者之間的交流協(xié)作。元宇宙也促進(jìn)了在線學(xué)習(xí)的發(fā)展，進(jìn)一步突破了教育的時(shí)空限制，優(yōu)化在線學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

(一)創(chuàng)設(shè)沉浸式學(xué)習(xí)情境

沉浸式學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)依賴于拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)(XR)，目前其中最常用的是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)。拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)多樣化的虛擬場(chǎng)景，這些用于教學(xué)的虛擬場(chǎng)景構(gòu)成了沉浸式學(xué)習(xí)情境，可以將其分為三大類。

一是用于演練或練習(xí)較為危險(xiǎn)的學(xué)習(xí)活動(dòng)所創(chuàng)設(shè)的情境，如駕駛飛機(jī)、進(jìn)行外科手術(shù)等。這類學(xué)習(xí)活動(dòng)的失敗風(fēng)險(xiǎn)非常高且后果很嚴(yán)重，不能輕易進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，但在這類操作性較強(qiáng)的學(xué)習(xí)中，實(shí)踐又是至關(guān)重要的。虛擬現(xiàn)實(shí)中的模擬體驗(yàn)為學(xué)習(xí)者提供了應(yīng)用理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、練習(xí)復(fù)雜程序和行為技能的機(jī)會(huì)，并從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)，而不會(huì)受到現(xiàn)實(shí)世界中嚴(yán)重的后果或錯(cuò)誤的影響。例如，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)盆唐醫(yī)院通過(guò)智能手術(shù)室進(jìn)行肺癌手術(shù)培訓(xùn)(見(jiàn)圖2)[14]。智能手術(shù)室包括多個(gè)全方位360°拍攝相機(jī)，將采集到的圖像通過(guò)擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)處理后提供給佩戴3D頭盔的學(xué)習(xí)者。學(xué)習(xí)者可以通過(guò)實(shí)時(shí)語(yǔ)音交流、全方位的觀察和模擬操作，進(jìn)行比直接觀察更精確的學(xué)習(xí)。

二是用于模擬構(gòu)建學(xué)生無(wú)法到達(dá)的場(chǎng)景或地點(diǎn)，例如進(jìn)行考古挖掘、進(jìn)行熱帶雨林氣候調(diào)研、游覽歷史古都等等。學(xué)生無(wú)法實(shí)際到達(dá)這些場(chǎng)景中，在過(guò)去只能通過(guò)觀看視頻等方式完成這些學(xué)習(xí)任務(wù)，缺乏親身體驗(yàn)。元宇宙技術(shù)的使用能夠擴(kuò)大探索由于空間、時(shí)間或成本障礙而在課堂上無(wú)法進(jìn)入的環(huán)境的機(jī)會(huì)，為學(xué)生帶來(lái)沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，也有利于教師組織學(xué)生開(kāi)展多樣化的學(xué)習(xí)活動(dòng)，如探究式學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、游戲化學(xué)習(xí)等，大大提升了學(xué)習(xí)效果。例如，Getchell等人利用虛擬世界平臺(tái)Second Life構(gòu)建了一個(gè)基于考古學(xué)習(xí)的虛擬世界遺址挖掘的案例[15]，組織游戲化學(xué)習(xí)(見(jiàn)圖3)。研究證實(shí)了這種沉浸式情境的創(chuàng)設(shè)與應(yīng)用對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)與學(xué)習(xí)積極性有促進(jìn)和提升效果。

圖2 學(xué)生沉浸式觀看手術(shù)場(chǎng)景[14]

圖3 學(xué)生虛擬世界考古挖掘成果[15]

三是用于展現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中難以直接觀測(cè)的物體或現(xiàn)象，例如人體細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察、太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)的觀測(cè)、原子與分子結(jié)構(gòu)的探索等。這類情境的構(gòu)建往往與理科知識(shí)掛鉤，學(xué)生只能通過(guò)精密儀器來(lái)直接觀察到這些物體或現(xiàn)象。而由于經(jīng)費(fèi)、儀器、課時(shí)等的限制，這些物體或現(xiàn)象多以圖片和視頻的形式展現(xiàn)給學(xué)生，教學(xué)效果受到影響。依托于VR/AR技術(shù)創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室可以很好地解決這些問(wèn)題，學(xué)生能夠更直觀地接觸到這些較為抽象的知識(shí)。已有研究表明依托于VR/AR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室可以提高學(xué)生的表現(xiàn)和分析能力、動(dòng)機(jī)和參與水平[16]。Chen等人利用AR技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)可以直接觀察到化學(xué)元素的化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室(見(jiàn)圖4)[17]。學(xué)生可以通過(guò)操作(指引元素碰撞)觀察到化學(xué)反應(yīng)，也可以通過(guò)觸摸符號(hào)選項(xiàng)并查看新產(chǎn)物的形成來(lái)獲得視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)反饋，得到沉浸式與趣味性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

(二)構(gòu)建虛擬協(xié)作學(xué)習(xí)空間

元宇宙中的虛擬世界具有社會(huì)交互性。虛擬世界中的多個(gè)用戶群體，即元空間的一個(gè)子集，可以接收其他用戶看到的相同信息，并且可以以一致和實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行交互。在虛擬世界中，除了使用的文本和圖形進(jìn)行交流之外，還可以通過(guò)語(yǔ)音、手勢(shì)和對(duì)象更有效地與群體進(jìn)行交流和互動(dòng)。虛擬世界由一個(gè)身臨其境的環(huán)境組成，它提供一種存在感并減少了學(xué)生社交中的距離限制。虛擬世界中的存在通過(guò)化身的外觀來(lái)顯示，這是用戶在物理世界中的表示，化身可以根據(jù)用戶的創(chuàng)造力更改為不同類型的形象。一些研究表明，虛擬世界可用于教育，因?yàn)樗峁┝松缃换?dòng)和角色扮演，可以激發(fā)用戶的存在感[18]。這最終會(huì)提升學(xué)習(xí)者之間的信任水平。這種虛擬環(huán)境可以復(fù)制現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境，因此它為學(xué)生提供了在不參加實(shí)體課程的情況下親身參與學(xué)習(xí)過(guò)程的機(jī)會(huì)。協(xié)作學(xué)習(xí)被認(rèn)為是虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的重要組成部分[19]，現(xiàn)有的虛擬環(huán)境通常被視為一個(gè)協(xié)作學(xué)習(xí)空間，在這個(gè)空間中，學(xué)習(xí)者們可以在不同的主題下共同完成一些虛擬任務(wù)。

圖4 “Elements 4D”AR化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室[17]

虛擬學(xué)習(xí)空間在促進(jìn)在時(shí)間和空間上分散的成員之間的溝通和協(xié)作方面發(fā)揮著核心作用。Bambury考慮到虛擬現(xiàn)實(shí)的社會(huì)層面，將虛擬現(xiàn)實(shí)中的教學(xué)實(shí)施劃分為四個(gè)階段，這四個(gè)階段層層遞進(jìn)，最后達(dá)成高度自由的協(xié)作學(xué)習(xí)的最高目標(biāo)[20]。第一階段是使用VR進(jìn)行感知或刺激，教育者指導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行多模態(tài)體驗(yàn)，而學(xué)習(xí)者則處于被動(dòng)狀態(tài)。在第二階段，學(xué)習(xí)者可以與虛擬世界進(jìn)行基本的互動(dòng)，從而影響內(nèi)容的流動(dòng)。在第三階段，學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)自治，具有高度的自主性，并通過(guò)自己的決定指導(dǎo)學(xué)習(xí)過(guò)程。最終階段是虛實(shí)空間的融合，通過(guò)社交虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)上的人與人之間的互動(dòng)和協(xié)作，讓學(xué)習(xí)者真正感受到置身于一個(gè)全新空間，這種集體虛擬學(xué)習(xí)空間使得以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)策略，如基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和游戲化學(xué)習(xí)得到了更廣泛的應(yīng)用。虛擬空間也打破了協(xié)作學(xué)習(xí)的時(shí)空限制，無(wú)論是線下教學(xué)還是遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，虛擬空間都能為協(xié)作學(xué)習(xí)提供足夠便捷的環(huán)境。教師設(shè)置了一個(gè)規(guī)劃建筑相關(guān)的任務(wù)，并要求學(xué)習(xí)者在利用Second Life構(gòu)建的虛擬空間中進(jìn)行交流與協(xié)作學(xué)習(xí)(見(jiàn)圖5)[21]。

圖5 在虛擬學(xué)習(xí)空間中進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)[21]

(三)優(yōu)化在線學(xué)習(xí)體驗(yàn)

在線學(xué)習(xí)越來(lái)越成為主流，其主要包含兩種類型：異步和同步的在線學(xué)習(xí)[22]。這兩種類型都依賴于二維數(shù)字環(huán)境中的軟件或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，它們跨越平面內(nèi)的數(shù)字窗口，具有寬度和高度，但沒(méi)有任何深度。標(biāo)準(zhǔn)的異步在線學(xué)習(xí)工具包括學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)(如Moodle、LMS)、協(xié)作網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序等，教育者、學(xué)生和內(nèi)容之間隨時(shí)隨地的交流和交互。同步的電子學(xué)習(xí)系統(tǒng)使教育者和學(xué)生能夠在一個(gè)數(shù)字的、虛擬的空間同時(shí)進(jìn)行在線會(huì)議。同步在線學(xué)習(xí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)會(huì)議平臺(tái)(如Zoom、騰訊會(huì)議)實(shí)現(xiàn)。然而，在2D、基于web的環(huán)境中運(yùn)行的應(yīng)用程序有較大的局限性，且運(yùn)行效率低下。同步在線平臺(tái)的日常延伸使用導(dǎo)致了學(xué)習(xí)疲勞等現(xiàn)象。異步平臺(tái)經(jīng)常受到情感隔離的困擾。因此，在線課程都存在較高的輟學(xué)率[23]。造成這種問(wèn)題的主要原因有以下幾點(diǎn)。①不在場(chǎng)：由于學(xué)習(xí)者未處在物理教室，在線課堂常被視為視頻電話，而不是虛擬的集體授課場(chǎng)所。參加長(zhǎng)時(shí)間不在場(chǎng)學(xué)習(xí)的人往往會(huì)注意力分散。②粗糙的情感表達(dá)：用戶通過(guò)表情符號(hào)表達(dá)情感的選擇非常有限。③低社交：2D平臺(tái)提供的參與者互動(dòng)方式有限。除非教師主動(dòng)發(fā)起學(xué)習(xí)活動(dòng)，否則學(xué)生只能被動(dòng)地參與，很少有機(jī)會(huì)主動(dòng)參與課堂。④低自我感知：用戶在2D環(huán)境中對(duì)自我的感知非常有限，只能通過(guò)照片或?qū)崟r(shí)網(wǎng)絡(luò)攝像頭的頭部特寫，以無(wú)實(shí)體的形式呈現(xiàn)。

元宇宙作為克服現(xiàn)有基于2D的在線和遠(yuǎn)程教育的局限性的一種替代方案，正受到人們的關(guān)注。由于各種技術(shù)，如交互技術(shù)、人工智能等技術(shù)的使用，元宇宙可以提供與當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代不同的體驗(yàn)價(jià)值。上述所有的限制都可以通過(guò)3D、沉浸式空間環(huán)境來(lái)解決，元宇宙驅(qū)動(dòng)的在線遠(yuǎn)程教育的新模式出現(xiàn)，打破2D平臺(tái)的限制，可以構(gòu)建在線3D虛擬教室(見(jiàn)圖6)[24]，為學(xué)習(xí)者帶來(lái)無(wú)限趨于現(xiàn)實(shí)而又超越現(xiàn)實(shí)的豐富學(xué)習(xí)環(huán)境，提升自我感知、豐富交流方式、細(xì)化情感表達(dá)，優(yōu)化混合的正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)的在線學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在這里，學(xué)生是虛擬空間的共同所有者，也是流動(dòng)的、個(gè)性化課程的共同創(chuàng)造者。此外，元宇宙使設(shè)計(jì)一種超越時(shí)間和空間的新體驗(yàn)成為可能，元世界中的在線學(xué)習(xí)將能夠打破社會(huì)聯(lián)系和非正式學(xué)習(xí)的最后邊界，身體出現(xiàn)在教室將不再是一種特權(quán)教育經(jīng)驗(yàn)。肢體語(yǔ)言和面部表情的保真將使虛擬的學(xué)習(xí)參與同樣有效。此外，元宇宙中的社會(huì)混合現(xiàn)實(shí)可以實(shí)現(xiàn)混合式的主動(dòng)教學(xué)法，從而培養(yǎng)更深入持久的知識(shí)[25]。更重要的是，它可以成為教育民主化的一個(gè)因素，使全世界在平等的基礎(chǔ)上參與教育，不受地域限制的限制?？偟膩?lái)說(shuō)，基于元宇宙的在線學(xué)習(xí)可以利用無(wú)限的空間和數(shù)據(jù)，并擁有著能夠達(dá)到與面對(duì)面教學(xué)同樣的交流效果。

圖6 元宇宙在線教室的實(shí)現(xiàn)[24]

四、總結(jié)與展望

元宇宙有著豐富的教育應(yīng)用場(chǎng)景，且仍在不斷發(fā)展之中，是未來(lái)教育的重要發(fā)展方向。目前元宇宙的教育應(yīng)用主要集中在通過(guò)拓展現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，以保證沉浸式以及協(xié)作學(xué)習(xí)體驗(yàn)，并進(jìn)一步推動(dòng)在線學(xué)習(xí)的發(fā)展。但由于元宇宙相關(guān)技術(shù)發(fā)展尚未成熟，并且缺乏將教育理念、教學(xué)應(yīng)用于元宇宙的深度結(jié)合分析，元宇宙與教育的結(jié)合仍處于初級(jí)階段，距離發(fā)展完善還有很長(zhǎng)的路要走。

(一)通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)元宇宙在教育中的應(yīng)用

元宇宙底層支撐技術(shù)仍在漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程中，有很多問(wèn)題亟待解決，如人機(jī)交互不夠自然，虛擬環(huán)境真實(shí)度與美觀性不足，操作延遲過(guò)高等等。這些都對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)有負(fù)面影響，同時(shí)也會(huì)影響學(xué)習(xí)效果。隨著擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，學(xué)習(xí)者在虛擬世界中的交互體驗(yàn)將無(wú)限趨近于現(xiàn)實(shí)世界中的交互體驗(yàn)，學(xué)習(xí)者之間的交流協(xié)作將不存在任何界限。同時(shí)，未來(lái)的技術(shù)要保證用戶與數(shù)字實(shí)體之間無(wú)縫的、輕量級(jí)的交互。現(xiàn)有的技術(shù)需要用戶通過(guò)佩戴實(shí)體輸入設(shè)備與虛擬世界進(jìn)行交互，這可能會(huì)破壞用戶的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，同時(shí)實(shí)體設(shè)備高昂的價(jià)格與復(fù)雜的操作進(jìn)一步增加了相關(guān)技術(shù)在教育中的應(yīng)用難度。未來(lái)將進(jìn)一步發(fā)展交互技術(shù)，用戶可以直接通過(guò)手勢(shì)來(lái)選擇和處理虛擬內(nèi)容，簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)操作，進(jìn)一步增加沉浸感，提升元宇宙在教育中的應(yīng)用普及速度。

(二)加強(qiáng)教育理論與元宇宙的深度融合

目前，在教學(xué)中對(duì)于元宇宙的應(yīng)用多處在教師演示以及學(xué)生較為簡(jiǎn)單的交互層次上，元宇宙更像是一種輔助教育教學(xué)的工具，教育者根據(jù)教學(xué)需求構(gòu)建相應(yīng)的虛擬場(chǎng)景來(lái)輔助教學(xué)。這主要?dú)w咎于研究者未將教育理論與元宇宙進(jìn)行深層次的分析和結(jié)合，導(dǎo)致元宇宙在教育方向的發(fā)展還是處在表層應(yīng)用的階段。同時(shí)，利用元宇宙技術(shù)開(kāi)發(fā)的教學(xué)產(chǎn)品多以技術(shù)為導(dǎo)向，缺乏教育理論對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)支持。想要真正實(shí)現(xiàn)元宇宙在教育領(lǐng)域的發(fā)展，必須要將元宇宙與教育教學(xué)設(shè)計(jì)理念結(jié)合，教育者需要正確地理解每種類型的元空間的技術(shù)特征和相關(guān)課程設(shè)計(jì)原則，以便學(xué)生能夠協(xié)作和創(chuàng)造性地解決問(wèn)題或執(zhí)行項(xiàng)目。同時(shí)要注意不能只簡(jiǎn)單地將真實(shí)教學(xué)環(huán)境完全復(fù)制到虛擬環(huán)境中，要經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟虒W(xué)設(shè)計(jì)，明白虛擬世界是現(xiàn)實(shí)世界的補(bǔ)充，而不是替代[26]。

(三)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者全方位全時(shí)空的數(shù)字化模擬和分析

在已有的學(xué)習(xí)科學(xué)的研究中，學(xué)習(xí)者的教育神經(jīng)原理和深層次的認(rèn)知心理狀態(tài)分析一直是困擾學(xué)界的難題。通過(guò)先進(jìn)的數(shù)字孿生技術(shù)將學(xué)習(xí)者外在的學(xué)習(xí)行為和內(nèi)在的心理活動(dòng)進(jìn)行全狀態(tài)隨時(shí)隨地的數(shù)字化模擬，并且與現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)學(xué)習(xí)者完全同步。通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行分析，可以得到學(xué)習(xí)者認(rèn)知狀態(tài)、心理狀態(tài)的確切數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)者的思維過(guò)程將不再是難以深入的“黑匣子”。因此，利用元宇宙中的數(shù)字孿生，教育研究者可以深刻詳盡地研究人類學(xué)習(xí)過(guò)程的各種客觀規(guī)律和學(xué)習(xí)者的個(gè)性化特征，并以此來(lái)映射和指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)效果質(zhì)的飛躍。同時(shí)，數(shù)字孿生可以進(jìn)行二十四小時(shí)不間斷模擬學(xué)習(xí)，通過(guò)學(xué)習(xí)結(jié)果為學(xué)習(xí)者提供效果最佳的下一階段學(xué)習(xí)方案，實(shí)現(xiàn)真正的個(gè)性化學(xué)習(xí)。

《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》提出要“加快信息化時(shí)代教育變革”[27]，“十四五”教育規(guī)劃中提到要“探索‘互聯(lián)網(wǎng)+教育’發(fā)展新模式，大力發(fā)展智慧教育，全面提升師生信息素養(yǎng)，為加快推薦教育現(xiàn)代化，建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)營(yíng)造良好的技術(shù)環(huán)境”[28]。元宇宙的到來(lái)可以有力促進(jìn)我國(guó)教育信息化的發(fā)展，也為未來(lái)教育提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)與新的發(fā)展機(jī)遇。元宇宙是教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一種未來(lái)新生態(tài)，也是教育現(xiàn)代化的一類有機(jī)的組成業(yè)態(tài)。元宇宙將成為人類自我創(chuàng)建的嶄新時(shí)空，并成為教育領(lǐng)域全新的、具有劃時(shí)代意義的下一代學(xué)習(xí)空間。