劉燁，成偉，李焱，尹依夢，孫慧杰

河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050061

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息空間成為人們生產(chǎn)、生活的重要空間。元宇宙（metaverse）作為融合多種前沿技術(shù)的新型社會體系，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。元宇宙意為超越宇宙，是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實（augmented reality，AR）、虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）、3D建模等技術(shù)構(gòu)建的平行于現(xiàn)實世界的虛擬網(wǎng)絡(luò)世界。2003年國外學(xué)者認(rèn)為在元宇宙空間里，用戶可以進(jìn)行交易、創(chuàng)造[1-2]；2003年《第二人生》（Second Life）3D虛擬游戲的發(fā)布在理念上為研究人員開啟了無限遐想，如元宇宙中的教育模式、社交形態(tài)等[3]；2008年，Collins C[4]預(yù)測在高等教育領(lǐng)域?qū)?yīng)用元宇宙技術(shù)提升學(xué)生的創(chuàng)新能力；Kanematsu H等人嘗試在STEM教育中實現(xiàn)虛實融合教學(xué)模式的方法[5-6]。近年來，我國學(xué)者在教育元宇宙領(lǐng)域開展了積極探索，目前相關(guān)研究認(rèn)為教育元宇宙可以提供智慧學(xué)習(xí)范式、深度沉浸的體驗性學(xué)習(xí)過程，為教育提供更加智能的教學(xué)服務(wù)與體驗，為教育領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力[7-10]。

我國《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提出，要加快建設(shè)信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)云網(wǎng)協(xié)同和算網(wǎng)融合發(fā)展，有序推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施智能升級。2020年，在新型冠狀病毒感染疫情的影響下，教育模式從傳統(tǒng)的教室實體教學(xué)轉(zhuǎn)向“互聯(lián)網(wǎng)教育”模式，通過開放直播課程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，實現(xiàn)了教育知識共享。如何提高互聯(lián)網(wǎng)教育資源質(zhì)量成為新時代教育探索的新課題，教育信息化發(fā)展也隨之邁入數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期。本文主要基于元宇宙“沉浸式+虛實融合”的特征， 提出構(gòu)建教育資源共享化、教育場景多元化、教育行為去中心化的教育元宇宙社區(qū)，然后分析教育元宇宙社區(qū)的體系結(jié)構(gòu)，最后針對教育元宇宙社區(qū)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)提出解決策略，以期為 新時代教育的發(fā)展提供一定參考。

1 教育元宇宙社區(qū)的特征

1.1 教育資源共享化

在教育元宇宙社區(qū)中，教育突破了地域和時空的限制，為更多人提供了隨時隨地受教育的機(jī)會。在元宇宙技術(shù)的加持下，教育元宇宙社區(qū)使虛擬教學(xué)環(huán)境與現(xiàn)實世界的邊界趨于模糊，能夠集成各種類型的教育資源，解決現(xiàn)在遠(yuǎn)程教育、在線學(xué)習(xí)的問題，滿足每個用戶的個性化學(xué)習(xí)需求。另外，相較于傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)群體而言，教育元宇宙社區(qū)是尋求高質(zhì)量教育發(fā)展道路、重塑教育主體間關(guān)系、解決教育公平等社會問題的重要方式[11]。教育元宇宙社區(qū)的構(gòu)建能夠突破語言、文化層次、地域壁壘，使每個用戶都能在教育元宇宙社區(qū)中根據(jù)自身的情況選擇教育資源。例如，在教育元宇宙社區(qū)中建立虛擬校園，可以讓來自世界各地的用戶一起學(xué)習(xí)、實時互動、協(xié)同發(fā)展，實現(xiàn)教育知識共享，極大程度地提升用戶學(xué)習(xí)效果。

1.2 教育場景多元化

教育元宇宙社區(qū)為用戶提供了多元化在線課程資源及多元化教學(xué)場景，用戶可以自由選擇教育資源，也可以借助輔助工具創(chuàng)設(shè)教學(xué)活動所需的個性化場景與資源。例如，文學(xué)類教育可以將真實的場景、人物還原在用戶眼前，仿佛穿越時空成為歷史見證者；理科類教育可以通過仿真技術(shù)展現(xiàn)更加豐富的教育內(nèi)容，用戶全程以第三視角參與，穿梭于行星與恒星演變、生物生長過程等場景，從而提升用戶學(xué)習(xí)意愿，促進(jìn)其知識吸收。此外，教育元宇宙社區(qū)利用現(xiàn)代新型虛擬技術(shù)為用戶打造了一個切實感悟體驗、智能交互的虛實深度融合空間，為用戶提供沉浸式感官體驗，用戶能夠擁有身臨其境的感受。例如，用戶可以通過教育元宇宙社區(qū)設(shè)定的第一視角學(xué)習(xí)滑雪技能，也可以通過虛擬穿戴設(shè)備進(jìn)行虛擬實驗[12]；利用虛實融合的數(shù)據(jù)深度處理對實驗現(xiàn)象進(jìn)行高度復(fù)原，并實時進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)采集，能夠有效規(guī)避實驗中因操作不當(dāng)帶來的潛在風(fēng)險。

1.3 教育行為去中心化

區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用使教育元宇宙社區(qū)具有去中心化的特征。在教育元宇宙社區(qū)中，每個用戶都擁有一個或多個屬于自己的ID[13]，獲得自己的虛擬化身。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，用戶可以點(diǎn)對點(diǎn)地進(jìn)行教育資源分享、交互，即用戶可以直接找到教育資源輸出者或接收者，與其進(jìn)行互動，使教育資源在元宇宙視域下構(gòu)成一張去中心化的交互網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)教育元宇宙社區(qū)知識交易透明和身份數(shù)據(jù)認(rèn)證，保證用戶的知識交易和身份信息的安全性。

2 教育元宇宙社區(qū)的關(guān)鍵技術(shù)和架構(gòu)設(shè)計

2.1 教育元宇宙社區(qū)的技術(shù)體系

教育元宇宙社區(qū)作為一種廣義的網(wǎng)絡(luò)空間[14]，將線上教育資源與元宇宙中虛擬教學(xué)深度融合，并不斷推動線下教育到線上教育、線上教育再到線下教育的雙向循環(huán)發(fā)展。其中，網(wǎng)絡(luò)通信、區(qū)塊鏈、人工智能、人機(jī)交互等是教育元宇宙從理論邁向?qū)嵺`的重要支點(diǎn)。本文將教育元宇宙社區(qū)涵蓋的技術(shù)分為以下幾個方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

無論是大規(guī)模構(gòu)建虛擬世界數(shù)字資源，還是進(jìn)行物理世界與虛擬世界之間的交互，都離不開網(wǎng)絡(luò)與通信。5G/6G具有低時延、低功耗、高傳輸速率、高帶寬的特點(diǎn)[15]，能夠為教育元宇宙社區(qū)建立沉浸式教學(xué)環(huán)境、全感官交互體驗、全息通信等提供支持。

（2）區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)主要由點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、分布式存儲、驗證機(jī)制、智能合約、數(shù)字加密技術(shù)等構(gòu)成，為現(xiàn)實世界與教育元宇宙社區(qū)體系聯(lián)動、構(gòu)建虛擬世界去中心化的金融體系提供了可靠的保障。區(qū)塊鏈技術(shù)可以為知識交易、知識傳播、知識檢索、學(xué)習(xí)評價等提供依據(jù)，同時對虛擬資產(chǎn)、信用等級等進(jìn)行保護(hù)。

（3）人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)為教育元宇宙社區(qū)提供教育資源生態(tài)、虛擬社交、情景化教學(xué)等功能。例如，應(yīng)用自然語言處理技術(shù)進(jìn)行智能知識推薦、師生互動、智能方案決策、信息檢索等操作，為用戶提供精準(zhǔn)、便捷的信息服務(wù)；將計算機(jī)視覺與圖像處理、圖像分析等算法相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)識別、目標(biāo)跟蹤，有效地監(jiān)測用戶的學(xué)習(xí)行為。

（4）交互技術(shù)

交互技術(shù)是指通過增強(qiáng)顯示技術(shù)、全息影像、腦機(jī)接口等連接物理世界與虛擬世界，是教育元宇宙社區(qū)為用戶提供沉浸式、情景化教育體驗的關(guān)鍵技術(shù)[16]。增強(qiáng)顯示技術(shù)與全息技術(shù)相結(jié)合可以將現(xiàn)實世界與虛擬世界進(jìn)行“無縫”集成，使用戶在現(xiàn)實世界中體驗到虛擬世界中出現(xiàn)的聲音、氣味、畫面等感官信息，滿足用戶的沉浸式體驗需求。

2.2 教育元宇宙社區(qū)框架構(gòu)建

目前，不同的學(xué)者對教育元宇宙的基礎(chǔ)架構(gòu)有不同的探索。王亞文等人[17]提出支持實驗教學(xué)的教育元宇宙架構(gòu)，郭亞軍等人[18]提出了教育元宇宙視域下的公共圖書館社會教育框架，蘭國帥等人[19]提出了“智能+”學(xué)習(xí)元宇宙框架。 本文基于以上教育元宇宙架構(gòu)雛形，將教育元宇宙社區(qū)的構(gòu)建分為物理層、數(shù)據(jù)層、功能層、交互層4個層次，如圖1所示。

圖1 教育元宇宙體系架構(gòu)

（1）物理層

物理層位于整個教育元宇宙社區(qū)體系架構(gòu)的最底層，它為整個元宇宙提供了相應(yīng)的硬件保障，是構(gòu)建整個教育元宇宙社區(qū)的基礎(chǔ)。其組成主要包括：①高速網(wǎng)絡(luò)配置，即通過5G/6G網(wǎng)絡(luò)、教育虛擬專網(wǎng)、增強(qiáng)移動帶寬等技術(shù)為教育元宇宙社區(qū)下的教學(xué)活動提供良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，滿足用戶的沉浸式體驗需求；②人機(jī)交互設(shè)備，即借助現(xiàn)有的人機(jī)交互設(shè)備完成全感官交互式體驗，如通過VR眼鏡完成視覺交互，通過擴(kuò)展現(xiàn)實（extended reality，XR）頭盔和電子皮膚完成身體觸覺交互；③數(shù)據(jù)采集設(shè)備，即通過生物、物理、化學(xué)采集設(shè)備采集現(xiàn)實世界的各種資源數(shù)據(jù)，并利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建與現(xiàn)實世界一樣的虛擬世界。

（2）數(shù)據(jù)層

在物理層的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)層通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)將現(xiàn)實世界的服務(wù)場景進(jìn)行同源異構(gòu)，它是構(gòu)建教育元宇宙社區(qū)的算力保障。其組成主要包括：①數(shù)字孿生，即通過云計算、霧計算、人工智能等技術(shù)完成現(xiàn)實世界的教育知識庫到教育元宇宙社區(qū)的虛擬復(fù)制，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與教育元宇宙社區(qū)不同實體的無縫對接；②資源解構(gòu)，即通過自然語言處理技術(shù)進(jìn)行關(guān)系抽取，找出實體與實體、實體內(nèi)部的原子實體之間存在的關(guān)系，并對每個實體的每個維度的元數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)引，將其表示為實體關(guān)系三元組，從而構(gòu)建虛擬世界實體的知識圖譜；③知識重組，即通過對客體中的知識因子與知識關(guān)聯(lián)進(jìn)行重新組合，在語義與互動兩個層次上實現(xiàn)數(shù)字資源的集成，從而構(gòu)建元宇宙數(shù)字資源語義圖譜。

（3）功能層

功能層主要通過區(qū)塊鏈、自然語言處理等技術(shù)實現(xiàn)教育元宇宙社區(qū)的知識傳播、知識交易、知識存儲，并在知識傳播和交易過程中進(jìn)行鏈上和鏈下相互融合的監(jiān)管，對知識財產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)。其組成主要包括：①數(shù)據(jù)建模，即通過統(tǒng)計模擬法、3D渲染等算法對數(shù)據(jù)層采集的實體特征信息、傳感器數(shù)據(jù)等進(jìn)行數(shù)字對象的創(chuàng)建和編輯，并以3D可視化的效果進(jìn)行呈現(xiàn)；②數(shù)據(jù)傳輸，即利用區(qū)塊鏈點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、數(shù)字簽名、非對稱加密算法等保證用戶身份和交易數(shù)據(jù)的安全；③數(shù)據(jù)存儲，即利用分布式存儲技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲到各個節(jié)點(diǎn)上，并利用教育元宇宙社區(qū)自己的共識機(jī)制（公鏈上采用工作量證明（PoW）/權(quán)益證明（PoS）共識機(jī)制，私鏈上采用實用拜占庭容錯（PBFT）共識機(jī)制）約束每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而保證每個節(jié)點(diǎn)信息的安全性；④身份認(rèn)證，即在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中進(jìn)行知識交易、知識傳播等操作時，判斷對方是否具有交易、訪問等權(quán)限；⑤數(shù)據(jù)監(jiān)管，即通過構(gòu)建元宇宙法律、元宇宙政府、教育智能規(guī)約等實現(xiàn)對知識在傳播交易過程中的問題預(yù)判、沖突甄別和違規(guī)處理等。

（4）交互層

交互層旨在通過AR設(shè)備、腦機(jī)交互接口等與虛擬世界進(jìn)行連接，為用戶提供交互式情景化教育體驗，它是教育元宇宙社區(qū)架構(gòu)的核心。其主要組成包括：①虛擬現(xiàn)實，即利用全息影像、增強(qiáng)顯示技術(shù)等將數(shù)字資源進(jìn)行立體化呈現(xiàn)，提供身臨其境的交互感受；②感官體驗，即借助現(xiàn)有體感技術(shù)實現(xiàn)用戶在虛擬環(huán)境內(nèi)的學(xué)習(xí)與互動；③人機(jī)交互，即在教育元宇宙社區(qū)中，用戶可以直接通過腦機(jī)接口來操作虛擬環(huán)境，并通過意識操控虛擬化身。

3 教育元宇宙社區(qū)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與策略

3.1 面臨的挑戰(zhàn)

（1）技術(shù)應(yīng)用

教育元宇宙社區(qū)是一個比較復(fù)雜的虛擬社會生態(tài)系統(tǒng)，元宇宙技術(shù)的應(yīng)用會直接影響社區(qū)的構(gòu)建與普及。當(dāng)前，元宇宙關(guān)鍵技術(shù)尚處于發(fā)展階段，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要有：①構(gòu)建沉浸式學(xué)習(xí)場景時沒有強(qiáng)大的算力系統(tǒng)做支撐；②高性能的沉浸式設(shè)備兼容性較差；③5G基站分布不夠廣泛，信息傳輸不穩(wěn)定；④虛擬場景渲染程度不夠清晰自然，影響用戶在虛擬場景中的體驗感。

（2）信息安全

在教育元宇宙社區(qū)中確保用戶信息免受外部破壞是社區(qū)健康發(fā)展面臨的一大挑戰(zhàn)。目前區(qū)塊鏈技術(shù)可以利用信息混淆機(jī)制、信息加密機(jī)制、通道隔離機(jī)制和權(quán)限限制機(jī)制等保護(hù)用戶的身份信息、交易信息，但是在收集、傳輸與用戶有關(guān)的個人教育信息、生物測量數(shù)據(jù)、用戶習(xí)慣等信息時，極有可能存在惡意用戶以VR、XR等設(shè)備為接口竊取用戶的數(shù)據(jù)信息的情況，引發(fā)用戶信息安全風(fēng)險。

（3）法規(guī)制度

在元宇宙視域下，教育學(xué)習(xí)活動轉(zhuǎn)化為人機(jī)交互的數(shù)字化形態(tài)的過程中，應(yīng)用人工智能技術(shù)、交互技術(shù)時，缺乏相應(yīng)的法規(guī)制度進(jìn)行引導(dǎo)和約束，社區(qū)教育教學(xué)活動可能會引發(fā)一系列教育風(fēng)險。例如，用戶過度沉浸于虛擬世界，或者算法對用戶的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)資源過度引導(dǎo)，導(dǎo)致“缸中之腦”“數(shù)字監(jiān)獄”“信息繭房”現(xiàn)象的發(fā)生，影響用戶創(chuàng)新思維的形成。

（4）教學(xué)模式

作為新型教育環(huán)境，教育元宇宙社區(qū)中的教學(xué)模式需要重塑。一方面，教育元宇宙社區(qū)中可利用的教育資源形式多樣、種類繁多，教育資源缺乏整合匯聚，沒有形成科學(xué)性、系統(tǒng)性的教學(xué)體系；另一方面，教育元宇宙社區(qū)在為用戶提供多元化的教學(xué)場景時，缺乏相應(yīng)教學(xué)活動的設(shè)計，難以調(diào)動用戶的學(xué)習(xí)積極性，影響教育元宇宙社區(qū)的高效發(fā)展。

3.2 發(fā)展策略

（1）技術(shù)應(yīng)用策略

提前部署教育元宇宙社區(qū)的技術(shù)規(guī)劃，為社區(qū)的構(gòu)建提供技術(shù)保障。首先，應(yīng)該鼓勵相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，促進(jìn)元宇宙技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。其次，在構(gòu)建教育元宇宙社區(qū)時重視與超級智算中心合作共建。2022年8月全球最大的智算中心阿里云張北超級智算中心正式啟動，建議由政府部門牽頭推動研究機(jī)構(gòu)、學(xué)校等共享超算資源，共同探索元宇宙框架技術(shù)、軟件、硬件等方面的標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)，為教育元宇宙社區(qū)的發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）信息安全保障策略

在教育元宇宙社區(qū)的設(shè)計中引入多角度身份認(rèn)證機(jī)制，為社區(qū)的安全發(fā)展提供保障。首先，在確認(rèn)用戶身份信息時，一方面利用基于傳統(tǒng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（virtual private network，VPN）身份認(rèn)證技術(shù)對用戶的身份信息進(jìn)行加密和壓縮；另一方面加入基于生物特征的多模態(tài)身份認(rèn)證技術(shù)，將用戶的多個生物特征信息納入安全保障體系中，提高身份認(rèn)證的可靠性。其次，根據(jù)用戶的需求創(chuàng)建虛擬世界中的“私人副本”供用戶臨時專用，利用“私人副本”所處的不同環(huán)境來遮掩用戶位置、用戶行為等信息，在用戶使用完畢后將副本信息全部刪除，防止用戶信息泄露。此外，在利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對用戶進(jìn)行知識推送時，優(yōu)化人機(jī)互動監(jiān)督機(jī)制，確保用戶信息安全。

（3）法規(guī)制定策略

在教育元宇宙社區(qū)中建立健全法規(guī)制度，為社區(qū)的健康發(fā)展提供支持。首先，堅持以人為本的理念，立足于育人育才目標(biāo)，成立專門的教育元宇宙社區(qū)發(fā)展研究中心，研究元宇宙虛擬世界對學(xué)習(xí)者心理、生理等方面的影響，制定教育元宇宙社區(qū)政策、法規(guī)、指導(dǎo)意見等，構(gòu)建教育元宇宙社區(qū)倫理道德制度體系。其次，探索教育元宇宙社區(qū)評價機(jī)制，利用區(qū)塊鏈溯源技術(shù)，構(gòu)建激勵機(jī)制下的學(xué)習(xí)任務(wù)，清晰地追溯用戶的學(xué)習(xí)過程，通過評分算法將其計入教育社區(qū)總評分中，統(tǒng)計用戶參與情況及社區(qū)體驗情況，完成對教育元宇宙社區(qū)的評價，科學(xué)規(guī)范地促進(jìn)教育元宇宙社區(qū)普及。

（4）教學(xué)模式構(gòu)建策略

在教育元宇宙社區(qū)中積極探索新型教育教學(xué)模式，為社區(qū)的創(chuàng)新發(fā)展提供支持。一是采用多種數(shù)據(jù)采集與存儲方法盤活現(xiàn)有的教育資源，如國家智慧教育公共服務(wù)平臺、中國大學(xué)MOOC、中國科普網(wǎng)等各類平臺，依據(jù)學(xué)習(xí)場景的不同，進(jìn)行科學(xué)性與系統(tǒng)性的教育教學(xué)模式探索，構(gòu)建集學(xué)校教育、家庭教育、社會科普教育及紅色文化教育為一體的教育社區(qū)，促進(jìn)各科學(xué)領(lǐng)域教育資源的共建與發(fā)展。二是構(gòu)建討論交互式教學(xué)活動，使教育資源突破空間地域壁壘，以群體感知的模式實現(xiàn)知識實時共享、用戶實時互動，為用戶創(chuàng)新知識提供有力支持。三是推動個性化教學(xué)模式發(fā)展，利用自然語言處理技術(shù)對用戶年齡、專業(yè)、興趣等內(nèi)容進(jìn)行信息收集和分析，分析其可能感興趣的教育資源，為用戶設(shè)計多樣化的教學(xué)活動，如模擬中國航天空間站實驗闖關(guān)游戲、模擬競技體育比賽、數(shù)字文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計大賽等，增加知識趣味性，激發(fā)用戶的好奇心、想象力、探究力和創(chuàng)造力，提高用戶學(xué)習(xí)知識、創(chuàng)造知識的積極性。

4 結(jié)束語

信息技術(shù)的不斷發(fā)展使教育資源的配置與共享模式發(fā)生了變化，教育元宇宙將成為教育信息化發(fā)展的新方向。本文基于元宇宙技術(shù)，提出了教育元宇宙社區(qū)體系框架及社區(qū)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與策略，希望能為教育資源的整合發(fā)展提供一定的參考。