華子荀 黃慕雄 吳鵬澤 黃嘉歆

數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型研究*

華子荀1黃慕雄2吳鵬澤3[通訊作者]黃嘉歆1

（1．廣東第二師范學(xué)院 教師教育學(xué)院，廣東廣州 510303；2．廣東第二師范學(xué)院，廣東廣州 510303；3．華南師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510631）

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，將元宇宙應(yīng)用于教育領(lǐng)域，其獨(dú)有的技術(shù)特征對(duì)學(xué)習(xí)方法的變革起到了重要作用。為解答“教育元宇宙因何有效”的問題，文章首先基于人類實(shí)踐形態(tài)理論、具身認(rèn)知理論及其三要素之間關(guān)系的梳理，提出教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型。之后，文章對(duì)該模型三個(gè)核心技術(shù)——數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)的內(nèi)涵及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用分別進(jìn)行了介紹，明確了教育元宇宙的數(shù)字技術(shù)進(jìn)階性。最后，文章以廣東省G大學(xué)“虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)”課程為案例，并以“元宇宙黨史游覽館”為課程的實(shí)踐主題，開展了為期四周的教學(xué)實(shí)踐，通過問卷調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了教育元宇宙在三項(xiàng)核心技術(shù)維度上的教學(xué)有效性。文章構(gòu)建的教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型在技術(shù)維度上凸顯了元宇宙的教育優(yōu)勢(shì)，可為教育元宇宙的設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用研究提供借鑒。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型；教育元宇宙；數(shù)字物聯(lián)；數(shù)字人聯(lián)；數(shù)字智聯(lián)

引言

2021年，教育部發(fā)布《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)程目標(biāo)綱要》，明確提出全面推進(jìn)“數(shù)字中國(guó)”目標(biāo)，加快數(shù)字社會(huì)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字政府建設(shè)，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體推進(jìn)生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革[1]。數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)于整個(gè)社會(huì)來說是一種系統(tǒng)性的變革，教育也應(yīng)融入數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)中，由此教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的理念應(yīng)運(yùn)而生。教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型旨在將數(shù)字技術(shù)整合到教育的各個(gè)層面，從供給驅(qū)動(dòng)變?yōu)樾枨篁?qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教育的優(yōu)質(zhì)與均衡發(fā)展，形成開放性、適應(yīng)性、靈活性、持續(xù)性的數(shù)字教育生態(tài)。在此背景下，利用適切的數(shù)字技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化場(chǎng)景、活動(dòng)、資源的設(shè)計(jì)，能夠?yàn)榻虒W(xué)改革與學(xué)習(xí)者培養(yǎng)提供重要支撐。

在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，教育元宇宙成為重要的發(fā)展變量。教育元宇宙是一種虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，不僅打破了教學(xué)空間的物理邊界[2]、創(chuàng)設(shè)了學(xué)習(xí)者的數(shù)字化身[3]、增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)與具身認(rèn)知能力[4]，具有整合學(xué)習(xí)者、物理空間、虛擬空間、數(shù)字世界四元空間為統(tǒng)一整體的技術(shù)特征[5]，而且突破了以往在線教育的技術(shù)限制，能有效解決當(dāng)前在線教學(xué)存在的一些問題，因此元宇宙也是一種更加高階的教學(xué)形態(tài)?；诖?，本研究聚焦教育元宇宙的基礎(chǔ)數(shù)字技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的進(jìn)階，探究該環(huán)境中各種數(shù)字技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者的促進(jìn)作用。

一 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型的構(gòu)建

1 元宇宙的教育賦能作用

依托5G網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)的融合，元宇宙成為了數(shù)字技術(shù)發(fā)展的最新形態(tài)，其本質(zhì)是創(chuàng)建一個(gè)平行于現(xiàn)實(shí)世界的在線數(shù)字空間[6]。元宇宙可以為教育的正式與非正式學(xué)習(xí)提供新場(chǎng)景，解決低效線上互動(dòng)、低參與率、注意力流失等在線教學(xué)問題。在教育賦能方面，元宇宙為教育發(fā)展提供了嶄新的應(yīng)用場(chǎng)景[7]：①基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，進(jìn)一步整合基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)與硬件、軟件、數(shù)據(jù)的形態(tài)[8]；②網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)方面，融入智能分析技術(shù)，開展多模態(tài)智慧課堂、虛擬沉浸式學(xué)習(xí)等智能化教學(xué)課程形式[9]；③教學(xué)資源共享方面，以區(qū)塊鏈為支撐，通過學(xué)習(xí)積分、數(shù)字徽章等[10]，為學(xué)習(xí)行為共識(shí)提供認(rèn)證依據(jù)；④學(xué)習(xí)互動(dòng)方面，依托元宇宙創(chuàng)建的數(shù)字化身，開展沉浸式學(xué)習(xí)[11]。雖然元宇宙獲得了學(xué)界的關(guān)注，但眾多研究者依然對(duì)元宇宙抱有疑惑、焦慮的態(tài)度[12]，否定教育一味追逐新技術(shù)的發(fā)展思路[13]。那么，元宇宙能夠在多大程度上發(fā)揮教學(xué)效果呢？對(duì)于此問題，有必要從元宇宙對(duì)技術(shù)發(fā)展的作用、對(duì)學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展的作用等角度進(jìn)行探討。

2 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型

教育元宇宙之所以能夠成為重要的發(fā)展趨勢(shì)，關(guān)鍵在于其技術(shù)的進(jìn)階性和認(rèn)知的發(fā)展性：一方面，教育元宇宙是一種進(jìn)階的技術(shù)形態(tài)。西方科學(xué)哲學(xué)家Popper[14]提出人類實(shí)踐形態(tài)理論，認(rèn)為人類開展實(shí)踐的形態(tài)有三種，即物理世界、心理世界、虛擬世界。從教育技術(shù)的視角來看，物理世界、心理世界向虛擬世界發(fā)展是一種技術(shù)進(jìn)階的過程。進(jìn)一步而言，在物理世界中構(gòu)建軟、硬件集成的智慧學(xué)習(xí)空間，可為深度學(xué)習(xí)模型提供支撐（物理世界建設(shè)）[15]；通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，形成面向心理世界的知識(shí)進(jìn)化模型[16]，可達(dá)到學(xué)習(xí)者高效認(rèn)知的目的（心理世界建設(shè)）；而在虛擬環(huán)境中融入數(shù)字孿生、虛實(shí)學(xué)習(xí)、虛擬化身、數(shù)字人助理的教育服務(wù)[17]，可在物理、心理兩個(gè)維度實(shí)現(xiàn)超越，產(chǎn)生更高的技術(shù)進(jìn)階形態(tài)（虛擬世界建設(shè)）。人類實(shí)踐形態(tài)理論很好地解釋了元宇宙在技術(shù)進(jìn)階過程中所帶來的教育效能，即以虛擬世界融合物理世界和心理世界，實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)階。另一方面，教育元宇宙也是一種能有效促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展的教育形態(tài)。具身認(rèn)知理論（Embodied Cognition）被認(rèn)為是VR、AR、MR等虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論，該理論強(qiáng)調(diào)人的學(xué)習(xí)活動(dòng)不是獨(dú)立存在的，而是依托于具體的環(huán)境。環(huán)境為人提供感知經(jīng)驗(yàn)[18]，而虛擬現(xiàn)實(shí)的具身環(huán)境又進(jìn)一步影響人的各種身體感官[19]，提供更加豐富的感知經(jīng)驗(yàn)，人類認(rèn)知發(fā)展以感覺、知覺經(jīng)驗(yàn)的積累為基礎(chǔ)，“環(huán)境”“人的身體”“認(rèn)知”三要素形成了自組織的統(tǒng)一整體[20]。具身認(rèn)知理論對(duì)元宇宙的具身學(xué)習(xí)解釋依然適用，并且元宇宙的技術(shù)特性可以獲得更強(qiáng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)認(rèn)知的進(jìn)階式發(fā)展。

技術(shù)的進(jìn)階性與認(rèn)知的發(fā)展性，使人類實(shí)踐形態(tài)理論與具身認(rèn)知理論成為教育元宇宙的理論基礎(chǔ)，不僅可以解釋元宇宙為何優(yōu)于其他技術(shù)形式，而且解答了教育元宇宙“因何有效”的問題。人類實(shí)踐形態(tài)理論的三要素與具身認(rèn)知理論的三要素存在共通之處，主要表現(xiàn)為：“物理世界”和“環(huán)境”都將元宇宙的教育環(huán)境作為影響對(duì)象，“心理世界”和“人的身體”都將元宇宙的學(xué)習(xí)者作為影響對(duì)象，“虛擬世界”和“認(rèn)知”都將元宇宙的算法智聯(lián)作為影響對(duì)象。由此可見，兩個(gè)理論中的三要素既相互聯(lián)系、又具有相似的發(fā)展邏輯，且后環(huán)節(jié)要素以前一環(huán)節(jié)要素為基礎(chǔ)，并對(duì)前一環(huán)節(jié)要素產(chǎn)生影響。

基于上述人類實(shí)踐形態(tài)理論、具身認(rèn)知理論及其三要素之間的關(guān)系梳理，本研究總結(jié)提出教育元宇宙的三個(gè)核心技術(shù)：①數(shù)字物聯(lián)技術(shù)（Digital Internet of Things Technology，DITT），是構(gòu)建元宇宙軟、硬件環(huán)境的物聯(lián)基礎(chǔ)技術(shù)，實(shí)踐了物理世界與虛擬世界的聯(lián)系，在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)了實(shí)物與虛擬的信息聯(lián)結(jié)，在教育層面可應(yīng)用于虛實(shí)傳感、虛實(shí)識(shí)別、虛實(shí)計(jì)算與虛實(shí)分析等方面；②數(shù)字人聯(lián)技術(shù)（Digital Internet of People Technology，DIPT），是構(gòu)建元宇宙學(xué)習(xí)者人際交流的人聯(lián)基礎(chǔ)技術(shù)，實(shí)踐了人與人的聯(lián)系，在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化身之間的交流網(wǎng)絡(luò)，在教育層面可應(yīng)用于人際互聯(lián)、人際溝通、人際協(xié)同與人際分析等方面；③數(shù)字智聯(lián)技術(shù)（Digital Internet of Minds Technology，DIMT），是構(gòu)建元宇宙內(nèi)部算法的智聯(lián)基礎(chǔ)技術(shù)，實(shí)踐了環(huán)境與人認(rèn)知的聯(lián)系，在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)了知識(shí)表征與算法生成的智能性水平，在教育層面可應(yīng)用于知識(shí)標(biāo)識(shí)、知識(shí)表征、算法智能和類腦智能等方面。這三個(gè)核心技術(shù)與人類實(shí)踐形態(tài)理論、具身認(rèn)知理論的三要素存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別為三個(gè)核心技術(shù)的內(nèi)涵提供了理論解釋，并且上述理論三要素的內(nèi)在進(jìn)階性也進(jìn)一步解釋了三種核心技術(shù)存在進(jìn)階關(guān)系。基于上述理論分析，本研究提出教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型，如圖1所示。

圖1 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型

在教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型中，數(shù)字物聯(lián)技術(shù)是基礎(chǔ)技術(shù)，數(shù)字人聯(lián)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，而數(shù)字智聯(lián)技術(shù)是高階技術(shù)。三個(gè)核心技術(shù)都以數(shù)字物聯(lián)網(wǎng)為支撐，且互為聯(lián)系形成了數(shù)字人聯(lián)網(wǎng)，使元宇宙教育得以規(guī)?；瘧?yīng)用，并不斷積累算法促進(jìn)數(shù)字智聯(lián)網(wǎng)的成熟。當(dāng)前，教育元宇宙尚未完成技術(shù)進(jìn)階，但已出現(xiàn)諸多基礎(chǔ)技術(shù)交叉融合的趨勢(shì)。下文將詳細(xì)介紹元宇宙數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)及其在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用。

二 元宇宙數(shù)字物聯(lián)技術(shù)及其教育應(yīng)用

學(xué)習(xí)者沉浸于元宇宙需借助一定的物理設(shè)備，物理設(shè)備為“物理對(duì)象”與“信息溝通”提供聯(lián)系，學(xué)習(xí)者通過基于物理設(shè)備的數(shù)字物聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息要素的屬性聯(lián)結(jié)。數(shù)字物聯(lián)技術(shù)是指通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集所需物理信息的技術(shù)[21]。數(shù)字物聯(lián)技術(shù)可以將一切物品數(shù)字化，將教育交互從“實(shí)有范式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎ヂ?lián)范式”[22][23]。傳統(tǒng)課堂的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境僅能夠滿足基本的識(shí)別，而數(shù)字物聯(lián)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)物理設(shè)備與應(yīng)用的泛在化[24]——采用該技術(shù)支持的物理過程模型和設(shè)備推理模型對(duì)教學(xué)特征、行為與環(huán)境進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)傳感器與管理平臺(tái)的智能通信[25]。

1 數(shù)字物聯(lián)技術(shù)的虛實(shí)傳感與識(shí)別

數(shù)字物聯(lián)的核心技術(shù)是傳感與識(shí)別技術(shù)。元宇宙的虛實(shí)傳感與識(shí)別是將傳感技術(shù)與元宇宙環(huán)境進(jìn)行融合，通過現(xiàn)實(shí)傳感硬件與模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)體和虛擬對(duì)象的傳感與信號(hào)識(shí)別，達(dá)到“以實(shí)控虛”或“以虛控實(shí)”的互動(dòng)目的。例如，厲動(dòng)體感控制器（Leap Motion）能夠讓使用者通過體感操作實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬物件的控制，在任何涉及使用控制器的元宇宙環(huán)境都可以利用其軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）來定義手勢(shì)動(dòng)作[26]，制造沉浸進(jìn)階的學(xué)習(xí)臨場(chǎng)感；另外，對(duì)體感控制器SDK的各種手勢(shì)動(dòng)作也可以進(jìn)行個(gè)性化定義，當(dāng)使用者利用控制器進(jìn)行虛擬控制時(shí)，即可根據(jù)定義的個(gè)性化指令來識(shí)別其行為[27]。

2 數(shù)字物聯(lián)技術(shù)的虛實(shí)計(jì)算與分析

傳感與識(shí)別是物聯(lián)技術(shù)的重點(diǎn)，而未來數(shù)字物聯(lián)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)將集中在計(jì)算與分析方面。計(jì)算與分析技術(shù)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在教育領(lǐng)域已有教育環(huán)境分析、師生特征分析、師生行為分析等應(yīng)用。元宇宙環(huán)境下，學(xué)習(xí)者的計(jì)算與行為分析具有較大的應(yīng)用價(jià)值，通過元宇宙獨(dú)有的沉浸環(huán)境能夠解決在線教育的諸多難題，這是發(fā)揮元宇宙教育賦能作用的重要方向。例如，以虛擬化身的生理信號(hào)表征學(xué)習(xí)者本身的行為特點(diǎn)，可以結(jié)合數(shù)字物聯(lián)技術(shù)進(jìn)行基于心電的學(xué)習(xí)情緒模型分析、基于腦電的認(rèn)知投入度模型分析等[28]。

三 元宇宙數(shù)字人聯(lián)技術(shù)及其教育應(yīng)用

學(xué)習(xí)者看到彼此的虛擬形象并能夠進(jìn)行溝通，這是教育元宇宙的顯著優(yōu)勢(shì)。人類通過元宇宙進(jìn)行“人”與“人”的溝通，學(xué)習(xí)者基于數(shù)字人聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人際要素的屬性聯(lián)結(jié)，為現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界中的人際互聯(lián)、溝通、協(xié)同提供了通道。數(shù)字人聯(lián)技術(shù)以去中心化技術(shù)為基礎(chǔ)，使用者成為應(yīng)用程序的終端服務(wù)對(duì)象，同時(shí)成為應(yīng)用程序聯(lián)結(jié)的中間服務(wù)因素[29]。在元宇宙數(shù)字化身的“人聯(lián)”網(wǎng)絡(luò)中，“人聯(lián)”既是一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[30]，同時(shí)也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對(duì)象[31]，群體情緒和行為通過網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生“擴(kuò)音”的效果[32]。

1 數(shù)字人聯(lián)技術(shù)的人際互聯(lián)與溝通

數(shù)字人聯(lián)技術(shù)的主要功能是為使用者提供互聯(lián)與溝通的橋梁：①元宇宙數(shù)字人聯(lián)技術(shù)中的人際互聯(lián)既有依賴于5G技術(shù)的信息傳輸，也有通過視覺、聽覺進(jìn)行的多種感官交互，實(shí)現(xiàn)了多媒體的人際互聯(lián)。②數(shù)字人聯(lián)技術(shù)所創(chuàng)建的人際溝通創(chuàng)造了一種用戶價(jià)值，在元宇宙中不僅網(wǎng)絡(luò)有價(jià)值，人與人的聯(lián)系也存在價(jià)值，并且人與人聯(lián)系的產(chǎn)物也是有價(jià)值的，這種人際網(wǎng)絡(luò)凸顯了人與人聯(lián)系的價(jià)值性。③元宇宙的虛擬環(huán)境為學(xué)習(xí)者營(yíng)造了較強(qiáng)的“在場(chǎng)”感（Contextualized Copresence），這源于學(xué)習(xí)者根據(jù)同伴反饋進(jìn)行感知覺調(diào)整的機(jī)制[33]。這種在場(chǎng)感讓學(xué)習(xí)者在元宇宙中體驗(yàn)的沉浸感更強(qiáng)烈，不僅加強(qiáng)了數(shù)字人聯(lián)技術(shù)支持的人際互聯(lián)與溝通，而且在一定程度上解決在線教學(xué)中學(xué)習(xí)者參與度和關(guān)注度不高的問題[34]。

2 數(shù)字人聯(lián)技術(shù)的人際協(xié)同與分析

在人際互聯(lián)與溝通的基礎(chǔ)上，人與人之間形成的交互網(wǎng)絡(luò)能夠通過人際協(xié)同解決現(xiàn)實(shí)問題。教育技術(shù)對(duì)人際協(xié)同的輔助，主要包括小組協(xié)同、共同體協(xié)同和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同[35]。其中，基于體感技術(shù)的小組學(xué)習(xí)屬于小組協(xié)同，基于網(wǎng)絡(luò)社群的教師發(fā)展共同體屬于共同體協(xié)同[36]，基于大規(guī)模在線課程的知識(shí)共創(chuàng)屬于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，而元宇宙能夠涵蓋以上三種層次的人際協(xié)同，甚至可以實(shí)現(xiàn)虛擬化身之間的虛擬協(xié)同。對(duì)于人際協(xié)同成效的驗(yàn)證，考慮到人類行為具有不可預(yù)測(cè)、隨機(jī)性的特點(diǎn)，可采用熵值法（Entropy Method）進(jìn)行分析。熵值法是一種客觀賦權(quán)的方法，能夠?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)的不確定進(jìn)行度量。對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)學(xué)習(xí)者的效果驗(yàn)證，已有研究通過六類VR設(shè)備硬件因素、軟件因素、行為意向因素的熵值分析，驗(yàn)證了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有較好的教學(xué)成效[37]，可為元宇宙環(huán)境下的人際協(xié)同分析提供參考。

四 元宇宙數(shù)字智聯(lián)技術(shù)及其教育應(yīng)用

智能性是元宇宙的基本特征，同時(shí)也是元宇宙在教育領(lǐng)域發(fā)揮作用的重要支撐。人類通過元宇宙進(jìn)行“知識(shí)體系”與“機(jī)器智能”的構(gòu)建，學(xué)習(xí)者基于數(shù)字智聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)要素的屬性聯(lián)結(jié)，并在人類知識(shí)與虛擬空間中的知識(shí)之間建立聯(lián)系。數(shù)字智聯(lián)技術(shù)是構(gòu)建知識(shí)與智能自動(dòng)化的核心系統(tǒng)，其關(guān)鍵任務(wù)是在多種人工智能基礎(chǔ)技術(shù)的支持下進(jìn)行知識(shí)獲取、知識(shí)表達(dá)和知識(shí)交換，以建立包括物、人、機(jī)器在內(nèi)的智能實(shí)體之間的語義聯(lián)結(jié)，并實(shí)現(xiàn)不同智能體之間知識(shí)的互聯(lián)互通[38]。

1 數(shù)字智聯(lián)技術(shù)的知識(shí)標(biāo)識(shí)與表征

虛擬世界呈現(xiàn)的是人類創(chuàng)造的一種人工世界，因此虛擬環(huán)境中的樣態(tài)是人類各種知識(shí)的標(biāo)識(shí)與表征。元宇宙用數(shù)據(jù)標(biāo)記知識(shí)，利用算法進(jìn)行表征[39]，這就需要應(yīng)用數(shù)字智聯(lián)技術(shù)對(duì)知識(shí)進(jìn)行管理。學(xué)習(xí)元（Learning Cell）是一種數(shù)字化資源標(biāo)識(shí)與表征形式，強(qiáng)調(diào)資源利用、信息采集和網(wǎng)絡(luò)共享。已經(jīng)具有完善設(shè)計(jì)框架的學(xué)習(xí)元可為元宇宙的知識(shí)管理提供借鑒[40]，尤其是其對(duì)“社會(huì)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)”的定義可用于進(jìn)一步細(xì)化元宇宙的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)字智聯(lián)技術(shù)的算法智聯(lián)與類腦智能

元宇宙中數(shù)字環(huán)境與數(shù)字化身的運(yùn)行規(guī)則是由算法定義的。根據(jù)內(nèi)外共生進(jìn)化算法的設(shè)計(jì)思路[41]，數(shù)字智聯(lián)技術(shù)的算法可分為內(nèi)嵌算法和外嵌算法。經(jīng)過內(nèi)嵌算法與外嵌算法的不斷組合、優(yōu)化，便可構(gòu)建具有初級(jí)智能水平的“類腦”智能體。類腦智能（Cybernetic Brain，Cybrain）是以計(jì)算建模為手段，通過軟、硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)神經(jīng)擬態(tài)的一種機(jī)器智能[42]。當(dāng)元宇宙的數(shù)字人和虛擬環(huán)境建設(shè)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，內(nèi)嵌算法與外嵌算法便可實(shí)現(xiàn)共生，算法的智聯(lián)則由靜態(tài)服務(wù)向動(dòng)態(tài)生成發(fā)展，并達(dá)到初級(jí)的類腦智能水平。本研究案例部分所選取的虛幻引擎平臺(tái)（Unreal Engine），提供的就是具有初級(jí)類腦智能水平的應(yīng)用。

五 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型的實(shí)踐案例

為驗(yàn)證教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型的有效性，本研究依托虛幻引擎平臺(tái)，將元宇宙數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)和數(shù)字智聯(lián)技術(shù)融入具體的教學(xué)實(shí)踐。虛幻引擎平臺(tái)是由美國(guó)藝鉑（Epic Games）公司于1998年發(fā)布的游戲開發(fā)平臺(tái)，擁有比較先進(jìn)的三維環(huán)境創(chuàng)作工具和數(shù)字人創(chuàng)作工具，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于游戲、影視、醫(yī)療、建筑、教育等領(lǐng)域。

1 實(shí)踐設(shè)計(jì)

（1）教學(xué)設(shè)計(jì)

本研究以廣東省G大學(xué)教育技術(shù)學(xué)專業(yè)的必修課“虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)”課程為案例，并以“元宇宙黨史游覽館”為課程的實(shí)踐主題，開展了為期四周的教學(xué)實(shí)踐。本研究采用虛幻引擎平臺(tái)作為元宇宙開發(fā)環(huán)境，并使用HTC Vive虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡作為沉浸式設(shè)備。

（2）數(shù)字物聯(lián)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字物聯(lián)模塊設(shè)計(jì)主要是對(duì)學(xué)習(xí)者使用的教具、觀看的教學(xué)媒體和實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的控制器進(jìn)行物聯(lián)設(shè)計(jì)，包括：

①教具物聯(lián)設(shè)計(jì)。本研究設(shè)計(jì)了黨史學(xué)習(xí)卡，這是一種能提供虛擬化三維（Objective 3D，OBJ）模型的實(shí)物卡片。學(xué)習(xí)者通過掃描學(xué)習(xí)卡上的二維碼，可以查看虛擬化OBJ模型，且該模型會(huì)自動(dòng)導(dǎo)入到虛幻引擎平臺(tái)。

②教學(xué)媒體物聯(lián)設(shè)計(jì)。將虛擬化OBJ模型導(dǎo)入虛幻引擎平臺(tái)后，通過平臺(tái)上的相關(guān)工具和按鈕制作虛擬的媒體展示設(shè)備，包括將平板工具設(shè)置為Media Player屬性、在藍(lán)圖中設(shè)計(jì)開關(guān)按鈕命令（Pressed/Released）、創(chuàng)建Media變量并聯(lián)結(jié)Open source函數(shù)、調(diào)用On Component Begin Overlap函數(shù)、設(shè)置循環(huán)參數(shù)等。通過上述操作，可以實(shí)現(xiàn)元宇宙環(huán)境對(duì)實(shí)物媒體與虛擬媒體的協(xié)同控制。

③控制器物聯(lián)設(shè)計(jì)。為提高沉浸性，本研究將厲動(dòng)體感控制器引入元宇宙控制系統(tǒng)以代替鼠標(biāo)操作，并直接在電腦中安裝厲動(dòng)體感控制器的手勢(shì)操作應(yīng)用。在虛幻引擎平臺(tái)上打開厲動(dòng)體感控制器接口，學(xué)習(xí)者即可通過自己的手勢(shì)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬化身相應(yīng)手勢(shì)的操作控制。

（3）數(shù)字人聯(lián)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字人聯(lián)模塊主要用于輔助學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)世界的溝通、交流與協(xié)作，包括：

①虛擬化身的創(chuàng)建。本研究采用手工建模方法，首先根據(jù)現(xiàn)實(shí)人的特征進(jìn)行建模，搭建虛擬化身的基本骨架，并將骨架模型導(dǎo)入虛幻引擎平臺(tái)；然后在元宇宙場(chǎng)景中創(chuàng)建虛擬化身網(wǎng)格體，并根據(jù)網(wǎng)格體匹配骨架；最后對(duì)骨架的骨骼進(jìn)行活動(dòng)范圍和骨骼掛件設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 虛擬化身的創(chuàng)建

圖3 黨史學(xué)習(xí)元宇宙場(chǎng)景

②虛擬化身算法設(shè)計(jì)。在虛幻引擎中設(shè)計(jì)虛擬化身的行為規(guī)則，行為規(guī)則以虛幻引擎的藍(lán)圖（Blueprint）功能為基礎(chǔ)得到實(shí)現(xiàn)。對(duì)虛擬化身人聯(lián)性的設(shè)計(jì)主要是按鍵控制器動(dòng)作，包括自由移動(dòng)、對(duì)話及互動(dòng)行為，這些行為調(diào)用了三類變量：以浮點(diǎn)變量獲得虛擬化身在場(chǎng)景中的相對(duì)位置、以BOOL變量設(shè)計(jì)虛擬化身的控制命令、以O(shè)bject對(duì)象變量輸出虛擬化身做出相應(yīng)行為。

③黨史學(xué)習(xí)元宇宙場(chǎng)景設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)有的黨史學(xué)習(xí)室的空間布局進(jìn)行元宇宙場(chǎng)景設(shè)計(jì)，并充分利用墻面用來展示黨史學(xué)習(xí)卡，以支撐后續(xù)基于場(chǎng)景進(jìn)行的學(xué)習(xí)活動(dòng)，如圖3所示。

（4）數(shù)字智聯(lián)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字智聯(lián)模塊主要用于本案例中各種環(huán)境、學(xué)習(xí)對(duì)象和學(xué)習(xí)者要素的表征設(shè)計(jì)，賦予環(huán)境、數(shù)字人以算法，使之可以與學(xué)習(xí)者進(jìn)行交互，主要包括：

①知識(shí)表征設(shè)計(jì)。本研究通過虛幻引擎平臺(tái)創(chuàng)建知識(shí)元，將知識(shí)元屬性分為五種類型，即對(duì)象屬性、通用類屬、資產(chǎn)屬性、藍(lán)圖算法、共享屬性，分別對(duì)應(yīng)案例中的知識(shí)屬性、知識(shí)互動(dòng)形態(tài)、知識(shí)媒體形態(tài)、知識(shí)智能式互動(dòng)方法、知識(shí)發(fā)布渠道。

②智能體構(gòu)建。對(duì)虛擬化身下達(dá)循環(huán)命令，根據(jù)虛擬化身的活動(dòng)進(jìn)行算法啟動(dòng)與關(guān)閉（On/Off），使之具有初級(jí)的類腦智能水平。對(duì)于機(jī)器人智能體主要調(diào)用Object對(duì)象的AI運(yùn)動(dòng)算法，并利用Object對(duì)象的Delay延遲算法進(jìn)行智能自循環(huán)、利用BOOL變量和Float浮點(diǎn)型變量進(jìn)行輔助支撐，最終實(shí)現(xiàn)初級(jí)智能導(dǎo)師的構(gòu)建。

2 實(shí)踐過程

2022年秋季學(xué)期，本研究團(tuán)隊(duì)開展了具體的教學(xué)實(shí)踐，主要基于元宇宙環(huán)境開展序列型指引、綜合型探究、眾創(chuàng)型建構(gòu)三種學(xué)習(xí)活動(dòng)，實(shí)踐周期為四周。

①第一周開展序列型指引活動(dòng)：指導(dǎo)學(xué)習(xí)者按序列型步驟分步學(xué)習(xí)，熟悉虛幻引擎平臺(tái)，觀察目標(biāo)測(cè)試原型，熟悉物聯(lián)設(shè)計(jì)的操作。

②第二周開展綜合型探究活動(dòng)：指導(dǎo)學(xué)習(xí)者根據(jù)已有原型進(jìn)行黨史學(xué)習(xí)場(chǎng)館搭建和虛擬化身人物建模，并通過小組合作搭建、完善、優(yōu)化虛擬化身。

③第三周開展眾創(chuàng)型建構(gòu)活動(dòng)：指導(dǎo)學(xué)習(xí)者以小組為單位，根據(jù)前兩周成果進(jìn)行黨史學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)，要求活動(dòng)體現(xiàn)智聯(lián)特征，尤其是黨史的知識(shí)表征和虛擬化身的AI設(shè)計(jì)要具有智聯(lián)性。

④最后一周為作品分享：學(xué)習(xí)者通過作品的匯報(bào)提高協(xié)同驅(qū)動(dòng)力，并在后續(xù)優(yōu)化作品。

3 實(shí)踐效果分析

本案例的實(shí)踐效果分析采用問卷調(diào)查法。參考“基于VR技術(shù)的教學(xué)效果問卷”[43]，針對(duì)教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型的成效，本研究設(shè)計(jì)了“教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階效果調(diào)查問卷”，具體包括3個(gè)一級(jí)指標(biāo)、10個(gè)二級(jí)指標(biāo)，共70道題目，如表1所示。為檢查無效數(shù)據(jù)、提高研究效度，本研究設(shè)計(jì)了7道反向測(cè)試題。經(jīng)計(jì)算，問卷總的Cronbach’s α值=0.92，表明問卷的信度較高；KMO值=0.713＞0.5，值=0＜0.05，表明問卷具有較好的結(jié)構(gòu)效度。

表1 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階效果調(diào)查問卷設(shè)計(jì)

注：(R)表示反向測(cè)試題。

本次問卷調(diào)查以G大學(xué)教育技術(shù)學(xué)專業(yè)2020級(jí)參與案例課程學(xué)習(xí)的某班學(xué)生為調(diào)查對(duì)象，該班共45人，其中女生31人、男生14人。本研究通過面對(duì)面方式發(fā)放問卷45份，回收有效問卷45份，問卷有效率為100%。本研究采用SPSS 22.0進(jìn)行問卷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示。

表2 問卷調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

①在指標(biāo)評(píng)價(jià)方面，3個(gè)一級(jí)指標(biāo)、10個(gè)二級(jí)指標(biāo)的均值都大于平均水平（＞3），表明教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階效果獲得了被調(diào)查者的積極正面評(píng)價(jià)。但是，3個(gè)一級(jí)指標(biāo)在成效高低上存在差異：數(shù)字物聯(lián)技術(shù)效果、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)效果的均值明顯高于數(shù)字人聯(lián)技術(shù)效果，表明案例的數(shù)字物聯(lián)、數(shù)字智聯(lián)成效優(yōu)于數(shù)字人聯(lián)成效。

②效應(yīng)量評(píng)價(jià)方面，將各二級(jí)指標(biāo)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差與前測(cè)平均水平的均值、標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較之后得到效應(yīng)量值（Cohen’s D），該值處于0～1的范圍內(nèi)，數(shù)值越高，表明指標(biāo)的效度越高。其中，感知有用性（0.71）、臨場(chǎng)感（0.51）、心流（0.48）、眩暈（0.42）分值較高，而感知易用性（0.22）、認(rèn)知發(fā)展（0.08）分值較低，其他指標(biāo)處于相對(duì)平均的水平，說明被調(diào)查者認(rèn)為案例中所建構(gòu)的教育元宇宙環(huán)境對(duì)學(xué)習(xí)有用且臨場(chǎng)感強(qiáng)，但在易用性和促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展的設(shè)計(jì)上仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

③模型擬合度方面，本研究提出教育元宇宙數(shù)字進(jìn)階的假設(shè)模型，即元宇宙賦能教育主要依賴數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)，并且這三個(gè)核心技術(shù)具有“物聯(lián)→人聯(lián)→智聯(lián)”技術(shù)進(jìn)階的單向指向關(guān)系。之后，本研究采用SPSS Amos 22.0進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)方程模型的模型擬合度檢驗(yàn)，獲得相關(guān)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量如下：絕對(duì)適配度指數(shù)RMSEA、SRMR均小于0.1，增值適配度指數(shù)CFI、TLI、IFI均大于0.9，表明模型整體擬合度好。也就是說，本研究所提出的理論模型與實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)具有較好的擬合度，教育元宇宙數(shù)字進(jìn)階的假設(shè)模型得到了較好的支持。

六 結(jié)語

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是對(duì)傳統(tǒng)教育組織形式、教學(xué)模式和學(xué)習(xí)范式的系統(tǒng)化革新，涉及教與學(xué)全要素、全流程、全領(lǐng)域的整體性推進(jìn)，而數(shù)字技術(shù)深度融入教育過程是推進(jìn)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵步驟。教育元宇宙作為能夠整合多種技術(shù)的教學(xué)環(huán)境，具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)變革教學(xué)方式與學(xué)習(xí)方式具有重要作用。

本研究聚焦于教育元宇宙的技術(shù)進(jìn)階性，基于人類實(shí)踐形態(tài)理論和具身認(rèn)知理論，提出教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型。該模型包含三個(gè)核心技術(shù)，即數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)，它們均在教育領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。為驗(yàn)證教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型的成效，本研究選取廣東省G大學(xué)的“虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)”課程作為案例，以“元宇宙黨史游覽館”為課程的實(shí)踐主題，開展了為期四周的教學(xué)實(shí)踐?！敖逃钪鏀?shù)字技術(shù)進(jìn)階效果調(diào)查問卷”的數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示教育元宇宙的數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)應(yīng)用取得了較好的教學(xué)成效，并且通過基于結(jié)構(gòu)方程模型的模型擬合度檢驗(yàn)得出本研究所提出的理論模型與實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)具有較好的擬合度，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型的有效性。

但是，本研究也存在一定的局限性，如教育元宇宙的數(shù)字進(jìn)階尚未完成，一些核心技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用還不夠深入，有待進(jìn)一步探索教育元宇宙相關(guān)技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合；雖已進(jìn)行教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進(jìn)階模型的案例研究，但后續(xù)研究需要擴(kuò)大樣本量并豐富研究維度，以驗(yàn)證理論模型的多維有效性。當(dāng)前，元宇宙的教學(xué)應(yīng)用仍處于探索階段，但可以預(yù)見元宇宙賦能教育將發(fā)揮越來越重要的作用。期待在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，教育工作者能夠應(yīng)用教育元宇宙解決特定的教學(xué)問題，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)教育的高質(zhì)量?jī)?nèi)涵式發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)助力。

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Research on the Advanced Model of Digital Technology of Edu-metaverse under the Background of Digital Education Transformation

HUA Zi-xun1HUANG Mu-xiong2WU Peng-ze3[Corresponding Author]HUANG Jia-xin1

Under the background of digital transformation, the metaverse has been applied into the educational field, and its unique technological characteristics have an important role in promoting the reform of learning methods. In order to answer the question “why the edu-metaverse was effective”, this paper proposed the advanced model of digital technology of edu-metaverse based on the human practical morphology theory, embodied cognition theory and the carding of the relationship among the three elements. Then, the connotations of the three core technologies of this model, namely, digital internet of things technology, digital internet of people technology, and digital internet of mind technology, and their applications in the educational field were introduced step by step. Meanwhile, the advanced nature of digital technology of edu-metaverse was clarified. Finally, this paper carried out a four-week teaching practice by taking the “Virtual Reality Design” course of G University in Guangdong province as an example and further the “Tour Hall of the Party History of the Metaverse” as the practical theme. In addition, through questionnaire survey and data statistical analysis, the teaching effectiveness of edu-metaverse in the dimensions of the three core technologies was verified. The advanced model of digital technology of educational meteverse constructed in this paper highlighted the educational advantages of the metaverse, which could provide reference for the design, development, and application research of edu-metaverse.

digital transformation; edu-metaverse; digital internet of things; digital internet of people; digital internet of mind

G40-057

A

1009—8097（2023）01—0029—11

10.3969/j.issn.1009-8097.2023.01.003

本文為國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金“十四五”規(guī)劃2022年度教育學(xué)一般課題“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下中小學(xué)教師智能教育素養(yǎng)提升路徑與機(jī)制研究”（項(xiàng)目編號(hào)：BCA220207）的階段性研究成果。

華子荀，系主任，講師，博士，研究方向?yàn)榻逃钪?、跨學(xué)科（STEAM）教育、互動(dòng)媒體教學(xué)，郵箱為huazixun@gdei.edu.cn。

2022年10月31日

編輯：小米