華子荀 黃慕雄

摘要：元宇宙是根據(jù)物理世界的樣態(tài)而由人類創(chuàng)造的數(shù)字世界。元宇宙作為一個新興概念，是建立在5G、虛擬現(xiàn)實等技術基礎上而逐漸成型的。技術的發(fā)展成熟為創(chuàng)建教育元宇宙（Edu-Metaverse）提供了便利條件，也有助于元宇宙與教育實踐的深度融合。教育元宇宙最突出的優(yōu)勢是能夠為教師和學習者提供一種沉浸式的教學互動場域，同步滿足師生在物理世界和虛擬世界中的教與學需求。這里的虛擬世界并不是對物理世界的簡單復制后所形成的“平行宇宙”，還包括對物理世界的再開發(fā)。教育元宇宙的教學探索需要首先明確其場域架構及其支撐技術。研究組建構的教育元宇宙教學場域包括物理層、軟件層、應用層、分析層四層架構，貫通四層架構的關鍵設備與技術包括5G網(wǎng)絡、VR沉浸設備及其對應的軟件系統(tǒng)、高性能計算機及其相應的元宇宙系統(tǒng)、生物數(shù)據(jù)采集設備及其數(shù)據(jù)分析算法等。為探究其在教學中的應用，通過創(chuàng)設“圖書館”“校園”“教室”三類教育元宇宙場景，分別對應序列型指引、綜合型探究和眾創(chuàng)建構三種學習活動，實驗實施后的數(shù)據(jù)分析表明，教育元宇宙能夠促進學習者交互感、沉浸感和認知的提高，且隨著三種學習活動的遞進開展，學習者的認知投入表現(xiàn)出由“中認知投入”向“高認知投入”躍升的趨勢。

關鍵詞：教育元宇宙;教學場域;關鍵技術;實驗研究

中圖分類號：G434? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-5195（2021）06-0023-09? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.06.003

基金項目：廣東省2021年哲學社會科學規(guī)劃青年項目“情緒認知模型框架下虛擬現(xiàn)實技術對學生認知發(fā)展機制研究”（GD21YJY05）;廣東省教育廳重點科研平臺“智能教育重點實驗室”（2020WSYS002）。

作者簡介：華子荀，博士，講師，廣東第二師范學院教師教育學院（廣東廣州 510303）;黃慕雄，教授，博士生導師，廣東第二師范學院副校長（廣東廣州 510303）。

一、研究背景

聚焦教育領域，元宇宙是整合人工智能、虛擬現(xiàn)實、區(qū)塊鏈等技術，為學習者提供虛擬學習場域的關鍵趨勢。2017年，國務院頒布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要“建立以學習者為中心的教育環(huán)境，提供精準推送的教育服務，實現(xiàn)日常教育和終身教育的定制化”，指明了開展跨媒體分析推理、群體智能、混合增強智能與虛擬現(xiàn)實智能建模的技術實踐方向（馬濤等，2019），這種實踐有利于將學習者、物理世界、智能機器與數(shù)字信息世界統(tǒng)一起來，構建賦能人類發(fā)展的四元空間，推進學習革命（沈陽等，2020）。雖然元宇宙尚未被教育研究者廣泛關注，但是它的底層技術已經(jīng)為學者們所探討并取得了諸多成果。例如，教育人工智能（Educational Artificial Intelligence，EAI）通過機器學習、深度學習、智能代理、情感計算等關鍵技術（閆志明等，2017），開拓了教學過程中的智能導師、智能測評、數(shù)據(jù)挖掘等研究領域;腦科學與教育神經(jīng)科學的研究，使得技術與人腦產(chǎn)生聯(lián)系，并通過兩者交互實現(xiàn)機器對人腦神經(jīng)功能的塑造（周加仙等，2017）;生物識別傳感器在教學過程的融入，使得研究者能獲取多種模態(tài)數(shù)據(jù)（周進等，2021），進而實現(xiàn)技術對人類感覺、知覺以及認知的相關表征;數(shù)字孿生也為教育虛實一體化提供了資源樣態(tài)，支撐云端、遠端、身邊的孿生體相互交融（楊現(xiàn)民等，2021）。在最關鍵的臨場感營造上，已經(jīng)有研究者開展對VR教學效果的研究，通過實驗驗證VR技術對學生學習參與、教學效率和學習效果的促進作用（華子荀等，2021），同時也為學生營造具有臨場感的虛擬環(huán)境提供了相關借鑒。總之，多樣化的技術融入教學，已經(jīng)使得教育領域具備構建元宇宙的相關條件，因而也有必要整合多種相關技術探討面向教育的元宇宙架構。

二、元宇宙的概念與教育屬性

1.元宇宙的概念與特征

元宇宙（Metaverse）的概念最初來源于1992年科幻作家尼爾·斯蒂芬森（Neal Stephenson）的《雪崩》一書。該書描述了一個與現(xiàn)實世界相平行的虛擬世界樣態(tài)。該虛擬世界即是元宇宙，在元宇宙中所有虛擬人都能夠在現(xiàn)實世界中找到其人類本體（J??-Aro et al.，2001）。英文“Metaverse”中，“Meta”譯為“元”，“verse”為“Universe”（宇宙）的詞根，“元宇宙”就是二者組合在一起直譯而得。隨著技術的進步，元宇宙的概念逐漸從虛幻變?yōu)榱爽F(xiàn)實。人們對于元宇宙的定義各不相同。未來學家盧克·沙布羅（Luke Shabro）認為，元宇宙是一個模糊的、數(shù)字混合的現(xiàn)實，具有不可替代和無限的項目和角色，不受傳統(tǒng)物理的限制和約束（Hackl，2021）。羅布樂思公司首席執(zhí)行官大衛(wèi)·巴斯祖奇（Dave Baszucki）認為，元宇宙是一個將所有人相互關聯(lián)起來的3D虛擬世界，人們在元宇宙中擁有自己的數(shù)字身份，可以在這個世界里盡情互動，并創(chuàng)造任何他們想要的東西（Hackl，2021）。但大多數(shù)人認為元宇宙就是一個龐大的虛擬世界，甚至是我們現(xiàn)實世界的數(shù)字化，它擁有自己的生產(chǎn)活動和交流活動，跨越物理和虛擬世界將兩者融合在一起，并在未來向所有人開放（Collins，2021）。同時，元宇宙也可視為一種由線上、線下很多平臺打通所組成的新的經(jīng)濟、社會和文明系統(tǒng)（喻國明，2021）。簡言之，元宇宙就是現(xiàn)實世界與虛擬世界的融合（Duan et al.，2021），并以兩種空間的相關技術作為支撐，實現(xiàn)虛實世界的聯(lián)結。

元宇宙最初的雛形是在由2D向3D技術轉(zhuǎn)化時代所形成的虛擬網(wǎng)絡世界（Nikolaidis，2007），因此，元宇宙最初的模型帶有虛擬世界的特點。有學者提出虛擬世界的真實沉浸感具有四種技術特征，即視聽性（Audio-Visual）、交互性（Interactivity）、持久性（Persistent）和沉浸性（Immersive）（Gilbert et al.，2011）。具體來說，就是使用者能夠在虛擬世界中通過視覺、聽覺調(diào)動其感知，并且能夠與其他用戶進行交互，最后通過多感知設備的融入，讓使用者產(chǎn)生較強的臨場感。在不同的媒體表現(xiàn)形式上，已經(jīng)出現(xiàn)了諸多具有這四類特征的元宇宙雛形（Dionisio et al.，2013），它們在不同層面上為元宇宙的建構提供了創(chuàng)新性的嘗試（見表1）。

2.元宇宙的教育屬性

當前，大多數(shù)體現(xiàn)元宇宙的技術或產(chǎn)品主要局限在電子娛樂領域，但是簡單地將元宇宙本身視作一種電子游戲，顯然是比較表面化的解讀（姜宇輝，2021），會讓人忽略掉元宇宙對教育所能發(fā)揮的巨大潛能。探索元宇宙的深度應用可能帶來的變革契機，以及教育類元宇宙的形式及技術實現(xiàn)方式，將一種哲學化的數(shù)字生存與游戲化學習緊密地結合在一起，具有重要的理論與實踐意義。

教育元宇宙（Edu-Metaverse）可以理解為元宇宙的教育應用，它為教師、學生、管理者等相關者創(chuàng)建數(shù)字身份，在虛擬世界中開拓正式與非正式的教學場所，并允許師生在虛擬的教學場所進行互動。從教育哲學的角度思考元宇宙，可以發(fā)現(xiàn)其最突出的賦能優(yōu)勢是為教師與學生創(chuàng)設了一種沉浸式的教學互動場域。教育元宇宙的場域突破了物理世界的局限，通過網(wǎng)絡教學空間營造了一個新的虛擬教育世界，使得教師和學生可以在物理和虛擬世界同時獲得現(xiàn)實和虛擬教學需求的滿足，兩者在本質(zhì)上是相互影響、相互聯(lián)系、共同發(fā)展的。但教育元宇宙中的虛擬世界并不是對物理世界的簡單復制，也不是另一個物理世界的“平行宇宙”，而是對物理世界的一種再開發(fā)。它所具有的媒體賦能特點可以補充物理世界的缺憾，甚至在某些維度能超越物理世界的限制，形成一種特殊的教育元宇宙場域，賦能教育元宇宙發(fā)揮出整體的場域效應。

三、教育元宇宙的教學場域架構與關鍵技術

所謂場域就是一種場景或應用空間（張艷麗等，2020）。教育元宇宙的架構可以理解為一個超級場域，代指可以整合所有元宇宙元素的系統(tǒng)平臺。有學者提出構建元宇宙需要打造其基礎設施架構，應包括物理層、軟件層、數(shù)據(jù)層、規(guī)則層和應用層（劉子涵，2021）。誠然，元宇宙依然存在諸多技術瓶頸，但通過對其架構的不斷嘗試改進和對其關鍵技術的不斷融合運用，就能夠利用元宇宙的相關技術與方法解決教育領域的特定問題。筆者將基于廣東第二師范學院“廣東省智能教育重點實驗室”的系列研究成果，提出教育元宇宙的場域架構及其關鍵技術解決方案，其中場域架構主要包括物理層、軟件層、應用層和分析層四層。

1.物理層

物理層是指在物理世界構造元宇宙的設備及其基礎設施環(huán)境。該層主要采用5G網(wǎng)絡、沉浸設備、其他設備（如訪問與展示類設備、生物數(shù)據(jù)采集設備）來搭建（見圖1），力求實現(xiàn)：建設開放式、可嵌入式的基礎設施環(huán)境，為未來教育元宇宙更新迭代提供空間;整合現(xiàn)有設備融入教育元宇宙生態(tài)中;選擇利用率最高的新購置設備融入教育元宇宙生態(tài)中。

（1）5G網(wǎng)絡配置

結合5G網(wǎng)絡、雙千兆教育專網(wǎng)和5G基站，部署用于教育元宇宙的5G云網(wǎng)融合服務網(wǎng)關，支持路由、橋接、旁路等多種模式，根據(jù)元宇宙沉浸設備配備情況進行靈活部署，使得多用戶元宇宙網(wǎng)絡交互成為可能。與以往的網(wǎng)絡環(huán)境相比，5G環(huán)境可以實現(xiàn)VR圖像傳輸即時化、圖像語音傳輸自然、跨地互動無縫對接、大數(shù)據(jù)實時共享、元宇宙應用傳輸平順。

（2）沉浸設備配置

營造教育元宇宙首先應在5G網(wǎng)絡覆蓋環(huán)境下配置硬件，部署元宇宙中央服務器，為每個學習者配備一套虛擬現(xiàn)實設備。其次應配置元宇宙環(huán)境高性能計算機，操作系統(tǒng)必須為Windows 10或以上版本，處理器為Intel Core i5-4590同等性能及以上，顯卡為NVIDIA GeForce GTX 970同等性能及以上;還應配置千兆有線網(wǎng)口及5G路由器，網(wǎng)口、路由器、電腦網(wǎng)線要求六類線及以上規(guī)格。

（3）其他設備配置

對于非沉浸用戶（如以訪問、參觀等為使用目的），可以配置多途徑設備進行訪問，既可以選擇智能手機、平板電腦等無線設備直接訪問服務器，也可以利用高性能計算機通過網(wǎng)頁訪問，或者直接與服務器進行有線串流連接來訪問元宇宙內(nèi)容。同時對于學習者的生物電分析還應配備生理分析設備，主要包括心電、腦電、皮膚電等生物采集設備，用于檢測學習者沉浸在元宇宙環(huán)境時的沉浸感、專注度、心流體驗等情況變化。為了不影響學習者的沉浸感，生物電采集設備并未選擇專業(yè)的醫(yī)療心理分析設備，而是采用了手環(huán)、創(chuàng)客腦波套件、創(chuàng)客皮膚電套件等簡易設備。

2.軟件層

軟件層是在物理層基礎上構建元宇宙系統(tǒng)的基礎設施，具體包括VR軟件系統(tǒng)、元宇宙系統(tǒng)和生物數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖2），分別對應物理層的VR設備、元宇宙基礎設施平臺和生物電采集設備。

（1）VR軟件系統(tǒng)

在5G網(wǎng)絡環(huán)境下，需在學習者使用的每臺計算機上安裝VR串流軟件，實現(xiàn)VR畫面與計算機畫面的同步傳輸。由于無線串流極大依賴于網(wǎng)絡速度，并且當同步訪問用戶增加時，會造成網(wǎng)絡卡頓，因此采用有線串流方式。同時在電腦中安裝STEAM軟件，該軟件是維爾福（Valve）公司開發(fā)的綜合性游戲及電腦應用程序平臺。在STEAM平臺上安裝STEAM VR應用，即可實現(xiàn)VR與計算機的串流，完成元宇宙畫面的同步傳輸。

（2）元宇宙系統(tǒng)

采用Roblox Studios程序進行教育元宇宙構建。該程序具有較好的空間構建模塊，可以完成教育活動目標中的空間建構任務，同時支持VR設備的同步連接。在教師機上安裝Roblox Studios，以構造用于學生活動的元宇宙，實現(xiàn)串流。在此需特別說明的是，雖然利用VR軟件系統(tǒng)即可創(chuàng)造有沉浸感的氛圍，利用Unity 3D和Unreal等軟件也可以自行建構個性化的元宇宙環(huán)境，但是Roblox是目前具有最完備的元宇宙屬性的平臺，如擁有個性化的用戶化身建構系統(tǒng)、仿生環(huán)境構造系統(tǒng)、多平臺訪問與空間構造系統(tǒng)、平臺交易機制、數(shù)字徽章系統(tǒng)等，適合用于開展元宇宙的探索性研究。

（3）生物數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過智能設備提供的生物數(shù)據(jù)，可以與學習者元宇宙探索活動相聯(lián)系，并進行可視化的統(tǒng)計分析。鑒于生理信號在反映有機體狀況方面更加客觀、真實，主要采用腦電（Electroencephalogram，EEG）采集設備、心電（Electrocardiogram，ECG）采集設備和皮膚電（Galvanic Skin Response，GSR）采集設備來收集學習者的生物數(shù)據(jù)。

3.應用層

應用層即組織學習者在教育元宇宙中開展學習活動?；谘芯繄F隊對VR動覺學習機制的研究成果（華子荀，2019），將教育元宇宙中的學生活動按照技術交互的特點設計為序列型指引、綜合型探究和眾創(chuàng)建構三種類型（見圖3）。

其中，序列型指引是指學生根據(jù)環(huán)境的任務提示理解交互模塊的知識，并逐步完成的交互指引。綜合型探究是一種基于序列型指引并可以進行自由探索的探究學習方式。眾創(chuàng)建構是指學生以小組為單位進行協(xié)同，其主要任務是利用環(huán)境所提供的模塊建構功能完成對空間的建構，以促進其協(xié)同能力和探究能力的發(fā)展。

4.分析層

分析層主要用來對采集的數(shù)據(jù)進行分析，以發(fā)現(xiàn)教育元宇宙場域所發(fā)揮的教學效用。針對數(shù)據(jù)層采集的VR特征數(shù)據(jù)、學生感知數(shù)據(jù)、心理生理數(shù)據(jù)等，分別采用無序熵值算法、AE值、心理生理數(shù)據(jù)分析與標簽分析等方法，分析教育元宇宙教學場域的教學效果（見圖4）。

（1）無序熵值算法

在教育元宇宙的場域中，通過各種傳感器和交互設備，可以得到各種類型的多模態(tài)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的進一步挖掘能夠輔助研究者發(fā)現(xiàn)元宇宙的場域效應。但是其難點在于對多維數(shù)據(jù)的統(tǒng)一評價。熵（Entropy）是用來度量系統(tǒng)混亂無序程度的量，對熵的測定能夠?qū)ο到y(tǒng)中的有序和無序狀態(tài)進行界定，這種計算方法就是熵值法。熵值法（Entropy Method）是一種“客觀賦權”的方法，對教育元宇宙設備、系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)進行熵值計算，能夠幫助教學設計者發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)特征，挖掘?qū)W習者的學習規(guī)律（華子荀等，2021）。

（2）原子經(jīng)濟算法

對于一些難以獲得或者難以評價的數(shù)據(jù)，運用無序熵值算法雖然可以部分解決（華子荀等，2020），但是卻沒有統(tǒng)一的評價標準，因此可采用原子經(jīng)濟算法進行彌補?！霸咏?jīng)濟”本來是一個化學概念，用以描述提高反應物轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物的效率，降低浪費或副產(chǎn)物的產(chǎn)生;在教育領域，它被用于描述投入與產(chǎn)出的比值。原子經(jīng)濟算法可以通過對某些事件和對象進行熵值數(shù)值的換算，獲得原子經(jīng)濟AE值，再綜合Cosine算法（黃慕雄等，2021）可以對AE值進行進一步的預測。

（3）心理生理數(shù)據(jù)分析與標簽分析

以腦電（EEG）數(shù)據(jù)分析為例，主要收集δ波、θ波、α波、β波、γ波等5個波段的特征值，計算其時域統(tǒng)計特征量，即均值、最大值、最小值、中值、方差、標準差。當?shù)玫截S富的腦電波數(shù)據(jù)及其時域統(tǒng)計特征量后，可以根據(jù)其各種特征量的綜合，得到多類型的分析標簽（如特征、行為、認知、成果）。

四、教育元宇宙的教學應用案例分析

1.研究對象與研究過程

教育元宇宙的教學場域以廣東第二師范學院“廣東省智能教育重點實驗室”為依托，以該校的智能創(chuàng)客空間為實驗場所。本次實驗選取廣東第二師范學院教師教育學院5名大學生作為被試，同時召集3名同學組成研究組開展實驗前期的準備工作。每個被試參與3個周期的實驗，每個周期為1個小時。

第一周期的任務是平靜狀態(tài)監(jiān)測與沉浸狀態(tài)監(jiān)測，時長為60分鐘。該周期分為兩個階段，首先要監(jiān)測被試在平靜狀態(tài)下的腦電狀態(tài)，以與其在元宇宙中產(chǎn)生的沉浸感進行比較，時長10分鐘。其次，研究者設計幾個電腦小游戲，以監(jiān)測被試在無元宇宙環(huán)境下的沉浸狀態(tài)，以便與其在元宇宙中產(chǎn)生的沉浸感進行比較。

第二周期的任務是設備體驗與基本活動，時長為60分鐘。該周期分為兩個階段：第一階段讓被試佩戴VR眼鏡進入教育元宇宙程序，讓其初步體驗虛擬環(huán)境，并對其進行生物特征監(jiān)測，探究其認知狀態(tài)。第二階段進行序列型指引活動，指導被試完成序列任務，同時監(jiān)測其腦電數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。

第三周期的任務是探究活動與建構活動，時長為60分鐘或更長 。該周期主要讓被試完成綜合型探究活動，并監(jiān)測其腦電數(shù)據(jù);之后允許被試自由開展眾創(chuàng)建構活動，無時間限制，同時伴隨腦電監(jiān)測，研究者同步觀察被試的情緒與狀態(tài)，以精準監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.教育元宇宙的設計

（1）元宇宙的環(huán)境設計

實驗首先召集了一個虛擬空間創(chuàng)建小組，包括2名指導老師和3名學生，其主要任務是利用Roblox Studios的預置空間功能對研究組所在的智慧創(chuàng)客空間進行復制，為期2個月。創(chuàng)建好后邀請被試參與實驗。被試以單人形式參與實驗，分別佩戴VR眼鏡和腦電監(jiān)測儀。每個被試配備一臺電腦，研究者配備另一臺電腦，以監(jiān)測被試的生理數(shù)據(jù)。

研究組將在元宇宙環(huán)境中設計三種場景，分別對應應用層中的三種教學類型。一是設計具有虛擬指引和現(xiàn)場指導的“圖書館”學習場景，要求被試找到圖書館的圖書一室和頂層圖書室，對應序列型指引方法;二是設計具有自由探索特點的“校園”學習場景，要求被試自由探索校園，掌握校園基本布置，對應綜合型探究方法;三是設計“教室”場景，該場景是一片空地，要求被試協(xié)同構建一個可用于元宇宙教學的室內(nèi)空間，對應眾創(chuàng)建構方法。通過以上三類場景完成應用層的設計。教育元宇宙環(huán)境設計案例界面見圖5。

（2）元宇宙的認證徽章設計

該活動的主要任務是為學生構建活動認證徽章，使得元宇宙能發(fā)揮聯(lián)結真實世界與虛擬世界的作用。具體操作方面，首先在Roblox Studios平臺選擇創(chuàng)建徽章，并選擇合適的圖形設計徽章圖案，之后為徽章獲得規(guī)則編寫腳本;其次，在服務器端的腳本中調(diào)用相關函數(shù)確認學習者解鎖徽章;最后，檢查已獲取的徽章，還可以創(chuàng)建特殊徽章?lián)碛姓邔Ｓ玫南拗茀^(qū)域或傳送器。此外，還可以將區(qū)塊鏈的共識機制應用于數(shù)字徽章中，使元宇宙中的數(shù)字徽章具有現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)傳播機制與去中心化特點。

（3）元宇宙的數(shù)據(jù)采集

根據(jù)VR教學效用模型（華子荀等，2021）編制量表，向被試發(fā)放調(diào)查問卷，采用SPSS 22.0進行數(shù)據(jù)處理與分析。另外，收集硬件與軟件測試參數(shù)、被試的體驗時間與總時長比值、被試評價分數(shù)、腦電數(shù)據(jù)等，以用于綜合熵值評價。腦電數(shù)據(jù)分析方面，因為被試需要佩戴VR眼鏡，故采用不易被干擾的單道信號監(jiān)測儀，通過束帶固定監(jiān)測儀主體，利用上額電極與耳部電極獲得四道腦電電波，并對所獲得信號進行時域特征分析和時頻特征分析。

（4）元宇宙的數(shù)據(jù)分析

對采集到的多維數(shù)據(jù)，由于其維度不同，難以用一致的標準來評判，故采用熵值法進行挖掘分析。熵值法將對象視作一個系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率Pi（i=1，2，…，m）來確定該系統(tǒng)的熵值e，見公式（1）。熵值越小，穩(wěn)定性越高。

（1）

同時綜合原子經(jīng)濟算法和Cosine算法可計算學習者行為的相似度，見公式（2）與公式（3）。公式（2）中，AE為原子經(jīng)濟值，MW為分子質(zhì)量（Molecular Weight），原子經(jīng)濟值AE為教育產(chǎn)出分子質(zhì)量MW與教育原始投入ΣMW之比的百分數(shù)。公式（3）中，（X1，X2）為第一類原子經(jīng)濟值向量AE1，（Y1，Y2）為第二類原子經(jīng)濟值向量AE2，夾角余弦代表學習者行為數(shù)據(jù)相似度，數(shù)值越接近1，代表兩類學習行為越相似。

對腦電數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)學習者的認知負荷變化情況。本文參考Wu等（2020）對投入度的分類，即將0～100范圍內(nèi)的認知投入度數(shù)值劃分為7個層次（11～24，25～38，39～51，52～64，65～78，79～91，92～100），7層次的中值段數(shù)值為52～64，界定認知投入度的范圍如公式（4）所示，其中Y表示投入度系數(shù)平均值。圖6展示了實驗被試佩戴腦電與VR+腦電裝備的示例。

（4）

3.實驗結果與討論

（1）學習效用分析

首先對5名被試進行問卷調(diào)查，問卷設計為7級里克特量表，根據(jù)VR教學效用模型（VR-E3 Model）進行編制（華子荀等，2021），主要從交互性、沉浸性和認知性三個方面進行考察。結果發(fā)現(xiàn)，該問卷的信度系數(shù)高于0.90，且交互性效用（5.09±1.07）、沉浸性效用（5.67±0.76）、認知性效用（5.33±0.98）的指標評價值均較高，表明被試對本實驗設計的教育元宇宙所表現(xiàn)的學習效用給予了較高的評價。

根據(jù)應用層和分析層的架構，對收集到的數(shù)據(jù)進行原子經(jīng)濟AE值的轉(zhuǎn)化，計算其熵值。教育元宇宙教學效用熵值比較結果見表2，其中交互性效用、沉浸性效用和認知性效用中所涉及的具體表征指標在《虛擬現(xiàn)實技術教學效用模型建構與實效驗證》一文中有詳細闡述（華子荀等，2021）。

根據(jù)教學效用的熵值比較可以發(fā)現(xiàn)，交互性效用高于沉浸性效用（8.51>5.69），沉浸性效用高于認知性效用（5.69>4.69），這可能源于被試在初接觸元宇宙環(huán)境時，最容易被其所帶來的交互性和沉浸感體驗震撼，還未完全達到促進認知發(fā)展的層次。在對三種類型活動的比較分析中，最高得分是綜合型探究活動（e2=19.20），其次是序列型指引活動（e1=18.89），最后是眾創(chuàng)建構活動（e3=16.98）。這表明與綜合型探究活動相比，序列型指引活動限制性太強，眾創(chuàng)建構活動開放性太強，而綜合型探究既可以給予被試指引，也可以給予其一定的自由探索空間。

（2）認知投入的特征值分析

學生認知投入度通過腦電數(shù)據(jù)分析得到。通過腦電監(jiān)測儀對5名被試在四種狀態(tài)（平靜狀態(tài)、序列型指引狀態(tài)、綜合型探究狀態(tài)和眾創(chuàng)建構狀態(tài)）下的腦波進行檢測，采樣率為1000Hz，得到5種腦波（δ波、θ波、α波、β波、γ波）的波形變化系數(shù)均值。

從表3中可以看出，5名被試在四種狀態(tài)下的投入度系數(shù)平均值呈現(xiàn)出由低到高的變化趨勢，即Y1=54.00、Y2=59.60、Y3=61.00、Y4=74.20。按認知投入度劃分，平靜狀態(tài)和序列型指引學習狀態(tài)處于“中認知投入”水平（51≤Y≤60），綜合型探究和眾創(chuàng)建構學習狀態(tài)處于“高認知投入”水平（Y≥61），這表明本實驗研究設計的教育元宇宙架構中，三類學習活動支持被試的認知發(fā)展從“中認知投入”向“高認知投入”轉(zhuǎn)變。

五、研究總結

在教育領域，元宇宙還是一個新興概念，對它開展關于教育理論與應用方面的探索具有十分重要的意義。在教育信息化促進教育現(xiàn)代化進程中，技術的應用依然處于十分尷尬的境地。技術本身固然十分重要，但是如何深度融入教育教學過程，依然是教育研究的重要命題。尤其隨著多類型智能技術與算法的出現(xiàn)，如何令教師與學習者在無感融入智能環(huán)境、自動化獲取所需資源、指導個性化教與學過程等方面變得更為便捷，已成為學界關注的熱點。教育元宇宙能夠為師生提供一種新的場域，一定程度上促進了技術自然融入教學的過程。

本研究在對元宇宙進行理論梳理的基礎上，提出了教育元宇宙的概念，指出面向教育的元宇宙是一種教學場域，進而提出教育元宇宙教學場域四層技術架構，包括物理層、軟件層、應用層、分析層，各層的架構分別融入了物聯(lián)網(wǎng)、智能分析、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實、心理生理分析等技術與方法，使得該架構既體現(xiàn)出技術的前瞻性，又具有實踐的指導性。

為驗證教育元宇宙架構的實施成效，在廣東第二師范學院“廣東省智能教育重點實驗室”的實驗條件支撐下，開展了實驗研究。筆者首先構建了以Roblox Studios為基礎的教育元宇宙，在該場景中設計了三個周期的學生訓練活動，利用“圖書館”“校園”“教室”三個場景驗證學生的沉浸式學習體驗，在學生體驗過程中還對其腦電數(shù)據(jù)進行了捕捉和分析。數(shù)據(jù)分析的最終結果表明，教育元宇宙能夠促進學習者的學習效用，學習者的交互感、沉浸感和認知均得到提高。腦電數(shù)據(jù)還進一步驗證了學生在教育元宇宙中的認知機制，即伴隨序列型指引、綜合型探究和眾創(chuàng)建構三種學習活動的遞進開展，學習者的認知投入表現(xiàn)出由“中認知投入”向“高認知投入”跌升的趨勢。

本研究依然存在諸多不足。首先由于技術的局限，本研究所創(chuàng)設的教育元宇宙在沉浸感上依然存在不足，有待進一步優(yōu)化;另外，在實驗過程中，由于操作的復雜性，參與的被試數(shù)量較少，所得到的數(shù)據(jù)和分析結論只能從一定程度上反映教育元宇宙的效果，后續(xù)研究將擴大研究規(guī)模;最后，基于多設備協(xié)同的便利性考慮，實驗所采用的心理生理監(jiān)測設備只有單導聯(lián)數(shù)據(jù)，反映的腦電信號不夠全面，但專業(yè)醫(yī)療器材又未能支持學生開展自由的教育元宇宙探索，該技術難點值得后續(xù)深入研究。

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收稿日期 2021-09-08 責任編輯 劉選 李鑫（實習）

The Teaching Field Structure， Key Technologies and Experimental Study of Edu-Metaverse

HUA Zixun， HUANG Muxiong

Abstract： The Metaverse is a digital world created by human beings according to the environment of the physical world. As a new conception， Metaverse is gradually formed based on 5G， virtual reality and other technologies. The development and maturity of technology not only provides convenient conditions for the establishment of Edu-Metaverse， but also contributes to the deep integration of Metaverse and educational practice. The most prominent advantage of Edu-Metaverse is that it can provide an immersive teaching interaction field for teachers and learners， and simultaneously meet the teaching and learning needs of teachers and students in the physical world and virtual world. The virtual world of Edu-Metaverse is not a “parallel universe” formed after a simple copy of the physical world， but the redevelopment of the physical world. The educational exploration of Edu-Metaverse first needs to clarify its field structure and its key technologies， and then is the teaching application. The teaching field of Edu-Metaverse constructed by the research group is a four-layer architecture， including hardware layer， software layer， application layer， and analysis layer. The key technologies applied through the four-layer architecture involve 5G， VR equipment and VR software system， high-performance computer and corresponding Metaverse system， biological data acquisition equipment and its data analysis algorithm. In the experimental research， three kinds of Edu-Metaverse scenes of “l(fā)ibrary”， “campus” and “classroom” were created to respectively correspond to three learning activities： sequential guidance， comprehensive exploration， and building creation. The data analysis after the implementation of the experiment shows that the Edu-Metaverse can promote students’ learning engagement， learning efficiency， and learning effectiveness. And with the progressive development of the three activities， the learners’ cognitive engagement reflects a rise from “medium level” to “high level”.

Keywords： Edu-Metaverse; Teaching Field; Key Technologies; Experimental Study