蔡 蘇 焦新月 宋伯鈞

打開教育的另一扇門*——教育元宇宙的應(yīng)用、挑戰(zhàn)與展望

蔡 蘇1,3焦新月1,2宋伯鈞1,4

（1．北京師范大學(xué) 教育學(xué)部“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2．北京師范大學(xué) 未來教育高精尖創(chuàng)新中心，北京 100875；3．北京師范大學(xué) 科學(xué)教育研究院，北京 100875；4．北京師范大學(xué) 心理學(xué)部，北京 100875）

元宇宙是一種整合多種新技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)未來新形態(tài)，其與教育領(lǐng)域相結(jié)合具有巨大的潛力。文章首先指出元宇宙是一個(gè)不斷發(fā)展、演變的概念，而教育元宇宙具有交互性、沉浸性、多元性三個(gè)核心特征，并介紹了教育元宇宙的六大底層支撐技術(shù)及應(yīng)用場景。然后，文章從學(xué)科教育、非正式學(xué)習(xí)、職業(yè)培訓(xùn)等領(lǐng)域的案例入手，介紹了以VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境為代表的教育元宇宙當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r。最后，文章分析了教育元宇宙面臨的問題與挑戰(zhàn)，并針對(duì)教育元宇宙初期的發(fā)展從機(jī)制、技術(shù)、教學(xué)三個(gè)方面提出建議。教育元宇宙為研究教育系統(tǒng)的復(fù)雜性和教育的發(fā)生發(fā)展規(guī)律打開了另一扇大門，而研究其應(yīng)用、挑戰(zhàn)與展望為教育元宇宙的發(fā)展指明了方向，注入了動(dòng)力。

元宇宙；教育元宇宙；VR；AR；學(xué)習(xí)環(huán)境

美國科幻小說作家尼爾·斯蒂芬森[1]在《雪崩》一書中首次提出“元宇宙”（Metaverse）的概念，并將元宇宙描述成一個(gè)與現(xiàn)實(shí)生活平行的虛擬城市環(huán)境。隨著臉書（Facebook）更名為“元”（Meta），一時(shí)間，“元宇宙”在大眾前迅速爆燃，成為年度最為流行的熱詞。當(dāng)前，微軟、騰訊、字節(jié)跳動(dòng)等科技巨頭都在布局元宇宙，2021年也因此被視為“元宇宙元年”。近年來，以虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等為代表的新興教育技術(shù)引領(lǐng)了未來教育的新方向，整合了虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)的元宇宙為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，將有可能帶來新的教育教學(xué)變革。在此背景下，元宇宙在教育領(lǐng)域應(yīng)用的可行性成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)，教育元宇宙的潛力值得深入挖掘和分析。

一元宇宙的定義及特征

“Metaverse”這個(gè)詞由前綴“meta”（意思是“超越”）和詞干“verse”（從“universe”演變而來）組成。目前，元宇宙尚沒有一個(gè)權(quán)威、統(tǒng)一的定義，它仍是一個(gè)不斷發(fā)展、演變的概念。例如，《2020-2021年元宇宙發(fā)展研究報(bào)告》給出的定義如下：“元宇宙是整合多種新技術(shù)而產(chǎn)生的新型虛實(shí)相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會(huì)形態(tài)，它基于擴(kuò)展顯示技術(shù)提供沉浸式體驗(yàn)，基于數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)體系，將虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)上密切融合，并且允許每個(gè)用戶進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn)和世界編輯”[2]；維基百科將元宇宙解釋為“被用來描述一個(gè)未來持久化和去中心化的在線三維虛擬環(huán)境”[3]；朱嘉明[4]認(rèn)為元宇宙是通過虛擬增強(qiáng)的物理現(xiàn)實(shí)，呈現(xiàn)收斂性和物理持久性特征的、基于未來互聯(lián)網(wǎng)的、具有連接感知和共享特征的3D虛擬空間。此外，產(chǎn)業(yè)界也對(duì)元宇宙的內(nèi)涵、特征有不同的描述。例如，Roblox公司的首席執(zhí)行官Baszucki[5]提出“元宇宙”具有八大基本特征：身份（Identity）、朋友（Friend）、沉浸感（Immersive）、低延遲（Low Friction）、多元化（Variety）、隨地（Anywhere）、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)（Economy）和文明（Civility）；而Beamable公司的創(chuàng)始人Radoff[6]提出從七個(gè)層面構(gòu)建“元宇宙”：體驗(yàn)（Experience）、發(fā)現(xiàn)（Discovery）、創(chuàng)作者經(jīng)濟(jì)（Creator Economy）、空間計(jì)算（Spatial Computing）、去中心化（Decentralization）、人機(jī)互動(dòng)（Human-computer Interaction）、基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）。

可以預(yù)見，元宇宙將為人類生存帶來兩個(gè)維度的擴(kuò)展：一是生存維度，即元宇宙提供了一個(gè)既獨(dú)立于現(xiàn)實(shí)世界又能與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合的綜合環(huán)境；二是人類感官維度的擴(kuò)展，在元宇宙中用戶將體會(huì)到虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的多重感官，虛擬世界也將不僅是視覺，而是虛擬視覺、現(xiàn)實(shí)視覺、聽覺、觸覺的綜合感官體驗(yàn)[7]。

二教育元宇宙的特征、技術(shù)支撐及應(yīng)用場景

1 教育元宇宙及其特征

教育具有開放性、不可還原性、非線性與非均衡性等特征，是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，要想深刻認(rèn)識(shí)其發(fā)展規(guī)律并非易事。以往人們研究教育系統(tǒng)通常采取理論研究和試驗(yàn)兩種方式，而元宇宙的出現(xiàn)，有可能為人類認(rèn)識(shí)教育系統(tǒng)的復(fù)雜性和教育的發(fā)生發(fā)展規(guī)律帶來第三種方式。為論述方便，本研究將元宇宙在教育中的應(yīng)用稱為“教育元宇宙”。“教育元宇宙”是一個(gè)全新的概念，尚不具備科技產(chǎn)業(yè)界所描述的眾多特征，但若要發(fā)展教育元宇宙，至少應(yīng)具備三個(gè)核心特征：

（1）強(qiáng)調(diào)社交互動(dòng)——交互性

部署元宇宙首先要關(guān)注其社會(huì)交互性[8]。教師、學(xué)生、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)環(huán)境是教育場景的四大基本要素[9]，而教育元宇宙中虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境不是固定的，可以由居住在其中的部分或全部用戶進(jìn)行建模和修改，從而促進(jìn)學(xué)生和學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)環(huán)境之間的交互。此外，教育元宇宙還允許學(xué)生或教師通過代理建立關(guān)系，每個(gè)虛擬形象都用來傳達(dá)學(xué)生或教師在世界中的角色。學(xué)生也可以在教育元宇宙中進(jìn)行社交，建立社會(huì)關(guān)系。這種隨時(shí)隨地沉浸式的社會(huì)交互，給生生、師生之間的交互創(chuàng)建了近乎真實(shí)的社會(huì)情境，不僅可以拓展學(xué)習(xí)空間，還能提供更多的學(xué)習(xí)、社交機(jī)會(huì)，形成社區(qū)觀念。教育元宇宙的交互性，為不同階段、不同學(xué)科、不同層次、不同領(lǐng)域的教育打開了另一扇門，為這些形式各異的教育活動(dòng)注入新的靈感。

（2）真實(shí)世界的模擬——沉浸性

教育元宇宙所呈現(xiàn)的環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界非常相似，能夠通過模擬物理定律為用戶提供一個(gè)逼真的現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境。因此，我們所熟悉的一些行為（如身體不能穿過墻壁、物體由于重力下落等）能夠在三維立體的虛擬環(huán)境中得以反映，這極大地提高了虛擬世界的真實(shí)感和沉浸性[10]。然而，為了促進(jìn)用戶在教育元宇宙中的探索，也有一些情況例外，如用戶可以騰空而起或瞬間傳送到教育元宇宙中的任意地方。教育元宇宙高度真實(shí)和沉浸的特征將進(jìn)一步提升用戶的存在感、臨場感，使用戶身臨其境般的學(xué)習(xí)成為可能[11]。

（3）自由、開放、靈活的規(guī)則——多元性

教育元宇宙不像商業(yè)游戲一樣有預(yù)置的規(guī)則，它并不強(qiáng)加任何既定的規(guī)則或目標(biāo)。所有的教育元宇宙居民（即用戶，而非平臺(tái)的開發(fā)者）負(fù)責(zé)定義他們自己理想環(huán)境的規(guī)則和條件，這使得用戶在教育元宇宙中幾乎可以做任何想做的事情，如舉辦音樂會(huì)、組織游戲[12]、開設(shè)大學(xué)講座等[13]。此外，由于教育元宇宙采用分布式云計(jì)算技術(shù)，可以將多個(gè)服務(wù)器托管于世界上不同的地區(qū)，因此教育元宇宙允許用戶根據(jù)需求擴(kuò)大或縮小學(xué)習(xí)環(huán)境的規(guī)模。教育元宇宙還提供訪問控制的支持，允許授權(quán)用戶在個(gè)別土地上定義限制和規(guī)則，這使得在共享環(huán)境中引入私人空間成為可能，因此不管是大規(guī)模開放在線課程（Massive Open Online Courses，MOOC）還是小規(guī)模私有在線課程（Small Private Online Course，SPOC）都可以通過三維沉浸的方式開展。這種靈活的規(guī)則使得教育元宇宙中的用戶可以自由地進(jìn)行活動(dòng)、創(chuàng)作和交流，并由此產(chǎn)生了無限、多元的教育活動(dòng)形式。

2 教育元宇宙的底層支撐技術(shù)及應(yīng)用場景

盡管教育元宇宙的概念尚處于萌芽階段，其代表——三維虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的出現(xiàn)也不算早[14][15]，但其特點(diǎn)也符合如行為主義（Behaviorism）、情境認(rèn)知理論（Situated Cognition）、具身認(rèn)知理論（Embodied Cognition）、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論（Constructivism）、心流理論（Flow）等傳統(tǒng)理論上的觀點(diǎn)[16][17]。

當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界對(duì)元宇宙底層支撐技術(shù)的描述有很多，大致可歸為六大類：網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、人工智能技術(shù)[18]。在教育元宇宙中，這六大底層支撐技術(shù)及應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 教育元宇宙的底層支撐技術(shù)及應(yīng)用場景

①網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)算技術(shù)，5G校園網(wǎng)、邊緣計(jì)算、多終端協(xié)同云計(jì)算可作為教育元宇宙的網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)算基礎(chǔ)設(shè)施，為未來學(xué)生和教師享受高帶寬、低延遲、多連接的泛在學(xué)習(xí)場景提供堅(jiān)實(shí)的硬件環(huán)境基礎(chǔ)；②物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，芯片的小型化和計(jì)算能力的大幅提升，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速普及，為教育元宇宙感知物理世界的信號(hào)和接入教育元宇宙提供了傳輸通道，這種萬物互聯(lián)的學(xué)習(xí)環(huán)境必定會(huì)激發(fā)出學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)作新世界的熱情，并為未來的安全校園、創(chuàng)客教育、多模態(tài)智慧課堂提供有力支撐；③區(qū)塊鏈技術(shù)，該技術(shù)的去中心化、分布式、可追溯性、高信任度等技術(shù)特征，確保了教育管理和教學(xué)過程中所產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息的完整性和安全性，可為未來教育元宇宙中學(xué)習(xí)成果認(rèn)證、學(xué)分銀行建設(shè)、數(shù)字資源管理及分發(fā)、開放教育資源生態(tài)構(gòu)建、數(shù)字校園社區(qū)自組織運(yùn)行等提供基于規(guī)則與算法運(yùn)作的知識(shí)分享與認(rèn)證保障；④交互技術(shù)，以計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、姿態(tài)識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別甚至腦機(jī)接口等人機(jī)交互技術(shù)為支撐的三維虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，為教育元宇宙帶來了無限想象空間，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不再局限于視覺和聽覺兩個(gè)通道，因?yàn)槎嗤ǖ廊诤系腣R/AR技術(shù)可讓學(xué)生在教育元宇宙中的學(xué)習(xí)活動(dòng)匯聚視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等綜合感官體驗(yàn)；⑤電子游戲技術(shù)，電子游戲技術(shù)衍生出來的游戲化學(xué)習(xí)、悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)讓學(xué)生在教育元宇宙中的學(xué)習(xí)變得更加有趣，配合多模態(tài)的數(shù)據(jù)、腦科學(xué)技術(shù)，游戲化學(xué)習(xí)在提供更多沉浸感的同時(shí)，也讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過程更加科學(xué)、合理；⑥人工智能技術(shù)，教育元宇宙中個(gè)性化推薦、教學(xué)行為數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)圖譜、多模態(tài)情感計(jì)算得益于當(dāng)前人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，智能導(dǎo)師、智能測評(píng)、多模態(tài)情感計(jì)算等都將在教育元宇宙中得到更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。這些底層支撐技術(shù)和應(yīng)用場景為教育元宇宙的發(fā)展與落地提供了堅(jiān)實(shí)、有力的基礎(chǔ)，并描繪了一幅極具想象力的未來教育藍(lán)圖。

不過現(xiàn)階段教育領(lǐng)域十分重視智能化的學(xué)習(xí)交互環(huán)境和手段，這其中以機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理為代表的人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)和以虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）為代表的交互技術(shù)得到的關(guān)注最多。從人們的直觀感受來看，教育元宇宙就是基于VR/AR技術(shù)將現(xiàn)實(shí)世界映射到具有一定智能的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境當(dāng)中，是對(duì)現(xiàn)實(shí)生活的延伸。因此，本研究將教育元宇宙的關(guān)注點(diǎn)確定為建設(shè)智能化的VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境。

三教育元宇宙的應(yīng)用案例

教育元宇宙中形象、直觀并可交互的三維場景其實(shí)早已在教育領(lǐng)域存在，具體體現(xiàn)為以VR技術(shù)為代表的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境和以AR技術(shù)為代表的虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境，只是目前的水平尚未達(dá)到元宇宙所描繪的那種超前絢麗的藍(lán)圖。對(duì)此，本研究認(rèn)為可以從學(xué)科教育、非正式學(xué)習(xí)、職業(yè)培訓(xùn)等領(lǐng)域的案例入手，來了解教育元宇宙當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r。

1 學(xué)科教育

（1）數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物——虛擬實(shí)驗(yàn)室

目前，許多教育研究者和開發(fā)者運(yùn)用VR/AR技術(shù)，利用VR/AR眼鏡、平板電腦已經(jīng)做了許多的物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)，如立體幾何[19]、電磁現(xiàn)象[20]、天文知識(shí)[21]、化學(xué)元素[22][23]、化學(xué)反應(yīng)[24]等，并證實(shí)了VR/AR技術(shù)能給學(xué)生帶來更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[25][26][27]。未來的教育元宇宙可能不需要識(shí)別圖和頭盔、眼鏡等笨重的設(shè)備，學(xué)生借助輕便的設(shè)備即可來到其“虛擬實(shí)驗(yàn)室”，身臨其境般地觀察、操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備并實(shí)時(shí)與之互動(dòng)，獲得更加真實(shí)和沉浸的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（2）語文、英語、歷史、地理——沉浸式情境體驗(yàn)

語文、英語、歷史、地理學(xué)科大多通過圖片、視頻的形式，讓學(xué)生學(xué)習(xí)語言文化、歷史情境或不同地方的人文地貌等內(nèi)容，由于受技術(shù)的限制，有些情況還無法做到為學(xué)生提供百分百還原真實(shí)的虛擬情境。教育元宇宙給學(xué)生創(chuàng)造了近乎真實(shí)的社會(huì)、實(shí)踐、文化情境，讓學(xué)生突破時(shí)空限制，身臨其境般地觀察和體驗(yàn)不同時(shí)間與不同地點(diǎn)的人文、歷史、地理環(huán)境，讓學(xué)習(xí)在近乎真實(shí)的情境中自然而然地發(fā)生。北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)附屬小學(xué)開展了一系列基于AR技術(shù)的語言學(xué)習(xí)活動(dòng)[28]，通過AR應(yīng)用程序創(chuàng)建了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，小學(xué)四年級(jí)學(xué)生在英語課上觀察太陽、地球并與之互動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行英語對(duì)話學(xué)習(xí)，如圖2所示。

圖2 清華大學(xué)附屬小學(xué)英語AR公開課“The Sun and the Earth”

2 非正式學(xué)習(xí)

（1）虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)

新冠肺炎疫情的出現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得建立虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)成為關(guān)注熱點(diǎn)[29]。一個(gè)完整的虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)，大多具有歷史、身份、相互依賴、多元化、自治、參與、社交禮儀、反思、學(xué)習(xí)等基本要素[30]。眾多研究表明，基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境會(huì)使社區(qū)成員獲得更強(qiáng)的社區(qū)意識(shí)和參與感，可以推動(dòng)成員之間的互動(dòng)[31][32]，并促進(jìn)成員對(duì)知識(shí)的理解[33]。近年來，已有許多案例在此方面進(jìn)行了嘗試，比較典型的有：

①Sloodle。Sloodle的虛擬社區(qū)特征十分突出，它將Moodle學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)與Second Life游戲整合在一起，如圖3所示。Sloodle的開發(fā)者和用戶都可以參與社區(qū)建設(shè)，并在社區(qū)中進(jìn)行社會(huì)互動(dòng)，形成社區(qū)意識(shí)；任何用戶都能參與在Sloodle島上舉辦的定期會(huì)議和討論等[34]。該學(xué)習(xí)平臺(tái)可以稱之為元宇宙與虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)結(jié)合的雛形。

圖3 Sloodle學(xué)習(xí)平臺(tái)

圖4 Hodoo Labs中的英語對(duì)話

圖5 在Virbela召開國際會(huì)議

在知識(shí)共享、全民參與的時(shí)代背景下，元宇宙與虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)的結(jié)合有望在虛擬世界中模擬并超越現(xiàn)實(shí)世界的場景，突破時(shí)空的各種限制，讓師生進(jìn)行沉浸式的交流與學(xué)習(xí)并迸發(fā)創(chuàng)意，給學(xué)習(xí)社區(qū)帶來全新的體驗(yàn)。例如，將Sloodle的所有社交特征移植到元宇宙中，建立元宇宙中的學(xué)習(xí)社區(qū)，形成更具有沉浸感的實(shí)踐共同體，讓學(xué)生在近乎真實(shí)的虛擬實(shí)踐共同體中學(xué)習(xí)和互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)和情境認(rèn)知。

②Hodoo Labs。Hodoo Labs是一個(gè)以英語學(xué)習(xí)為主的學(xué)習(xí)社區(qū)，它將300多名角色和約4300種情景移植到虛擬現(xiàn)實(shí)場景中的英語會(huì)話，使用者在5個(gè)大陸、30多個(gè)假想村莊中自由旅行，以在此過程中提升英語能力，如圖4所示。

③Virbela。Virbela是第一個(gè)專為解決遠(yuǎn)程協(xié)作挑戰(zhàn)而構(gòu)建的虛擬世界平臺(tái)，如圖5所示。用戶可以在該平臺(tái)建立自己的身份，在身臨其境般的三維世界中召開會(huì)議、舉辦活動(dòng)、參與課程等。在Virbela的虛擬校園中，教師可以展示文檔、播放視頻、瀏覽網(wǎng)頁或重新裝飾學(xué)習(xí)空間，學(xué)生可以探索校園的學(xué)習(xí)區(qū)、會(huì)議室或參加活動(dòng)，從而通過在線課程學(xué)習(xí)形成社區(qū)和文化意識(shí)。2020年新冠肺炎疫情爆發(fā)時(shí)，美國達(dá)文波特大學(xué)使用Virbela建立了一個(gè)定制的虛擬校園“Davenport Global”。這個(gè)虛擬校園保持了物理校園的課堂文化和實(shí)踐體驗(yàn)，如互動(dòng)禮堂、演示屏幕、私人補(bǔ)習(xí)室和自由空間內(nèi)的社交、學(xué)習(xí)等，使學(xué)生獲得了如同真實(shí)校園一般的歸屬感。

④Virtual People。2021年，美國斯坦福大學(xué)開設(shè)了一門完全在VR環(huán)境中上課的課程“Virtual People”[35]。如圖6所示，學(xué)生只要攜帶VR頭戴式設(shè)備，就可以在任意地方遠(yuǎn)程上課。課堂場景囊括了虛擬博物館、生活化的場景、地球上人煙稀少的角落（如火山口、海底暗礁）等。課程主講教授Bailenson認(rèn)為：“我們的課程就是元宇宙，這堂課就是構(gòu)建元宇宙的標(biāo)準(zhǔn)范例。我們的目標(biāo)就是構(gòu)建持久的、充滿了虛擬人的空間和場景，并用它們來達(dá)成（教學(xué)）目標(biāo)”[36]。

圖6 斯坦福大學(xué)首門元宇宙課程“Virtual People”

（2）博物館教育/科技館教育

近年來，VR/AR技術(shù)用于博物館、科技館或一些名勝古跡的展示已非常普遍[37][38]。VR/AR技術(shù)能夠幫助呈現(xiàn)部分不易或無法真實(shí)展示的實(shí)物，豐富展出的內(nèi)容和形式，帶給參觀者更全面的游覽體驗(yàn)。而教育元宇宙可以更加豐富博物館、科技館的教育形式，使學(xué)生跨越時(shí)間和空間，給學(xué)生創(chuàng)造近乎真實(shí)的博物館、科技館情境，從而使學(xué)習(xí)在相關(guān)情境中自然而然地發(fā)生。

3 職業(yè)培訓(xùn)

目前，VR/AR技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用，一些受客觀條件限制而難以開展或危險(xiǎn)性高的實(shí)驗(yàn)、培訓(xùn)等，可以通過教育元宇宙中的VR/AR技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。2021年5月29日，亞洲心血管胸部外科學(xué)會(huì)第29屆在線學(xué)術(shù)大會(huì)召開，會(huì)上韓國首爾大學(xué)醫(yī)院利用VR/AR技術(shù)進(jìn)行了手術(shù)的實(shí)時(shí)分享，這是教育元宇宙在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用的初步嘗試。此外，在建筑、工業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域，美國公司NVIDIA開發(fā)的開放平臺(tái)Omniverse可以幫助創(chuàng)作者、設(shè)計(jì)師、研究人員和工程師連接主要設(shè)計(jì)工具、資產(chǎn)和項(xiàng)目，使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以隨時(shí)隨地針對(duì)同一三維模型開展合作，從而在共享的虛擬空間中進(jìn)行協(xié)作與討論，增進(jìn)溝通、提升工作效率。

四 教育元宇宙的挑戰(zhàn)與展望

根據(jù)上述分析，可以預(yù)見教育元宇宙具有巨大的潛力，且應(yīng)用前景樂觀。實(shí)際上，在教育元宇宙的概念尚未流行之前，我國政府對(duì)于其底層核心支撐技術(shù)如AI、VR、AR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用就給予了大力支持，出臺(tái)的一系列文件都提到要推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)教育、高等教育、職業(yè)教育等領(lǐng)域和物理、化學(xué)等高危實(shí)驗(yàn)性課程中的應(yīng)用[39][40][41]。此外，近年來很多學(xué)校也紛紛開始建立虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，這些都表明虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用已經(jīng)從“概念”走向“落地”。但由于教育元宇宙描述的未來圖景過于超前，現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)尚未成熟，而底層核心支撐技術(shù)的教育應(yīng)用研究設(shè)計(jì)也相對(duì)簡單，故目前已有研究結(jié)論的信效度、普適性等都有其局限性，教育元宇宙從理論到實(shí)現(xiàn)還有很長的一段路要走。

1 問題與挑戰(zhàn)

（1）缺乏頂層設(shè)計(jì)和評(píng)估機(jī)制

目前，我國對(duì)于元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用尚沒有進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃，且缺乏明確的發(fā)展目標(biāo)和市場機(jī)制。近幾年國家出臺(tái)的文件僅是支持VR/AR教育應(yīng)用的綱領(lǐng)性政策，而缺乏對(duì)各個(gè)學(xué)科、學(xué)段的教材內(nèi)容與VR/AR教學(xué)方式之適配情況的系統(tǒng)性整理，沒有形成統(tǒng)一的方案，如還沒有教育元宇宙背景下信息網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)體系、數(shù)字資源等方面的頂層設(shè)計(jì)方案。此外，相關(guān)理論研究和實(shí)踐大多處于分散狀態(tài)，缺乏相應(yīng)的課程標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估機(jī)制，對(duì)于什么樣的課程適合進(jìn)行創(chuàng)新教學(xué)、能夠取得什么樣的效果、是否滿足社會(huì)和國家的培養(yǎng)需求等問題還有待深入研究。

（2）技術(shù)不夠成熟，應(yīng)用門檻較高

雖然我國在教育元宇宙底層支撐技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用方面已取得巨大進(jìn)步，但目前仍然存在許多技術(shù)難點(diǎn)有待突破，如5G網(wǎng)絡(luò)不夠普及、人工智能不夠智能、虛擬現(xiàn)實(shí)不夠沉浸、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不夠虛實(shí)融合、人機(jī)交互不夠自然等。此外，頭盔、眼鏡、手柄等專用硬件設(shè)備不夠便攜，操作也比較復(fù)雜，軟件的功能設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用門檻矛盾突出。整體而言，教育元宇宙底層技術(shù)的缺陷和優(yōu)化問題使其應(yīng)用的門檻較高，實(shí)現(xiàn)其推廣與普及仍然任重而道遠(yuǎn)。

（3）教學(xué)應(yīng)用缺乏深入探究

目前，校園課堂的VR/AR教學(xué)應(yīng)用產(chǎn)品以科普類的體驗(yàn)為主，很多停留在演示和簡單交互階段，而對(duì)于課程教學(xué)內(nèi)容的深入探究不足。教育元宇宙在課堂中的應(yīng)用要求遠(yuǎn)不止如此，因此還需要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)課程知識(shí)體系的深層次建構(gòu)。此外，目前相關(guān)教學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要以技術(shù)為導(dǎo)向，偏向于軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)，而缺乏系統(tǒng)的教學(xué)理論支撐。在教育元宇宙新的學(xué)習(xí)環(huán)境下，教學(xué)應(yīng)用的生產(chǎn)者需要考慮如何結(jié)合具身認(rèn)知理論、沉浸理論等對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，推出適合多模態(tài)學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)習(xí)資源、教學(xué)應(yīng)用。

（4）警惕資本炒作和綁架

“元宇宙”概念火爆，其背后是否有資本的炒作還不得而知，對(duì)此人民日?qǐng)?bào)、經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)、證券時(shí)報(bào)等主流媒體也呼吁保持冷靜[42][43][44]。在教育元宇宙中，用戶的每分每秒都是在創(chuàng)作勞動(dòng)，而生產(chǎn)資料被牢牢攥在平臺(tái)手里，千千萬萬的普通用戶是數(shù)字時(shí)代的無產(chǎn)階級(jí)，游玩創(chuàng)作與勞動(dòng)邊界的模糊遮蔽了資本的剝削性。此外，當(dāng)前的教育元宇宙平臺(tái)各自為陣，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，容易被資本和少數(shù)技術(shù)實(shí)力強(qiáng)大的公司力量所壟斷和綁架。

（5）存在倫理風(fēng)險(xiǎn)

現(xiàn)有對(duì)VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境的研究集中于探索課堂教學(xué)的教學(xué)效果、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)態(tài)度等方面的影響，且多為正面作用的探究，而缺乏對(duì)負(fù)面作用和倫理問題的研究，因此教育元宇宙的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估案例尚待補(bǔ)充。在教育元宇宙這一極度開放的世界中，學(xué)生如何正確樹立倫理觀有待探索與思考：①從隱私的角度出發(fā)，在資本操控的元宇宙世界中，如何保護(hù)個(gè)體隱私數(shù)據(jù)、如何合理收集與儲(chǔ)存學(xué)生數(shù)據(jù)等問題需要進(jìn)一步討論；②從價(jià)值觀念的角度出發(fā)，在打破國界、去中心化的元宇宙背景下，學(xué)生如何在不同文化輸出和虛假輿論中建立正確的價(jià)值觀與世界觀，是挑戰(zhàn)難度很大的一個(gè)問題。此外，教育元宇宙因具身交互、沉浸體驗(yàn)以及對(duì)現(xiàn)實(shí)的“補(bǔ)償效應(yīng)”而具有強(qiáng)烈的“成癮性”風(fēng)險(xiǎn)，此問題也需要引起高度重視。

2 展望與建議

目前，國內(nèi)外對(duì)元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于萌芽階段，相關(guān)的研究成果大都屬于經(jīng)驗(yàn)性的假設(shè)與設(shè)計(jì)。如果將現(xiàn)有技術(shù)的研究成果與國內(nèi)具體的教育教學(xué)實(shí)踐結(jié)合起來，深入探索元宇宙在教育領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，切實(shí)解決目前教育元宇宙存在的風(fēng)險(xiǎn)與問題，那么將有可能成功建立系統(tǒng)的教育元宇宙理論體系與應(yīng)用模式。從這一角度來看，教育元宇宙的健康發(fā)展將有可能帶來新的教育教學(xué)變革、孕育新的教學(xué)方式與方法，成為解放教育行業(yè)生產(chǎn)力和創(chuàng)作力的契機(jī)。基于此，本研究針對(duì)教育元宇宙的初期發(fā)展從以下三個(gè)方面提出建議：

（1）明確目標(biāo)和布局方案

教育管理部門應(yīng)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，從戰(zhàn)略高度明確元宇宙相關(guān)技術(shù)運(yùn)用到教育教學(xué)中的發(fā)展目標(biāo)和具體方案。首先，應(yīng)明確通過教育元宇宙培養(yǎng)學(xué)生哪些核心素質(zhì)和能力、怎樣設(shè)計(jì)課程內(nèi)容、需要什么樣的師資以及如何鼓勵(lì)教師參與其中等問題；其次，可以通過試點(diǎn)學(xué)校先行先試的方式，為普及化實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)；最后，應(yīng)注重收集不同學(xué)段、學(xué)科一線教師和學(xué)生的需求，充分挖掘需求的多樣性及其相應(yīng)市場，積極、穩(wěn)妥地推進(jìn)教育元宇宙的應(yīng)用。

（2）聚焦多通道自然交互

元宇宙場景給人以很大的視覺沖擊，這得益于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的迅速發(fā)展。但在一個(gè)理想的教育元宇宙學(xué)習(xí)環(huán)境中，教師和學(xué)生應(yīng)能看到逼真的虛擬場景，且其教學(xué)行為交互也應(yīng)非常自然。因此，除了充分發(fā)展視覺體驗(yàn)技術(shù)，教育元宇宙不能忽視教學(xué)環(huán)境中自然交互技術(shù)的研發(fā)，要將視覺、聽覺、姿態(tài)、手勢(shì)、觸覺甚至腦電等多種感官通道調(diào)動(dòng)起來，聚焦多通道自然交互信息融合，營造一個(gè)逼真沉浸的、能提供多通道自然交互體驗(yàn)的教育元宇宙環(huán)境。在此過程中產(chǎn)生的多通道信息，可以推動(dòng)以多模態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)收集與教育大數(shù)據(jù)研究，從而幫助人們認(rèn)識(shí)教育系統(tǒng)的復(fù)雜性和教育的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。

（3）注重教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在教育元宇宙的應(yīng)用過程中，切忌本末倒置以技術(shù)為中心，要明確教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)活動(dòng)才是重中之重，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)相應(yīng)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)注。在教學(xué)內(nèi)容的選擇方面，不能全盤將真實(shí)教學(xué)環(huán)境中的案例強(qiáng)行復(fù)制到教育元宇宙環(huán)境中；同時(shí)，要認(rèn)識(shí)到虛擬是對(duì)現(xiàn)實(shí)的補(bǔ)充而不是替代，故教育元宇宙應(yīng)遵循“能實(shí)不虛”的原則，我們應(yīng)優(yōu)先選擇開發(fā)那些真實(shí)空間中不能實(shí)現(xiàn)或者實(shí)現(xiàn)成本代價(jià)較高的教學(xué)案例。而在課堂教學(xué)中，由于教室空間有限或出于安全考慮等原因，應(yīng)盡量少用頭戴式VR眼鏡這樣全沉浸的重量級(jí)專用設(shè)備，而使用輕量級(jí)的平板電腦、半沉浸的AR眼鏡等設(shè)備進(jìn)行AR教學(xué)活動(dòng)。此外，在教育元宇宙中開展教學(xué)活動(dòng)時(shí)還應(yīng)考慮新型設(shè)備和環(huán)境帶來的教學(xué)效率低、課堂秩序混亂等問題。

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[40]工業(yè)和信息化部.工業(yè)和信息化部關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見[OL].

[41]教育部.教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知[OL].

[42]佘惠敏.“元宇宙”越熱越需要冷靜[N].經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào),2021-11-28(4).

[43]人民網(wǎng).如何看待元宇宙?專家:保持好奇心的同時(shí)警惕泡沫和忽悠[OL].

[44]王君暉.投資不是虛擬游戲盲目追捧元宇宙不可取[OL].

Open Another Gate to Education——Application, Challenge and Prospect of Educational Metaverse

CAI Su1,3JIAO Xin-yue1,2SONG Bo-jun1,4

Metaverse is a new future form of Internet that integrates a variety of new technologies, and its combination with the education field has great potential. Firstly, this paper pointed out that the metaverse was a constantly developing and evolving concept, and the educational metaverse had the three core characteristics of interactivity, immersion and diversity. Meanwhile, the six supporting technologies and application scenarios of the educational metaverse were introduced. Then, the current development status of the educational metaverse represented by the VR/AR learning environment was introduced from the cases of subject education, informal learning, and vocational training. Finally, the problems and challenges faced by the educational metaverse were analyzed, and suggestions for the development of the educational metaverse in the early stage were proposed from the three aspects of mechanism, technology, and teaching. The educational metaverse opened another gate to study the complexity of education system and occurrence and development law of education, and studying its application, challenges and prospects pointed out the direction and injected momentum for the development of the educational metaverse.

metaverse; educational metaverse; VR; AR; learning environment

G40-057

A

1009—8097（2022）01—0016—11

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.01.002

基金項(xiàng)目：本文受國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“智能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中多通道信息融合計(jì)算及評(píng)測研究”（項(xiàng)目編號(hào)：61977007）資助。

蔡蘇，主任，副教授，博士，研究方向?yàn)閂R/AR教育應(yīng)用、STEM教育，郵箱為caisu@bnu.edu.cn。

2021年11月20日

編輯：小新