元宇宙視域下數字化教育場景的探索研究

賀 寧，丁 可，張俊波

(1.常州信息職業技術學院，常州 213164；2.常州市鐘樓區昕弘實驗學校，常州 213000；3.北京智谷星圖科技有限公司，北京 100000)

0 引言

新一代信息技術，例如云計算、大數據、物聯網、區塊鏈、量子技術等的發展推動了元宇宙概念的興起和相關的爆發。元宇宙提出通過利用科技手段，鏈接創造與現實世界映射平行的虛擬世界概念，創建了一個具備新型社會體系的數字空間[1]。元宇宙由其基于區塊鏈或NFT的底層架構，到5G、云平臺、異構計算、AI等基礎組件，再到VR/AR等前端設備能支持最上層的服務和應用。元宇宙的產業發展方向可以是在硬件層、軟件層或者是虛擬引擎、數字孿生機器人、高速無線通信等[2]。

最早提出元宇宙概念的科技公司有Roblox和臉書，接著騰訊、字節跳動、微軟、網易等公司也紛紛跟進。Roblox公司根據自身平臺的特點定義了元宇宙應該具有的8個屬性：身份、朋友、沉浸感、低門檻、多元化、隨時隨地、經濟系統和文明。也正是因為需要將虛擬世界和現實世界結合，構建帶有沉浸感的虛實相融的數字空間，元宇宙的產業發展方向也可以聚焦于數字化的呈現技術以及虛擬形象的，元宇宙技術更是為教育場景的探索研究提供了廣闊的空間。

1 元宇宙技術在教育場景的創新運用

元宇宙為教育領域的應用創造了可能性，更可以促進教育應用。比如增強現實(Augmented Reality，AR)、生命記錄、虛擬現實和鏡像世界。

1.1 增強現實技術增強課程學習的體驗感

增強現實基本上是通過利用基于位置的技術和網絡來創建智能環境的，它有助于根據所需要的內容在真實世界的對象上創建數字覆蓋。AR的一些重要應用已經在智能手機和3D裸眼得到了體現。

AR技術可以使書本平面的物體在自然界中成為三維。通過驅動各種教育含義，可以探索元宇宙在增強現實教育中的不同使用案例(見圖1)。AR可以幫助剖析檢查看不見的部分，并更快地解決問題。例如，教師可以給學生展示一輛新能源汽車，然后剖析它是如何建造的，速度有多快，以及電池能承受多高的溫度和能效。在經歷了這樣的情景后，在學校學到的關鍵理論有了新的意義和相關性，同時也讓教育工作者有機會彌合差距，傳授理論到行動步驟中缺失的細微差別。此外，在閱讀和寫作中，AR可以使讀者對內容有更深入的了解，從而降低觀察和理解文本的難度，其中的互動體驗也可以創造不同身臨其境、引人入勝的體驗。

圖1 元宇宙技術在教育場景的創新運用

1.2 鏡像世界克服課程學習的物理空間限制

鏡像世界實際上是外部世界一種特定類型的模擬，它實際上是真實世界的增強虛擬對應物。可以把鏡像世界想象成元宇宙，將現實世界的可見特征轉化為虛擬現實。

鏡像世界也是解決“元宇宙如何改變教育”的另一個關鍵因素，因為它可以提供沉浸式的虛擬學習空間。鏡像世界有助于克服學習和教育的空間限制和物理限制，例如，在一定程度上線上視頻會議工具可以作為進行在線實時課程的代表性鏡像世界。又如教師或者學生可以將自己鏡像為孿生體中的潛水員，通過自己的動作控制屏幕里的潛水員，身臨其境地在海底遨游。通過數字孿生技術，教師和學生可以和屏幕中的海底生物互動，并切實地感知周圍的環境。

1.3 生命里程碑溯源課程學習的過程與反思

生命里程碑實際上是用于捕獲、存儲和共享信息以及與特定對象日常體驗的技術。生命里程碑側重于增強技術的使用，其中一些實際例子涉及可穿戴技術。例如，蘋果手表中的三星健康App是生命里程碑在現實世界中的突出應用。生命里程碑專注于記錄學生的日常生活和思想反饋，并產生富有成效的結果。通過關注自學體驗，它可以幫助推動元宇宙在教育中的應用。就如撰寫日記，學生可以回顧和反思個人生活中的日常事件。因此，元宇宙可以提供一個重要的工具，用于表示和實現反饋，并在實踐中從生活中學習；它還提供了從批判性角度探索不同類型信息的途徑，可以幫助反思不同學習個體的體驗，同時改進信息的創造性重建。

1.4 虛擬現實技術拓展課程學習的現實模擬

虛擬現實在推動元宇宙的教育應用方面發揮著關鍵作用。它基本上是指能夠模擬內心世界的元宇宙類型，可以把虛擬現實想象成一個數字空間，通過使用化身和環境本身之間交互活動的數字數據來開發。

通過在數字環境中實現實際演示的虛擬模擬，虛擬現實技術可以為教育領域提供里程碑式進步的服務。例如，在現實世界中，關于學校消防、地震演習課程可能成本高昂，然而學校消防、地震演習的虛擬現實模擬很容易成為一種經濟高效的替代方案。在尋找有關元宇宙教育應用的信息時，還可以考慮虛擬現實的教育意義。通過在數字環境中實現實際演示的虛擬模擬，虛擬現實技術可以為教育領域提供里程碑式進步的服務。

2 元宇宙支持創建的虛擬學習情境

元宇宙可以創建一種在短時間內能幫助學生迅速融入虛擬學習情境的場景，可以使用便捷的方式組織情景模擬教學，實現科學設計、充分周密、準確定位。這種場景強調以學習者為中心，增加盡可能多的模擬學習與嘗試的機會，讓學習者有足夠的成長空間，具有科學性、反復性、經濟性、實用性和提高快等特點。

2.1 學習成本的降低

近幾年，新冠病毒的流行是學習社會化下降的最大原因。許多報告顯示，由于缺乏社交能力，各個年齡段的學生都缺乏某些技能，而社交能力往往是學習場所之外所必需的，這就是為什么要致力于改善有效學習的社會因素。因此不僅需要非常關注這些縱向或者橫向技能的重要性，還需要關注如何降低教授這些技能的成本。

元宇宙則突破了這個界限，可以在學習中產生高水平的社會化，即使是在封鎖和隔離期帶來的限制下。在這個空間里，學習者不僅可以學習實用的技能，還可以學習將這些技能應用到社會環境中。元宇宙可以依靠數字工具、在線技術和虛擬現實創造世界而蓬勃發展。它的沉浸感將吸引各年齡段的學習者，以及那些投入更多資金用于深度學習體驗的學習者。

2.2 認證方式的變更

長期以來，學生在課堂上所學的學習成果可以通過考試獲得認證，這在很大程度上要求他們在學習過程和應試中花費許多的時間。對一些人來說，去學校或大學很難，生活可能與學校設定的時間表沖突。元宇宙希望實現“透明認證”的理念，即報告能力，而不僅限于時間或地點。這是一種更有效的觀察學生學習技巧、技能和個人需求的方法。透明認證承認所有學生學習方式不同，因此注意力集中的時間也不同。經典的課堂環境并不適合所有人，隨著科技使用的增加，人們尤其發現它不那么吸引人。在數字空間里相互交流了幾個小時后，獲得的新知不比在教室里接受得少。元宇宙在這里更具有優勢，它擁有強吸引力將知識轉變成讓學生去玩個游戲、看個視頻和其他娛樂方式的技術特質。

2.3 學習機會的增長

元宇宙將允許任何事物成為學習機會。對教師來說，這將有助于打破人為的學科孤島，這可能是傳統課程的典型特征。例如，在英國，布拉德菲爾德學院的技術部門和教學人員在應對疫情時，承擔了在歷史、科學和地理等不同學科創建屬于自己的基于虛擬現實的教學場景挑戰，并讓學生體驗這些科目的細節，這是以前從未實現過的，而且學生們的反饋情況很好。雖然他們對于課程融合的規模比較小，但是它已經邁出了第一步。又如，在中國的課堂上進行實驗研究表明，虛擬現實的使用已經證明對考試結果的有效性有巨大影響。在貫穿科學、工程和數學領域中，原等級為“C級”的學生使用虛擬現實浸入式學習后的表現優于等級為“B級”的學生。“B級”學生是在傳統的教學課堂中進行的，而“C級”學生的課堂被取而代之的是一個個將所有3個學科融合成一個整體的、引人入勝的學習體驗的真實例子。

2.4 沉浸式空間的營造

沉浸式學習為學習者提供了一個接近真實的學習環境，沉浸式虛擬教育空間可以出現在校園活動或各類模擬課堂教學中。課堂參與可能會以活動為導向，并通過角色扮演、大型游戲機臺、實時策略、多人大型在線游戲化等得到加強。

眾所周知，學習是最好要通過一系列的實踐來實現的，這樣學習者才能有親身的體驗和感受，以達到最佳效果。例如，高職院校中機床設備的實體課程與仿真、醫學院中手術問診程序的3D虛擬化以及軟件學院的軟件模擬仿真操作等。沉浸式學習將不受制于語言，而是對思考方式的一種創新，可以反復訓練去達到知行合一。如心理學中的情緒管理，有負面情緒時從覺知、接納、調整認知減少自己的負面情緒，再有情緒再覺知、接納、調整，周而復始地訓練自己。

3 元宇宙教育中的虛擬教室與虛擬教師

虛擬教室可以分為教師教學區和學生學習區。虛擬教室不限時空，可以將最新的專家分析嵌入現實世界中。教師可在虛擬教室講解問題，既可以是微觀的，也可以是宏觀現象以及難以理解的抽象而需要被具體化的知識，可以解決教學過程中的痛點和難點。學生在學習期可以查閱大量的資料，仰望屬于自己的天空，可以讓著名天文學家尼爾·德格拉斯·泰森解釋天文學中銀河的結構，可以讓著名的科幻作家劉慈欣來描述三體和黑暗森林。屆時，專業知識將來自任何地方，而不僅僅是教科書。學生還可以不斷去操作各種實驗，不用擔心實驗物品的損耗以及設備的破壞，這能大大提高教學的效率和質量。學生可以對自己的空間進行公開或者加密，如果希望自己的作品被展示，可以投放在虛擬教室的展示位置。虛擬教室也可以在教師的管理下形成自己的班級特色，在不同的教育模式和教育管理要求下，各個區域可以獨立設置，也可以混合布置。

虛擬教師應不僅限于類似初音未來的二次元動畫角色，她更應該是一位類似內涵AI技術微軟小冰——一位可以模擬人類教師行為的AI老師。她首先會診斷每個學習者在不同課程領域知識的空缺，以此為基礎推送個性化學習，并且能夠反映出學習者在學習過程中的不足和缺失，不斷調整學習內容和難易程度。虛擬教師會更勝任于解決邏輯思維和推理性的問題，但關于社會性或情感性的連接，虛擬教師還無法完全做到。因此，普通的教師可以一定程度上介入虛擬教師的輔導工作，以更多的精力投入和每個學習者的交流、輔導，加深與學生之間的互動情節。

最后，虛擬教室帶來的學習評估不再依賴傳統教師的批改作業和固定化考試，而是追蹤學生的學習進度，將其作為積極的正向反饋工具，而不是問責機制。虛擬教室可以直接使用過程性數據來作為評測方式。

4 元宇宙中的個體增量學習與社會學習效應

任何領域中進行的正式或非正式環境下的學習都既是個體過程也是一種社會過程。在學習的某一個層次，認知和心理感覺是在個體的大腦里以獨特的方式建構的。文化、語言相同的個體可以在元宇宙中以相毗鄰的角色進行交流、創造，或以分享、協作的方式方法去學習[3]。共同的語言技能、文化技能、習慣和手段是建構和分享新學習的基礎。這些社會規范也對學習意識和學習機會起到預先處理和過濾的作用，而且它們在社會的體系下既有助于發現學習意識和學習機會，又能掩蓋學習意識和學習機會[4]。當個體學習相互連接、強化和觀察時，就會逐步形成用聯結的觀點來解釋社會態度、人際吸引、社會規范等現象，形成一定的社會學習效應。

4.1 個體增量學習

個體增量學習是指一個學習系統能不斷地從新樣本中學習到新的知識，并能保存絕大部分以前已經學習到的知識(見圖2)。人類本身的學習活動就是增量學習，人在成長過程中對新事物總是處于一種循序漸進的學習過程且較難忘記現有知識。不過，學習者的記憶往往會隨著時間而衰退，也就使得記憶的存儲非常重要。元宇宙技術可以嘗試幫助將學習者的增量學習內容以一定的形式存儲，可以是筆記、錄音、摘抄的一段對話或者一段視頻。當所有學習者的過程均被良好地保存，這時就形成了社會學習效應。

圖2 元宇宙中的個體增量學習與社會學習效應

當有新的數據產生時，學習方法需要對新數據的知識進行探索[5]，對系統進行二次訓練改動；當新增數據時，并不需要重建所有的知識庫，而是在原有知識庫的基礎上，對由于新增數據所引起的變化進行更新。一般來說，增量學習方法更加符合循序漸進的思維原理。增量學習框架有很多，各框架最核心的內容是處理新數據與已存儲知識相似性匹配方法，因為該方法決定覺察新知識并增加知識庫的方式，它影響著知識的增長。新知識的判定機制成為增量學習的核心部件[6]。第一，可以利用元宇宙技術不斷保存歷史數據，不斷保留和擴大存儲空間；第二，可以利用相似性匹配的技術在新的樣本訓練中充分繼承歷史的訓練結果，以縮短后續訓練的時間；第三，在沒有模式可參照的情況下，學習者可以用自己的方式搜尋任何相關信息，自由形成新的增量學習節點。

4.2 社會學習效應

個體增量學習在很多方面都是社會性的，因此集體學習可以以多種方式被概念化。首先，最明顯的是團隊訓練和學習可能作為一種社會活動發生。學習者可以合作學習事件，因此社會學習效應是不同個體在社會語境中表達的一種涌現屬性。有時，學習者僅通過觀察他人或模仿榜樣，就可以學習某種社會態度和行為。在觀察學習中，元宇宙提供在特定環境下觀察他人的學習過程是一個非常關鍵的信息來源，觀察學習可以在沒有任何其他外在強化的情況下出現。在社會學習過程中，觀察的過程、觀察的頻率、觀察的時間等都會對學習者們的行為產生相互的影響，在這種情況下，社會環境會在多個層面發揮影響。此外，社會環境還容易聚類出特定的群體身份，并隱含著指導檢索過程和內容的特定目標和規范。

5 結語

元宇宙被視為下一代互聯網的新形態，被認為帶給了人類數字化的未來。元宇宙等平臺應用于當前數字化教育場景的學習策略也給教育和培訓帶來了創新的思路，無論中小學還是大學做的不僅僅是培訓，他們積極塑造年輕人的未來，利用元宇宙技術則可以超出傳統的教育場所，元宇宙將在數字時代尤其是教育方面發揮巨大的作用。