中小學(xué)教育元宇宙空間的構(gòu)建及其教學(xué)應(yīng)用*

王同聚

中小學(xué)教育元宇宙空間的構(gòu)建及其教學(xué)應(yīng)用*

王同聚

（廣州市電化教育館，廣東廣州 510091）

隨著新技術(shù)的迅猛發(fā)展，元宇宙快速進(jìn)入社會(huì)多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，教育元宇宙應(yīng)運(yùn)而生。目前，我國(guó)教育元宇宙的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段。為推動(dòng)教育元宇宙在中小學(xué)校的落地實(shí)施，文章首先厘清了“元宇宙”與“教育元宇宙”的概念，然后通過對(duì)教育元宇宙的關(guān)鍵技術(shù)、框架設(shè)計(jì)、場(chǎng)景構(gòu)建、教學(xué)空間等方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，構(gòu)建了中小學(xué)教育元宇宙空間，其架構(gòu)包含基礎(chǔ)設(shè)施層、技術(shù)平臺(tái)層、智能感知層、應(yīng)用展示層。最后，文章依托教育元宇宙空間，在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中開展了XR和“三師課堂”教學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)。在教育元宇宙空間，人類教師、虛擬數(shù)字人教師和智能機(jī)器人教師以“三師課堂”形式協(xié)同授課，實(shí)現(xiàn)了跨越時(shí)空的師生互動(dòng)交流，既能減輕教師的工作負(fù)擔(dān)，也能發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)、提升其學(xué)習(xí)成效，有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

教育元宇宙；虛擬數(shù)字人；智能機(jī)器人；“三師課堂”；中小學(xué)學(xué)科教學(xué)；智能技術(shù)應(yīng)用

一 研究背景

隨著人工智能（Artificial Intelligence，AI）、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Extended Reality，XR）、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）、5G、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、腦機(jī)控制等新技術(shù)的迅猛發(fā)展，“元宇宙”快速走進(jìn)大眾視野。2021年10月29日，扎克伯格將“臉書”（Facebook）更名為“元”（Meta），“元宇宙”成為了年度流行熱詞，2021年亦被視為“元宇宙元年”[1]。元宇宙涉及人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，既要有多學(xué)科、跨學(xué)科研究的融合度，也要有單一學(xué)科研究的精深度[2]。隨著元宇宙時(shí)代的到來，元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用將開啟“教育元宇宙”的新紀(jì)元。

教育元宇宙以技術(shù)為體、以教育為魂、以育人為本，將推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”時(shí)代走向“元宇宙+教育”新時(shí)代。順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，各地學(xué)校要積極打造教育元宇宙教學(xué)空間，讓教師適應(yīng)“元宇宙”教學(xué)場(chǎng)景，并在教育元宇宙空間開展豐富多彩的教學(xué)活動(dòng)。人類教師進(jìn)入虛擬空間后，將通過數(shù)字化以虛擬數(shù)字人形象行走于虛擬世界。虛擬數(shù)字人可以作為教育元宇宙形象代表，成為人類教師的得力助手和智慧伙伴；而智能機(jī)器人在AI技術(shù)的支持下可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、智能感知、智能應(yīng)答、智能移動(dòng)等操作，并可在教室里提供模式識(shí)別、行為分析、人機(jī)交互、問題答疑等功能，亦能成為人類教師的幫手。虛擬數(shù)字人和智能機(jī)器人能夠以助教的角色協(xié)助人類教師完成重復(fù)性、繁雜性、程式性、機(jī)械性的工作，因此未來的課堂教學(xué)將會(huì)由人類教師、虛擬數(shù)字人教師和智能機(jī)器人教師三元一體協(xié)同授課，以“三師課堂”形式共同完成教學(xué)任務(wù)。

目前，教育元宇宙的相關(guān)應(yīng)用研究已在一些高校展開，如蔡蘇等[3]在北京師范大學(xué)搭建了“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室，并基于VR/AR的理科虛擬實(shí)驗(yàn)室和文科沉浸式情境體驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，開展了教育元宇宙的教學(xué)應(yīng)用研究；華子荀等[4]在廣東第二師范學(xué)院開展了教育元宇宙的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，通過創(chuàng)設(shè)“圖書館”“校園”“教室”三類教育元宇宙場(chǎng)景，分別對(duì)應(yīng)序列型指引、綜合型探究、眾創(chuàng)建構(gòu)三種學(xué)習(xí)活動(dòng)；劉革平等[5]在西南大學(xué)探討了教育元宇宙在素質(zhì)教育、全納教育、職業(yè)教育、終身教育等領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。但是，目前我國(guó)在中小學(xué)搭建教育元宇宙空間和開展教育元宇宙教學(xué)應(yīng)用的研究案例并不多見。2022年，我國(guó)各地政府相繼發(fā)布支持元宇宙產(chǎn)業(yè)落地的政策文件，其中北京市通州區(qū)人民政府、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等印發(fā)的《北京城市副中心元宇宙創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022-2024年）》推出了一批元宇宙應(yīng)用場(chǎng)景，其中“元宇宙+教育場(chǎng)景”主要用于支持“元宇宙教育實(shí)驗(yàn)室”“智能學(xué)?！钡戎腔劢逃圏c(diǎn)示范建設(shè)，加快虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育、基礎(chǔ)教育等不同教育階段的應(yīng)用，支持建設(shè)新型虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地、產(chǎn)教融合智慧云平臺(tái)，推動(dòng)科普、培訓(xùn)、教學(xué)、科研的融合發(fā)展等[6]。為落實(shí)國(guó)家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃，有必要在中小學(xué)開展教育元宇宙和虛擬數(shù)字人實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究，以帶動(dòng)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能升級(jí)、創(chuàng)新數(shù)字資源供給模式、深化教育教學(xué)改革創(chuàng)新、促進(jìn)教育公平和提高教學(xué)質(zhì)量。為此，本研究聚焦于中小學(xué)教育元宇宙空間的構(gòu)建，并開展了相關(guān)的教學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)。

二 “元宇宙”與“教育元宇宙”

1 “元宇宙”的概念

目前，公認(rèn)的“元宇宙”（Metaverse）概念來自美國(guó)作家尼爾·斯蒂芬森于1992年出版的科幻小說《雪崩》（），書中的主角Protagonist帶著防護(hù)眼鏡和耳機(jī)進(jìn)入元宇宙，在數(shù)字世界中以自己定制的化身形象出現(xiàn)[7]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界尚未就“元宇宙”的概念達(dá)成共識(shí)。例如，沈陽(yáng)[8]認(rèn)為元宇宙是整合多種新技術(shù)后產(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)，其基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)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，并將虛實(shí)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，使每個(gè)用戶都可以進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn)和編輯；陳剛等[9]認(rèn)為，元宇宙是利用科技手段進(jìn)行鏈接、創(chuàng)造并與現(xiàn)實(shí)世界映射、交互的虛擬世界，也是具有新型社會(huì)體系的數(shù)字生活空間。當(dāng)前，人們對(duì)元宇宙的探索仍處于起步階段，因此“元宇宙”是一個(gè)不斷發(fā)展、演變的概念，需要對(duì)其內(nèi)涵繼續(xù)進(jìn)行整合、提煉、歸納和總結(jié)，使其更加貼合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外，“元宇宙”的概念需適合在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，故要從技術(shù)支撐、拓展屬性、人機(jī)融生、生存空間、構(gòu)建階段、主要特征等多個(gè)層面對(duì)其概念進(jìn)行界定。

基于上述分析，本研究通過對(duì)多名研究者的相關(guān)觀點(diǎn)進(jìn)行梳理、歸納，提出元宇宙是基于AI、IoT、XR、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、腦機(jī)控制等新技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界進(jìn)行交互融合，通過自然人、智能機(jī)器人和虛擬數(shù)字人三元融合共同參與數(shù)字社會(huì)活動(dòng)，由數(shù)字孿生、虛擬貨幣、虛擬原生、虛實(shí)共生、虛實(shí)聯(lián)動(dòng)構(gòu)建而成的數(shù)字化生存空間。元宇宙的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了生活空間、感官體驗(yàn)、視角維度、思想實(shí)踐、消費(fèi)空間等的拓展。

2 “教育元宇宙”的概念

“教育元宇宙”（Edu-metaverse）的研究剛剛起步，其相關(guān)理論研究成果較少。華子荀等[10]認(rèn)為，“教育元宇宙”可被理解為元宇宙的教育應(yīng)用，其為教師、學(xué)生、管理者等創(chuàng)建數(shù)字身份，在虛擬世界中開拓正式與非正式的教學(xué)場(chǎng)所，并允許師生在虛擬的教學(xué)場(chǎng)所進(jìn)行互動(dòng)；劉革平等[11]認(rèn)為，教育元宇宙是利用XR、數(shù)字孿生、5G、人工智能、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)塑造的虛實(shí)融合教育環(huán)境，具有虛擬與現(xiàn)實(shí)全面交織、人類與機(jī)器全面聯(lián)結(jié)、學(xué)校與社會(huì)全面互動(dòng)的特征。值得一提的是，這兩位學(xué)者還根據(jù)自己在高校的工作經(jīng)歷，從技術(shù)、應(yīng)用、呈現(xiàn)形式等層面對(duì)“教育元宇宙”的概念進(jìn)行了解讀。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)“教育元宇宙”的概念尚未有明確、統(tǒng)一的界定，需要對(duì)其概念做進(jìn)一步的梳理、歸納和總結(jié)，使其更加貼近現(xiàn)實(shí)教育場(chǎng)景，以推進(jìn)元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用。

在梳理多名研究者對(duì)“教育元宇宙”相關(guān)論述的基礎(chǔ)上，結(jié)合七年來筆者在教學(xué)中應(yīng)用VR、AR、MR的實(shí)踐探索，本研究歸納“元宇宙”的概念并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)后認(rèn)為：教育元宇宙是在AI、XR、IoT、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、腦機(jī)控制等技術(shù)的支撐下，集智慧育人空間、虛實(shí)教學(xué)體驗(yàn)、跨越時(shí)空交流、三師協(xié)同授課和多種教育資源于一體的智能教育教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景，其通過人類教師、虛擬數(shù)字人教師和智能機(jī)器人教師三元一體協(xié)同授課，以“三師課堂”形式在現(xiàn)實(shí)空間和虛擬空間共同開展教學(xué)活動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互、虛實(shí)交互、智能交互、情境交互、體感交互、腦機(jī)交互和師生交互。

厘清“元宇宙”“教育元宇宙”的概念后，如何在中小學(xué)校落地實(shí)施教育元宇宙的問題便提上了日程。本研究通過對(duì)教育元宇宙的關(guān)鍵技術(shù)、框架設(shè)計(jì)、場(chǎng)景構(gòu)建、教學(xué)空間等方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，首先從理論上構(gòu)建中小學(xué)教育元宇宙空間，然后從教育元宇宙的硬件配置、資源開發(fā)、教學(xué)應(yīng)用等方面開展探索性實(shí)驗(yàn)，以不斷挖掘教育元宇宙與中小學(xué)教育深度融合的潛力，開發(fā)具有實(shí)踐性和指導(dǎo)性的教學(xué)案例，從而為中小學(xué)教育元宇宙的理論與實(shí)踐研究提供參考。

三 中小學(xué)教育元宇宙空間的構(gòu)建

從理論上進(jìn)行設(shè)想，中小學(xué)教育元宇宙空間應(yīng)是一個(gè)集教學(xué)、體驗(yàn)于一體的智能交互空間，由人類教師、虛擬數(shù)字人教師和智能機(jī)器人教師以“三師課堂”形式協(xié)同授課，并通過基礎(chǔ)設(shè)施層、技術(shù)平臺(tái)層進(jìn)入教育元宇宙，通過智能感知層實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互、體感交互、人機(jī)交互，通過應(yīng)用展示層創(chuàng)設(shè)教育元宇宙的教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景?；诖?，本研究構(gòu)建了包含基礎(chǔ)設(shè)施層、技術(shù)平臺(tái)層、智能感知層、應(yīng)用展示層的中小學(xué)教育元宇宙空間，其架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 中小學(xué)教育元宇宙空間的架構(gòu)設(shè)計(jì)

1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層為教育元宇宙提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、軟件平臺(tái)和硬件設(shè)備支持，主要由互聯(lián)網(wǎng)接入、物聯(lián)網(wǎng)接入、元宇宙軟件平臺(tái)和元宇宙硬件設(shè)備組成。

①互聯(lián)網(wǎng)接入：采用光纖網(wǎng)絡(luò)+5G WiFi網(wǎng)絡(luò)接入方式，確保網(wǎng)絡(luò)暢通，是通往教育元宇宙空間的“信息高速公路”。

②物聯(lián)網(wǎng)接入：能夠?qū)崿F(xiàn)物與物、物與人、人與人之間的連接，涉及各種傳感器、感知設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等。

③元宇宙軟件平臺(tái)：主要為教育元宇宙空間提供軟件環(huán)境支持，如XR資源平臺(tái)、虛擬數(shù)字人制作平臺(tái)、3D建模平臺(tái)、虛擬直播平臺(tái)等。

④元宇宙硬件設(shè)備：主要為教育元宇宙空間提供硬件保障，如語(yǔ)音交互智能機(jī)器人、VR交互無(wú)人機(jī)、智能音箱、智能體感設(shè)備、智能動(dòng)作捕捉設(shè)備、腦機(jī)控制設(shè)備、頭戴式XR眼鏡等。

2 技術(shù)平臺(tái)層

技術(shù)平臺(tái)層是在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、AI、XR、IoT、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、腦機(jī)控制等技術(shù)的支持下，主要為教育元宇宙空間提供算力、算法和數(shù)據(jù)支持。

①計(jì)算技術(shù)：為教育元宇宙提供算力支持，以支持語(yǔ)音控制、XR應(yīng)用、機(jī)器人控制、無(wú)人機(jī)控制等軟件的開發(fā)與應(yīng)用，具體包括云計(jì)算、普適計(jì)算、邊緣計(jì)算等。其中，云計(jì)算具有分布式存儲(chǔ)和計(jì)算、高擴(kuò)展性、高可用性、用戶友好性等特征[12]；普適計(jì)算能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、以任何方式進(jìn)行信息的獲取與處理[13]；而邊緣計(jì)算可以緩解云計(jì)算中心的壓力，提高可用性，并能夠保護(hù)數(shù)據(jù)安全和隱私[14]。

②核心算法：為教育元宇宙空間提供各種智能設(shè)備操作和各種算法的支持，通過算法設(shè)計(jì)與分析，為平臺(tái)各應(yīng)用系統(tǒng)的編程提供可靠算法設(shè)計(jì)思想和算法分析基本原則，具體包括AI、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)、物理引擎。其中，區(qū)塊鏈技術(shù)可用于完善數(shù)字內(nèi)容的確權(quán)，使創(chuàng)作的數(shù)字內(nèi)容具有資產(chǎn)屬性；而數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維動(dòng)態(tài)虛擬模型，可用于仿真物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為等[15]。

③交互技術(shù)：語(yǔ)音交互、體感交互、腦機(jī)交互等多種交互技術(shù)在教育元宇宙空間運(yùn)行時(shí)，需要調(diào)用大量的數(shù)據(jù)作支撐。例如，在交互的過程中需要調(diào)用設(shè)備綜合數(shù)據(jù)、平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、第三方應(yīng)用數(shù)據(jù)、教學(xué)資源數(shù)據(jù)、過程性生成數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)。

3 智能感知層

智能感知層是教育元宇宙空間的“感覺器官”，由模式識(shí)別、感知控制兩大模塊組成。在AI、5G、XR、IoT等技術(shù)的支持下，人們通過眼、耳、口、鼻、腦、身實(shí)現(xiàn)視覺增強(qiáng)、聽覺延伸、味覺拓展、嗅覺靈敏、意識(shí)映射和體感交互，達(dá)到智能感知、智能分析、智能判斷、時(shí)空延展和人機(jī)融合的感官體驗(yàn)效果。

①模式識(shí)別：包括文字識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別和人臉識(shí)別等。例如，應(yīng)用文字識(shí)別，可以將文字轉(zhuǎn)成聲音文件或?qū)⒙曇粑募D(zhuǎn)成文字；應(yīng)用語(yǔ)音識(shí)別，可以與智能音箱或智能機(jī)器人進(jìn)行語(yǔ)音交互；應(yīng)用圖像識(shí)別，可以掃描圖片轉(zhuǎn)成文字、手機(jī)拍照識(shí)別植物等；而人臉識(shí)別可用于課堂監(jiān)測(cè)、校園安防、學(xué)生身份識(shí)別等。

②感知控制：包括感應(yīng)控制、體感控制和腦機(jī)控制等。其中，感應(yīng)控制可以通過各種傳感器應(yīng)用提升控制的精細(xì)化、智能化水平，如教育機(jī)器人通過超聲波傳感器、紅外傳感器、溫度傳感器、智能化數(shù)字傳感器等感知外部環(huán)境，從而在教育元宇宙空間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、自動(dòng)測(cè)溫、智能應(yīng)答；體感控制是使用肢體動(dòng)作與周邊體感設(shè)備進(jìn)行互動(dòng)，如通過各種可穿戴設(shè)備與頭戴式VR眼鏡中的操作對(duì)象進(jìn)行虛實(shí)交互、體感交互；腦機(jī)控制是用人腦控制外部設(shè)備將思考轉(zhuǎn)化為行動(dòng)，如利用腦機(jī)控制頭環(huán)控制計(jì)算機(jī)操作，完成文本輸入和文件的編輯、排版等。

4 應(yīng)用展示層

應(yīng)用展示層是教育元宇宙的應(yīng)用展示窗口和教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景，能為師生提供信息發(fā)布平臺(tái)與各種教育元宇宙的應(yīng)用體驗(yàn)。

①微信公眾號(hào)/視頻號(hào)：可發(fā)布教育元宇宙教學(xué)活動(dòng)信息和元宇宙應(yīng)用視頻展示內(nèi)容。

②教育元宇宙應(yīng)用資源網(wǎng)站：展示引進(jìn)或自主開發(fā)的教育元宇宙教學(xué)應(yīng)用資源。

③智能機(jī)器人應(yīng)用：由中央處理器、多種傳感器和效果器等組成。在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的支持下，用于教學(xué)的智能機(jī)器人具有相當(dāng)發(fā)達(dá)的“大腦”，存儲(chǔ)了海量的各學(xué)科知識(shí)信息，能夠進(jìn)行人機(jī)交互對(duì)話。在教育元宇宙空間，智能機(jī)器人可擔(dān)任人類教師的助教，學(xué)生遇到的概念性、知識(shí)性問題可由智能機(jī)器人來解答。

④虛擬數(shù)字人應(yīng)用：主要利用智影、元媧、希壤、Snasp Camera、XSplit VCam等多種虛擬數(shù)字人平臺(tái)自主開發(fā)的各類教學(xué)視頻，通過虛擬數(shù)字人完成線上線下視頻授課。在教育元宇宙空間，虛擬數(shù)字人拓展了自然人在虛擬空間的數(shù)字融合應(yīng)用能力，可以擔(dān)任人類教師的助教。

⑤XR與全息投影應(yīng)用：主要放置VR/AR/MR設(shè)備和全息投影設(shè)備，分別應(yīng)用于VR學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作、VR在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用、VR與智能體感設(shè)備配合應(yīng)用等；AR圖書、AR卡片、AR在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用；通過頭戴式MR眼鏡展示各種大型模擬實(shí)驗(yàn)，如智能機(jī)器人組裝、高精密機(jī)械修理、動(dòng)物解剖實(shí)驗(yàn)、?；繁▽?shí)驗(yàn)等；通過全息智能音箱和3D全息風(fēng)扇屏，實(shí)現(xiàn)自然人與虛擬影像的人機(jī)語(yǔ)音交互，并在虛擬環(huán)境中讓全息數(shù)字人進(jìn)行學(xué)科知識(shí)答疑、才藝技能展示、學(xué)科知識(shí)教學(xué)等。

⑥體感/動(dòng)捕/腦電控制應(yīng)用：可以通過動(dòng)作捕捉設(shè)備、攝像頭與虛擬數(shù)字人平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自然人與虛擬數(shù)字人的交互；通過智能腦機(jī)頭環(huán)，實(shí)現(xiàn)腦機(jī)交互打字、腦機(jī)交互操作計(jì)算機(jī)、學(xué)習(xí)狀態(tài)捕獲、學(xué)習(xí)效率分析等。

⑦3D建模編程應(yīng)用：應(yīng)用UE5虛幻引擎、MetaHuman等軟件，完成虛擬數(shù)字人的建模、設(shè)計(jì)、捏臉、服飾裝扮等任務(wù)；可以制作高仿真的虛擬數(shù)字人，為“三師課堂”提供虛擬數(shù)字人教師資源。

四 中小學(xué)教育元宇宙空間在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

2015年，筆者創(chuàng)建“智創(chuàng)空間”的同時(shí)，配備了多種XR設(shè)備和AR圖書資源；2016年，筆者將VR、AR、MR技術(shù)（含可穿戴設(shè)備）作為創(chuàng)客教育“新三劍客”[16][17]，開展了XR在教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究[18]。近年來，“智創(chuàng)空間”又配備了全息投影設(shè)備、裸眼3D設(shè)備、交互體感可穿戴設(shè)備、腦機(jī)控制頭環(huán)、物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備、教育智能機(jī)器人、腦機(jī)控制無(wú)人機(jī)等多種硬件設(shè)備，并搭建了虛擬數(shù)字人制作平臺(tái)、VR資源開發(fā)編程設(shè)計(jì)平臺(tái)等軟件平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了教育元宇宙空間，為開展中小學(xué)教育元宇宙實(shí)驗(yàn)提供了有力的軟硬件支持。依托教育元宇宙空間，本研究在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中開展了XR和“三師課堂”教學(xué)探索性實(shí)驗(yàn)。

1 XR在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

XR是VR、AR、MR等多種技術(shù)的統(tǒng)稱。VR是純虛擬數(shù)字畫面，其主戰(zhàn)場(chǎng)是虛擬世界，人們使用VR設(shè)備探索人工創(chuàng)建的虛擬世界，追求沉浸感；AR是虛擬數(shù)字畫面+裸眼現(xiàn)實(shí)，其主戰(zhàn)場(chǎng)是現(xiàn)實(shí)世界，人們使用AR設(shè)備產(chǎn)生的虛擬信息提升探索現(xiàn)實(shí)世界的能力，具有極強(qiáng)的移動(dòng)性；MR是數(shù)字化現(xiàn)實(shí)+虛擬數(shù)字畫面，MR與AR更為接近，都是一半現(xiàn)實(shí)一半虛擬影像。

（1）VR在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

VR是一種基于多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)的沉浸式交互環(huán)境[19]，具有沉浸性、交互性、構(gòu)想性和智能性。在教育元宇宙空間，可以使用VR設(shè)備開展中小學(xué)各學(xué)科內(nèi)容的教學(xué)，如通過中央電化教育館的“虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)”（網(wǎng)址：https://vlab.eduyun.cn/）進(jìn)入物理、化學(xué)、生物學(xué)、科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，學(xué)生借助頭戴式VR眼鏡（如HTC、PiCO）和操控手柄，即可在虛擬空間身臨其境般地使用、操作各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互、觀察各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如用頭戴式VR眼鏡探究電壓與電流之間的關(guān)系、頭戴式VR眼鏡觀察點(diǎn)燃鎂條的化學(xué)反應(yīng)等。另外，通過桌面式VR一體機(jī)，學(xué)生可以使用相關(guān)設(shè)備操作各學(xué)科的VR課件資源并進(jìn)行人機(jī)交互，如利用“桌面式VR一體機(jī)+全息投影”，學(xué)生通過裸眼即可觀看蝴蝶從“幼蟲→成蟲→繭蛹→蝴蝶”的蛻變?nèi)^程；利用“桌面式VR一體機(jī)+激光筆”，學(xué)生可以進(jìn)行拆解發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)，而通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)部件進(jìn)行拆分和重新組裝，學(xué)生可以直觀地了解發(fā)動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。在教學(xué)中使用三維模型、三維仿真、三維動(dòng)畫等可交互式操作的VR資源，進(jìn)行趣味性、直觀性、應(yīng)用性、沉浸式的情景再現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的教學(xué)活動(dòng)和實(shí)操訓(xùn)練，讓學(xué)生獲得具有真實(shí)感和沉浸感的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（2）AR在中小學(xué)多個(gè)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

AR是基于計(jì)算機(jī)的顯示與交互、網(wǎng)絡(luò)的跟蹤與定位等技術(shù)，將計(jì)算機(jī)形成的虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)場(chǎng)景，以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行補(bǔ)充，具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、沉浸體驗(yàn)三大特性[20]。教師在組織開展中小學(xué)各學(xué)科教學(xué)時(shí)，師生均可通過手機(jī)或平板電腦的攝像頭觀看AR地球儀、AR圖書等AR素材提供的AR特效，并通過相關(guān)APP控制虛擬畫面中的機(jī)器人做出相應(yīng)動(dòng)作。在智慧教室，通過AR+AI摳像，可將人物經(jīng)由AI摳像提取后的影像放置到相應(yīng)場(chǎng)景中進(jìn)行情景還原和場(chǎng)景再現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)虛擬影像疊加在真實(shí)場(chǎng)景的AR特效。

（3）MR在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

MR是數(shù)字化現(xiàn)實(shí)加上虛擬數(shù)字畫面，即通過在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感[21]。MR技術(shù)結(jié)合了VR、AR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具有VR和AR相融的雙重特征。例如，教師在講授汽車底盤模型結(jié)構(gòu)時(shí)，學(xué)生可以使用頭戴式MR眼鏡對(duì)虛擬的汽車底盤進(jìn)行組裝并調(diào)試每個(gè)部件；學(xué)生在進(jìn)行建筑模型設(shè)計(jì)時(shí)，可以多人同時(shí)使用頭戴式MR眼鏡，取得多人協(xié)同操作、實(shí)時(shí)交互、虛實(shí)互融的學(xué)習(xí)效果。此外，利用MR組織教學(xué)，還可以通過創(chuàng)設(shè)虛擬情境、明確探究問題、多人協(xié)同交互、拓展延伸空間來實(shí)現(xiàn)教學(xué)場(chǎng)景設(shè)計(jì)。可以說，MR縮小了真實(shí)世界與虛擬世界之間的差距，將知識(shí)體系同時(shí)朝橫向、縱向方向上拓展，可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)更深層次的問題，并為快速解決現(xiàn)實(shí)問題搭建虛擬化、數(shù)字化的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

2 “三師課堂”在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

“三師課堂”是由人類教師、虛擬數(shù)字人教師和智能機(jī)器人教師三類教師協(xié)同開展的課堂教學(xué)，其教學(xué)模型如圖2所示。三類教師雖然角色不同、分工不同，但有共同的目標(biāo)，能夠團(tuán)結(jié)一致、三體合一，協(xié)同完成教學(xué)任務(wù)。

圖2 “三師課堂”教學(xué)模型

本研究以融合人工智能技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的教學(xué)案例——“語(yǔ)音交互懸空體感爵士鼓的設(shè)計(jì)與制作”課程為例，來介紹“三師課堂”中三類教師的授課分工。語(yǔ)音交互懸空體感爵士鼓是一個(gè)數(shù)字化虛擬爵士鼓，其使用語(yǔ)音交互、虛實(shí)交互、體感交互等方式進(jìn)行演奏。制作語(yǔ)音交互懸空體感爵士鼓需要利用方位計(jì)、重力傳感器、陀螺儀、超聲波傳感器、藍(lán)牙模塊、語(yǔ)音控制模塊、控制器等多種硬件設(shè)備，并需要通過圖形化語(yǔ)言或Python語(yǔ)言進(jìn)行編程[22]。

（1）虛擬數(shù)字人教師：負(fù)責(zé)線上線下視頻授課

虛擬數(shù)字人教師是通過虛擬形象建模、文本輸入、文字識(shí)別、語(yǔ)音合成、自然語(yǔ)音處理、動(dòng)作捕捉、動(dòng)作設(shè)計(jì)、視頻生成等多個(gè)設(shè)計(jì)步驟，生成的數(shù)字化身人物形象。筆者利用智影、元媧兩個(gè)平臺(tái)，制作了虛擬數(shù)字人教師——“小慧”。課前，教師只需將提前準(zhǔn)備好的PPT課件和虛擬數(shù)字人教師要講解的每張PPT文字內(nèi)容分別導(dǎo)入虛擬數(shù)字人制作平臺(tái)，再經(jīng)過場(chǎng)景、人物、服飾、動(dòng)作、語(yǔ)調(diào)等一系列設(shè)置，即可自動(dòng)生成虛擬數(shù)字人的授課視頻。“小慧”可以通過線上線下進(jìn)行視頻授課，具有真人形象和發(fā)音，有豐富的肢體語(yǔ)言，發(fā)音純正而不夾帶方言，講解內(nèi)容清晰、精準(zhǔn)而不會(huì)出現(xiàn)口誤，是幫助人類教師授課的虛擬助教，能根據(jù)PPT內(nèi)容出色地完成授課任務(wù)，可以代替人類教師通過視頻向?qū)W生講解“語(yǔ)音交互懸空體感爵士鼓的設(shè)計(jì)與制作”課程的全部授課內(nèi)容。

（2）智能機(jī)器人教師：負(fù)責(zé)知識(shí)性問題的答疑

教育元宇宙空間配置的智能機(jī)器人能夠通過人臉識(shí)別技術(shù)識(shí)別學(xué)生身份，已存儲(chǔ)了海量的各學(xué)科知識(shí)信息，能夠通過智能語(yǔ)音交互功能進(jìn)行人機(jī)交互對(duì)話，可擔(dān)任人類教師的助教。筆者對(duì)具有語(yǔ)音交互功能的人形智能機(jī)器人經(jīng)過二次設(shè)計(jì)、開發(fā)，制作了具有個(gè)性化語(yǔ)音交互和人臉自動(dòng)識(shí)別驗(yàn)證身份功能的智能機(jī)器人教師——“小智”。在教育元宇宙空間上課時(shí)，“小智”的任務(wù)是為學(xué)生答疑解惑，尤其擅長(zhǎng)為學(xué)生解答各種知識(shí)性、概念性疑難問題，且對(duì)各類概念性知識(shí)點(diǎn)的回答能做到解答精準(zhǔn)、反應(yīng)敏捷、有問必答、不會(huì)出錯(cuò)，回答問題的快捷度、精準(zhǔn)度、知識(shí)量、記憶力等已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了人類教師。學(xué)生制作懸空體感爵士鼓時(shí)，如果遇到了知識(shí)性、概念性難題，便可直接向“小智”求助——只要呼喚他的名字“小智”，他就會(huì)自動(dòng)走到學(xué)生身邊，用自帶攝影頭自動(dòng)識(shí)別學(xué)生身份，并能精準(zhǔn)回答學(xué)生所提出的問題。

（3）人類教師：負(fù)責(zé)線下現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)活動(dòng)的指導(dǎo)

在教育元宇宙空間上課時(shí)，“小智”“小慧”兩個(gè)貼身助教可以承擔(dān)大部分重復(fù)、繁重的知識(shí)性教學(xué)任務(wù)，這在“雙減”背景下首先減輕了人類教師的授課負(fù)擔(dān)，使人類教師可以集中精力去重點(diǎn)解決學(xué)生制作懸空體感爵士鼓過程中遇到的技術(shù)難題（如硬件設(shè)計(jì)制作、軟件程序編寫、作品聯(lián)合調(diào)試等方面的難題），并讓人類教師有更多的時(shí)間與學(xué)生溝通交流，引導(dǎo)學(xué)生完善項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)出創(chuàng)新性、智能化的優(yōu)秀作品；同時(shí)，人類教師也有更多的時(shí)間去關(guān)注學(xué)困生的發(fā)展，并對(duì)情緒波動(dòng)的學(xué)生及時(shí)進(jìn)行心理疏導(dǎo)，給予情感關(guān)懷，提升心理素質(zhì)，從而達(dá)到培優(yōu)補(bǔ)差、提高學(xué)習(xí)成效、實(shí)現(xiàn)教育公平的目標(biāo)。在教育元宇宙空間制作懸空體感爵士鼓的過程中，人類教師承擔(dān)組織者、引導(dǎo)者、參與者、設(shè)計(jì)者、陪伴者、評(píng)價(jià)者的角色，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的項(xiàng)目規(guī)劃、計(jì)算思維、創(chuàng)意編程、綜合設(shè)計(jì)、開拓創(chuàng)新等能力，發(fā)展其核心素養(yǎng)。

教育元宇宙空間為“三師課堂”提供了廣闊的發(fā)展平臺(tái)，而人類教師、虛擬數(shù)字人教師和智能機(jī)器人教師可以取長(zhǎng)補(bǔ)短、協(xié)同工作。學(xué)生在教育元宇宙空間進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，可以同時(shí)接受人類教師、虛擬數(shù)字人教師和智能機(jī)器人教師的協(xié)同授課，并根據(jù)遇到的不同問題分別向他們求助?！叭龓熣n堂”的實(shí)施，既能為人類教師減負(fù)、提高其教學(xué)效率，又能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

五 結(jié)語(yǔ)

通過構(gòu)建中小學(xué)教育元宇宙空間，讓元宇宙和虛擬數(shù)字人走進(jìn)中小學(xué)日常教學(xué)，中小學(xué)師生可以直觀地感受教育元宇宙的各類應(yīng)用場(chǎng)景。通過XR和“三師課堂”在中小學(xué)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用，本研究將教育元宇宙空間與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景應(yīng)用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了跨越時(shí)空的師生互動(dòng)交流，既減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)，也發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)、提升了其學(xué)習(xí)成效，有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。后續(xù)研究需要進(jìn)一步優(yōu)化教育元宇宙空間的建設(shè)，將教育元宇宙、虛擬數(shù)字人、智能機(jī)器人技術(shù)與課堂教學(xué)進(jìn)行深度融合，以推動(dòng)未來教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能升級(jí)；同時(shí)，順應(yīng)人工智能時(shí)代的教育發(fā)展需要，培養(yǎng)智慧型、創(chuàng)新型人才，使教育元宇宙為師生造福，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)與教育的雙向促進(jìn)和良性發(fā)展。

[1][3]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[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2022,(1):16-26.

[2]查建國(guó),陳煉.開啟教育元宇宙新世界[N].中國(guó)社會(huì)科學(xué)報(bào),2022-3-4(2).

[4][10]華子荀,黃慕雄.教育元宇宙的教學(xué)場(chǎng)域架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究,2021,(6):23-31.

[5][11]劉革平,高楠,胡翰林,等.教育元宇宙:特征、機(jī)理及應(yīng)用場(chǎng)景[J].開放教育研究,2022,(1):24-33.

[6]北京市通州區(qū)人民政府.北京市通州區(qū)人民政府、北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、中關(guān)村科技園區(qū)管理委員會(huì)、北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局關(guān)于印發(fā)《北京城市副中心元宇宙創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2022-2024年)》的通知[OL].

[7]王運(yùn)武,王永忠,王藤藤,等.元宇宙的起源、發(fā)展及教育意蘊(yùn)[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2022,(2):121-129、133.

[8]沈陽(yáng).八問元宇宙數(shù)字媒介學(xué)者解碼“元宇宙概念”[OL].

[9]陳剛,董浩宇.北京大學(xué)學(xué)者發(fā)布元宇宙特征與屬性START圖譜[OL].

[12]陳全,鄧倩妮.云計(jì)算及其關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,(9):2562-2567.

[13]徐光檔,史元春,謝偉凱.普適計(jì)算[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2003,(9):1042-1050.

[14]施巍松,張星洲,王一帆,等.邊緣計(jì)算:現(xiàn)狀與展望[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2019,(1):69-89.

[15]陶飛,劉蔚然,張萌,等.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2019,(1):1-18.

[16]王同聚.人工智能時(shí)代,如何破創(chuàng)客教育難題[N].中國(guó)教育報(bào),2018-3-3(7).

[17]王同聚.走出創(chuàng)客教育誤區(qū)與破解創(chuàng)客教育難題——以“智創(chuàng)空間”開展中小學(xué)創(chuàng)客教育為例[J].電化教育研究,2017,(2):44-52.

[18][19][20][21]王同聚.虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用與前景展望[J].數(shù)字教育,2017,(1):1-10.

[22]王同聚.一種懸空感應(yīng)式電子爵士鼓[P].中國(guó)專利:201620440672.9,2016-5-13.

The Construction and its Teaching Application of Edu-metaverse Space in Primary and Secondary Schools

WANG Tong-ju

With the rapid development of new technology, metaverse has soon been applied in various social fields, and edu-metaverse has emerged as the times require. At present, the application of edu-metaverse in China is still in the primary stage. In order to promote the implementation of edu-metaverse in primary and secondary schools, this paper firstly clarified the concepts of “metaverse” and “edu-metaverse”. After that, through the overall planning of key technologies, framework design, scene construction, teaching space and other aspects of edu-metaverse, the edu-metaverse space for primary and secondary schools was constructed, whose architecture included infrastructure layer, technology platform layer, intelligent perception layer, and application display layer. Finally, relying on the edu-metaverse space, this paper carried out teaching exploratory experiments of XR and “triple-teacher classroom” in the subject teaching of primary and secondary schools. In the edu-metaverse space, human teachers, virtual digital human teachers, and intelligent robot teachers teach together in the form of “triple-teacher classroom”, realize teacher-student interaction and communication across time and space, which could not only reduce teachers’ workload, but also develop students’ core literacy, improve their learning effectiveness, and help cultivate innovative talents.

edu-metaverse; virtual digital human; intelligent robot; “triple-teacher classroom”; subject teaching of primary and secondary schools; intelligent technology application

G40-057

A

1009—8097（2022）11—0015—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.11.002

本文為全國(guó)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度教育部重點(diǎn)課題“面向中小學(xué)人工智能教育的教師培養(yǎng)與教學(xué)策略研究”（項(xiàng)目編號(hào)：DHA200334）的階段性研究成果。

王同聚，正高級(jí)教師，本科，研究方向?yàn)榛谥悄軝C(jī)器人的創(chuàng)客教育、STEM教育、人工智能教育和教育元宇宙應(yīng)用，郵箱為22915296@qq.com。

2022年7月1日

編輯：小米