元宇宙在中小學教育中的應用

【摘 要】2021年是元宇宙元年。整合了虛擬現實、增強現實、人工智能以及區塊鏈技術的元宇宙必將深刻影響未來的中小學教育。本文在梳理元宇宙概念的基礎上，辨析了元宇宙與VR/AR的差別，并從人工智能的視角理解元宇宙在教育中的作用。進一步分析了元宇宙在中小學教育中的潛在應用。最后，以STEMuli元宇宙為例說明元宇宙在中小學教育中的嘗試。

【關鍵詞】元宇宙;虛擬現實;增強現實;人工智能

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）010-005-03

2021年10月，Facebook正式更名為Meta，讓元宇宙正式進入了大眾的視野。隨后，騰訊、阿里以及字節跳動等科技巨頭紛紛開始布局元宇宙，開啟了中國的“元宇宙元年”。近年來，以虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等為代表的新興技術引領了未來教育的新方向。整合了人工智能、區塊鏈以及數字孿生等新興技術的元宇宙為學習者提供了一個更加豐富多元的學習場景，必將深刻影響未來的中小學教育。

什么是元宇宙

目前學術界還未形成元宇宙的統一定義，它仍是一個不斷發展、演變的概念。狹義的理解，元宇宙是利用虛擬現實（VR）技術構建的虛擬世界。廣義的理解，元宇宙被認為是下一代的社會聯系方式。即人們在一個被創造的世界里，基于創造者定義的規則進行“生活”。[1]元宇宙可以是完全虛擬的，也可以是部分虛擬的。例如，它可以是像虛擬現實（VR）系統那樣的完全虛擬世界，或者像在現實環境中使用增強現實（AR）那樣的部分虛擬世界。[2]在元宇宙中，人們可以參與社會活動，比如討論問題、玩游戲、學習。元宇宙中的伙伴或朋友可以是真人或虛擬角色。在元宇宙中可以有各種各樣的活動或事件，就像在現實世界中一樣，如經濟活動、政治事件和自然災害。通過生活日志功能，可以充分記錄元宇宙中的生活細節。

元宇宙是超越了AR或VR的一個新術語。Hwang與Chien（2022）指出元宇宙的框架及特征，如圖1所示。[3]在這個框架中元宇宙有三個特征使其與傳統的VR或AR截然不同：“共享（Shared）”“持久（Persistent）”和“去中心化（Decentralized）”。此外，人工智能（AI）是一項必要的技術，使元宇宙的世界按照創造者定義的規則工作。從這個框架可以看出，元宇宙可以包含AR或VR元素以及其他必需元素。就“共享”的特點而言，僅通過VR訓練系統學習的學生不能被認為是教育中的元宇宙。在第二人生（Second Life）等多用戶VR系統中，人們可以使用新身份與他人互動。就“持久”的特點而言，如果系統不能提供一個讓使用者能夠“生活”的持久世界，例如工作、學習、交互、創造和娛樂，那么就不是元宇宙。就“去中心化”特點而言，系統需要去中心化技術（如區塊鏈），以確保經濟活動能夠安全進行，以及元宇宙中的個人財產和日志不會被其他人修改。

人工智能視角下元宇宙在教育中的作用

教育被認為是元宇宙的主要應用場景，例如護理和保健教育、科學教育、技能培訓以及語言學習等領域具有巨大的潛力。由于元宇宙的特點，教育中的元宇宙與傳統的基于VR或AR的教育有所不同。例如，對于EFL（英語作為外語）的語言學習課程，虛擬現實提供的真實情境對學習者的有效性已經在之前的幾項研究中得到了報道。然而，從元宇宙的角度看，語言學習的目的不僅僅是一門課程或一種學習活動，而是讓英語學習者擁有另一種生活，一個使用英語工作、學習、社交和娛樂的生活環境，就像他們是英語母語者一樣。這兩種學習體驗（即VR和元宇宙）是完全不同的。另一個例子是Webel 等人（2013）使用AR技術培養學生的技能。[4]在基于AR的訓練模式中，學習者只需要在一個短期（即60分鐘）的活動中得到AR的支持，完成一項特定的技能練習。相比之下，從元宇宙的角度來看，這可以做得更好。例如，如果學習者是專業培訓機構的職前培訓生，他們可以在NPC教師的指導下參加正式的培訓項目，比如在3個月里以體驗真實的培訓過程，而不是遠離實際培訓情況的短期活動。

因此，從人工智能的角度來看，元宇宙在教育中有多種作用，即提供一個真實的世界，使學習者能夠與智能NPC導師、同伴和學生以及其他人類學習者一起“學習”，圖2描述了教育元宇宙的框架。綜上所述，元宇宙與當前VR或AR在教育領域應用的最大區別在于體驗時間和AI技術。首先，在元宇宙中，學生的生活往往與現實世界分離，并運行一段時間。目前，VR和AR在教育中的應用往往是讓學生在短時間內體驗特定的情境，他們可以暫停或重新開始。相反，元宇宙旨在提供一種真實的生活，這意味著其中的體驗通常不能暫停或重新開始。在元宇宙中，需要人工智能技術來維護真實的世界。我們可以想象元宇宙中的NPC角色在與用戶互動后可以“學習”，并隨著時間軸“成長”。元宇宙中的NPC角色在遇到個體用戶后，能夠記住他們在元宇宙中的對話和行為。另一方面，在VR中虛擬人物通常只是按照原有的設置與用戶進行互動，并不會從用戶的互動中“學習”。

從教育的角度來看，人工智能在元宇宙中的作用非常重要。正如Hwang等人（2020）指出的，除了支持元宇宙中的仲裁、模擬和決策的角色外，AI在提供教育服務方面還有三種角色。[5]

（1）NPC導師。在元宇宙中，用戶通常可以從知識豐富或經驗豐富的其他用戶那里尋求幫助或建議。然而，在某些特定或專業領域，可能需要一些“明智的”或“有經驗的”NPC的建議。例如，學習者很可能無法找到一個用戶來幫助他們解決元宇宙中與學習相關的問題。在這種情況下，能夠解決學習問題的智慧NPC的角色就非常重要了。當然，教師也可以是這樣做的用戶，只是不可能總是在那里幫助每一個學習者。

（2）NPC學生。在元宇宙中一些學習者需要練習教別人或學習成為一個導師。這意味著需要有一個人可以經常成為他們的練習生。例如，對于一個擔任職前教師的學習者來說，他可能需要練習他的班級管理或學習設計技能，而幾乎不可能找到一個班級來做到這一點。在這種情況下，在元宇宙的學校中設置一個NPC學生班級是很重要的。

（3）NPC同伴。從社會建構主義的角度來看，這種作用是非常重要的。在學習環境中，學習者與同伴的互動總是必要的。理想的情況是多個用戶出于相同的教育目的在相同的環境中體驗和學習，這樣他們就可以在學習過程中相互討論。然而，情況并非總是如此。因此，需要那些NPC同伴，他們可以成為學習者的榜樣。

元宇宙在中小學教育中的潛在應用

元宇宙在中小學教育中有各種潛在的應用，例如科學教育、語言學習以及體育技能訓練等。元宇宙讓學習者有更多機會在新世界中體驗、探索、學習以及與人互動。學習者甚至可以在現實世界中無法體驗的環境中學習或練習。例如，中小學生可能沒有機會在危險的災難現場練習避難逃生的技能。在不喪失一般性的情況下，元宇宙在中小學教育中應用的幾個路徑如下。

（1）將中小學生持續置于現實世界中可能有風險或危險的認知或技能學習環境中。

（2）將中小學生持續置于語境中，讓他們體驗和學習他們在現實世界中通常沒有機會參與的內容。

（3）使中小學生能夠感知或學習需要長期參與和練習的內容。

（4）鼓勵中小學生嘗試創造或探索一些他們在現實世界中由于一些實際原因而無法做的事情。

（5）使中小學生能夠從不同的角度或角色去感知、體驗或觀察事物。

（6）使中小學生能夠學會與他們在現實世界中可能沒有機會合作的人互動甚至合作。

（7）通過讓中小學生參與復雜、多樣和真實的任務，探索學習者潛在的或更高層次的思維。

因此，可以看出元宇宙在教育中有許多潛在的應用。如果他們沒有機會在現實世界中體驗或實踐，那么在元宇宙中學習的目的可能與學習者在現實生活中的需求高度相關。或者，元宇宙可能與學習者在現實世界中的職業或專業完全無關;他們可能只是想嘗試一些新的東西或扮演不同的角色，看看他們可以在元宇宙中以完全不同的專業方向做些什么。

元宇宙在中小學教育中應用的嘗試

一方面，Facebook、Roblex和騰訊等科技大公司投入巨資推動元宇宙在教育中的應用。另一方面，一眾的教育元宇宙初創公司躍躍欲試。它們共同推動了元宇宙在中小學教育中應用的嘗試。

新冠肺炎疫情讓Dallas Hybrid Prep學校暫停了面對面教學，于是它借助STEMuli元宇宙平臺開展8nOYSYCGDsKEIR1jgnqLoon2v06ybYk44hD6ms73Qb8=在線教學。STEMuli是一個基于3D引擎的游戲平臺，可以為K-12的科學、數學和語言等課程設置3D學習環境。學生可以通過虛擬學習和指導來發展他們的潛力。學生使用他們的筆記本計算機或平板計算機訪問STEMuli元宇宙平臺。他們在這個虛擬世界中，可以看到所有同學的化身。元宇宙以達拉斯為基礎，學生會看到美國航空中心和達拉斯天際線的不同部分。在等待上課的同時，學生們可以駕駛汽車環游世界或玩游戲。然后，教師在他們一側的平臺上開始上課，平臺立即將學生帶入虛擬教室進行教學。

學生使用3D游戲環境來學習和賺取游戲代幣，可以與同學互動、協作，共同完成學習任務和游戲式作業。此外，還有虛擬學習伙伴，可以引導學生從任何起點到任何學習目標的個性化路徑。教師可以依據學生的興趣、學習基礎和風格開展個性化教學;可以通過新工具參與元宇宙，發布學習數據和作業，評價和獎勵學生。元宇宙系統的分析引擎提供有關學生在課程學習的實時數據，并給予及時的反饋。

盡管實施起來存在一些困難，但是Dallas Hybrid Prep學校反饋的結果顯示學生在元宇宙中的學習效果良好，尤其對于那些需要更加個性化教學體驗的學生。

參考文獻

Farjami， S.， Taguchi， R.， Nakahira， K. T.， Nunez Rattia， R.， Fukumura， Y.， & Kanematsu， H. （2011）. Multilingual problem based learning in metaverse. In International Conference on Knowledge-Based and Intelligent Information and Engineering Systems （pp. 499-509）. Springer， Berlin， Heidelberg.

Avila， S. （2017）. Implementing augmented reality in academic libraries [J]. Public Services Quarterly， 13（3）， 190-199.

Hwang， G. J.， & Chien， S. Y.. Definition， Roles， and Potential Research Issues of the Metaverse in Education： An Artificial Intelligence Perspective [J]. Computers and Education： Artificial Intelligence， 2022（2）， 100082.

Webel， S.， Bockholt， U.， Engelke， T.， Gavish， N.， Olbrich， M.， & Preusche， C. （2013）. An augmented reality training platform for assembly and maintenance skills. Robotics and autonomous systems， 61（4）， 398-403.

Hwang， G. J.， Xie， H.， Wah， B. W.， & Ga?evi?， D. （2020）. Vision， challenges， roles and research issues of Artificial Intelligence in Education. Computers and Education： Artificial Intelligence， 1， 100001.

作者單位：臺灣科技大學數字學習與教育研究所 溫州大學教育學院教育技術系