教育元宇宙：概念內涵、價值意蘊及應用挑戰*

任志儒 陳衛東

1 江蘇師范大學物理與電子工程學院 江蘇徐州 221116 2 徐州工程學院師范學院 江蘇徐州 221018

0 引言

2021年10月份，Facebook 公司宣布更名為“Meta”，并提出元宇宙是未來互聯網和數字領域發展的戰略方向，由此元宇宙進入了世人的視野，元宇宙是繼VR、AR 等新媒體之后又一個被廣泛熱炒的概念。元宇宙概念突然被引爆，曾經成為2021年度十大熱詞之一，科技公司、社交媒體、產業界、傳媒行業、教育行業等持續關注和涌入元宇宙。元宇宙的功能和價值被寄托了太多的希冀，似乎無所不能，因而也給眾多行業和領域的人們帶來狂歡，人們似乎看到了數字領域蘊含的新商機和發展契機。在學術領域，元宇宙成為學術研究的熱門話題，在情報學、社會學、經濟學、信息科技、教育等研究領域引燃了研究熱潮。但目前來看，人們對什么是元宇宙、元宇宙構成、元宇宙價值和功用等都沒有統一的認識，元宇宙技術本身也處在不斷發展之中，技術本身也遠沒有成熟。因此，本文從元宇宙與教育結合的視角，闡釋教育元宇宙相關概念、應用價值以及應用面臨的挑戰。

1 元宇宙及教育元宇宙概念

目前，元宇宙研究仍處于理論探索和原型研發階段。元宇宙在教育中的應用充滿了未知和挑戰，因而，整體來看人們對元宇宙概念及其教育應用并沒有明確的認識。

1.1 元宇宙概念的辨析

從字面意思解讀，元宇宙（Mataverse）作為一個英語詞匯的漢語意譯，其代表的含義是超越了現實世界的、更高維度的新型世界，Meta 代表的意思是“元”“超越”，Meta 與Universe 相結合而成的新詞匯Metaverse 具有超越宇宙的意味[1]。需要注意的是，元宇宙這個詞匯的翻譯并不好，在理解上是晦澀的、模糊的，人們并不能通過詞語本身而正確地理解其含義，宇宙在哲學意義上是指對所有的時間、空間、物質等及其產生的一切事物的統稱，將Mataverse 翻譯成元宇宙容易導致理解上的神秘主義傾向。

人們對元宇宙概念的理解包含以下內容：

1）元宇宙是虛擬數字空間，是與現實世界交互的虛擬空間，其本質是一個巨大的虛擬世界，元宇宙不是全新的事物，而是網絡虛擬空間，是在疊加數據和智能后未來數智世界的一種理想具象；

2）元宇宙是由各類技術構建的融合互聯網全要素的未來網絡形態，這些技術包括信息技術、互聯網技術以及各類數字技術等[2]，例如虛擬引擎、區塊鏈、5G、人工智能、全息技術、智能算法、數字孿生、AR、VR、MR 等。

綜合以上對元宇宙概念的理解，本文認為元宇宙應當包含狹義和廣義兩種概念：狹義的元宇宙是指基于互聯網技術、數字技術等構建的一種沉浸式的虛擬世界[3]；廣義的元宇宙是指未來人類生活的一種數字化場域，該場域能夠模擬和復制真實世界，并成為真實世界的延伸和拓展。元宇宙的概念仍在不斷演變之中，由于技術進步和更迭，參與者的深度介入和體驗等等，都會深化元宇宙的意涵，使其內涵和邊界持續發展中。

1.2 教育元宇宙

教育元宇宙是指元宇宙的教育應用，是教育與元宇宙深度融合的產物，是能夠提供與現實教育情境同樣體驗的虛擬空間和場域[4]。教育元宇宙為教師、學生、管理者等相關人員創建數字身份，在虛擬世界中開拓教學場所，允許師生在虛擬的教學場所中進行互動，教師和學生在教育元宇宙中像在真實教室一樣開展教學和學習活動，能夠為教育參與者提供一種仿真現實教育情境的獨立沉浸式教學場域。沉浸理論、心流理論、情境認知、具身認知是教育元宇宙的基礎理論。借助虛擬現實終端、腦機接口等技術，參與者進入虛擬世界，實現虛擬世界與真實教學環境的無縫對接，教師和學生的數字替身是其在虛擬世界的唯一標志，數字替身能夠在虛擬場景中做出諸如行走、舉手、面部表情等行為和動作，通過數字替身在虛擬教學情境中開展教學和學習。教育元宇宙的虛擬空間可以通過數字孿生技術進行創建，實現真實世界的鏡像，也可以通過三維建模技術打造現實世界所不具備的虛擬環境。

教育元宇宙一般具有交互性、沉浸性、以及自由、開放的規則等核心特征。交互性一般是指學習者在元宇宙中開展的社會交互，包括學習者之間以及學習者與教師之間的語言交互、文字交互等，也包括學習者與學習資源和學習環境之間的交互。沉浸性是指教育元宇宙所創造的空間能夠給學習者帶來強烈的真實感和臨場感，學習者能夠全身心地投入虛擬學習環境中，有利于學習者開展學習活動。教育元宇宙允許教育參與者根據自己的需求創設教育環境，該特征保有自由、開放的規則，為學習活動的開展提供了無限可能。

2 元宇宙的教育應用場域及價值

元宇宙融合了區塊鏈、人工智能、5G、虛擬現實等新一代信息技術，其在教育領域的主要應用表現為創設全新的具有自然交互功能的逼真教學環境，使用該教學環境能夠開展在線仿真實驗、情境教學和學習，推動專業知識和技能的具身化認知，此外，元宇宙在教育中的應用還有利于嘗試新的教學形式，實現教學模式的創新。

2.1 基于元宇宙的仿真實驗教學

在線實驗教學是隨著web 技術的發展逐步應用到教學中，在線實驗突破了時空的限制，能夠滿足學習者隨時隨地開展基于互聯網的虛擬實驗，但是，傳統的在線實驗教學是基于二維頁面的，實驗中所展示的設備、實驗材料、實驗現象等通常是平面化的，在線實驗教學的非沉浸性導致學習者的體驗非常差。基于元宇宙的仿真實驗教學能夠讓在線教學環境變得非常逼真，通過細膩的三維建模技術、實時高效的渲染以及有效的互動設計，教師和學生可以沉浸到元宇宙創設的三維實驗教學情景中，從而獲得前所未有的高度沉浸感。

元宇宙場域下仿真實驗教學的特征包括三個方面。1）仿真實驗的高逼真性。學習者可以借助VR設備、腦機接口設備等進入到三維實驗場景，三維建模、動態全息等技術為學習者提供高逼真的實驗和真實的實驗過程，其學習的沉浸感和代入感顯著獲得提升[5]。2）仿真實驗的互動性強、靈活性高。通過在元宇宙中設置多種互動方式，例如人機互動、虛實互動、師生互動、生生互動等，可以為實驗教學帶來更高的靈活性，從而能夠使實驗教學方式更加靈活，為探究式、個性化、游學化、項目式等學習方式提供支持。3）仿真實驗全面、多維的數據記錄。基于元宇宙的仿真實驗記錄的數據包括實驗操作數據、感知實驗教學環境與活動的多維生理數據（例如視覺、聽覺、觸覺等生理數據）、評價數據，多維度的數據有利于全面分析和評價實驗教學，使得實驗教學評價更加客觀和準確。

元宇宙在仿真實驗教學的應用典型的代表為英偉達Omniverse 平臺[6]，該平臺支持汽車生產工業實驗，專門為物理屬性準確的實時模擬和虛擬協作打造的開放式平臺，被稱為工程師的元宇宙，汽車制造相關專業的學生可以在Omniverse 中以設計師、工程師的角色模擬制作汽車生產車間、汽車配件、汽車生產線以及汽車整車，并在共享虛擬空間Omniverse 中使用汽車設計工具、資源進行協同，完成設計、生產、優化等一系列復雜的汽車生產流程，提升自己的高階能力。英偉達Omniverse 平臺能夠改善實驗教學環境、優化實驗教學資源、豐富實驗教學活動、完成實驗精準評價。

2.2 基于元宇宙的全智慧圖書館建設

元宇宙的底層技術包括虛擬現實技術、區塊鏈技術、數字孿生技術等，這些技術的應用為建設全智慧圖書館奠定了堅實的基礎。全智慧圖書館建設的第一階段主要利用虛擬現實技術，打造無人值守的數字圖書館，讀者通過頭戴式顯示器獲取視覺和聽覺信息開展閱讀和學習活動[7]；第二階段是利用數字孿生技術基于現實的圖書館建設數字孿生圖書館，在數字孿生圖書館中，閱讀者都具有獨一無二的數字化身身份，通過數字化身學習者在圖書館中開展借閱、歸還、閱讀、交流等學習活動，應用虛擬現實的體感設備可以顯著增強閱讀者的沉浸感，在數字孿生圖書館中利用數據挖掘技術為閱讀者推薦閱讀書目和關聯信息，為學習者提供多元化和全方位的智慧閱讀服務。為有效對數字圖書資源確權，維護數字孿生圖書館的相關權益，可以利用區塊鏈技術的不可篡改、全結點認證等特性對數字孿生圖書館的資源進行認定，在全智慧圖書館中，非同質化代幣可以為館藏資源提供非同質化標識，這些標識為館藏資源提供錨定價值。

2.3 沉浸式虛擬學習空間創設

元宇宙技術賦能學習空間建設，能夠創建沉浸式與協作式學習空間，整合已有的VR技術為學習者提供現實學習環境無法提供的全景式學習情境和深刻的學習體驗[8]。基于元宇宙的學習空間設計主要面向兩種情況：一是創設較為危險的學習情境，通過讓學習者反復練習和演練從而掌握某種技能或學會應對危險環境和事件，比如外科手術訓練、飛行駕駛、消防技能等，這類學習的風險系數較高，如果在真實的環境下開展真實的實驗則隨時要面臨因失敗而產生的風險；二是創設學習者難以到達或接觸的環境，例如在校學生很難進行考古發掘、開展熱帶雨林氣候調研，學習者無法到達這些場景中，只能通過觀看視頻去了解和體驗，但這種學習方式很難獲得深度的沉浸感，學習體驗并不友好。

通過元宇宙技術提供的沉浸式和協作式學習空間，便于學習者開展沉浸式學習，學習者的臨場感將空前提高，學習者與其教師和學習同伴共處同樣的學習空間和環境，可以通過聽覺、視覺等感官開展交流，全方位地觀察要學習的事物，自然而高效的互動方式有利于項目式學習、探究式學習、游戲化學習的開展[9]，例如，Getchell 等人利用第二人生（Second Life）平臺構建了一個用于考古學習的虛擬世界遺址，在該虛擬空間中學習者可以開展虛擬考古挖掘活動，并在考古挖掘中通過學習者之間進行語音交流而獲取考古知識。

3 教育元宇宙現狀及應用挑戰

目前教育元宇宙研究以理論探索為主，應用案例較少，整體來看教育元宇宙在技術層面和應用模式方面仍然處于嘗試和探索階段。在教育領域作為一種新興媒體和技術，教育元宇宙應用面臨的挑戰主要包括完善的技術、創新的教學模式、資源利用的便利性以及令人滿意的學習效果。

第一，教育元宇宙需要整合和完善各項新一代技術，根據具體的教育需求設計和開發元宇宙系統。從技術角度來講，元宇宙并非是一種新的信息技術，而是利用現有的信息技術建設的一種虛擬空間，所用到的技術包括虛擬現實技術、人工智能、區塊鏈技術、5G、數字孿生、腦機接口[10]等底層技術。以上這些信息技術仍在不斷的發展之中，有的還不是太成熟，因此基于以上技術創設的教育元宇宙也存在一定的局限性，與理想的元宇宙功能相比還有不小的差距。此外，教育元宇宙一定要體現出其教育特性，應該根據具體的學科、專業和教學需要建設元宇宙，發揮其教育和教學價值。

第二，教育元宇宙需要與之相適應的教學模式和學習方式。教育媒體發展的歷史警示我們，每一種媒體都有其對應的合適的教學模式，只有合適的教學模式才能彰顯媒體的價值，例如，在使用粉筆加黑板的傳統教學環境下，班級教學和集體授課是高效的教學模式，而在網絡時代，利用網絡和媒體的豐富性，情境教學、項目化學習等常用的教學模式，可以實現高效和個性化的學習。教育元宇宙能夠讓學習者進入虛擬的三維環境中，其中具有豐富的學習資源，既有傳統的文字、圖片、視頻等資源，也有模型、環境、人力等資源，每個人都有各自的數字化身，這些都是新興的技術和表現形式。如何在元宇宙空間中有效地開展教學活動是未來研究需要關注的重點和探索課題，適應元宇宙特定環境的教學模式可以充分發揮其特殊的教育功能。一般來說，教學模式的設計需要借鑒教學理論和學習理論，例如建構主義學習理論、多媒體教學理論、情境學習理論等，通過元宇宙教育實踐對教學過程進行總結和反思，形成合理性和可操作性的模型和流程，用于指導元宇宙環境下的教學和學習。

第三，元宇宙教學資源創設的簡易性和便捷性。應當明確的是教師和學生是教育元宇宙的應用者，而不是開發者，這就要求提供的教育元宇宙應當是一種成熟穩定的軟件產品，界面友好且操作方法符合人們的習慣，也就是說教育元宇宙應當具有簡易性和便捷性，保障教學活動的順利開展，教師和學生應當能夠在元宇宙環境下方便的創設和利用資源，就像使用PPT 一樣使用熟練，只有這樣才能吸引教師和學生嘗試去使用元宇宙。

第四，令人滿意的學習效果和體驗。學習效果是檢驗元宇宙應用的標準和關鍵，教育元宇宙應當發揮其獨有的視聽功能、交互功能和展示功能，為學習者提供有效的學習資源，為此，需要合理地分析當前教育和教學中存在的痛點和難點，并針對痛點和難點設計教育元宇宙，只有如此，才能對癥下藥，學習者才會取得良好的學習效果和體驗，元宇宙在教育領域才可能得到廣泛應用和推廣。

4 結束語

元宇宙是新一代互聯網平臺，其與教育的結合能夠為學習空間和學習資源的創設提供技術支持，虛擬仿真設計、沉浸式學習空間、虛擬校園、數字圖書館等領域都將在元宇宙的加持下獲得新的發展，其教育價值在未來的應用中將得到彰顯。還應當看到，由于元宇宙技術的發展性和成熟度不夠，在教育中的應用都處在嘗試階段和摸索中，如何在教育中有效整合元宇宙技術還需要艱巨的探索。