開放大學教育元宇宙建設技術分析

梅州開放大學 熊子東

為提高開放大學學員培養模式的智能化與個性化，建設一個全場景教學場所及空間具有重要意義。本文探討了開放大學教育元宇宙的應用場景及建設教育元宇宙的關鍵技術，對低延遲高帶寬網絡、XR拓展技術、圖形學與AI算力、區塊鏈技術、數字孿生與UGC體素在教育元宇宙中的應用進行了分析，結果證實，元宇宙這一數智應用集群能為開放大學終身學習新樣態賦能。

在目前5G/6G技術、AI技術、AR技術、VR技術等集中涌現的背景下，極大改變著人類的生活與學習方式，同時也為開放大學搭建更加完善的在線虛擬學習平臺提供了可能。元宇宙通過沉浸式的體驗，極大提升了開放大學“互聯網+”教育的體驗感與參與度。教育元宇宙有效解決了教育資源分布不均的問題，在助力開放大學遠程教育方面比傳統的視頻、音頻教學具有更為豐富、生動和沉浸式的體驗，明顯提升了學員的互動性，利于為開放大學終身學習新樣態賦能。本文對教育元宇宙進行了概述，介紹了其在開放大學的應用場景及意義，并分析了其關鍵技術。

1 教育元宇宙概述

教育元宇宙即基于5G/6G技術、AI技術、AR技術、VR技術打造虛擬現實互通的創新教學平臺，進一步豐富教學場景，教師利用元宇宙創設更加真實、友好的學習場景，引領學習者在沉浸式體驗中完成知識的自主構建。教育元宇宙可通過傳感技術和腦機接口技術打破現實世界的桎梏，學習者可完全自由、自主地與虛擬現實事物互動[1]。教育元宇宙可引領新一代“互聯網+教育”模式的變革，帶動學習者向數字教育智慧平臺遷徙。

2 教育元宇宙應用場景

2.1 情境化教學

開放大學通過教育元宇宙可突破時空等客觀因素的限制，建立與學習內容高度相關的虛擬情境，實現情境化教學與沉浸式學習。開放大學 教育元宇宙的情景化教學特征表現為：教學情境更加真實客觀、可深入地開展教學互動、教學情境更為感性。開放大學主要是依托互聯網辦學，重點在于擁有虛擬辦學空間及教育資源，在互聯網上開展招生、管理、教育等一系列活動，因此，要提高開放大學的教學效率，必須要跨越區域、突破時空限制的情景化教學[2]。

2.2 個性化學習

教育元宇宙可助力學員從被動學習轉變為主動學習，使學員同時充當學習資源與服務的使用者、更新者、創造者及審核者。教育元宇宙可為開放大學提供更加個性化的學習支持，能為學員提供更加新穎的學習資源；可根據學員的發展特征、興趣及自身需求，自主選擇適合自身的學習進度、學習方式與學習內容；可與其他學員及學習情境交互，利于學員的知識建構和提高學員素養。

2.3 游戲化學習

教育元宇宙表現出了一定程度的游戲化學習，是一種借助5G/6G技術、AI技術、AR技術、VR技術、腦機接口技術等，以學習為目標，寓教于樂的一種學習方式。開放大學教育元宇宙下的游戲化教學表現為可即時反饋學習效果；具有較高的沉浸式體驗；交互性強；學習具有自主創造性。在游戲化學習中，可調動學員的身體感官，通過語音、動作等方式達到學習目標，有利于提高學員的真實性和愉悅感[3]。

3 教育元宇宙意義

現如今，科技迭代頻繁，社會變革深入，知識更新短程，人們要想不落后于時代的唯一途徑就是終身學習。終身學習、永不間斷的學習和充電是開放大學的主題。教育元宇宙是在虛擬空間中形成的“第二世界”，與真實世界有所補充，能整合現實中割裂的教育元素及形態，為全民學習和終身學習提供可能。

3.1 打破教育壁壘

教育元宇宙 可將現實世界的教育資源和教育機構遷移到開放大學中，為學員提供更加豐富的教育場景，進一步提高了開放大學教學方式的靈活性，拓展了終身學習的空間。貫通虛擬現實，融合線上線下，打破教育壁壘，實現各類教育元素之間的縱橫銜接，整合各類教育資源，以滿足學員個性化、多樣化的終身學習需求。

3.2 實現學習成果轉換

在開放大學教育體系中，學習成果的積累和轉換是無法回避的。近年來，區塊鏈技術的發展解決了開放大學中的學分信用問題。區塊鏈技術以其公開透明、可溯源、全程留痕的特征，極大保障了開放大學學習成果和學分認證的公平透明，有利于解決開放大學面臨的正規與非正規、正式與非正式學習成果之間的轉換難題，實現了不同類型學習成果之間的融通，維護了教育公平[4]。

3.3 拓寬社會學習系統

開放大學依托“元宇宙”可建設更加開放的終身學習系統，進一步豐富了學習場所和學習內容，提高了學習制度的靈活性，極大支持了各種學習型社會、學習型組織、成人教育、老年教育、社區教育的發展與建設。另外，教育元宇宙可開展諸如虛擬讀書會、公開論壇、成人職業教育項目等極具意義的學習活動，為學員提供更多的學習機會，使社會學習系統更為寬泛。

4 教育元宇宙技術分析

開放大學教育元宇宙技術主要包括了網絡環境、虛實界面、教育資源處理、教學成果認證、教學內容等。在網絡環境方面，需配置滿足沉浸感的XR設備，分辨率在4k及以上，刷新率在120Hz及以上為宜。要求網絡延遲極低，鑒于5G/6G技術符合低延遲、高帶寬要求，為實現教育元宇宙提供了通信基礎；在虛實界面方面，VR技術、AR技術、MR技術、交互技術實現了教育元宇宙的沉浸感和拓展性；在教育資源處理方面，AI智能技術與“元宇宙”生成了海量的學習內容，云計算可實時渲染圖形；在教學成果認證方面，區塊鏈技術中的去中心化網絡可實現教育元宇宙中的價值歸屬和流通變現；在教學內容生成方面，數字孿生體系可為教育元宇宙提供真實的模擬虛實環境。

4.1 低延遲高帶寬網絡

基于AR/VR技術對寬帶的要求，可劃分為初級沉浸(El)、部分沉浸（PI）、深度沉浸(DI)與完全沉浸(FI)[5]。4G網絡的時延和帶寬僅能滿足初級沉浸(El)和部分沉浸（PI），5G/6G網絡可完全滿足深度沉浸(DI)和完全沉浸(FI）。目前，我國5G/6G技術蓬勃發展，為教育元宇宙的VR/AR奠定了網絡基礎。近年來，伴隨千兆光網等基礎設施的大力發展，用戶體驗感持續向好，AR/VR技術、超高清視頻等漸趨融入開放大學，如上海開放大學，以現有智慧學習中心為依托，利用AR/VR技術，為師生營造虛擬現實相融合的全場景教學空間，高帶寬應用開始融入教育領域。VR業務中引入VR云化，即將云計算和云渲染技術引入，利用5G/6G網絡的低延遲高帶寬特征，實現教育資源數據的云端處理，教育資源通過云端強大的數據處理后，輸出音頻視頻，經壓縮編碼后傳輸到學員的終端設備，最終呈現在VR上，滿足開放大學學員的沉浸式學習，在云端渲染，降低了VR終端的渲染計算能力，無需使用高檔設備。

4.2 XR拓展技術

VR技術、AR技術和MR技術是XR的主流技術，尤其是VR技術和AR技術，是公認的“元宇宙”進入生活場景的載體。與VR技術、AR技術和MR技術相比，XR拓展技術更加注重虛擬現實世界的彌合，以及縮小人與信息、體驗之間的壁壘。XR技術所具備的感知代入、情境體驗、交互性等特征應用于教育領域充滿了人本性、生態性、智能化和交互性特征。將XR拓展技術應用于開放大學能為學員提供智能教育產品；有利于開展游戲化教學；可創設智能學習平臺；可優化開放教育體系。XR拓展技術在開放大學的應用體現了互聯網教學與新技術相融合的發展趨向，基于各類智能技術，注重學員體驗感，無縫對接邊緣計算和跨空間，支持終身學習和全納教育[6]。XR拓展技術是仿真技術、計算機圖形、AI智能、物聯網等技術在教育領域綜合應用的表現，其自然交互屬性、智慧教育感知能更好地支持和服務于開放教育。開放大學教育元宇宙的XR拓展技術支持如表1所示。

表1 開放大學的XR拓展技術Tab.1 XR expansion technology of open university

4.3 區塊鏈技術

區塊鏈基于時間戳、分布式存儲、密碼學、共享機制等技術集成應用，具有不可篡改、高度透明、可溯源、可自動執行等優點，能有效解決教育改革中的隱私與開放、信任與自治等沖突，為建設高度開放的教育體系和學習型社會提供了更加可靠的記錄載體。教育元宇宙是“去中心化”的教育，是智能化教育不屬于教育游戲，沒有提前定制劇本和臺詞。教育元宇宙可讓開放大學所有學員以虛擬人的身份參與學習，并共同創建學習內容，構成一個更加開放的學習系統。教育元宇宙中的“去中心化”代表著所有學員均可在系統中學習和探索，均可生成自己的內容。從本質上看，區塊鏈屬于一個信任機器，因此，可利用區塊鏈技術的低成本建立教育元宇宙的信任機制。聯盟鏈、公有鏈等區塊鏈中的常規分法，實質上就是將區塊鏈技術用在不同領域，如追本溯源、防篡改、存證、身份管理等信息領域的應用和數字權益、數字資產等價值領域的應用，這些都是教育元宇宙系統中不可或缺的部分。可見，區塊鏈技術為教育元宇宙奠定了技術基礎。

4.4 數字孿生與UGC體素

數字孿生即現實中的對象構建在虛擬空間中的數字模型，這一模型利用傳感器獲取真實數據，并與之一同演變、成長和衰退。UGC體素可生成教學內容，是教育元宇宙內容的主要生成方式。當前廣泛使用的三維建模難以滿足教育元宇宙中學習內容的易用性需求。雖然三維建模能構建出逼真的模型，但僅是在二維視覺上模擬三維效果而已，且不可分割。正是如此，使其不適用于教育元宇宙的構建。另外，三維建模較高的創作技術要求和成本無法讓普通學員作為工具來創作學習內容。UGC體素建模可構建趨近于真實世界的教育元宇宙。UGC體素建模中的最小單位是方塊，可將統一屬性的方塊視為FT，不同屬性及數量在不同排列方式下形成NFT，不同的NFT可相互嵌套，生成新的NFT。FT與NFT之間為對立統一的關系，就如同生物都是由外表不同卻結構類似的細胞構成一樣。這一特點使UGC體素建模能模擬出真實的教育元宇宙法則，每一個FT均可單獨發生改變，均可因突發事件或時間變化而改變。現階段，雖然體素建模的視覺呈現不佳，但通過提升FT的分辨率，可使視覺效果更加立體、真實。與像素一樣，當FT體積縮小，代表同等模型的FT數量增加后，可提高畫面精度。數字孿生與UGC體素連接了虛擬現實世界，教育元宇宙需要生成海量的教學內容，目前開放大學的PGC、UGC使用效率不高，數字孿生利用數字化技術建模及物聯網技術實現虛擬現實世界的數據轉換，借助AR技術、VR技術、MR技術、GIS技術等將現實世界復刻至數字世界。利用開放大學現有智能教育平臺中的歷史數據、實時數據，輔之以云計算、人工智能，模擬現實世界，最終賦能開放教育體系。

5 結語

元宇宙是一種集成多種新技術的互聯網形態，其與教育融合極具發展潛力。教育元宇宙中的沉浸式、可交互性三維場景實質上早已存在于教育領域。疫情防控期間，美國就建立了 “虛擬校園”。這一虛擬校園保留了真實校園的課堂文化及實踐體驗，能讓學生利用互聯網就獲得如同現實校園一樣的真實感，這在實質上就屬于教育元宇宙。開放大學教育元宇宙就是構建持久的、虛擬現實的教育場景，以輔助達成教學目標。可以預見，教育元宇宙將引發全新的教育教學變革，培育新的教學方式及手段，使開放教育更加開放。

引用

[1]傅文曉,趙文龍,黃海舵.教育元宇宙場域的具身學習效能實證研究[J].開放教育研究,2022,28(2):85-95.

[2]翟雪松,楚肖燕,王敏娟,等.教育元宇宙:新一代互聯網教育形態的創新與挑戰[J].開放教育研究,2022,28(1):34-42.

[3]蘭國帥,魏家財,黃春雨,等.學習元宇宙賦能教育:構筑“智能+”教育應用的新樣態[J].遠程教育雜志,2022,40(2):35-44.

[4]王亞文,閆莉,王長元,等.教育元宇宙場域下的實驗教學探討[J].高等工程教育研究,2022(4):96-101.

[5]郭亞軍,袁一鳴,張騰飛.元宇宙場域下用戶信息交互生態機制研究[J].農業圖書情報學報,2022,34(6):4-13.

[6]羅志平,畢蕾.面向元宇宙的XR技術——咪咕冬奧前沿應用解密[J].視聽界,2022(3):27-31.