教育元宇宙背景下線上教學的虛實互促研究

孫怡峰　吳疆　張云景　劉小虎　汪永偉

摘? 要：元宇宙描繪未來的虛實共生、虛實鏈接。該文給出元宇宙背景下線上教學場景，針對線上教學中的學生“虛位”與作業“虛化”兩個問題，分析線上教學的虛擬數字對象與物理實體對象的特點，提出采用多模態感知學生狀態、推演式知識運用、區塊鏈數字作業價值信任和教師數字成果價值流動等虛實互促著力點，為提升線上教學質量提供支撐。

關鍵詞：線上教學；元宇宙；作業抄襲；學生虛位；虛實互促

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0010-04

Abstract： The metaverse describes the symbiosis and interlinkage between the virtual and the real. The online teaching scene in Edu-Metaverse is proposed in this paper. In order to solving the problems of absent mind and fake homework in college students during the online teaching， the paper analyses the features of the digital virtual objects and physical real objects in online teaching， puts forward some suggestions about mutual promotion between virtual and the real： adopting multimodal perception of student status， knowledge deduction based on 'Wargaming' systems， value trust of digital homework based on blockchain， value flow of teacher digital achievements based on digital economy. They can support the improvement of online teaching quality.

Keywords： online teaching; metaverse; fake homework; absent mind; promotion each other between the virtual and the real

當前，元宇宙成為一個熱門概念，其描繪了在時空屬性、虛實屬性上鏈接萬物的復雜系統和復雜社會。元宇宙在教育領域的研究也逐步顯現并成為一個熱門。文獻[1]探討了元宇宙賦能教育虛擬社區中的倫理風險，提出元宇宙賦能教育虛擬社區倫理風險的消解路徑。文獻[2]從教育元宇宙的關鍵技術、框架設計、場景構建和教學空間等方面探討了教育元宇宙空間的構建，并給出了教學應用。文獻[3]從學科教育、非正式學習、職業培訓等領域的案例入手，介紹了以 VR/AR學習環境為代表的教育元宇宙當前發展。遠程線上教學具有元宇宙虛、實鏈接的典型特點，學生為實，教室空間數字化、虛擬化，課程資源與作業數字化、虛擬化，教師虛實結合，線上教學是元宇宙在教育領域物化的重要表現。盡管新冠感染疫情已經過去，但線上教學仍然具有便于共享優勢教育資源、降低時間空間成本的突出優勢，仍然值得繼續研究和利用。本文以線上教學的虛與實為主要研究對象，從元宇宙的基本概念與理念出發，給出元宇宙背景下線上教學模式的憧憬，分析傳統線上教學中的學生“虛位”與作業“虛化”問題，給出基于元宇宙改善學生“虛位”與作業“虛化”問題的虛實互促著力點。

一? 元宇宙的基本理念

（一）? 元宇宙的基本概念

在當前認知水平下，元宇宙以5G/6G、云計算、區塊鏈、大數據為底層支撐，并以人工智能、數字孿生、虛擬現實（Virtual Reality，VR）/增強現實（Augmented Reality，AR）為映射、動力與通道，融合人的思維意志、情感想象等主觀意識，連接了物理世界與數字世界，是虛實共生的“新世界”。元宇宙將在演化與發展中構筑人類存在的“新空間”，或將成為國之“新疆域”[4]。

在元宇宙中，資源將以新的形態呈現，并可能存在虛擬與現實映射互聯的通道。在這片可能實現的“新大陸”上，人與人之間、組織與組織之間甚至國與國之間的博弈可以以新的方式和形態延伸或延續。在“人機物”三元融合的萬物智能互聯時代，元宇宙作為新的存在空間，將加速人、機、物的深度融合，在市場和技術的交替助推下，逐步形成新的經濟增長極和產業鏈。

（二）? 元宇宙的能量盈余視域

無論從生物學角度，還是從社會學角度看，人類的器官、機能、意識和行為都可以追溯到能量盈余最大化這個基因的本源需求上。為了最大化能量盈余，人在與宇宙、自然的博弈過程中，不僅獲得了內在生理機能的進化，而且同步實現了外在資源載體和能量流通、存儲手段的升級。在元宇宙的范疇討論的能量，是以數字信息交互為手段，對人類意識和物理存在進行反哺的各種資源的集合。在元宇宙中，虛擬世界作為人的意識世界的外化，可能成為能量承載與傳遞的新介質，并物化保持這種能量，使得元宇宙成為人類社會新形態。獲得元宇宙中能量的盈余實現的關鍵在于，現實物理世界映射到虛擬數字世界，在數字世界中以人工智能技術為核心進行自我推理、演繹，獲得數字世界將來時態的信息與建議，反饋回物理世界，實現物化的能力盈余。

（三）? 元宇宙的價值共識視域

人類社會時刻都處在強中心和弱中心局部社會網絡的動態連接與變換中。這種變換影響了節點之間的連接關系、連接強度和信息交互行為，體現為人類社會內部各種組織的形態在“分布式”與“中心式”間“游走”，表現為信任在不同社會關系之間的建立、傳遞和消亡。元宇宙有望解決分布式一致性、匿名性等問題，達成人的信任傳遞與機器的信任傳遞的匹配。這樣在虛擬世界，以及虛擬世界與現實世界之間，傳遞信任的機制能夠建立并運行，形成動態邊界內虛擬與虛擬、現實與虛擬、虛擬與現實、借由虛擬通道的現實與現實之間的價值可信讓渡。這種價值可信讓渡也是元宇宙構建、存在和演化的規則與秩序的“度量衡”。

二? 傳統線上教學存在的主要問題與教育元宇宙憧憬

（一）? 線上授課中的教師隔空虛擬與學生“虛位”

文獻[5-7]給出了高校課程采用線上模式的主要做法與經驗，但不能否認的是，傳統線上教學還存在“組織管理和實施存在困難[8]”“學生對線上學習不適應[9]”“高校教學管理方式單一[10]”等問題。其中，一個重要原因是遠程教學所帶來的疏離感，這種疏離感最直觀的反應就是教師與學生之間在傳統教學中直接約束關系的降低[11]。線上的教師是真實的，同時疏離感導致學生感覺教師又是虛擬的、無法約束自己的。學生在線不在位輕而易舉，現有網絡課堂平臺的互動方式均不能有效替代傳統線下的“聲、文、問、切”。這種情況導致了學生在線上課堂中的學習效果在絕大程度上取決于學生的自我約束情況。調查顯示，“虛擬的”網上授課教師需要與“現實中”的游戲、小說、學習環境造成的放松感等，“爭奪”部分學生。稍有放松，就會造成課程中學生“虛位”，學生看似“在線”，實則脫位，或者學生雖然在線，但已“神游他處”。這種“虛位”現象與線下教學學生的“有效到課率”類似，但在線上教學中更加難以統計和掌握。

（二）? 線下作業中的真實存在與復制抄襲“虛化”

在線上教學中，教師的教和學生的學在時空上分離，教師和學生的交流機會目前較少。相較于“面對面”的課堂教學，課后布置的作業是師生間為數不多的交流之一。課后作業是真實存在的，但作業提交形式越來越多為電子文檔，特別是計算機學科的編程作業，無法手寫筆錄，作業越來越傾向變為數字產品，但線上教師對學生的督促和監督由于距離的阻隔而威懾力較弱，作業這種數字產品很容易被復制，且沒有字跡可循，為學生抄襲作業提供了一定條件。如果學生的自制力不強，很容易出現作業抄襲的現象。作業是整個教學過程中的重要一環，學生本應通過作業鞏固、熟練、活化知識，促進知識由“虛擬”數字產品向現實能力轉化，教師本應通過作業完成情況了解學生對課堂知識的掌握程度，掌握教學情況。但數字作業產品的抄襲行為使得作業失去意義，當面對一份份雷同的數字作業產品時，教師無法獲得正確的反饋，作業變得“虛化”。

（三）? 教育元宇宙背景下線上教學的憧憬

傳統線上教學模式下，學生在一端，教師在另一端，具有時空間隔。學生和教師都是現實中的物理實體，但對學生來講，遠端的教師只有虛擬的影像和聲音，缺少線下課堂既視感和威嚴感；對教師而言，遠端的學生甚至沒有影像和聲音，教師的知識傳授缺乏反饋，無法像線下課堂那樣可以感受到學生的“頻頻點頭”和“一臉茫然”，學生成為真正的“虛擬人”。線上教學作為教育元宇宙的一個典型場景，對其憧憬如圖1所示。首先，學生實體和教師實體雖然分處時空兩端，但學生實體的狀態可以通過視頻、音頻采集，并采用人工智能中的多模態感知技術[12]抓取教師關注的典型情況，如“頻頻點頭”說明知識已經被學生感悟到，“一臉茫然”說明知識過于抽象，學生還未能消化吸收，元宇宙甚至能進一步統計各類狀態的數據，實時反饋給教師。教師基于這些狀態信息，課堂上及時調整講課方法和講課內容，改善教學過程。然后，課下作業可以采用推演式[13]知識運用平臺，學生實體在虛擬的場景下應用知識解決現實問題，闖關并獲得相應獎勵；教師實體制定推演規則和描繪基于課堂知識的推演場景，作業平臺自動生成作業，并根據學生推演情況判斷分析學生特點，優化調整作業。還有，在數字作業中引入區塊鏈[14]技術，分布式、全鏈條留痕，提交教師評判。在上述措施下，形成線上教學的數字孿生體，通過數字經濟[15]發揮教育元宇宙虛實互促、平行發展的作用。

三? 教育元宇宙背景下線上教學的虛實互促主要著力點

（一）? 改善現實學生“虛位”，落地虛實教育能量轉換盈余

線上教學的學生“虛位”問題，其實是線下授課中“有效到課率”問題延伸。隨著技術的進步，教育元宇宙背景下應從“實體”教師主體引導、“虛擬”數字空間實時孿生學生狀態、“虛擬”數字空間個性化知識推演運用等多頭并進，虛實互促，實現虛實之間的教育能量轉換，達到學生教育能量盈余的目的。

以實促虛。這里“實”是指教師為實實在在授課的教師，“虛”是指學生處于數字空間連接的遠端，對教師而言是虛擬存在或虛位存在的。這就需要教師設計互動環節，從現實中實時引導學生交流。在線下，授課教師也通常設計互動提問環節，改善被提問同學的“虛位”。線上教學時，更需要“實體”教師精準設計互動環節、有效開展師生互動，這是改善學生“虛位”的最快捷舉措。例如，教師授課之初打個招呼、拉個家常，通過互動使學生仿佛回到熟悉的實體課堂場景。其次，教師重視利用語音連線，連線某位同學時，不僅可一對一地了解單個學生狀態、解決個別學生問題，還可盡可能地把某個學生的問題變成課堂討論話題，一對多地吸引多數學生參與探討，作為授課教學活動的有益補充。

以虛促實，通過教育元宇宙背景下的多模態感知得到學生實時在線狀態，全面監督“實體”學生，解決“學生”虛位無人知曉的問題。當前，線上的互動交流，如“語音連線”“彈幕互動”等，教師可以獲得部分學生的實時狀態，但當學生數量較多時，仍無法覆蓋到大多數“實體”學生。通過攝像頭、麥克風等信號采集設備，可以獲取實體學生狀態，但需要解決的是，全部學生的“聲貌”孿生如何高效呈現給教師、如何恢復現實課堂中老師目光巡視的威嚴感。當前，人工智能中的多模態感知技術已經成熟，抓取學生孿生狀態中的“虛位”情況、智能警醒“虛位”學生，甚至抽取“虛位”事實上報教師，都不再是無法觸及的夢想。即使機器感知還不能完全精準，但是運用弱分類器組合成強分類器的原理，從多時捕捉、延時積累等角度，在政策支持下，教師甄別，虛擬端強化學習改進，達到實用是完全可能的。因此，大力打造線上教學平臺的智能監管功能，是以虛促實的重要抓手。

以虛促實，通過教育元宇宙為學生提供個性化、推演式知識運用，進一步改善線上互動效果。當前線上教學平臺已經提供在線練習且可以自動批改，但多以“選擇題”為主，題型、題目相對機械，無法針對不同學習能力學生進行個性化出題，現實中的優秀學生可能“吃不飽”，一般學生可能“吃不透”。當前，人工智能中的智能體技術已近成熟，針對單個學生的數字孿生實時狀態，決策并實施個性化出題和補充知識等“動作”，并觀察學生答題結果“回報”，不斷學習以達到“學生教育能量盈余最大”的目標。由上述智能體強化學習技術[16]配合虛擬現實技術，數字空間將為“實體”學生學習提供推演式知識運用模式，學生學習體驗不斷改善。在此過程中，工業界提供教育元宇宙推演平臺，教師構建推演場景框架和推演規則，生成推演“想定”。

（二）? 改變線上作業“虛化”，實現虛實教育價值共識傳遞

線上教學的作業“虛化”問題，其實在線下授課中也一定程度存在。對自我約束性不強的同學，線下傳統紙面作業也可以不加思考地簡單抄寫。此外，線下授課留電子作業也越來越常見，特別是對那些需要借助計算機計算輔助、繪圖輔助以及計算機編程類的作業。解決作業“虛化”問題，需要“實體”教師精心設計作業，區塊鏈封堵作業“虛假”實現作業價值信任，數字經濟推動知識推演運用價值流動，不斷提升虛實教育價值的共識傳遞。

以實促虛，教師精心設計作業。作業是提高學生知識素養的平臺，是展示學生個性才華的舞臺。教師應夯“實”作業，設計的作業既與教師的教學內容、教學知識點密切相關，又盡可能給學生以新鮮感，甚至激起學生躍躍欲試的欲望，使學生不易復制、不想復制，改善作業“虛化”。一是模型導向。高校專業課程的作業往往面向真實問題情境，需要引導學生針對問題建立模型和建構知識，不見得解決全部問題，但能描述問題、界定問題。二是激勵導向。作業設計以學生為中心，便于發現學生作業中的閃光點，從而樹立學生學習信心，使學生學會反思，提高自主學習能力。

以虛促實，構建作業價值信任共識，封堵作業“虛假”。一方面，通過元宇宙的區塊鏈技術，對分布在遠端的學生作業進行簽名、認證，記錄其生成、流通環節的每一步，使得遠端作業過程每一步可追蹤、可檢查，數字作業“虛假”變得無處遁形；另一方面，“容忍”學生在做作業過程中借鑒他人的情況存在，關鍵要使教師了解學生從借鑒到消化、吸收、創造的整個過程。因此，在傳統區塊鏈的基礎上，進一步使數字作業的生成過程處處留痕，教師端全景展現。這樣，在教育元宇宙中構造作業價值信任機制，使得學生能力強就更多展現作業價值，能力弱也可以在力所能及的范圍內使其作業價值有所展現。

以虛促實，數字經濟推動教師數字成果價值流動，提升“實體”教師的積極性。前述的學生個性化知識推演，一定程度地改變了傳統數字作業模式。但構建推演式知識運用平臺，不僅需要工業界提供基礎平臺，更需要教師作為虛擬內容生產者的深度參與，一定需要教師投入更多的時間和精力。在元宇宙中，教育價值共識發生和表現在能量的存在、獲取、流動和留存的各個環節中。教師投入的時間和精力正是表現在能量的轉移，這種轉移也必然意味著價值的創造。在教育元宇宙中，這種投入物化在“推演場景和推演規則”等高價值數字作品與數字成果中，應通過數字經濟實現高價值數字作品與數字成果的流通、變現，從而使得教師愿意投入時間和精力到知識推演的框架與規則生成中。

四? 結束語

隨著信息技術的高速發展，線上教學是一種順應時代的授課模式，也是一種未來教學發展的新趨勢，但如何切實提升線上教學質量？本文針對線上教學中的學生“虛位”、作業“虛化”兩個問題，以元宇宙中虛實互促概念為指引，憧憬未來的教育元宇宙，分析線上教學中的“實”“虛”對象及其特點，從能量盈余視域和價值共識視域兩個角度，提出線上教學“虛實互促”著力點，作為提升線上教學質量的一些思考。

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基金項目：2021年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“忠誠為本、技管融合、創新驅動的保密管理專業人才培養體系建設”（2021SJGLX298）

第一作者簡介：孫怡峰（1976-），男，漢族，河南淇縣人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為人工智能與教育應用。