元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預研究初探

摘要：孤獨癥兒童的大腦鏡像神經元系統存在異常，使得傳統教育的教學效果有限。元宇宙整合數字技術打造的虛實共生鏡像世界，對孤獨癥兒童教育干預無疑起到了“雪中送炭”的作用。在此背景下，文章首先深入剖析了元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預的適切性，以作為研究的前提。之后，文章構建了元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預的技術架構，以從技術上實現孤獨癥兒童教育干預從規避鏡像階段到重塑鏡像階段的躍遷；同時，文章設計了以循證為取向的“干預實施—效果評價—策略調整”的實施流程，以指導具體的干預實施。最后，依托元宇宙理念，文章開發了一個基于孿生數字人的孤獨癥兒童教育干預系統并進行了教學應用，結果表明：此系統能夠提升孤獨癥兒童的社交語言能力，且維持效果較好。

關鍵詞：元宇宙；教育元宇宙；孤獨癥兒童；教育干預

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2025）01—0128—09 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2025.01.014

引言

“孤獨癥”又稱“自閉癥”，是以持久性的社會交往障礙、狹隘興趣和重復刻板行為為特征的精神發育障礙^[1]。我國孤獨癥患病率約為2%^[2]，0～14歲的孤獨癥兒童約有300萬～500萬人^[3]。由于孤獨癥的患病機理尚不明確，加上目前缺乏有效的治療藥物和相關醫學手段，故孤獨癥兒童的主要康復途徑是教育干預。在我國，黨和國家高度重視孤獨癥兒童的康復和教育，如《中國教育現代化2035》提到，要“辦好特殊教育，推進適齡殘疾兒童少年教育全覆蓋，促進醫教結合”^[4]；《“十四五”特殊教育發展提升行動計劃》強調全面提高特殊教育質量，推進信息技術與特殊教育融合^[5]；而《0～6歲兒童孤獨癥篩查干預服務規范（試行）》更是將孤獨癥兒童的教育干預納入了日程^[6]。

由于鏡像神經元系統存在異常，孤獨癥兒童的模仿、共情、理解他人意圖的能力較弱，致使他們在社會互動、情感交流和人際交往方面面臨挑戰^[7]。因此，彌補孤獨癥兒童的鏡像缺陷，是孤獨癥教育干預的重要突破口。元宇宙是人類運用數字技術構建的、由現實世界映射或超越現實世界且可與現實世界交互的虛擬世界^[8]。元宇宙整合數字技術勾勒的虛實融合世界提供沉浸式訓練場景，對孤獨癥兒童的教育干預具有積極的推動作用^[9]?；诖?，本研究圍繞“元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預”此話題展開研究，初步探索此方面教育干預的適切性、技術實現、相關應用等，以期為孤獨癥兒童教育干預提供新思路。

一"元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預的適切性

鏡像神經元最早在恒河猴大腦中發現。在靈長類動物執行某個行為以及觀察其他個體執行同一行為時，這些神經元會產生類似的神經響應^[10]。后來，腦成像技術的應用，顯示鏡像神經元也存在于人類大腦皮層的相應區域，并組成了鏡像神經元系統^[11]（Mirror Neuron System，MNS）——MNS是個體內在理解和模仿的神經生理機制^[12]。而Ramachandran等^[13]提出的破鏡理論（Broken Mirror Theory，BMT）認為：正是孤獨癥兒童的鏡像神經元系統存在缺陷，才導致他們很難理解并模仿他人的動作行為，進而引發認知和社交障礙。用鏡像神經元系統的功能障礙解釋孤獨癥的一些癥狀是合乎邏輯的，但BMT的“整體性功能障礙”不能完全解釋復雜的孤獨癥癥狀。此外，研究者通過細化MNS提出的模仿模型和社交反應的自上而下調節模型^[14][15]，普遍認同孤獨癥兒童的MNS存在一定的功能障礙，既可能是系統內區域間連接的障礙，也可能是調節該系統的腦連接出現障礙^[16]。破鏡理論及相關模型可為我們理解孤獨癥兒童在社會環境中進行動作模仿時的大腦反應機制和實施路徑提供指導，并可為我們探索孤獨癥兒童的能力發展缺陷、研究孤獨癥兒童的干預康復方案提供認知神經科學基礎。由于大腦鏡像功能異常，孤獨癥兒童只有看到自己出現在教學材料中，才能產生“我”也應該這么做的刺激或心理暗示。元宇宙技術的應用，能夠幫助孤獨癥兒童創造出所需的孿生化身、提供沉浸性的學習環境，并根據其個體需求制定有針對性的訓練方案。

1 孿生復刻的化身

化身是兒童在元宇宙的身份映射和虛擬替身。根據Proteus效應^[17]，化身的外形會影響我們與他人的互動。更熟悉的外形會更快吸引孤獨癥兒童的注意^[18]，這意味著我們需要在數字世界復刻出兒童的虛擬化身，使其與現實生活中的兒童在外形上一一對應。用技術生成出更真實、更鮮活化身的研究一直在進行，其中改進后的頭部視頻合成模型能讓用戶擁有身臨其境的體驗^[19]，融合3D參數化人體模型生成的3D人體非常準確^[20]，而人工智能引擎可通過使用二維照片或三維模型創建出極其逼真的虛擬人物形象^[21]。此外，深度學習技術、3D人臉重建技術和視頻人臉替換技術能自動映射兒童形象，繪制出與之相符的年齡、表情、發型等，有效提升化身的真實感、生動性和準確性。相較于單一智能技術，進行教育干預的元宇宙中的多種技術能實時反映兒童的自然狀態，這種自然狀態有助于兒童更深入地理解知識和進行學習。

2"高沉浸的具身體驗

孤獨癥兒童對情緒、事件和環境的感知較低，高度沉浸式場域能幫助他們建立更強的感知和情感連接。當前的干預較少使用全沉浸式設備^[22]，而元宇宙可以為孤獨癥兒童量身打造一個極具沉浸感的學習空間——通過調動兒童的多感官，使他們獲得一種身臨其境的感覺，從而激發其大腦鏡像功能的發展。這種沉浸式具身體驗不僅是一種技術上的進步，更是一種教學策略，使孤獨癥兒童有機會在安全、可控的環境中學習并逐漸建立對情感、事件和社交互動的更全面認知。

3"提供定制化的教育訓練

由于特殊兒童有著與正常兒童極為不同的教育需求，故為不同的孤獨癥個體提供個性化訓練方案是孤獨癥干預的重點^[23]。元宇宙的出現，為實現孤獨癥兒童的個性化教學提供了新思路。在元宇宙中，教育者可以根據每個兒童的獨特需求和能力，定制專屬學習路徑和教學內容。在這個虛擬世界中，不受限于傳統的線性教學模式，知識得以以非線性的方式呈現，使孤獨癥兒童能夠按照自己的節奏學習知識與技能、探索未知的世界。

二"元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預的技術架構

1 孤獨癥兒童教育干預的階段劃分

大腦連接具有可塑性。根據破鏡理論，我們可以嘗試逐步地刺激、激活孤獨癥兒童的鏡像神經元系統，使他們的大腦受損區漸漸恢復功能?；谶@一理念，本研究提出孤獨癥兒童教育干預的兩個階段：規避鏡像階段和重塑鏡像階段，具體如圖1所示。

在規避鏡像階段，由于孤獨癥兒童的鏡像神經元系統不能像正常兒童一樣工作，所以他們雖然看到了他人的行為但難以理解、模仿。在這一階段的學習中，兒童的虛擬化身是基于其真實面貌生成，與其互動的對象是日常生活中熟悉的父母、教師、同學和朋友，所處場景模擬了他們的實際生活環境。在這里，兒童能夠直接觀察“我”應如何行動，學習輸入無需經過身份的二次轉換。

在重塑鏡像階段，兒童所處的干預環境與上一階段保持一致。熟悉的環境被視為喚醒兒童先前記憶的刺激條件之一，但兒童的化身不再是鏡像形象。兒童的化身從“像”過渡到“不像”，采用“模糊身份”的方式再次刺激他們的認知。通過讓兒童在熟悉的場景中感知此刻的“陌生人”，代入“我”的角色去理解他人的情感，知曉他人行為的意義，逐步加強兒童對他人行為和社會線索的理解。例如，孤獨癥兒童看到好朋友被重物砸到時可能會笑，因為他們缺乏與他人共情的能力。然而，當他們能夠產生“好朋友就是我”的想法時，就會感受到疼痛、理解朋友的情緒并作出合適的表達，從而增強與他人之間的交往。

2 技術架構的構建

為從技術上實現孤獨癥兒童教育干預從規避鏡像階段到重塑鏡像階段的躍遷，本研究構建了元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預的技術架構。該技術架構以元宇宙核心技術為基礎支撐，遵循“技術-資源-人”交互融合的原則，由外及內分為技術生態層、虛實融合層和用戶體驗層，具體如圖2所示。

①技術生態層，包含支持元宇宙空間連結的四大基礎技術（即網絡技術、交互技術、運算技術、訪問技術），這些技術實現了“虛-實”世界的映射、超越與交互，幫助兒童進入元宇宙。同時，物理世界和數字空間的連結也由四大基礎技術實現。元宇宙勾勒的是低延遲、高沉浸的場景，意味著網絡技術、運算技術是其技術底座。移動和非移動的交互設備，將為兒童帶來身臨其境的體驗感。在這里，兒童數據信息被有機整合，實現人、機、物的互聯互通?？焖俚挠嬎隳芰?、龐大的存儲空間和強大的數據分析，為兒童在學習過程中產生的海量數據提供支持。

②虛實融合層，包括元宇宙內自定義的化身生成和多樣的內容創作。在本層，元宇宙內的數字化身與物理環境實現深度融合，數字世界創作的內容和行為軌跡也可以反映在物理環境中。與傳統教學方式不同，本層可以為兒童生成孿生復刻的數字化身，依據循證證據推送個性化的學習內容資源，讓他們自由選擇學習任務。在整個學習過程中，非侵入式設備將及時、全面地收集并存儲兒童學習數據，為他們生成個性化生命檔案。

③用戶體驗層，涵蓋孤獨癥兒童能夠體驗到的不同場景。參照元宇宙路線圖^[24]，可將元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預的場景分為增強現實的孤獨癥教育、生活日志的孤獨癥教育、虛擬世界的孤獨癥教育和鏡像世界的孤獨癥教育四類。盡管這四大場景在孤獨癥干預中已有應用，但目前的技術和場景多為獨立開發。

三 元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預的實施流程

在元宇宙內實施孤獨癥兒童的教育干預，需要按照一定的流程進行。本研究以破鏡理論為理論基礎，先明晰孤獨癥兒童的干預訓練進階，然后以循證證據為指導，構建了包含干預實施、效果評價、策略調整三個環節的孤獨癥兒童教育干預閉環，具體如圖3所示。此實施流程充分利用元宇宙的技術和數據優勢，注重孤獨癥兒童的個體差異和需求，根據孤獨癥兒童的內隱反饋數據和外顯行為變化開展效果評價，形成孤獨癥兒童專屬的數據畫像，用以調整訓練方案。而形成的教育干預閉環具有高具身性、高沉浸性、高交互性的特征，能有效提升孤獨癥兒童的教育干預效果。

1 干預實施

干預材料包含人物化身和場景環境兩個關鍵要素。在元宇宙內，有大量的社會主體進入并參與訓練活動，與受訓的孤獨癥兒童一同進行各種行為活動。有研究者指出，與面對面溝通相比，孤獨癥兒童在與虛擬形象互動時更自在^[25]；提供一個安全且受控制的虛擬環境，對于孤獨癥兒童的干預訓練更有幫助^[26]。因此，需要提供高度擬人化、精細化的化身和社會場景。這也說明，生成融入真實人物的虛擬化身是提升孤獨癥兒童干預成效的關鍵之所在。在具體的技術支持方面，3D重建和AI視頻換臉技術可以生成受訓主體的擬人化身，并以此制作卡通動畫和真人視頻；基于三維可形變統計模型^[27]，DECA、EMOCA等方法在創建真實化身形象方面取得了顯著進展^[28][29]。此外，結合早期介入丹佛模式提倡的家長作為干預者的教學策略^[30]，遵循我國強調的“家庭化”原則^[31]，在干預過程中要推動與受訓者進行交互的其他虛擬化身在元宇宙中實現自我進化，從兒童熟悉的家人形象逐漸過渡到陌生人形象，成為符合孤獨癥兒童鏡像能力認知的數字主體。除了視覺模擬，干預過程中還可以通過觸覺、嗅覺、聽覺等多感官刺激，提升學習體驗的沉浸性。

2 效果評價

當前，人工觀察和量表評測仍然是主流的干預效果評價手段。然而，基于人工的效果評測因受人力、物力的限制，只能間隔較長時間（如三個月或半年）執行一次，且可能存在主觀、片面的問題。而缺乏全面、及時的干預效果評價，會導致孤獨癥兒童錯過最佳的訓練調整時機。在進行教育干預的元宇宙內，各類傳感器和可穿戴設備可以實時收集孤獨癥兒童的日常生活、學習訓練等數據。生成的用戶畫像可以協助醫生和家人及時了解當前干預方案存在的問題，從而優化和調整孤獨癥兒童的康復訓練內容，彌補基于人工測評的滯后性、主觀性等不足。與此同時，通過使用眼動儀、攝像頭等非侵入式采集設備，可以收集受訓兒童的語音、眼神、面部表情、肢體行為等數據。但由于孤獨癥兒童有時并不具備獨立的情緒表達能力，故僅使用外在的非生理數據進行評估存在一定的局限性。對此，可采用具有無創、高時間分辨率之獨特優勢的腦電（Electroencephalogram，EEG）技術，對神經元活動進行直接測量。腦電變化是一種無法通過肉眼捕捉到的變化，含有豐富的信息，是“內隱”的數據源。考慮到孤獨癥是腦異常導致的認知與行為障礙綜合癥，可將EEG異常指標的緩解或修復作為干預成效的重要評估指標。在整個元宇宙內，通過對受訓者“內隱-外顯”行為特征數據的收集、提取、追蹤和分析，可以實現實時、全面的效果評估。

3 策略調整

孤獨癥兒童教育干預方案的調整策略，是通過先“規避”孤獨癥兒童異常的鏡像神經元，讓他們在學習基本技能的基礎上，逐步引導他們進入“重塑”鏡像神經元的訓練方案，最終達到更高一層的目標。在常用的VR教學中，虛擬角色通常只按照系統的原始設置與用戶進行交互，缺乏從與用戶的交互中“學習”的能力^[32]。元宇宙內的受訓兒童與其他化身的交互，本質上是一種訓練與被訓練的關系，兩者的角色可以互相轉變。例如，孤獨癥兒童在元宇宙中學習和鍛煉技能時，與他們互動的化身能夠記住他們的行為，這就是化身的“學習”過程；經過這一“學習”過程，化身在下一步行動中就能更好地幫助兒童完成進階的訓練任務。與此同時，將虛擬世界的信息反饋給現實世界，以幫助物理世界的人重新制定訓練方案。此外，海量的訓練數據可作為循證評價的依據，便于醫生和家人根據孤獨癥兒童新的需求對教育干預策略進行個性化調整。

四 基于孿生數字人的孤獨癥兒童教育干預系統開發與應用

1"系統開發

元宇宙中的數字技術能夠讓孤獨癥兒童擁有自己孿生復刻的數字化身，同時擁有一個安全的、沉浸式的學習環境，這為規避他們破損的鏡像能力提供了有力支持。為實現對孤獨癥兒童的教育干預，本研究開發了一個基于孿生數字人的孤獨癥兒童教育干預系統。此系統依托孿生數字人技術，將現實世界的人和環境進行數字化構造，構建孤獨癥兒童的元宇宙數字化身，并創建交互式智能虛擬學習環境，分別對應干預實施環節、策略調整環節所需的化身和場景。

本研究通過對系統中人物和場景的設計，來實現“規避-重塑”兒童鏡像功能的目的，具體包括：①設計了一個根據兒童自身形象生成的孿生數字人，如圖4所示。孿生數字人是利用3D重建和卡通化技術，通過構建深度卷積神經網絡而生成的卡通動畫。②設計的學習活動都被嵌入到特定的日常社交情景中，且同一階段學習的場景是相同的，以滿足“重塑鏡像階段”中所提出的將熟悉的環境作為喚醒先前記憶的刺激條件。例如，在“打招呼用語”教學中，含有“見面時”和“分別時”2小節的學習內容。這2小節的場景分別設計為“上學路上”和“放學路上”，場景的背景相同。這樣，兒童就可以將前一節的學習記憶通過相同的環境喚醒，進而遷移到后一節的學習中。圖5展示的是孤獨癥兒童佩戴VR眼鏡進行學習的情形，他們通過直接觀看“我”在社交情景中的行為來學習技能，學習“我”該如何與他人交流互動，知道“我”將收到何種反饋，產生“原來‘我’應該這么做”的心理暗示。

2 系統應用

為驗證基于孿生數字人的孤獨癥兒童教育干預系統的學習成效，本研究從中部地區H省的一所特殊教育機構招募了3名孤獨癥兒童參加社交語言學習的干預訓練實驗，開展了系統的教育應用。本實驗通過了華中師范大學生命科學倫理審查委員會人體研究分委會的審查批準，實驗前所有參與者的家長也都簽署了“知情同意書”，包括用于科學研究的視頻記錄許可。

本研究采用單一被試實驗中的跨被試多基線實驗設計，對3名孤獨癥兒童進行了干預追蹤。本實驗分為三個階段，分別是：基線期、干預期和維持期。在基線期，不進行任何教學，被試只需完成系統中的社交語言測試即可。然后，由工作人員收集測試得分，統計被試的基線數據。當一名被試的基線期數據達到穩定時，便進入干預期，其他兩名被試仍處于基線期；當第一位進入干預期的被試數據達到穩定狀態時，另一位基線期數據達到穩定的被試進入干預期，第三位被試仍處于基線期——以此類推，實驗逐步展開。干預期主要是應用基于孿生數字人的孤獨癥兒童教育干預系統進行語言學習的過程。維持期的具體操作同基線期，不進行任何教學，被試只需完成系統測試，但測試題目有所改變。整個實驗為期2個月，每名被試每周接受4次干預訓練，每次干預持續15～20分鐘，共16次。所有被試的基線期和干預期連續進行，維持期在干預期結束后的一周內開展。研究人員在各階段收集4～8個數據點，以用于后續對被試社交語言能力的評估。

數據收集主要通過系統答題、現場觀察記錄和視頻錄像三種方式實現。系統中設置的題目為看圖選擇題，均為社交場景下的會話練習，每個題目有4個選項，有且只有一個正確答案，選對記1分，選錯記0分；同時，每道題目若在1分鐘內反應作答再記1分。系統會播放題目和選項，工作人員根據被試的表現和認知能力，向存在學習困難的被試進一步解釋該題目和任務要求，并幫助被試切換題目。現場觀察記錄采用自制記錄表，用來記錄被試的干預日期、時長和主要行為表現。視頻錄像則用來記錄被試在實驗過程中的全部口頭話語，作為實驗記錄保存。

視覺分析是一種常見的數據資料分析方法，目的是明確被試的測試得分在不同階段是否發生變化，以此來判斷系統對孤獨癥兒童的社交語言能力是否有提升作用。本研究將實驗中被試在三個階段（即基線期、干預期與維持期）的社交語言測試得分繪制成折線圖進行視覺分析，結果如圖6所示，可以看出：在開始干預訓練后，3名被試的測試得分都逐漸提高，且維持效果較好。

為了彌補視覺分析可能存在的誤差，本研究采用效應量指標綜合分析被試的干預效果和維持效果。本研究選擇Tau（τ）這一效應量指標，按照公式（1），通過對不同階段的每個成對數據進行組合計算得出。當一致對（C）被識別為正數時，說明當前階段的數據相對于上一階段的數據有所改善；當不一致對（D）被識別為負數時，說明當前階段的數據相對于上一階段的數據有所減少，忽略相同的數量，τ同時考慮干預階段的發展趨勢，以使效應值的估算更加準確^[33]。τ取值范圍在[-1～1]之間。被試A、被試B、被試C的干預效應值分別為0.875、0.938、0.875，維持效應值分別為0.938、1、1，表明在干預期內提升了3名被試的社交語言能力，且維持效果較好。

公式（1）

五 結語

本研究構建了元宇宙賦能孤獨癥兒童教育干預的技術架構，設計了以循證為取向的實施流程，開發了基于孿生數字人的孤獨癥兒童教育干預系統并進行了教育應用。相關的實驗結果表明，基于孿生數字人的孤獨癥兒童教育干預系統對于提升孤獨癥兒童的社交語言能力具有不錯的學習效果，且維持效果較好。這個結論的得出，可為設計更科學的孤獨癥兒童干預治療方案、開發更好的干預工具提供參考。但是，由于孤獨癥兒童的異質性較大，可選擇的、符合條件的實驗參與者人數較少，因此本研究雖然驗證了基于孿生數字人的孤獨癥教育干預系統的有效性，但因樣本量較小，故所得結論是否具有普適性還有待進一步驗證，且后續研究也需進一步擴大樣本量。另外，孤獨癥兒童在元宇宙內的數據隱私和安全問題，也是今后研究值得深入探討的方向。

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（1. National Engineering Research Center for E-Learning， Central China Normal University， Wuhan， Hubei， China， 430079;

2. National Engineering Research Center of Educational Big Data， Central China Normal University， Wuhan， Hubei， China 430079）

Abstract："The brain of autistic children exhibit abnormalities in mirror neuron systems， resulting in the limited teaching effectiveness of"traditional education. The virtual and real"symbiotic"mirror world created by the integration of"metaverse"and digital technology"has"undoubtedly provided"a “timely assistance”"role"for the educational intervention of autistic children. Under"this context， the"paper first deeply analyzed"the adaptability of metaverse in empowering educational intervention for autistic"children， established"it as the premise of"research. After that， the paper constructed"the"technical framework of"metaverse"in empowering"educational interventions for autistic"children， in order"to technically realize the transition of educational"intervention"for autistic children"from the avoidance of the mirroring stage to the reshaping of the mirroring stage. At the same time， this paper designed an evidence-based implementation process of “intervention implementation-effect evaluation-strategy adjustment”， to guide the execution of specific interventions. Finally， relying"on the concept of the metaverse，"an educational intervention system"for autistic"children based on digital twins was developed and the teaching application"was carried out. The results showed that the system can improve the social language ability of autistic children， and the maintenance effect was good.

Keywords： metaverse; educational"metaverse; autistic children; educational intervention

*基金項目：本文受國家自然科學基金面上項目“融入真實人物形象的多源反饋兒童孤獨癥教育干預方法研究”（項目編號：62077026）、中央高?；究蒲袠I務費優秀青年團隊項目“基于元宇宙的兒童孤獨癥干預與評估技術研究”（項目編號：CCNU22QN012）資助。

作者簡介：張思妍，在讀博士，研究方向為教育信息技術、特殊兒童教育，郵箱為siyanzhang@mails.ccun.edu.cn。

收稿日期：2024年7月20日

編輯：余弦