元宇宙技術下的虛實融合學習環境研究

摘要：文章以元宇宙技術下的學習環境展開探究，主要闡述了元宇宙技術的研究背景與現狀、應用案例及其應用于教育教學中的挑戰。通過分析元宇宙技術的優勢和應用案例，文章提出，盡管元宇宙技術下的學習環境面臨優勢與挑戰并存的局面，但其可行性依然顯著，未來有望持續優化并推動教育教學的高質量發展。

關鍵詞：元宇宙；虛實融合；情景學習；數字化轉型

中圖分類號：G434" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）21-0104-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

2017年，國務院發布了《新一代人工智能發展規劃》，旨在完善人工智能領域的學科建設并拓寬高校教育內容，形成“人工智能+X”的復合型專業培養新模式，例如，推動人工智能與計算機、醫學、物理、化學、心理學、歷史、地理等學科專業教育的融合[1]。

元宇宙技術融合了多種尖端技術，其所構建的學習環境被廣泛關注，已成為一種新興的教育模式。本研究旨在深入分析元宇宙技術下虛實融合學習環境的優勢、應用案例、面臨的挑戰及應對策略，為高校教育教學的數字化轉型提供理論支持。

1 研究背景和現狀

“元宇宙”這一名詞最早出現在美國科幻小說《雪崩》中，從電影《黑客帝國》《頭號玩家》，到游戲《模擬人生》，均對元宇宙的概念有所體現。

近年來，元宇宙的概念引發了全球范圍內的廣泛關注和探討，2021年被譽為“元宇宙元年”。元宇宙技術整合了5G、虛擬現實（VR） 、增強現實（AR） 、混合現實（MR） 、人工智能（AI） 、云計算、區塊鏈和數字孿生等前沿技術，融合了互聯網技術與擴展現實（XR） 技術，通過情境化、智慧化、數字化的手段構建了一個全新的虛擬世界，為用戶提供了一種全新的沉浸式體驗。用戶通過元宇宙技術，可打破時空限制，獲取豐富的感官體驗，實現了現實世界與虛擬世界的緊密聯系，構建出一個與現實世界互通共存的新型社會，并且已應用于游戲、教育等領域。

在教育領域，信息技術與VR、AR、MR、云計算、大數據、AI及區塊鏈等前沿技術共同構建了虛實融合的學習環境，打造了一個沉浸式、互動性強的虛擬世界。該技術不僅打破了傳統物理空間的束縛，還為用戶帶來了豐富的感官體驗，為教育教學開辟了全新的途徑。我國正積極推進教育數字化戰略行動，例如，2023年中共中央、國務院發布的《數字中國建設整體布局規劃》明確提出，大力實施國家教育數字化戰略行動，完善國家智慧教育平臺；教育部也印發了相關通知，著重強調將數字化融入中小學教師培養全過程，持續優化國家中小學智慧教育平臺，豐富各類優質教育教學資源[2]。

目前，國內外學界已將元宇宙技術引入多個行業的發展進程中，探索出廣泛的應用場景。在教育教學方面，元宇宙的增強現實技術能夠有效提升學生的學習表現，有研究認為“元宇宙能夠通過技術賦能彌補物理世界的不足，為學生創設一種沉浸式的學習場域”[3]。日本的工學部積極探索，嘗試借助元宇宙技術培養未來的專業人才，以解決人才缺口問題；澳大利亞斯威本理工大學與金融科技企業攜手，土耳其安卡拉大學增設NFT課程，兩所高校均期望通過此類行動，緊跟社會技術發展的前沿步伐；巴哈馬則推出教育元宇宙平臺“Metacampus”，改善了本國教育資源過于分散的狀況，推動了教育資源的高效整合與均衡發展[4]。

在國內，2022年7月28日，香港科技大學正式宣告，將憑借前沿的元宇宙技術，全力打造全球首個實體與數字雙子校園，為學生提供了完全沉浸式的學習體驗，并構建了一個向所有師生和校友開放的綜合平臺，實現了香港科技大學社群跨校區創作、創新與互動的全新局面。自2020年起，受疫情防控影響，全國多數高校的畢業典禮無法在線下舉辦。例如，中國傳媒大學、上海大學通過“元宇宙”技術開發了虛擬場景，為畢業生打造了難忘的畢業典禮[4]。2022年9月15日，北京理工大學重磅推出了“挑戰杯·元宇宙”這一大型沉浸式數字交互空間。此空間精心打造了多個虛擬場景，其中包含了北京理工大學良鄉校區的數字校園，由千余名參賽者共同構筑的“挑戰杯”世界，以及可容納萬人在線的“挑戰杯”舞臺等。這一創新之舉，堪稱國內元宇宙技術在教育領域的首次大規模應用，在教育技術革新的進程中留下了濃墨重彩的一筆[5]。

元宇宙虛實融合學習環境為學習者提供了一個創新性和拓展性俱佳的學習空間。學習者可突破時間、空間和資源等方面的限制，獲得身臨其境的學習體驗。例如，學生可以立體地查看細胞結構，親眼看到細胞核等細胞器的形態；可以走進沙漠，感受黃沙漫天、烈日炙烤的大漠環境；可以走進兵戈鐵馬的古戰場，感受歷史的厚重與殘酷；可以漫步于三維星空，觸摸日月星辰；還可以置身于深海，探索海洋奧秘。元宇宙技術雖然使知識獲取打破了邊界，但是其在教育領域的應用仍處于探索階段，面臨諸多挑戰，比如技術成熟度有待提高、評估機制尚不完善、缺乏教學應用資源、存在資本炒作風險等。

國家相關政策對教育數字化、學習空間建設等方面的支持，以及元宇宙虛實融合學習環境在教育應用中的潛力，正推動教育領域更好地借助元宇宙技術開發教育資源，為學習者營造更優、更高效的學習環境。

2 優勢分析

2.1 提供沉浸式學習體驗

元宇宙技術綜合了5G、物聯網、區塊鏈、VR、AR和數字孿生等多種技術，為學生創造了更加逼真的學習場景，使其獲得身臨其境的參與感[6]。例如，在歷史學習中，學生佩戴VR設備，能夠穿越時空，置身于古代宮殿和戰場，從而目睹歷史事件的背景、過程及影響，更加深刻地理解并記憶知識。在實踐教學方面，學生可以自由操作實驗器材，探索復雜實驗，并根據實驗結果調整方案，在實踐中深入學習，而無須擔憂器材損壞或安全問題。在地理學習中，學生通過佩戴設備，可親身體驗攀登珠穆朗瑪峰的過程，做一回真正的“攀登勇士”，感受珠峰精神，領略祖國大好河山的壯麗和宏偉[7]。

2.2 支持個性化學習路徑?

元宇宙虛實融合學習環境可根據學生的學習進度、特點和學習行為，為其量身定制個性化的學習方法。例如，對于學習進度較慢的學生，系統可推送基礎學習內容，幫助學生牢固掌握基礎知識；對于學有余力的學生，則可提供更具深度的內容，以拓展其知識面。通過分析學生的操作行為，例如，操作實驗儀器的熟練程度、對歷史場景的探索深度、對音樂創作歷史背景的了解[8]、對三維空間的認知程度、對特殊教育學生社交和情感表達的輔助等，無論是理科的實驗教學，還是文科的情景教學，均可了解學生的學習偏好并調整學習方案，元宇宙技術將助力因材施教的實現[9]。

2.3 促進社交化學習與互動

在元宇宙中，學生可與他人進行社交互動，共同完成學習任務，以培養其團隊合作精神和溝通表達能力。例如，在三維動畫設計課程中，學生可相互合作探討，分工明確，交流創意，共同完成項目，這既鍛煉了表達能力，又增強了學習動力，同時也提升了學習效率。在建筑學科中，學生可以協同設計建筑模型，模擬基建施工過程，從而深化對建筑結構和施工流程的理解，并在實際操作中解決問題。在英語學習中，學生可以在模擬的英語交際環境中，與世界各地的人進行交流，從而提升口語能力。

3 應用案例

3.1 虛擬實驗室

當前，虛擬實驗室已廣泛應用VR/AR等技術以提升教學的科學性與直觀性，并應用于生物、化學、地理、物理等多個學科領域，學生佩戴設備即可感受真實的實驗場景[10]。學生能夠仔細觀察實驗設備的構造，親自動手操作，并與實驗過程進行實時互動。在化學實驗中，學生通過全過程仿真體驗化學反應的原理與過程，可有效提升實驗技能。例如，“法老之蛇”是一種膨脹化學反應實驗，會用到劇毒物“硫氰化汞”，即便使用白糖、酒精、小蘇打等物質代替，實驗過程中也會有明火躥出，并產生不斷膨脹的蛇狀黑色物質。實驗過程中產生的明火容易引發火災，若操作不當，實驗者可能會被燒傷。在醫學操作教學中，學生可使用VR手柄模擬儀器操作、手術過程等，實現接近真實場景的學習。未來，隨著配套設備的輕便化與技術的持續完善，其應用將更為便捷。在語文、英語、歷史、地理、計算機技術、三維設計、音樂教育、醫學等學科中，教育元宇宙為學生創造了更加真實的學習情境，從而提升學習效率與體驗[11]。

2022年2月，我國第一個“元宇宙醫學聯盟”在上海成立，受到了醫學領域的極大關注。元宇宙技術為手術前的模擬、手術預案的制定提供了有力的技術支持。

3.2 虛擬學習社區

近年來，虛擬學習社區的教育和學習方式得到了廣泛認可，并迅速成為教育領域的關注焦點。例如，Sloodle將Moodle學習管理系統與Second Life游戲整合，無論是開發者還是用戶，都能夠投身于社區建設，開展社會互動，進而逐步形成強烈的社區意識；Hodoo Labs是以英語學習為主的學習社區，使用者可以踏上自由旅行的征程，在領略各地風土人情的同時，沉浸式地提升英語能力；Virbela作為一款為解決遠程協作難題而精心打造的虛擬世界平臺，用戶能夠在其構建的虛擬空間中便捷地建立聯系、開展高效協作。美國達文波特大學在2020年利用Virbela建立了定制化的虛擬校園，使學生獲得了如同真實校園一般的歸屬感；美國斯坦福大學開設的“Virtual People”課程，學生攜帶VR頭戴式設備即可遠程上課，課程場景豐富多樣，較好地達成了教學目標[12]。

3.3 科技館教育

近年來，VR/AR技術在博物館、科技館等場所的展示中已較為常見，而元宇宙技術能夠進一步豐富其教育形式，讓學生跨越時空，獲得更全面的學習體驗。例如，2021年5月29日，首爾大學在亞洲第29屆在線學術大會上分享的手術全過程，便是通過VR和AR技術實現的，這不僅是醫學教育領域的成功突破，更是教育元宇宙在醫學教育領域的首次突破性探索[13]。在建筑、工業、制造業等多個領域，美國英偉達（NVIDIA） 公司開發的平臺Omniverse，也展現出了獨特的應用價值[12]。

3.4 高校實踐?

在國內，上海杉達學院經過兩年多的精心研發，打造了杉達教育元宇宙（Edu-Comos） 平臺并已上線啟用。該平臺構建了一個可容納千人同時進行自由交互的數字空間，開創了教育領域的新體驗。上海杉達學院還與華東師范大學丁安琪教授的專業團隊攜手，深度合作，成功研發出國際中文教育元宇宙。

在國外，2021年，美國斯坦福大學教授杰里米·拜倫森（Jeremy Bailenson） 推出了斯坦福歷史上第一個完全以虛擬現實為背景的課程——“虛擬人”（Virtual People） [4]，學生通過VR設備與虛擬人互動，體驗前所未有的沉浸式學習。

4 面臨的挑戰

4.1 技術層面

元宇宙技術雖然在不斷發展，但仍然存在一些問題。例如，目前VR、AR等設備的分辨率尚有不足，且設備較重與佩戴不適等問題，在一定程度上影響了沉浸式體驗。用戶在使用一段時間后可能會產生疲勞感，影響學習的持續性。網絡和硬件設備的流暢性有待提高，用戶在體驗過程中可能會遇到卡頓、延遲等情況，這會嚴重影響學習效果與體驗。教育元宇宙的開發需要大量的技術和資金投入，包括軟件開發、3D建模等。對于教育機構和學校而言，前期研發成本較高，后期還需不斷進行技術更新和維護，這就需要更多的資金和人力投入。對教師而言，則要求其具備更高的教學能力。教師須轉變傳統的教學思維模式，運用新技術進行教學設計，如設計虛擬角色和場景，而這方面多數教師的能力尚有不足，缺乏相關經驗或持續學習新技術的動力。

4.2 教育內容適配

現有的教育內容須進行適配與轉化，才能更好地應用于教育元宇宙。目前市場上相關內容質量參差不齊，部分虛擬場景設計較為粗糙，難以真正激發學生的學習興趣。此外，要將學科知識有效地 “搬” 到元宇宙空間，構建以學科知識圖譜為基石的教育元宇宙，實現大規模知識遷移，還需要投入更多的人力、物力進行研究和實踐。

4.3 其他方面

元宇宙領域存在資本炒作和綁架的風險，以及倫理風險。教育元宇宙涉及大量學生個人信息，諸如用戶數據隱私的保護、虛擬世界與現實世界界限模糊等問題也亟待解決。同時，教育元宇宙的成本不容小覷，搭建和維護如此復雜的系統需要大量資金，這對于許多教育機構而言是沉重的負擔。

5 應對策略

5.1 技術提升方面

須明確發展目標與布局方案，專注于多通道自然交互的設計與實現，并注重教學內容的設計。教育管理部門應在頂層設計與戰略規劃層面，更加明確元宇宙技術在教育教學中的發展目標及具體方案，并結合教育教學實踐，深入探索其應用的可行性[12]。同時，要持續推動技術研發，提高設備性能，改善網絡環境，以降低因技術問題對學習體驗造成的不良影響。此外，對教師的能力培訓也須不斷加強和提升。

5.2 內容建設方面

應鼓勵教育工作者、創意互聯網公司等多方參與，創作出更多高質量、具有教育意義且富有創新性的內容，將教育生態體系更好地遷移至元宇宙空間。通過情節化的內容增加吸引力，使教育元宇宙更符合教學需求，更能激發學習興趣，從而更大限度地促進知識學習。

5.3 風險應對方面

行業應自覺抵制資本炒作，引導市場形成合理預期，強化企業主體責任，遠離非法集資等模式，并參照相關產業自律公約，維護良好的市場秩序和產業環境。對于用戶數據隱私問題，須實現數據全生命周期的安全可信，確保用戶能夠自主控制數據，并利用區塊鏈、隱私計算等分布式技術體系保障數據安全。同時，結合政策法規和技術標準等進行外部監管，以規范市場并引導資本合理投入。高校在推進教育教學數字化轉型的過程中，須有效應對安全挑戰并持續完善管理機制，方能更好地應用元宇宙技術。

6 總結

總結而言，元宇宙技術為高校教育教學的數字化轉型提供了新的思路與方法，也為學習者提供了更為豐富、便捷與個性化的學習新體驗。深入探究元宇宙虛實融合學習環境，有助于充分發揮其優勢，有效應對挑戰，使這一新興的教育模式能夠更好地服務于教育事業，為學習者創造更優質、高效的學習環境，推動教育領域實現創新發展與變革。?

參考文獻：

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[12] 蔡蘇，焦新月，宋伯鈞.打開教育的另一扇門：教育元宇宙的應用、挑戰與展望[J].現代教育技術，2022，32（1）：16-26.

[13] 張進良，楊苗，劉佳惠，等.元宇宙學習空間的詮釋與架構[J].成人教育，2024，44（8）：10-18.

【通聯編輯：謝媛媛】