教育元宇宙的教學(xué)場(chǎng)域架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究

華子荀 黃慕雄

摘要：元宇宙是根據(jù)物理世界的樣態(tài)而由人類創(chuàng)造的數(shù)字世界。元宇宙作為一個(gè)新興概念，是建立在5G、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)基礎(chǔ)上而逐漸成型的。技術(shù)的發(fā)展成熟為創(chuàng)建教育元宇宙（Edu-Metaverse）提供了便利條件，也有助于元宇宙與教育實(shí)踐的深度融合。教育元宇宙最突出的優(yōu)勢(shì)是能夠?yàn)榻處熀蛯W(xué)習(xí)者提供一種沉浸式的教學(xué)互動(dòng)場(chǎng)域，同步滿足師生在物理世界和虛擬世界中的教與學(xué)需求。這里的虛擬世界并不是對(duì)物理世界的簡(jiǎn)單復(fù)制后所形成的“平行宇宙”，還包括對(duì)物理世界的再開發(fā)。教育元宇宙的教學(xué)探索需要首先明確其場(chǎng)域架構(gòu)及其支撐技術(shù)。研究組建構(gòu)的教育元宇宙教學(xué)場(chǎng)域包括物理層、軟件層、應(yīng)用層、分析層四層架構(gòu)，貫通四層架構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)包括5G網(wǎng)絡(luò)、VR沉浸設(shè)備及其對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)、高性能計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的元宇宙系統(tǒng)、生物數(shù)據(jù)采集設(shè)備及其數(shù)據(jù)分析算法等。為探究其在教學(xué)中的應(yīng)用，通過(guò)創(chuàng)設(shè)“圖書館”“校園”“教室”三類教育元宇宙場(chǎng)景，分別對(duì)應(yīng)序列型指引、綜合型探究和眾創(chuàng)建構(gòu)三種學(xué)習(xí)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)施后的數(shù)據(jù)分析表明，教育元宇宙能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者交互感、沉浸感和認(rèn)知的提高，且隨著三種學(xué)習(xí)活動(dòng)的遞進(jìn)開展，學(xué)習(xí)者的認(rèn)知投入表現(xiàn)出由“中認(rèn)知投入”向“高認(rèn)知投入”躍升的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：教育元宇宙;教學(xué)場(chǎng)域;關(guān)鍵技術(shù);實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：G434? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1009-5195（2021）06-0023-09? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2021.06.003

基金項(xiàng)目：廣東省2021年哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃青年項(xiàng)目“情緒認(rèn)知模型框架下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展機(jī)制研究”（GD21YJY05）;廣東省教育廳重點(diǎn)科研平臺(tái)“智能教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”（2020WSYS002）。

作者簡(jiǎn)介：華子荀，博士，講師，廣東第二師范學(xué)院教師教育學(xué)院（廣東廣州 510303）;黃慕雄，教授，博士生導(dǎo)師，廣東第二師范學(xué)院副校長(zhǎng)（廣東廣州 510303）。

一、研究背景

聚焦教育領(lǐng)域，元宇宙是整合人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，為學(xué)習(xí)者提供虛擬學(xué)習(xí)場(chǎng)域的關(guān)鍵趨勢(shì)。2017年，國(guó)務(wù)院頒布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要“建立以學(xué)習(xí)者為中心的教育環(huán)境，提供精準(zhǔn)推送的教育服務(wù)，實(shí)現(xiàn)日常教育和終身教育的定制化”，指明了開展跨媒體分析推理、群體智能、混合增強(qiáng)智能與虛擬現(xiàn)實(shí)智能建模的技術(shù)實(shí)踐方向（馬濤等，2019），這種實(shí)踐有利于將學(xué)習(xí)者、物理世界、智能機(jī)器與數(shù)字信息世界統(tǒng)一起來(lái)，構(gòu)建賦能人類發(fā)展的四元空間，推進(jìn)學(xué)習(xí)革命（沈陽(yáng)等，2020）。雖然元宇宙尚未被教育研究者廣泛關(guān)注，但是它的底層技術(shù)已經(jīng)為學(xué)者們所探討并取得了諸多成果。例如，教育人工智能（Educational Artificial Intelligence，EAI）通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、智能代理、情感計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)（閆志明等，2017），開拓了教學(xué)過(guò)程中的智能導(dǎo)師、智能測(cè)評(píng)、數(shù)據(jù)挖掘等研究領(lǐng)域;腦科學(xué)與教育神經(jīng)科學(xué)的研究，使得技術(shù)與人腦產(chǎn)生聯(lián)系，并通過(guò)兩者交互實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)人腦神經(jīng)功能的塑造（周加仙等，2017）;生物識(shí)別傳感器在教學(xué)過(guò)程的融入，使得研究者能獲取多種模態(tài)數(shù)據(jù)（周進(jìn)等，2021），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)人類感覺、知覺以及認(rèn)知的相關(guān)表征;數(shù)字孿生也為教育虛實(shí)一體化提供了資源樣態(tài)，支撐云端、遠(yuǎn)端、身邊的孿生體相互交融（楊現(xiàn)民等，2021）。在最關(guān)鍵的臨場(chǎng)感營(yíng)造上，已經(jīng)有研究者開展對(duì)VR教學(xué)效果的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證VR技術(shù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)參與、教學(xué)效率和學(xué)習(xí)效果的促進(jìn)作用（華子荀等，2021），同時(shí)也為學(xué)生營(yíng)造具有臨場(chǎng)感的虛擬環(huán)境提供了相關(guān)借鑒?？傊?，多樣化的技術(shù)融入教學(xué)，已經(jīng)使得教育領(lǐng)域具備構(gòu)建元宇宙的相關(guān)條件，因而也有必要整合多種相關(guān)技術(shù)探討面向教育的元宇宙架構(gòu)。

二、元宇宙的概念與教育屬性

1.元宇宙的概念與特征

元宇宙（Metaverse）的概念最初來(lái)源于1992年科幻作家尼爾·斯蒂芬森（Neal Stephenson）的《雪崩》一書。該書描述了一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界相平行的虛擬世界樣態(tài)。該虛擬世界即是元宇宙，在元宇宙中所有虛擬人都能夠在現(xiàn)實(shí)世界中找到其人類本體（J??-Aro et al.，2001）。英文“Metaverse”中，“Meta”譯為“元”，“verse”為“Universe”（宇宙）的詞根，“元宇宙”就是二者組合在一起直譯而得。隨著技術(shù)的進(jìn)步，元宇宙的概念逐漸從虛幻變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。人們對(duì)于元宇宙的定義各不相同。未來(lái)學(xué)家盧克·沙布羅（Luke Shabro）認(rèn)為，元宇宙是一個(gè)模糊的、數(shù)字混合的現(xiàn)實(shí)，具有不可替代和無(wú)限的項(xiàng)目和角色，不受傳統(tǒng)物理的限制和約束（Hackl，2021）。羅布樂思公司首席執(zhí)行官大衛(wèi)·巴斯祖奇（Dave Baszucki）認(rèn)為，元宇宙是一個(gè)將所有人相互關(guān)聯(lián)起來(lái)的3D虛擬世界，人們?cè)谠钪嬷袚碛凶约旱臄?shù)字身份，可以在這個(gè)世界里盡情互動(dòng)，并創(chuàng)造任何他們想要的東西（Hackl，2021）。但大多數(shù)人認(rèn)為元宇宙就是一個(gè)龐大的虛擬世界，甚至是我們現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字化，它擁有自己的生產(chǎn)活動(dòng)和交流活動(dòng)，跨越物理和虛擬世界將兩者融合在一起，并在未來(lái)向所有人開放（Collins，2021）。同時(shí)，元宇宙也可視為一種由線上、線下很多平臺(tái)打通所組成的新的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文明系統(tǒng)（喻國(guó)明，2021）。簡(jiǎn)言之，元宇宙就是現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的融合（Duan et al.，2021），并以兩種空間的相關(guān)技術(shù)作為支撐，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)世界的聯(lián)結(jié)。

元宇宙最初的雛形是在由2D向3D技術(shù)轉(zhuǎn)化時(shí)代所形成的虛擬網(wǎng)絡(luò)世界（Nikolaidis，2007），因此，元宇宙最初的模型帶有虛擬世界的特點(diǎn)。有學(xué)者提出虛擬世界的真實(shí)沉浸感具有四種技術(shù)特征，即視聽性（Audio-Visual）、交互性（Interactivity）、持久性（Persistent）和沉浸性（Immersive）（Gilbert et al.，2011）。具體來(lái)說(shuō)，就是使用者能夠在虛擬世界中通過(guò)視覺、聽覺調(diào)動(dòng)其感知，并且能夠與其他用戶進(jìn)行交互，最后通過(guò)多感知設(shè)備的融入，讓使用者產(chǎn)生較強(qiáng)的臨場(chǎng)感。在不同的媒體表現(xiàn)形式上，已經(jīng)出現(xiàn)了諸多具有這四類特征的元宇宙雛形（Dionisio et al.，2013），它們?cè)诓煌瑢用嫔蠟樵钪娴慕?gòu)提供了創(chuàng)新性的嘗試（見表1）。

2.元宇宙的教育屬性

當(dāng)前，大多數(shù)體現(xiàn)元宇宙的技術(shù)或產(chǎn)品主要局限在電子娛樂領(lǐng)域，但是簡(jiǎn)單地將元宇宙本身視作一種電子游戲，顯然是比較表面化的解讀（姜宇輝，2021），會(huì)讓人忽略掉元宇宙對(duì)教育所能發(fā)揮的巨大潛能。探索元宇宙的深度應(yīng)用可能帶來(lái)的變革契機(jī)，以及教育類元宇宙的形式及技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，將一種哲學(xué)化的數(shù)字生存與游戲化學(xué)習(xí)緊密地結(jié)合在一起，具有重要的理論與實(shí)踐意義。

教育元宇宙（Edu-Metaverse）可以理解為元宇宙的教育應(yīng)用，它為教師、學(xué)生、管理者等相關(guān)者創(chuàng)建數(shù)字身份，在虛擬世界中開拓正式與非正式的教學(xué)場(chǎng)所，并允許師生在虛擬的教學(xué)場(chǎng)所進(jìn)行互動(dòng)。從教育哲學(xué)的角度思考元宇宙，可以發(fā)現(xiàn)其最突出的賦能優(yōu)勢(shì)是為教師與學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一種沉浸式的教學(xué)互動(dòng)場(chǎng)域。教育元宇宙的場(chǎng)域突破了物理世界的局限，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)空間營(yíng)造了一個(gè)新的虛擬教育世界，使得教師和學(xué)生可以在物理和虛擬世界同時(shí)獲得現(xiàn)實(shí)和虛擬教學(xué)需求的滿足，兩者在本質(zhì)上是相互影響、相互聯(lián)系、共同發(fā)展的。但教育元宇宙中的虛擬世界并不是對(duì)物理世界的簡(jiǎn)單復(fù)制，也不是另一個(gè)物理世界的“平行宇宙”，而是對(duì)物理世界的一種再開發(fā)。它所具有的媒體賦能特點(diǎn)可以補(bǔ)充物理世界的缺憾，甚至在某些維度能超越物理世界的限制，形成一種特殊的教育元宇宙場(chǎng)域，賦能教育元宇宙發(fā)揮出整體的場(chǎng)域效應(yīng)。

三、教育元宇宙的教學(xué)場(chǎng)域架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

所謂場(chǎng)域就是一種場(chǎng)景或應(yīng)用空間（張艷麗等，2020）。教育元宇宙的架構(gòu)可以理解為一個(gè)超級(jí)場(chǎng)域，代指可以整合所有元宇宙元素的系統(tǒng)平臺(tái)。有學(xué)者提出構(gòu)建元宇宙需要打造其基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，應(yīng)包括物理層、軟件層、數(shù)據(jù)層、規(guī)則層和應(yīng)用層（劉子涵，2021）。誠(chéng)然，元宇宙依然存在諸多技術(shù)瓶頸，但通過(guò)對(duì)其架構(gòu)的不斷嘗試改進(jìn)和對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的不斷融合運(yùn)用，就能夠利用元宇宙的相關(guān)技術(shù)與方法解決教育領(lǐng)域的特定問(wèn)題。筆者將基于廣東第二師范學(xué)院“廣東省智能教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的系列研究成果，提出教育元宇宙的場(chǎng)域架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)解決方案，其中場(chǎng)域架構(gòu)主要包括物理層、軟件層、應(yīng)用層和分析層四層。

1.物理層

物理層是指在物理世界構(gòu)造元宇宙的設(shè)備及其基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境。該層主要采用5G網(wǎng)絡(luò)、沉浸設(shè)備、其他設(shè)備（如訪問(wèn)與展示類設(shè)備、生物數(shù)據(jù)采集設(shè)備）來(lái)搭建（見圖1），力求實(shí)現(xiàn)：建設(shè)開放式、可嵌入式的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，為未來(lái)教育元宇宙更新迭代提供空間;整合現(xiàn)有設(shè)備融入教育元宇宙生態(tài)中;選擇利用率最高的新購(gòu)置設(shè)備融入教育元宇宙生態(tài)中。

（1）5G網(wǎng)絡(luò)配置

結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)、雙千兆教育專網(wǎng)和5G基站，部署用于教育元宇宙的5G云網(wǎng)融合服務(wù)網(wǎng)關(guān)，支持路由、橋接、旁路等多種模式，根據(jù)元宇宙沉浸設(shè)備配備情況進(jìn)行靈活部署，使得多用戶元宇宙網(wǎng)絡(luò)交互成為可能。與以往的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相比，5G環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)VR圖像傳輸即時(shí)化、圖像語(yǔ)音傳輸自然、跨地互動(dòng)無(wú)縫對(duì)接、大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享、元宇宙應(yīng)用傳輸平順。

（2）沉浸設(shè)備配置

營(yíng)造教育元宇宙首先應(yīng)在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋環(huán)境下配置硬件，部署元宇宙中央服務(wù)器，為每個(gè)學(xué)習(xí)者配備一套虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。其次應(yīng)配置元宇宙環(huán)境高性能計(jì)算機(jī)，操作系統(tǒng)必須為Windows 10或以上版本，處理器為Intel Core i5-4590同等性能及以上，顯卡為NVIDIA GeForce GTX 970同等性能及以上;還應(yīng)配置千兆有線網(wǎng)口及5G路由器，網(wǎng)口、路由器、電腦網(wǎng)線要求六類線及以上規(guī)格。

（3）其他設(shè)備配置

對(duì)于非沉浸用戶（如以訪問(wèn)、參觀等為使用目的），可以配置多途徑設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，既可以選擇智能手機(jī)、平板電腦等無(wú)線設(shè)備直接訪問(wèn)服務(wù)器，也可以利用高性能計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)，或者直接與服務(wù)器進(jìn)行有線串流連接來(lái)訪問(wèn)元宇宙內(nèi)容。同時(shí)對(duì)于學(xué)習(xí)者的生物電分析還應(yīng)配備生理分析設(shè)備，主要包括心電、腦電、皮膚電等生物采集設(shè)備，用于檢測(cè)學(xué)習(xí)者沉浸在元宇宙環(huán)境時(shí)的沉浸感、專注度、心流體驗(yàn)等情況變化。為了不影響學(xué)習(xí)者的沉浸感，生物電采集設(shè)備并未選擇專業(yè)的醫(yī)療心理分析設(shè)備，而是采用了手環(huán)、創(chuàng)客腦波套件、創(chuàng)客皮膚電套件等簡(jiǎn)易設(shè)備。

2.軟件層

軟件層是在物理層基礎(chǔ)上構(gòu)建元宇宙系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，具體包括VR軟件系統(tǒng)、元宇宙系統(tǒng)和生物數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖2），分別對(duì)應(yīng)物理層的VR設(shè)備、元宇宙基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)和生物電采集設(shè)備。

（1）VR軟件系統(tǒng)

在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，需在學(xué)習(xí)者使用的每臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝VR串流軟件，實(shí)現(xiàn)VR畫面與計(jì)算機(jī)畫面的同步傳輸。由于無(wú)線串流極大依賴于網(wǎng)絡(luò)速度，并且當(dāng)同步訪問(wèn)用戶增加時(shí)，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)卡頓，因此采用有線串流方式。同時(shí)在電腦中安裝STEAM軟件，該軟件是維爾福（Valve）公司開發(fā)的綜合性游戲及電腦應(yīng)用程序平臺(tái)。在STEAM平臺(tái)上安裝STEAM VR應(yīng)用，即可實(shí)現(xiàn)VR與計(jì)算機(jī)的串流，完成元宇宙畫面的同步傳輸。

（2）元宇宙系統(tǒng)

采用Roblox Studios程序進(jìn)行教育元宇宙構(gòu)建。該程序具有較好的空間構(gòu)建模塊，可以完成教育活動(dòng)目標(biāo)中的空間建構(gòu)任務(wù)，同時(shí)支持VR設(shè)備的同步連接。在教師機(jī)上安裝Roblox Studios，以構(gòu)造用于學(xué)生活動(dòng)的元宇宙，實(shí)現(xiàn)串流。在此需特別說(shuō)明的是，雖然利用VR軟件系統(tǒng)即可創(chuàng)造有沉浸感的氛圍，利用Unity 3D和Unreal等軟件也可以自行建構(gòu)個(gè)性化的元宇宙環(huán)境，但是Roblox是目前具有最完備的元宇宙屬性的平臺(tái)，如擁有個(gè)性化的用戶化身建構(gòu)系統(tǒng)、仿生環(huán)境構(gòu)造系統(tǒng)、多平臺(tái)訪問(wèn)與空間構(gòu)造系統(tǒng)、平臺(tái)交易機(jī)制、數(shù)字徽章系統(tǒng)等，適合用于開展元宇宙的探索性研究。

（3）生物數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

通過(guò)智能設(shè)備提供的生物數(shù)據(jù)，可以與學(xué)習(xí)者元宇宙探索活動(dòng)相聯(lián)系，并進(jìn)行可視化的統(tǒng)計(jì)分析。鑒于生理信號(hào)在反映有機(jī)體狀況方面更加客觀、真實(shí)，主要采用腦電（Electroencephalogram，EEG）采集設(shè)備、心電（Electrocardiogram，ECG）采集設(shè)備和皮膚電（Galvanic Skin Response，GSR）采集設(shè)備來(lái)收集學(xué)習(xí)者的生物數(shù)據(jù)。

3.應(yīng)用層

應(yīng)用層即組織學(xué)習(xí)者在教育元宇宙中開展學(xué)習(xí)活動(dòng)?；谘芯繄F(tuán)隊(duì)對(duì)VR動(dòng)覺學(xué)習(xí)機(jī)制的研究成果（華子荀，2019），將教育元宇宙中的學(xué)生活動(dòng)按照技術(shù)交互的特點(diǎn)設(shè)計(jì)為序列型指引、綜合型探究和眾創(chuàng)建構(gòu)三種類型（見圖3）。

其中，序列型指引是指學(xué)生根據(jù)環(huán)境的任務(wù)提示理解交互模塊的知識(shí)，并逐步完成的交互指引。綜合型探究是一種基于序列型指引并可以進(jìn)行自由探索的探究學(xué)習(xí)方式。眾創(chuàng)建構(gòu)是指學(xué)生以小組為單位進(jìn)行協(xié)同，其主要任務(wù)是利用環(huán)境所提供的模塊建構(gòu)功能完成對(duì)空間的建構(gòu)，以促進(jìn)其協(xié)同能力和探究能力的發(fā)展。

4.分析層

分析層主要用來(lái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以發(fā)現(xiàn)教育元宇宙場(chǎng)域所發(fā)揮的教學(xué)效用。針對(duì)數(shù)據(jù)層采集的VR特征數(shù)據(jù)、學(xué)生感知數(shù)據(jù)、心理生理數(shù)據(jù)等，分別采用無(wú)序熵值算法、AE值、心理生理數(shù)據(jù)分析與標(biāo)簽分析等方法，分析教育元宇宙教學(xué)場(chǎng)域的教學(xué)效果（見圖4）。

（1）無(wú)序熵值算法

在教育元宇宙的場(chǎng)域中，通過(guò)各種傳感器和交互設(shè)備，可以得到各種類型的多模態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步挖掘能夠輔助研究者發(fā)現(xiàn)元宇宙的場(chǎng)域效應(yīng)。但是其難點(diǎn)在于對(duì)多維數(shù)據(jù)的統(tǒng)一評(píng)價(jià)。熵（Entropy）是用來(lái)度量系統(tǒng)混亂無(wú)序程度的量，對(duì)熵的測(cè)定能夠?qū)ο到y(tǒng)中的有序和無(wú)序狀態(tài)進(jìn)行界定，這種計(jì)算方法就是熵值法。熵值法（Entropy Method）是一種“客觀賦權(quán)”的方法，對(duì)教育元宇宙設(shè)備、系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)進(jìn)行熵值計(jì)算，能夠幫助教學(xué)設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)特征，挖掘?qū)W習(xí)者的學(xué)習(xí)規(guī)律（華子荀等，2021）。

（2）原子經(jīng)濟(jì)算法

對(duì)于一些難以獲得或者難以評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)，運(yùn)用無(wú)序熵值算法雖然可以部分解決（華子荀等，2020），但是卻沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此可采用原子經(jīng)濟(jì)算法進(jìn)行彌補(bǔ)?！霸咏?jīng)濟(jì)”本來(lái)是一個(gè)化學(xué)概念，用以描述提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物的效率，降低浪費(fèi)或副產(chǎn)物的產(chǎn)生;在教育領(lǐng)域，它被用于描述投入與產(chǎn)出的比值。原子經(jīng)濟(jì)算法可以通過(guò)對(duì)某些事件和對(duì)象進(jìn)行熵值數(shù)值的換算，獲得原子經(jīng)濟(jì)AE值，再綜合Cosine算法（黃慕雄等，2021）可以對(duì)AE值進(jìn)行進(jìn)一步的預(yù)測(cè)。

（3）心理生理數(shù)據(jù)分析與標(biāo)簽分析

以腦電（EEG）數(shù)據(jù)分析為例，主要收集δ波、θ波、α波、β波、γ波等5個(gè)波段的特征值，計(jì)算其時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征量，即均值、最大值、最小值、中值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)?shù)玫截S富的腦電波數(shù)據(jù)及其時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征量后，可以根據(jù)其各種特征量的綜合，得到多類型的分析標(biāo)簽（如特征、行為、認(rèn)知、成果）。

四、教育元宇宙的教學(xué)應(yīng)用案例分析

1.研究對(duì)象與研究過(guò)程

教育元宇宙的教學(xué)場(chǎng)域以廣東第二師范學(xué)院“廣東省智能教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”為依托，以該校的智能創(chuàng)客空間為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。本次實(shí)驗(yàn)選取廣東第二師范學(xué)院教師教育學(xué)院5名大學(xué)生作為被試，同時(shí)召集3名同學(xué)組成研究組開展實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作。每個(gè)被試參與3個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)周期為1個(gè)小時(shí)。

第一周期的任務(wù)是平靜狀態(tài)監(jiān)測(cè)與沉浸狀態(tài)監(jiān)測(cè)，時(shí)長(zhǎng)為60分鐘。該周期分為兩個(gè)階段，首先要監(jiān)測(cè)被試在平靜狀態(tài)下的腦電狀態(tài)，以與其在元宇宙中產(chǎn)生的沉浸感進(jìn)行比較，時(shí)長(zhǎng)10分鐘。其次，研究者設(shè)計(jì)幾個(gè)電腦小游戲，以監(jiān)測(cè)被試在無(wú)元宇宙環(huán)境下的沉浸狀態(tài)，以便與其在元宇宙中產(chǎn)生的沉浸感進(jìn)行比較。

第二周期的任務(wù)是設(shè)備體驗(yàn)與基本活動(dòng)，時(shí)長(zhǎng)為60分鐘。該周期分為兩個(gè)階段：第一階段讓被試佩戴VR眼鏡進(jìn)入教育元宇宙程序，讓其初步體驗(yàn)虛擬環(huán)境，并對(duì)其進(jìn)行生物特征監(jiān)測(cè)，探究其認(rèn)知狀態(tài)。第二階段進(jìn)行序列型指引活動(dòng)，指導(dǎo)被試完成序列任務(wù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)其腦電數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。

第三周期的任務(wù)是探究活動(dòng)與建構(gòu)活動(dòng)，時(shí)長(zhǎng)為60分鐘或更長(zhǎng) 。該周期主要讓被試完成綜合型探究活動(dòng)，并監(jiān)測(cè)其腦電數(shù)據(jù);之后允許被試自由開展眾創(chuàng)建構(gòu)活動(dòng)，無(wú)時(shí)間限制，同時(shí)伴隨腦電監(jiān)測(cè)，研究者同步觀察被試的情緒與狀態(tài)，以精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.教育元宇宙的設(shè)計(jì)

（1）元宇宙的環(huán)境設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)首先召集了一個(gè)虛擬空間創(chuàng)建小組，包括2名指導(dǎo)老師和3名學(xué)生，其主要任務(wù)是利用Roblox Studios的預(yù)置空間功能對(duì)研究組所在的智慧創(chuàng)客空間進(jìn)行復(fù)制，為期2個(gè)月。創(chuàng)建好后邀請(qǐng)被試參與實(shí)驗(yàn)。被試以單人形式參與實(shí)驗(yàn)，分別佩戴VR眼鏡和腦電監(jiān)測(cè)儀。每個(gè)被試配備一臺(tái)電腦，研究者配備另一臺(tái)電腦，以監(jiān)測(cè)被試的生理數(shù)據(jù)。

研究組將在元宇宙環(huán)境中設(shè)計(jì)三種場(chǎng)景，分別對(duì)應(yīng)應(yīng)用層中的三種教學(xué)類型。一是設(shè)計(jì)具有虛擬指引和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)的“圖書館”學(xué)習(xí)場(chǎng)景，要求被試找到圖書館的圖書一室和頂層圖書室，對(duì)應(yīng)序列型指引方法;二是設(shè)計(jì)具有自由探索特點(diǎn)的“校園”學(xué)習(xí)場(chǎng)景，要求被試自由探索校園，掌握校園基本布置，對(duì)應(yīng)綜合型探究方法;三是設(shè)計(jì)“教室”場(chǎng)景，該場(chǎng)景是一片空地，要求被試協(xié)同構(gòu)建一個(gè)可用于元宇宙教學(xué)的室內(nèi)空間，對(duì)應(yīng)眾創(chuàng)建構(gòu)方法。通過(guò)以上三類場(chǎng)景完成應(yīng)用層的設(shè)計(jì)。教育元宇宙環(huán)境設(shè)計(jì)案例界面見圖5。

（2）元宇宙的認(rèn)證徽章設(shè)計(jì)

該活動(dòng)的主要任務(wù)是為學(xué)生構(gòu)建活動(dòng)認(rèn)證徽章，使得元宇宙能發(fā)揮聯(lián)結(jié)真實(shí)世界與虛擬世界的作用。具體操作方面，首先在Roblox Studios平臺(tái)選擇創(chuàng)建徽章，并選擇合適的圖形設(shè)計(jì)徽章圖案，之后為徽章獲得規(guī)則編寫腳本;其次，在服務(wù)器端的腳本中調(diào)用相關(guān)函數(shù)確認(rèn)學(xué)習(xí)者解鎖徽章;最后，檢查已獲取的徽章，還可以創(chuàng)建特殊徽章?lián)碛姓邔Ｓ玫南拗茀^(qū)域或傳送器。此外，還可以將區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制應(yīng)用于數(shù)字徽章中，使元宇宙中的數(shù)字徽章具有現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)傳播機(jī)制與去中心化特點(diǎn)。

（3）元宇宙的數(shù)據(jù)采集

根據(jù)VR教學(xué)效用模型（華子荀等，2021）編制量表，向被試發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。另外，收集硬件與軟件測(cè)試參數(shù)、被試的體驗(yàn)時(shí)間與總時(shí)長(zhǎng)比值、被試評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)、腦電數(shù)據(jù)等，以用于綜合熵值評(píng)價(jià)。腦電數(shù)據(jù)分析方面，因?yàn)楸辉囆枰宕鱒R眼鏡，故采用不易被干擾的單道信號(hào)監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)束帶固定監(jiān)測(cè)儀主體，利用上額電極與耳部電極獲得四道腦電電波，并對(duì)所獲得信號(hào)進(jìn)行時(shí)域特征分析和時(shí)頻特征分析。

（4）元宇宙的數(shù)據(jù)分析

對(duì)采集到的多維數(shù)據(jù)，由于其維度不同，難以用一致的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)判，故采用熵值法進(jìn)行挖掘分析。熵值法將對(duì)象視作一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中每種狀態(tài)出現(xiàn)的概率Pi（i=1，2，…，m）來(lái)確定該系統(tǒng)的熵值e，見公式（1）。熵值越小，穩(wěn)定性越高。

（1）

同時(shí)綜合原子經(jīng)濟(jì)算法和Cosine算法可計(jì)算學(xué)習(xí)者行為的相似度，見公式（2）與公式（3）。公式（2）中，AE為原子經(jīng)濟(jì)值，MW為分子質(zhì)量（Molecular Weight），原子經(jīng)濟(jì)值A(chǔ)E為教育產(chǎn)出分子質(zhì)量MW與教育原始投入ΣMW之比的百分?jǐn)?shù)。公式（3）中，（X1，X2）為第一類原子經(jīng)濟(jì)值向量AE1，（Y1，Y2）為第二類原子經(jīng)濟(jì)值向量AE2，夾角余弦代表學(xué)習(xí)者行為數(shù)據(jù)相似度，數(shù)值越接近1，代表兩類學(xué)習(xí)行為越相似。

對(duì)腦電數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷變化情況。本文參考Wu等（2020）對(duì)投入度的分類，即將0～100范圍內(nèi)的認(rèn)知投入度數(shù)值劃分為7個(gè)層次（11～24，25～38，39～51，52～64，65～78，79～91，92～100），7層次的中值段數(shù)值為52～64，界定認(rèn)知投入度的范圍如公式（4）所示，其中Y表示投入度系數(shù)平均值。圖6展示了實(shí)驗(yàn)被試佩戴腦電與VR+腦電裝備的示例。

（4）

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）學(xué)習(xí)效用分析

首先對(duì)5名被試進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，問(wèn)卷設(shè)計(jì)為7級(jí)里克特量表，根據(jù)VR教學(xué)效用模型（VR-E3 Model）進(jìn)行編制（華子荀等，2021），主要從交互性、沉浸性和認(rèn)知性三個(gè)方面進(jìn)行考察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該問(wèn)卷的信度系數(shù)高于0.90，且交互性效用（5.09±1.07）、沉浸性效用（5.67±0.76）、認(rèn)知性效用（5.33±0.98）的指標(biāo)評(píng)價(jià)值均較高，表明被試對(duì)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教育元宇宙所表現(xiàn)的學(xué)習(xí)效用給予了較高的評(píng)價(jià)。

根據(jù)應(yīng)用層和分析層的架構(gòu)，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行原子經(jīng)濟(jì)AE值的轉(zhuǎn)化，計(jì)算其熵值。教育元宇宙教學(xué)效用熵值比較結(jié)果見表2，其中交互性效用、沉浸性效用和認(rèn)知性效用中所涉及的具體表征指標(biāo)在《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)效用模型建構(gòu)與實(shí)效驗(yàn)證》一文中有詳細(xì)闡述（華子荀等，2021）。

根據(jù)教學(xué)效用的熵值比較可以發(fā)現(xiàn)，交互性效用高于沉浸性效用（8.51>5.69），沉浸性效用高于認(rèn)知性效用（5.69>4.69），這可能源于被試在初接觸元宇宙環(huán)境時(shí)，最容易被其所帶來(lái)的交互性和沉浸感體驗(yàn)震撼，還未完全達(dá)到促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展的層次。在對(duì)三種類型活動(dòng)的比較分析中，最高得分是綜合型探究活動(dòng)（e2=19.20），其次是序列型指引活動(dòng)（e1=18.89），最后是眾創(chuàng)建構(gòu)活動(dòng)（e3=16.98）。這表明與綜合型探究活動(dòng)相比，序列型指引活動(dòng)限制性太強(qiáng)，眾創(chuàng)建構(gòu)活動(dòng)開放性太強(qiáng)，而綜合型探究既可以給予被試指引，也可以給予其一定的自由探索空間。

（2）認(rèn)知投入的特征值分析

學(xué)生認(rèn)知投入度通過(guò)腦電數(shù)據(jù)分析得到。通過(guò)腦電監(jiān)測(cè)儀對(duì)5名被試在四種狀態(tài)（平靜狀態(tài)、序列型指引狀態(tài)、綜合型探究狀態(tài)和眾創(chuàng)建構(gòu)狀態(tài)）下的腦波進(jìn)行檢測(cè)，采樣率為1000Hz，得到5種腦波（δ波、θ波、α波、β波、γ波）的波形變化系數(shù)均值。

從表3中可以看出，5名被試在四種狀態(tài)下的投入度系數(shù)平均值呈現(xiàn)出由低到高的變化趨勢(shì)，即Y1=54.00、Y2=59.60、Y3=61.00、Y4=74.20。按認(rèn)知投入度劃分，平靜狀態(tài)和序列型指引學(xué)習(xí)狀態(tài)處于“中認(rèn)知投入”水平（51≤Y≤60），綜合型探究和眾創(chuàng)建構(gòu)學(xué)習(xí)狀態(tài)處于“高認(rèn)知投入”水平（Y≥61），這表明本實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)的教育元宇宙架構(gòu)中，三類學(xué)習(xí)活動(dòng)支持被試的認(rèn)知發(fā)展從“中認(rèn)知投入”向“高認(rèn)知投入”轉(zhuǎn)變。

五、研究總結(jié)

在教育領(lǐng)域，元宇宙還是一個(gè)新興概念，對(duì)它開展關(guān)于教育理論與應(yīng)用方面的探索具有十分重要的意義。在教育信息化促進(jìn)教育現(xiàn)代化進(jìn)程中，技術(shù)的應(yīng)用依然處于十分尷尬的境地。技術(shù)本身固然十分重要，但是如何深度融入教育教學(xué)過(guò)程，依然是教育研究的重要命題。尤其隨著多類型智能技術(shù)與算法的出現(xiàn)，如何令教師與學(xué)習(xí)者在無(wú)感融入智能環(huán)境、自動(dòng)化獲取所需資源、指導(dǎo)個(gè)性化教與學(xué)過(guò)程等方面變得更為便捷，已成為學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。教育元宇宙能夠?yàn)閹熒峁┮环N新的場(chǎng)域，一定程度上促進(jìn)了技術(shù)自然融入教學(xué)的過(guò)程。

本研究在對(duì)元宇宙進(jìn)行理論梳理的基礎(chǔ)上，提出了教育元宇宙的概念，指出面向教育的元宇宙是一種教學(xué)場(chǎng)域，進(jìn)而提出教育元宇宙教學(xué)場(chǎng)域四層技術(shù)架構(gòu)，包括物理層、軟件層、應(yīng)用層、分析層，各層的架構(gòu)分別融入了物聯(lián)網(wǎng)、智能分析、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實(shí)、心理生理分析等技術(shù)與方法，使得該架構(gòu)既體現(xiàn)出技術(shù)的前瞻性，又具有實(shí)踐的指導(dǎo)性。

為驗(yàn)證教育元宇宙架構(gòu)的實(shí)施成效，在廣東第二師范學(xué)院“廣東省智能教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的實(shí)驗(yàn)條件支撐下，開展了實(shí)驗(yàn)研究。筆者首先構(gòu)建了以Roblox Studios為基礎(chǔ)的教育元宇宙，在該場(chǎng)景中設(shè)計(jì)了三個(gè)周期的學(xué)生訓(xùn)練活動(dòng)，利用“圖書館”“校園”“教室”三個(gè)場(chǎng)景驗(yàn)證學(xué)生的沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在學(xué)生體驗(yàn)過(guò)程中還對(duì)其腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行了捕捉和分析。數(shù)據(jù)分析的最終結(jié)果表明，教育元宇宙能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效用，學(xué)習(xí)者的交互感、沉浸感和認(rèn)知均得到提高。腦電數(shù)據(jù)還進(jìn)一步驗(yàn)證了學(xué)生在教育元宇宙中的認(rèn)知機(jī)制，即伴隨序列型指引、綜合型探究和眾創(chuàng)建構(gòu)三種學(xué)習(xí)活動(dòng)的遞進(jìn)開展，學(xué)習(xí)者的認(rèn)知投入表現(xiàn)出由“中認(rèn)知投入”向“高認(rèn)知投入”跌升的趨勢(shì)。

本研究依然存在諸多不足。首先由于技術(shù)的局限，本研究所創(chuàng)設(shè)的教育元宇宙在沉浸感上依然存在不足，有待進(jìn)一步優(yōu)化;另外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于操作的復(fù)雜性，參與的被試數(shù)量較少，所得到的數(shù)據(jù)和分析結(jié)論只能從一定程度上反映教育元宇宙的效果，后續(xù)研究將擴(kuò)大研究規(guī)模;最后，基于多設(shè)備協(xié)同的便利性考慮，實(shí)驗(yàn)所采用的心理生理監(jiān)測(cè)設(shè)備只有單導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)，反映的腦電信號(hào)不夠全面，但專業(yè)醫(yī)療器材又未能支持學(xué)生開展自由的教育元宇宙探索，該技術(shù)難點(diǎn)值得后續(xù)深入研究。

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收稿日期 2021-09-08 責(zé)任編輯 劉選 李鑫（實(shí)習(xí)）

The Teaching Field Structure， Key Technologies and Experimental Study of Edu-Metaverse

HUA Zixun， HUANG Muxiong

Abstract： The Metaverse is a digital world created by human beings according to the environment of the physical world. As a new conception， Metaverse is gradually formed based on 5G， virtual reality and other technologies. The development and maturity of technology not only provides convenient conditions for the establishment of Edu-Metaverse， but also contributes to the deep integration of Metaverse and educational practice. The most prominent advantage of Edu-Metaverse is that it can provide an immersive teaching interaction field for teachers and learners， and simultaneously meet the teaching and learning needs of teachers and students in the physical world and virtual world. The virtual world of Edu-Metaverse is not a “parallel universe” formed after a simple copy of the physical world， but the redevelopment of the physical world. The educational exploration of Edu-Metaverse first needs to clarify its field structure and its key technologies， and then is the teaching application. The teaching field of Edu-Metaverse constructed by the research group is a four-layer architecture， including hardware layer， software layer， application layer， and analysis layer. The key technologies applied through the four-layer architecture involve 5G， VR equipment and VR software system， high-performance computer and corresponding Metaverse system， biological data acquisition equipment and its data analysis algorithm. In the experimental research， three kinds of Edu-Metaverse scenes of “l(fā)ibrary”， “campus” and “classroom” were created to respectively correspond to three learning activities： sequential guidance， comprehensive exploration， and building creation. The data analysis after the implementation of the experiment shows that the Edu-Metaverse can promote students’ learning engagement， learning efficiency， and learning effectiveness. And with the progressive development of the three activities， the learners’ cognitive engagement reflects a rise from “medium level” to “high level”.

Keywords： Edu-Metaverse; Teaching Field; Key Technologies; Experimental Study