打開教育的另一扇門*——教育元宇宙的應(yīng)用、挑戰(zhàn)與展望

蔡 蘇 焦新月 宋伯鈞

打開教育的另一扇門*——教育元宇宙的應(yīng)用、挑戰(zhàn)與展望

蔡 蘇1,3焦新月1,2宋伯鈞1,4

（1．北京師范大學(xué) 教育學(xué)部“VR/AR+教育”實驗室，北京 100875；2．北京師范大學(xué) 未來教育高精尖創(chuàng)新中心，北京 100875；3．北京師范大學(xué) 科學(xué)教育研究院，北京 100875；4．北京師范大學(xué) 心理學(xué)部，北京 100875）

元宇宙是一種整合多種新技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)未來新形態(tài)，其與教育領(lǐng)域相結(jié)合具有巨大的潛力。文章首先指出元宇宙是一個不斷發(fā)展、演變的概念，而教育元宇宙具有交互性、沉浸性、多元性三個核心特征，并介紹了教育元宇宙的六大底層支撐技術(shù)及應(yīng)用場景。然后，文章從學(xué)科教育、非正式學(xué)習(xí)、職業(yè)培訓(xùn)等領(lǐng)域的案例入手，介紹了以VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境為代表的教育元宇宙當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r。最后，文章分析了教育元宇宙面臨的問題與挑戰(zhàn)，并針對教育元宇宙初期的發(fā)展從機制、技術(shù)、教學(xué)三個方面提出建議。教育元宇宙為研究教育系統(tǒng)的復(fù)雜性和教育的發(fā)生發(fā)展規(guī)律打開了另一扇大門，而研究其應(yīng)用、挑戰(zhàn)與展望為教育元宇宙的發(fā)展指明了方向，注入了動力。

元宇宙；教育元宇宙；VR；AR；學(xué)習(xí)環(huán)境

美國科幻小說作家尼爾·斯蒂芬森[1]在《雪崩》一書中首次提出“元宇宙”（Metaverse）的概念，并將元宇宙描述成一個與現(xiàn)實生活平行的虛擬城市環(huán)境。隨著臉書（Facebook）更名為“元”（Meta），一時間，“元宇宙”在大眾前迅速爆燃，成為年度最為流行的熱詞。當(dāng)前，微軟、騰訊、字節(jié)跳動等科技巨頭都在布局元宇宙，2021年也因此被視為“元宇宙元年”。近年來，以虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等為代表的新興教育技術(shù)引領(lǐng)了未來教育的新方向，整合了虛擬現(xiàn)實、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)的元宇宙為學(xué)習(xí)者提供了一個虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，將有可能帶來新的教育教學(xué)變革。在此背景下，元宇宙在教育領(lǐng)域應(yīng)用的可行性成為研究者關(guān)注的熱點，教育元宇宙的潛力值得深入挖掘和分析。

一元宇宙的定義及特征

“Metaverse”這個詞由前綴“meta”（意思是“超越”）和詞干“verse”（從“universe”演變而來）組成。目前，元宇宙尚沒有一個權(quán)威、統(tǒng)一的定義，它仍是一個不斷發(fā)展、演變的概念。例如，《2020-2021年元宇宙發(fā)展研究報告》給出的定義如下：“元宇宙是整合多種新技術(shù)而產(chǎn)生的新型虛實相融的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會形態(tài)，它基于擴展顯示技術(shù)提供沉浸式體驗，基于數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實世界的鏡像，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建經(jīng)濟(jì)體系，將虛擬世界與現(xiàn)實世界在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、身份系統(tǒng)上密切融合，并且允許每個用戶進(jìn)行內(nèi)容生產(chǎn)和世界編輯”[2]；維基百科將元宇宙解釋為“被用來描述一個未來持久化和去中心化的在線三維虛擬環(huán)境”[3]；朱嘉明[4]認(rèn)為元宇宙是通過虛擬增強的物理現(xiàn)實，呈現(xiàn)收斂性和物理持久性特征的、基于未來互聯(lián)網(wǎng)的、具有連接感知和共享特征的3D虛擬空間。此外，產(chǎn)業(yè)界也對元宇宙的內(nèi)涵、特征有不同的描述。例如，Roblox公司的首席執(zhí)行官Baszucki[5]提出“元宇宙”具有八大基本特征：身份（Identity）、朋友（Friend）、沉浸感（Immersive）、低延遲（Low Friction）、多元化（Variety）、隨地（Anywhere）、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)（Economy）和文明（Civility）；而Beamable公司的創(chuàng)始人Radoff[6]提出從七個層面構(gòu)建“元宇宙”：體驗（Experience）、發(fā)現(xiàn)（Discovery）、創(chuàng)作者經(jīng)濟(jì)（Creator Economy）、空間計算（Spatial Computing）、去中心化（Decentralization）、人機互動（Human-computer Interaction）、基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）。

可以預(yù)見，元宇宙將為人類生存帶來兩個維度的擴展：一是生存維度，即元宇宙提供了一個既獨立于現(xiàn)實世界又能與現(xiàn)實世界相結(jié)合的綜合環(huán)境；二是人類感官維度的擴展，在元宇宙中用戶將體會到虛擬世界和現(xiàn)實世界的多重感官，虛擬世界也將不僅是視覺，而是虛擬視覺、現(xiàn)實視覺、聽覺、觸覺的綜合感官體驗[7]。

二教育元宇宙的特征、技術(shù)支撐及應(yīng)用場景

1 教育元宇宙及其特征

教育具有開放性、不可還原性、非線性與非均衡性等特征，是一個復(fù)雜系統(tǒng)，要想深刻認(rèn)識其發(fā)展規(guī)律并非易事。以往人們研究教育系統(tǒng)通常采取理論研究和試驗兩種方式，而元宇宙的出現(xiàn)，有可能為人類認(rèn)識教育系統(tǒng)的復(fù)雜性和教育的發(fā)生發(fā)展規(guī)律帶來第三種方式。為論述方便，本研究將元宇宙在教育中的應(yīng)用稱為“教育元宇宙”。“教育元宇宙”是一個全新的概念，尚不具備科技產(chǎn)業(yè)界所描述的眾多特征，但若要發(fā)展教育元宇宙，至少應(yīng)具備三個核心特征：

（1）強調(diào)社交互動——交互性

部署元宇宙首先要關(guān)注其社會交互性[8]。教師、學(xué)生、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)環(huán)境是教育場景的四大基本要素[9]，而教育元宇宙中虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境不是固定的，可以由居住在其中的部分或全部用戶進(jìn)行建模和修改，從而促進(jìn)學(xué)生和學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)環(huán)境之間的交互。此外，教育元宇宙還允許學(xué)生或教師通過代理建立關(guān)系，每個虛擬形象都用來傳達(dá)學(xué)生或教師在世界中的角色。學(xué)生也可以在教育元宇宙中進(jìn)行社交，建立社會關(guān)系。這種隨時隨地沉浸式的社會交互，給生生、師生之間的交互創(chuàng)建了近乎真實的社會情境，不僅可以拓展學(xué)習(xí)空間，還能提供更多的學(xué)習(xí)、社交機會，形成社區(qū)觀念。教育元宇宙的交互性，為不同階段、不同學(xué)科、不同層次、不同領(lǐng)域的教育打開了另一扇門，為這些形式各異的教育活動注入新的靈感。

（2）真實世界的模擬——沉浸性

教育元宇宙所呈現(xiàn)的環(huán)境與現(xiàn)實世界非常相似，能夠通過模擬物理定律為用戶提供一個逼真的現(xiàn)實世界環(huán)境。因此，我們所熟悉的一些行為（如身體不能穿過墻壁、物體由于重力下落等）能夠在三維立體的虛擬環(huán)境中得以反映，這極大地提高了虛擬世界的真實感和沉浸性[10]。然而，為了促進(jìn)用戶在教育元宇宙中的探索，也有一些情況例外，如用戶可以騰空而起或瞬間傳送到教育元宇宙中的任意地方。教育元宇宙高度真實和沉浸的特征將進(jìn)一步提升用戶的存在感、臨場感，使用戶身臨其境般的學(xué)習(xí)成為可能[11]。

（3）自由、開放、靈活的規(guī)則——多元性

教育元宇宙不像商業(yè)游戲一樣有預(yù)置的規(guī)則，它并不強加任何既定的規(guī)則或目標(biāo)。所有的教育元宇宙居民（即用戶，而非平臺的開發(fā)者）負(fù)責(zé)定義他們自己理想環(huán)境的規(guī)則和條件，這使得用戶在教育元宇宙中幾乎可以做任何想做的事情，如舉辦音樂會、組織游戲[12]、開設(shè)大學(xué)講座等[13]。此外，由于教育元宇宙采用分布式云計算技術(shù)，可以將多個服務(wù)器托管于世界上不同的地區(qū)，因此教育元宇宙允許用戶根據(jù)需求擴大或縮小學(xué)習(xí)環(huán)境的規(guī)模。教育元宇宙還提供訪問控制的支持，允許授權(quán)用戶在個別土地上定義限制和規(guī)則，這使得在共享環(huán)境中引入私人空間成為可能，因此不管是大規(guī)模開放在線課程（Massive Open Online Courses，MOOC）還是小規(guī)模私有在線課程（Small Private Online Course，SPOC）都可以通過三維沉浸的方式開展。這種靈活的規(guī)則使得教育元宇宙中的用戶可以自由地進(jìn)行活動、創(chuàng)作和交流，并由此產(chǎn)生了無限、多元的教育活動形式。

2 教育元宇宙的底層支撐技術(shù)及應(yīng)用場景

盡管教育元宇宙的概念尚處于萌芽階段，其代表——三維虛擬/增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境的出現(xiàn)也不算早[14][15]，但其特點也符合如行為主義（Behaviorism）、情境認(rèn)知理論（Situated Cognition）、具身認(rèn)知理論（Embodied Cognition）、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論（Constructivism）、心流理論（Flow）等傳統(tǒng)理論上的觀點[16][17]。

當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界對元宇宙底層支撐技術(shù)的描述有很多，大致可歸為六大類：網(wǎng)絡(luò)及運算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、人工智能技術(shù)[18]。在教育元宇宙中，這六大底層支撐技術(shù)及應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 教育元宇宙的底層支撐技術(shù)及應(yīng)用場景

①網(wǎng)絡(luò)及運算技術(shù)，5G校園網(wǎng)、邊緣計算、多終端協(xié)同云計算可作為教育元宇宙的網(wǎng)絡(luò)及運算基礎(chǔ)設(shè)施，為未來學(xué)生和教師享受高帶寬、低延遲、多連接的泛在學(xué)習(xí)場景提供堅實的硬件環(huán)境基礎(chǔ)；②物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，芯片的小型化和計算能力的大幅提升，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速普及，為教育元宇宙感知物理世界的信號和接入教育元宇宙提供了傳輸通道，這種萬物互聯(lián)的學(xué)習(xí)環(huán)境必定會激發(fā)出學(xué)生動手創(chuàng)作新世界的熱情，并為未來的安全校園、創(chuàng)客教育、多模態(tài)智慧課堂提供有力支撐；③區(qū)塊鏈技術(shù)，該技術(shù)的去中心化、分布式、可追溯性、高信任度等技術(shù)特征，確保了教育管理和教學(xué)過程中所產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息的完整性和安全性，可為未來教育元宇宙中學(xué)習(xí)成果認(rèn)證、學(xué)分銀行建設(shè)、數(shù)字資源管理及分發(fā)、開放教育資源生態(tài)構(gòu)建、數(shù)字校園社區(qū)自組織運行等提供基于規(guī)則與算法運作的知識分享與認(rèn)證保障；④交互技術(shù)，以計算機圖形學(xué)、計算機視覺、姿態(tài)識別、手勢識別甚至腦機接口等人機交互技術(shù)為支撐的三維虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境，為教育元宇宙帶來了無限想象空間，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不再局限于視覺和聽覺兩個通道，因為多通道融合的VR/AR技術(shù)可讓學(xué)生在教育元宇宙中的學(xué)習(xí)活動匯聚視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等綜合感官體驗；⑤電子游戲技術(shù)，電子游戲技術(shù)衍生出來的游戲化學(xué)習(xí)、悅?cè)せ瘜W(xué)習(xí)讓學(xué)生在教育元宇宙中的學(xué)習(xí)變得更加有趣，配合多模態(tài)的數(shù)據(jù)、腦科學(xué)技術(shù)，游戲化學(xué)習(xí)在提供更多沉浸感的同時，也讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過程更加科學(xué)、合理；⑥人工智能技術(shù)，教育元宇宙中個性化推薦、教學(xué)行為數(shù)據(jù)挖掘、知識圖譜、多模態(tài)情感計算得益于當(dāng)前人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，智能導(dǎo)師、智能測評、多模態(tài)情感計算等都將在教育元宇宙中得到更廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。這些底層支撐技術(shù)和應(yīng)用場景為教育元宇宙的發(fā)展與落地提供了堅實、有力的基礎(chǔ)，并描繪了一幅極具想象力的未來教育藍(lán)圖。

不過現(xiàn)階段教育領(lǐng)域十分重視智能化的學(xué)習(xí)交互環(huán)境和手段，這其中以機器學(xué)習(xí)、自然語言處理為代表的人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)和以虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）為代表的交互技術(shù)得到的關(guān)注最多。從人們的直觀感受來看，教育元宇宙就是基于VR/AR技術(shù)將現(xiàn)實世界映射到具有一定智能的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境當(dāng)中，是對現(xiàn)實生活的延伸。因此，本研究將教育元宇宙的關(guān)注點確定為建設(shè)智能化的VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境。

三教育元宇宙的應(yīng)用案例

教育元宇宙中形象、直觀并可交互的三維場景其實早已在教育領(lǐng)域存在，具體體現(xiàn)為以VR技術(shù)為代表的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境和以AR技術(shù)為代表的虛實融合學(xué)習(xí)環(huán)境，只是目前的水平尚未達(dá)到元宇宙所描繪的那種超前絢麗的藍(lán)圖。對此，本研究認(rèn)為可以從學(xué)科教育、非正式學(xué)習(xí)、職業(yè)培訓(xùn)等領(lǐng)域的案例入手，來了解教育元宇宙當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r。

1 學(xué)科教育

（1）數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物——虛擬實驗室

目前，許多教育研究者和開發(fā)者運用VR/AR技術(shù)，利用VR/AR眼鏡、平板電腦已經(jīng)做了許多的物理、化學(xué)、生物實驗，如立體幾何[19]、電磁現(xiàn)象[20]、天文知識[21]、化學(xué)元素[22][23]、化學(xué)反應(yīng)[24]等，并證實了VR/AR技術(shù)能給學(xué)生帶來更好的學(xué)習(xí)體驗[25][26][27]。未來的教育元宇宙可能不需要識別圖和頭盔、眼鏡等笨重的設(shè)備，學(xué)生借助輕便的設(shè)備即可來到其“虛擬實驗室”，身臨其境般地觀察、操作實驗設(shè)備并實時與之互動，獲得更加真實和沉浸的學(xué)習(xí)體驗。

（2）語文、英語、歷史、地理——沉浸式情境體驗

語文、英語、歷史、地理學(xué)科大多通過圖片、視頻的形式，讓學(xué)生學(xué)習(xí)語言文化、歷史情境或不同地方的人文地貌等內(nèi)容，由于受技術(shù)的限制，有些情況還無法做到為學(xué)生提供百分百還原真實的虛擬情境。教育元宇宙給學(xué)生創(chuàng)造了近乎真實的社會、實踐、文化情境，讓學(xué)生突破時空限制，身臨其境般地觀察和體驗不同時間與不同地點的人文、歷史、地理環(huán)境，讓學(xué)習(xí)在近乎真實的情境中自然而然地發(fā)生。北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實驗室與清華大學(xué)附屬小學(xué)開展了一系列基于AR技術(shù)的語言學(xué)習(xí)活動[28]，通過AR應(yīng)用程序創(chuàng)建了一個增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境，小學(xué)四年級學(xué)生在英語課上觀察太陽、地球并與之互動，同時進(jìn)行英語對話學(xué)習(xí)，如圖2所示。

圖2 清華大學(xué)附屬小學(xué)英語AR公開課“The Sun and the Earth”

2 非正式學(xué)習(xí)

（1）虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)

新冠肺炎疫情的出現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得建立虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)成為關(guān)注熱點[29]。一個完整的虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)，大多具有歷史、身份、相互依賴、多元化、自治、參與、社交禮儀、反思、學(xué)習(xí)等基本要素[30]。眾多研究表明，基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境會使社區(qū)成員獲得更強的社區(qū)意識和參與感，可以推動成員之間的互動[31][32]，并促進(jìn)成員對知識的理解[33]。近年來，已有許多案例在此方面進(jìn)行了嘗試，比較典型的有：

①Sloodle。Sloodle的虛擬社區(qū)特征十分突出，它將Moodle學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)與Second Life游戲整合在一起，如圖3所示。Sloodle的開發(fā)者和用戶都可以參與社區(qū)建設(shè)，并在社區(qū)中進(jìn)行社會互動，形成社區(qū)意識；任何用戶都能參與在Sloodle島上舉辦的定期會議和討論等[34]。該學(xué)習(xí)平臺可以稱之為元宇宙與虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)結(jié)合的雛形。

圖3 Sloodle學(xué)習(xí)平臺

圖4 Hodoo Labs中的英語對話

圖5 在Virbela召開國際會議

在知識共享、全民參與的時代背景下，元宇宙與虛擬學(xué)習(xí)社區(qū)的結(jié)合有望在虛擬世界中模擬并超越現(xiàn)實世界的場景，突破時空的各種限制，讓師生進(jìn)行沉浸式的交流與學(xué)習(xí)并迸發(fā)創(chuàng)意，給學(xué)習(xí)社區(qū)帶來全新的體驗。例如，將Sloodle的所有社交特征移植到元宇宙中，建立元宇宙中的學(xué)習(xí)社區(qū)，形成更具有沉浸感的實踐共同體，讓學(xué)生在近乎真實的虛擬實踐共同體中學(xué)習(xí)和互動，實現(xiàn)知識建構(gòu)和情境認(rèn)知。

②Hodoo Labs。Hodoo Labs是一個以英語學(xué)習(xí)為主的學(xué)習(xí)社區(qū)，它將300多名角色和約4300種情景移植到虛擬現(xiàn)實場景中的英語會話，使用者在5個大陸、30多個假想村莊中自由旅行，以在此過程中提升英語能力，如圖4所示。

③Virbela。Virbela是第一個專為解決遠(yuǎn)程協(xié)作挑戰(zhàn)而構(gòu)建的虛擬世界平臺，如圖5所示。用戶可以在該平臺建立自己的身份，在身臨其境般的三維世界中召開會議、舉辦活動、參與課程等。在Virbela的虛擬校園中，教師可以展示文檔、播放視頻、瀏覽網(wǎng)頁或重新裝飾學(xué)習(xí)空間，學(xué)生可以探索校園的學(xué)習(xí)區(qū)、會議室或參加活動，從而通過在線課程學(xué)習(xí)形成社區(qū)和文化意識。2020年新冠肺炎疫情爆發(fā)時，美國達(dá)文波特大學(xué)使用Virbela建立了一個定制的虛擬校園“Davenport Global”。這個虛擬校園保持了物理校園的課堂文化和實踐體驗，如互動禮堂、演示屏幕、私人補習(xí)室和自由空間內(nèi)的社交、學(xué)習(xí)等，使學(xué)生獲得了如同真實校園一般的歸屬感。

④Virtual People。2021年，美國斯坦福大學(xué)開設(shè)了一門完全在VR環(huán)境中上課的課程“Virtual People”[35]。如圖6所示，學(xué)生只要攜帶VR頭戴式設(shè)備，就可以在任意地方遠(yuǎn)程上課。課堂場景囊括了虛擬博物館、生活化的場景、地球上人煙稀少的角落（如火山口、海底暗礁）等。課程主講教授Bailenson認(rèn)為：“我們的課程就是元宇宙，這堂課就是構(gòu)建元宇宙的標(biāo)準(zhǔn)范例。我們的目標(biāo)就是構(gòu)建持久的、充滿了虛擬人的空間和場景，并用它們來達(dá)成（教學(xué)）目標(biāo)”[36]。

圖6 斯坦福大學(xué)首門元宇宙課程“Virtual People”

（2）博物館教育/科技館教育

近年來，VR/AR技術(shù)用于博物館、科技館或一些名勝古跡的展示已非常普遍[37][38]。VR/AR技術(shù)能夠幫助呈現(xiàn)部分不易或無法真實展示的實物，豐富展出的內(nèi)容和形式，帶給參觀者更全面的游覽體驗。而教育元宇宙可以更加豐富博物館、科技館的教育形式，使學(xué)生跨越時間和空間，給學(xué)生創(chuàng)造近乎真實的博物館、科技館情境，從而使學(xué)習(xí)在相關(guān)情境中自然而然地發(fā)生。

3 職業(yè)培訓(xùn)

目前，VR/AR技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用，一些受客觀條件限制而難以開展或危險性高的實驗、培訓(xùn)等，可以通過教育元宇宙中的VR/AR技術(shù)來實現(xiàn)。2021年5月29日，亞洲心血管胸部外科學(xué)會第29屆在線學(xué)術(shù)大會召開，會上韓國首爾大學(xué)醫(yī)院利用VR/AR技術(shù)進(jìn)行了手術(shù)的實時分享，這是教育元宇宙在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域應(yīng)用的初步嘗試。此外，在建筑、工業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域，美國公司NVIDIA開發(fā)的開放平臺Omniverse可以幫助創(chuàng)作者、設(shè)計師、研究人員和工程師連接主要設(shè)計工具、資產(chǎn)和項目，使項目團(tuán)隊可以隨時隨地針對同一三維模型開展合作，從而在共享的虛擬空間中進(jìn)行協(xié)作與討論，增進(jìn)溝通、提升工作效率。

四 教育元宇宙的挑戰(zhàn)與展望

根據(jù)上述分析，可以預(yù)見教育元宇宙具有巨大的潛力，且應(yīng)用前景樂觀。實際上，在教育元宇宙的概念尚未流行之前，我國政府對于其底層核心支撐技術(shù)如AI、VR、AR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用就給予了大力支持，出臺的一系列文件都提到要推進(jìn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在基礎(chǔ)教育、高等教育、職業(yè)教育等領(lǐng)域和物理、化學(xué)等高危實驗性課程中的應(yīng)用[39][40][41]。此外，近年來很多學(xué)校也紛紛開始建立虛擬現(xiàn)實教學(xué)實驗室，這些都表明虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用已經(jīng)從“概念”走向“落地”。但由于教育元宇宙描述的未來圖景過于超前，現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)尚未成熟，而底層核心支撐技術(shù)的教育應(yīng)用研究設(shè)計也相對簡單，故目前已有研究結(jié)論的信效度、普適性等都有其局限性，教育元宇宙從理論到實現(xiàn)還有很長的一段路要走。

1 問題與挑戰(zhàn)

（1）缺乏頂層設(shè)計和評估機制

目前，我國對于元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用尚沒有進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃，且缺乏明確的發(fā)展目標(biāo)和市場機制。近幾年國家出臺的文件僅是支持VR/AR教育應(yīng)用的綱領(lǐng)性政策，而缺乏對各個學(xué)科、學(xué)段的教材內(nèi)容與VR/AR教學(xué)方式之適配情況的系統(tǒng)性整理，沒有形成統(tǒng)一的方案，如還沒有教育元宇宙背景下信息網(wǎng)絡(luò)、平臺體系、數(shù)字資源等方面的頂層設(shè)計方案。此外，相關(guān)理論研究和實踐大多處于分散狀態(tài)，缺乏相應(yīng)的課程標(biāo)準(zhǔn)和評估機制，對于什么樣的課程適合進(jìn)行創(chuàng)新教學(xué)、能夠取得什么樣的效果、是否滿足社會和國家的培養(yǎng)需求等問題還有待深入研究。

（2）技術(shù)不夠成熟，應(yīng)用門檻較高

雖然我國在教育元宇宙底層支撐技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用方面已取得巨大進(jìn)步，但目前仍然存在許多技術(shù)難點有待突破，如5G網(wǎng)絡(luò)不夠普及、人工智能不夠智能、虛擬現(xiàn)實不夠沉浸、增強現(xiàn)實不夠虛實融合、人機交互不夠自然等。此外，頭盔、眼鏡、手柄等專用硬件設(shè)備不夠便攜，操作也比較復(fù)雜，軟件的功能設(shè)計和實際應(yīng)用門檻矛盾突出。整體而言，教育元宇宙底層技術(shù)的缺陷和優(yōu)化問題使其應(yīng)用的門檻較高，實現(xiàn)其推廣與普及仍然任重而道遠(yuǎn)。

（3）教學(xué)應(yīng)用缺乏深入探究

目前，校園課堂的VR/AR教學(xué)應(yīng)用產(chǎn)品以科普類的體驗為主，很多停留在演示和簡單交互階段，而對于課程教學(xué)內(nèi)容的深入探究不足。教育元宇宙在課堂中的應(yīng)用要求遠(yuǎn)不止如此，因此還需要繼續(xù)加強對課程知識體系的深層次建構(gòu)。此外，目前相關(guān)教學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計主要以技術(shù)為導(dǎo)向，偏向于軟件的設(shè)計和開發(fā)，而缺乏系統(tǒng)的教學(xué)理論支撐。在教育元宇宙新的學(xué)習(xí)環(huán)境下，教學(xué)應(yīng)用的生產(chǎn)者需要考慮如何結(jié)合具身認(rèn)知理論、沉浸理論等對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，推出適合多模態(tài)學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)習(xí)資源、教學(xué)應(yīng)用。

（4）警惕資本炒作和綁架

“元宇宙”概念火爆，其背后是否有資本的炒作還不得而知，對此人民日報、經(jīng)濟(jì)日報、證券時報等主流媒體也呼吁保持冷靜[42][43][44]。在教育元宇宙中，用戶的每分每秒都是在創(chuàng)作勞動，而生產(chǎn)資料被牢牢攥在平臺手里，千千萬萬的普通用戶是數(shù)字時代的無產(chǎn)階級，游玩創(chuàng)作與勞動邊界的模糊遮蔽了資本的剝削性。此外，當(dāng)前的教育元宇宙平臺各自為陣，沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，容易被資本和少數(shù)技術(shù)實力強大的公司力量所壟斷和綁架。

（5）存在倫理風(fēng)險

現(xiàn)有對VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境的研究集中于探索課堂教學(xué)的教學(xué)效果、學(xué)習(xí)動機、學(xué)習(xí)態(tài)度等方面的影響，且多為正面作用的探究，而缺乏對負(fù)面作用和倫理問題的研究，因此教育元宇宙的風(fēng)險評估案例尚待補充。在教育元宇宙這一極度開放的世界中，學(xué)生如何正確樹立倫理觀有待探索與思考：①從隱私的角度出發(fā)，在資本操控的元宇宙世界中，如何保護(hù)個體隱私數(shù)據(jù)、如何合理收集與儲存學(xué)生數(shù)據(jù)等問題需要進(jìn)一步討論；②從價值觀念的角度出發(fā)，在打破國界、去中心化的元宇宙背景下，學(xué)生如何在不同文化輸出和虛假輿論中建立正確的價值觀與世界觀，是挑戰(zhàn)難度很大的一個問題。此外，教育元宇宙因具身交互、沉浸體驗以及對現(xiàn)實的“補償效應(yīng)”而具有強烈的“成癮性”風(fēng)險，此問題也需要引起高度重視。

2 展望與建議

目前，國內(nèi)外對元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于萌芽階段，相關(guān)的研究成果大都屬于經(jīng)驗性的假設(shè)與設(shè)計。如果將現(xiàn)有技術(shù)的研究成果與國內(nèi)具體的教育教學(xué)實踐結(jié)合起來，深入探索元宇宙在教育領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，切實解決目前教育元宇宙存在的風(fēng)險與問題，那么將有可能成功建立系統(tǒng)的教育元宇宙理論體系與應(yīng)用模式。從這一角度來看，教育元宇宙的健康發(fā)展將有可能帶來新的教育教學(xué)變革、孕育新的教學(xué)方式與方法，成為解放教育行業(yè)生產(chǎn)力和創(chuàng)作力的契機?；诖?，本研究針對教育元宇宙的初期發(fā)展從以下三個方面提出建議：

（1）明確目標(biāo)和布局方案

教育管理部門應(yīng)加強頂層設(shè)計，從戰(zhàn)略高度明確元宇宙相關(guān)技術(shù)運用到教育教學(xué)中的發(fā)展目標(biāo)和具體方案。首先，應(yīng)明確通過教育元宇宙培養(yǎng)學(xué)生哪些核心素質(zhì)和能力、怎樣設(shè)計課程內(nèi)容、需要什么樣的師資以及如何鼓勵教師參與其中等問題；其次，可以通過試點學(xué)校先行先試的方式，為普及化實施積累經(jīng)驗；最后，應(yīng)注重收集不同學(xué)段、學(xué)科一線教師和學(xué)生的需求，充分挖掘需求的多樣性及其相應(yīng)市場，積極、穩(wěn)妥地推進(jìn)教育元宇宙的應(yīng)用。

（2）聚焦多通道自然交互

元宇宙場景給人以很大的視覺沖擊，這得益于計算機圖形學(xué)、計算機視覺技術(shù)的迅速發(fā)展。但在一個理想的教育元宇宙學(xué)習(xí)環(huán)境中，教師和學(xué)生應(yīng)能看到逼真的虛擬場景，且其教學(xué)行為交互也應(yīng)非常自然。因此，除了充分發(fā)展視覺體驗技術(shù)，教育元宇宙不能忽視教學(xué)環(huán)境中自然交互技術(shù)的研發(fā)，要將視覺、聽覺、姿態(tài)、手勢、觸覺甚至腦電等多種感官通道調(diào)動起來，聚焦多通道自然交互信息融合，營造一個逼真沉浸的、能提供多通道自然交互體驗的教育元宇宙環(huán)境。在此過程中產(chǎn)生的多通道信息，可以推動以多模態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)收集與教育大數(shù)據(jù)研究，從而幫助人們認(rèn)識教育系統(tǒng)的復(fù)雜性和教育的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律。

（3）注重教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

在教育元宇宙的應(yīng)用過程中，切忌本末倒置以技術(shù)為中心，要明確教學(xué)設(shè)計和教學(xué)活動才是重中之重，因此應(yīng)加強對相應(yīng)教學(xué)活動設(shè)計的關(guān)注。在教學(xué)內(nèi)容的選擇方面，不能全盤將真實教學(xué)環(huán)境中的案例強行復(fù)制到教育元宇宙環(huán)境中；同時，要認(rèn)識到虛擬是對現(xiàn)實的補充而不是替代，故教育元宇宙應(yīng)遵循“能實不虛”的原則，我們應(yīng)優(yōu)先選擇開發(fā)那些真實空間中不能實現(xiàn)或者實現(xiàn)成本代價較高的教學(xué)案例。而在課堂教學(xué)中，由于教室空間有限或出于安全考慮等原因，應(yīng)盡量少用頭戴式VR眼鏡這樣全沉浸的重量級專用設(shè)備，而使用輕量級的平板電腦、半沉浸的AR眼鏡等設(shè)備進(jìn)行AR教學(xué)活動。此外，在教育元宇宙中開展教學(xué)活動時還應(yīng)考慮新型設(shè)備和環(huán)境帶來的教學(xué)效率低、課堂秩序混亂等問題。

[1]Stephenson N. Snow crash[M]. New York: Bantam Books, 1992:63.

[2][7]清華大學(xué)新媒體研究中心.2020-2021年元宇宙發(fā)展研究報告[OL].

[3]維基百科.元宇宙[OL].

[4]朱嘉明.“元宇宙”和“后人類社會”[OL].

[5]VentureBeat. Roblox CEO Dave Baszucki believes users will create the metaverse[OL].

[6]Medium. The metaverse value-chain[OL].

[8][10]Getchell K, Oliver I, Miller A, et al. Metaverses as a platform for game based learning[A]. 24th IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications (AINA)[C]. LOS ALAMITOS: IEEE, 2010:1195-1202.

[9]袁磊,張艷麗,羅剛.5G時代的教育場景要素變革與應(yīng)對之策[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2019,(3):27-37.

[11]Dede C. Immersive interfaces for engagement and learning[J]. Science, 2009,(5910):66-69.

[12]Burdick F. Second life games[J]. Library Journal, 2007,(12):10-10.

[13]Tate A. Vue-Virtual university of Edinburgh-Development in second life and opensimulator[J]. Virtual Education Journal, 2016: 36-39.

[14]蔡蘇,王沛文,楊陽,等.增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)的教育應(yīng)用綜述[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2016,(5):27-40.

[15]祝士明,陳靜瀟.虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境的作用、挑戰(zhàn)以及應(yīng)對策略[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2019,(2):39-45.

[16]Csikszentmihalyi M. Flow: The psychology of optimal experience[M]. New York: Harper & Row, 1990.

[17]劉革平,謝濤.三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境綜述[J].中國電化教育,2015,(9):22-27.

[18]邢杰,趙國棟,徐遠(yuǎn)重,等.元宇宙通證[M].北京:中譯出版社,2021:69.

[19]Kaufmann H, Schmalstieg D. Mathematics and geometry education with collaborative augmented reality[J]. Computers & Graphics, 2003,(3):339-345.

[20]Chang S-C, Hwang G-J. Impacts of an augmented reality-based flipped learning guiding approach on students’ scientific project performance and perceptions[J]. Computers & Education, 2018,125:226-239.

[21]Sahin D, Yilmaz R M. The effect of augmented reality technology on middle school students’ achievements and attitudes towards science education[J]. Computers & Education, 2020,144:103710.

[22]Chen S-Y, Liu S-Y. Using augmented reality to experiment with elements in a chemistry course[J]. Computers in Human Behavior, 2020,111:106418.

[23]Cai S, Wang X, Chiang F-K. A case study of augmented reality simulation system application in a chemistry course[J]. Computers in Human Behavior, 2014,37:31-40.

[24]蔡蘇,張鵬,李江旭,等.交互式AR教學(xué)對中學(xué)生認(rèn)知能力的影響——以高中化學(xué)電解池知識點為例[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2021,(1):40-46.

[25]Arvanitis T N, Petrou A, Knight J F, et al. Human factors and qualitative pedagogical evaluation of a mobile augmented reality system for science education used by learners with physical disabilities[J]. Personal and Ubiquitous Computing, 2007,(3):243-250.

[26]Cai S, Chiang F-K, Wang X. Using the augmented reality 3D technique for a convex imaging experiment in a physics course[J]. International Journal of Engineering Education, 2013,(4):856-865.

[27]Cai S, Liu E, Yang Y, et al. Tablet-based AR technology: Impacts on students’ conceptions and approaches to learning mathematics according to their self-efficacy[J]. British Journal of Educational Technology, 2019,(1):248-263.

[28]Yang Y, Wu S, Wang D, et al. Effects of learning activities based on augmented reality on students’ understanding and expression in an English class[A]. Proceedings of the 27th International Conference on Computers in Education[C]. Taiwan: Asia-Pacific Society for Computers in Education, 2019:685-690.

[29]Tzanavaris S, Nikiforos S, Mouratidis D, et al. Virtual learning communities (VLCs) rethinking: From negotiation and conflict to prompting and inspiring[J]. Education and Information Technologies, 2021,(1):257-278.

[30]Schwier R A. Catalysts, emphases, and elements of virtual learning communities: Implications for research and practice[J]. Quarterly Review of Distance Education, 2001,(1):5-18.

[31]García-García C, Chulvi V, Royo M. Knowledge generation for enhancing design creativity through co-creative virtual learning communities[J]. Thinking Skills and Creativity, 2017,24:12-19.

[32]Jeong H, Cress U, Moskaliuk J, et al. Joint interactions in large online knowledge communities: The A3C framework[J]. International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning, 2017,(2):133-151.

[33]Koh J, Kim Y G. Sense of virtual community: A conceptual framework and empirical validation[J]. International Journal of Electronic Commerce, 2003,(2):75-93.

[34]蔡蘇,余勝泉.從Sloodle看三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的發(fā)展趨勢[J].開放教育研究,2010,(2):98-104.

[35]The Stanford Daily. Stanford launches first class taught completely in virtual reality[OL].

[36]Stanford University Communications. Stanford course allows students to learn about virtual reality while fully immersed in VR environments[OL].

[37]Chang K-E, Chang C-T, Hou H-T, et al. Development and behavioral pattern analysis of a mobile guide system with augmented reality for painting appreciation instruction in an art museum[J]. Computers & Education, 2014,71:185-197.

[38]Daniela L. Virtual museums as learning agents[J]. Sustainability, 2020,(7):2698.

[39]教育部等五部門.教育部等五部門關(guān)于印發(fā)《教師教育振興行動計劃(2018-2022年)》的通知[OL].

[40]工業(yè)和信息化部.工業(yè)和信息化部關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見[OL].

[41]教育部.教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知[OL].

[42]佘惠敏.“元宇宙”越熱越需要冷靜[N].經(jīng)濟(jì)日報,2021-11-28(4).

[43]人民網(wǎng).如何看待元宇宙?專家:保持好奇心的同時警惕泡沫和忽悠[OL].

[44]王君暉.投資不是虛擬游戲盲目追捧元宇宙不可取[OL].

Open Another Gate to Education——Application, Challenge and Prospect of Educational Metaverse

CAI Su1,3JIAO Xin-yue1,2SONG Bo-jun1,4

Metaverse is a new future form of Internet that integrates a variety of new technologies, and its combination with the education field has great potential. Firstly, this paper pointed out that the metaverse was a constantly developing and evolving concept, and the educational metaverse had the three core characteristics of interactivity, immersion and diversity. Meanwhile, the six supporting technologies and application scenarios of the educational metaverse were introduced. Then, the current development status of the educational metaverse represented by the VR/AR learning environment was introduced from the cases of subject education, informal learning, and vocational training. Finally, the problems and challenges faced by the educational metaverse were analyzed, and suggestions for the development of the educational metaverse in the early stage were proposed from the three aspects of mechanism, technology, and teaching. The educational metaverse opened another gate to study the complexity of education system and occurrence and development law of education, and studying its application, challenges and prospects pointed out the direction and injected momentum for the development of the educational metaverse.

metaverse; educational metaverse; VR; AR; learning environment

G40-057

A

1009—8097（2022）01—0016—11

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.01.002

基金項目：本文受國家自然科學(xué)基金面上項目“智能增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境中多通道信息融合計算及評測研究”（項目編號：61977007）資助。

蔡蘇，主任，副教授，博士，研究方向為VR/AR教育應(yīng)用、STEM教育，郵箱為caisu@bnu.edu.cn。

2021年11月20日

編輯：小新