元宇宙：下一代學(xué)習(xí)空間

薛耀鋒，朱芳清，王 坤

(1.華東師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)系，上海 200062；2.華東師范大學(xué) 上海數(shù)字化教育裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200062)

元宇宙(Metaverse)由前綴“meta”(意指超越)與單詞“universe”(意為宇宙)的組合，描述了一個與物理世界相連的假想虛擬環(huán)境?！霸钪妗币辉~最早出現(xiàn)在尼爾·斯蒂芬森1992年創(chuàng)作的名為《雪崩》的科幻小說中[1]，元宇宙在其中是一個與物理世界平行的巨大虛擬環(huán)境，用戶通過數(shù)字化身進行交互。元宇宙為教育提供了一個虛擬的、充滿無限可能的學(xué)習(xí)空間，元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用值得深入挖掘與分析。本文將圍繞以下問題進行深入探究：元宇宙的概念是什么？元宇宙的技術(shù)框架是什么，其中有哪些核心技術(shù)？元宇宙在教育領(lǐng)域當(dāng)中有哪些應(yīng)用場景？元宇宙與教育結(jié)合的未來發(fā)展是怎樣的？

一、元宇宙的概念

自元宇宙(Metaverse)被提出以來，其作為計算機生成的數(shù)字空間被定義為各種各樣的概念，如生活日志[2]、虛擬中的集體空間[3]、實體互聯(lián)網(wǎng)/空間互聯(lián)網(wǎng)[4]、鏡像世界[5]等等。元宇宙的概念在不斷發(fā)展，目前尚未有一個統(tǒng)一的定義。Lee等人認(rèn)為元宇宙是一個融合了物理和數(shù)字的虛擬環(huán)境，由互聯(lián)網(wǎng)和Web技術(shù)以及擴展現(xiàn)實(XR)的融合所促進[6]。維基百科提到“元宇宙是超越元和宇宙的復(fù)合詞，是指化身從事政治、經(jīng)濟、社會和文化活動的三維虛擬世界，它被廣泛用于基于日常生活的虛擬世界，真實與虛幻共存”[7]。

隨著元宇宙的不斷發(fā)展以及元宇宙在教育領(lǐng)域的應(yīng)用不斷加深，一些學(xué)者對元宇宙的教育應(yīng)用進行了研究。華子雄等人從技術(shù)角度出發(fā)，認(rèn)為元宇宙的教育應(yīng)用可以理解為教師、學(xué)生、管理者等教育活動參與者創(chuàng)建數(shù)字身份，在虛擬世界中開拓正式和非正式教學(xué)場所，在虛擬教學(xué)場所進行互動[8]。劉革平等人則認(rèn)為元宇宙的教育應(yīng)用是利用新興信息技術(shù)塑造的虛實融合教育環(huán)境，是虛擬與現(xiàn)實全面交織、人類與機器全面聯(lián)結(jié)、學(xué)校與社會全面互動的智慧教育環(huán)境高階形態(tài)[9]?？傮w來說，這些研究體現(xiàn)了元宇宙技術(shù)、理念與教育理念、情境的深度融合，是未來教育的重要發(fā)展方向。

二、元宇宙的技術(shù)框架

目前元宇宙還處于萌芽階段，在大多數(shù)人的認(rèn)知中，元宇宙僅僅只是在AR、VR等技術(shù)的基礎(chǔ)之上構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)世界。但元宇宙背后所涉及的核心技術(shù)還遠(yuǎn)不止于此，主要包括交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與運算技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[10]。在這些技術(shù)相輔相成的基礎(chǔ)之上，才構(gòu)建出一個現(xiàn)實與虛擬相互聯(lián)結(jié)的世界。元宇宙的技術(shù)框架大致可分為三層，分別是用戶感知層、智能服務(wù)層與基礎(chǔ)設(shè)施層。首先，位于頂端的用戶感知層主要包括交互技術(shù)與電子游戲技術(shù)。其中的虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實等技術(shù)為用戶提供了進入元宇宙的入口，游戲引擎、3D建模和實時渲染等技術(shù)可用于元宇宙中數(shù)字內(nèi)容的制作與呈現(xiàn)，以及用戶在其中各種交互行為的技術(shù)實現(xiàn)。其次，位于中部的智能服務(wù)層主要包括人工智能技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)。以計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、自然語言處理與智能語音等為代表的人工智能技術(shù)為元宇宙中各種服務(wù)與場景應(yīng)用提供技術(shù)支撐，數(shù)字孿生技術(shù)則可以在元宇宙中建立現(xiàn)實物體的虛擬映射，連接現(xiàn)實與虛擬，實現(xiàn)虛實共生。最后，位于底層的是基礎(chǔ)設(shè)施層，其主要為整個元宇宙的建立提供最基本的硬件與技術(shù)保障。比如，5G、邊緣計算和云計算等網(wǎng)絡(luò)與運算技術(shù)為元宇宙提供高帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與高算力基礎(chǔ)，區(qū)塊鏈技術(shù)用于支持在元宇宙中實現(xiàn)更加安全、公開的去中心化虛擬經(jīng)濟體系，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為底層技術(shù)使構(gòu)建更加精確映射的數(shù)字孿生與多元化交互方式成為可能。由這6大技術(shù)所組成的元宇宙技術(shù)框架見圖1。

(一)交互技術(shù)

交互技術(shù)向用戶提供了進入元宇宙的接口，以提高用戶沉浸感為目標(biāo)。虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)、混合現(xiàn)實(MR)等人機交互技術(shù)將成為未來用戶接入元宇宙的主要方式。 VR技術(shù)向用戶展現(xiàn)的是一個獨立于現(xiàn)實世界的、完全虛擬的世界，玩家通過頭戴VR設(shè)備，完全沉浸于虛擬環(huán)境。在這種虛擬環(huán)境中，多個用戶可共同從事某種活動。如果說VR是完全脫離現(xiàn)實的虛擬世界，那么AR與MR就是現(xiàn)實與虛擬的融合。AR技術(shù)是在現(xiàn)實世界的物體上疊加虛擬對象，MR通常被認(rèn)為是AR的進一步演化，AR僅僅是物理環(huán)境上疊加虛擬信息，而不考慮交互性，MR技術(shù)則是通過對現(xiàn)實環(huán)境的三維計算，重新構(gòu)建一個與現(xiàn)實結(jié)構(gòu)一致的環(huán)境，并與虛擬實體融合，讓用戶獲得在真實環(huán)境中與虛擬對象進行交互的體驗，讓用戶在現(xiàn)實中的處理虛擬內(nèi)容，而不必完全進入虛擬環(huán)境，實現(xiàn)現(xiàn)實與虛擬的無縫連接。

(二)電子游戲技術(shù)

電子游戲?qū)窃钪孀钪苯拥某尸F(xiàn)形式，也是元宇宙首要的發(fā)展方向。電影《頭號玩家》中描繪的游戲——“綠洲”，就向我們初步展現(xiàn)了一個元宇宙的雛形。電子游戲技術(shù)主要包括游戲引擎、3D建模技術(shù)與實時渲染技術(shù)。游戲引擎可用于快速搭建元宇宙平臺，以及元宇宙中各種數(shù)字內(nèi)容呈現(xiàn)與交互的底層邏輯的實現(xiàn)。3D建模技術(shù)為元宇宙提供各種優(yōu)質(zhì)的數(shù)字實體資源，如場景、化身、NPC等。實時渲染技術(shù)可向用戶展現(xiàn)逼真的、高質(zhì)量的各種虛擬場景與對象。而且，電子游戲技術(shù)與交互技術(shù)共同運作，這才保障了元宇宙體驗的高度沉浸感。

(三)人工智能技術(shù)

人工智能(AI)是指讓機器從經(jīng)驗中進行學(xué)習(xí)并執(zhí)行各種任務(wù)的理論與技術(shù)，它能讓機器獲得類似于人一樣的智能。機器學(xué)習(xí)是目前應(yīng)用最為廣泛的一項人工智能技術(shù)，隨著機器學(xué)習(xí)的發(fā)展，目前機器已經(jīng)可以具備基本的感知和學(xué)習(xí)的能力。這些年來，AI在各種場景中都有廣泛的應(yīng)用，并生成了許多不同的分支，如自然語言處理、計算機視覺，情感計算、推薦系統(tǒng)等。在如今的現(xiàn)實世界中，已然充斥著大量的數(shù)據(jù)，人工智能也正是在這種大數(shù)據(jù)環(huán)境中大放異彩，為現(xiàn)實世界提供各種智能化服務(wù)。元宇宙作為一個平行于現(xiàn)實的虛擬世界，其中必然也會產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)與人工智能應(yīng)用場景。除了數(shù)據(jù)處理以外，將人工智能用于自動化數(shù)字內(nèi)容生成，將成其在元宇宙中的核心功能[11]。用戶以化身的形式存在于元宇宙中，并與其他玩家或虛擬對象進行交互。人工智能算法可以自動創(chuàng)建化身，解決在目前一些類似游戲中玩家角色形象過度相似的問題。在元宇宙中除了有由真實用戶控制的化身，還會存在許多由AI驅(qū)動的虛擬角色，也就是非玩家角色(NPC)。這些角色的行為看起來和人類用戶無異，并為人類用戶在元宇宙中提供引導(dǎo)、監(jiān)控、答疑等輔助服務(wù)。

(四)數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是指針對物理實體或系統(tǒng)具有高度完整性的數(shù)字化克隆，簡而言之是在虛擬世界中構(gòu)建出現(xiàn)實中物理對象的數(shù)字表示形式，它能以數(shù)字化的方式實時模擬物理實體當(dāng)前的行為和狀態(tài)等。借助數(shù)字孿生技術(shù)，可在元宇宙中構(gòu)建現(xiàn)實中人或物的數(shù)字映射，加之物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供的多設(shè)備互聯(lián)互通與交互技術(shù)帶來的高沉浸交互方式，可讓用戶在元宇宙這一虛擬空間中查看物理實體當(dāng)前的行為狀態(tài)，以及與之直接進行交互。比如，可以在虛擬空間中直接實時地查看在現(xiàn)實中你所擁有的各種智能設(shè)備的運行情況并可對其進行操作，甚至是查看家人的各項身體指標(biāo)。另外，在元宇宙的某些場景應(yīng)用中，還可以使用數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬環(huán)境中動態(tài)預(yù)測現(xiàn)實物體在真實環(huán)境中的未來狀態(tài)，以便及時做出決策或制定干預(yù)措施。

(五)網(wǎng)絡(luò)及運算技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)、云計算、邊緣計算等技術(shù)將成為元宇宙的基礎(chǔ)設(shè)施，讓用戶能夠享受到高帶寬、低延時的元宇宙體驗。5G為元宇宙提供最基本的高帶寬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在元宇宙中，必須要保證用戶有身臨其境的沉浸感，而影響用戶沉浸體驗的關(guān)鍵因素就是延遲，龐大的用戶接入數(shù)量與海量的數(shù)據(jù)傳輸，必然要求元宇宙擁有超高的網(wǎng)絡(luò)通信速率。其次，元宇宙中龐大的數(shù)據(jù)量使其對算力的要求比現(xiàn)實中更高，而手機、電腦等個人終端設(shè)備遠(yuǎn)不能滿足元宇宙中的算力要求，云計算、邊緣計算等技術(shù)便成為了元宇宙中解決延時、網(wǎng)絡(luò)堵塞與高負(fù)荷數(shù)據(jù)運算等問題的核心技術(shù)選擇。以超高的網(wǎng)絡(luò)帶寬與算力為前提，才能帶來實時，沉浸、流暢的交互體驗與場景應(yīng)用。

(六)區(qū)塊鏈技術(shù)

理想的元宇宙是能夠連接一切的，無論是現(xiàn)實世界的還是虛擬世界，因此在其中會產(chǎn)生不可估計的數(shù)據(jù)量，使用傳統(tǒng)的云服務(wù)器來存儲如此巨大的數(shù)據(jù)是不可能的。而且在元宇宙中，用戶的一切行為都將被記錄并儲存為數(shù)據(jù)，用戶的隱私安全就也不能得到保障。而區(qū)塊鏈(Blockchain)技術(shù)所具備的去中心化、開放性、安全性、可追溯性等特點確保了元宇宙中數(shù)據(jù)的安全與完整性。區(qū)塊鏈技術(shù)也是構(gòu)成元宇宙經(jīng)濟體系最為關(guān)鍵的技術(shù)，它能夠確保元宇宙中產(chǎn)生的每一筆交易都是公開、透明的，同時保障元宇宙用戶的虛擬資產(chǎn)、虛擬身份與經(jīng)濟體系中各種數(shù)據(jù)傳輸與驗證的安全。

(七)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)借助各種傳感器設(shè)備，將各種設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)建立連接，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上進行擴展的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物與物、人與物的互聯(lián)互通[12]。隨著互聯(lián)網(wǎng)與芯片技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了迅速的普及與應(yīng)用?！叭f物互聯(lián)”在現(xiàn)階段已初見雛形，智能家居、智能交通都是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為在元宇宙中實現(xiàn)跨越現(xiàn)實與虛擬的“萬物互聯(lián)、虛實共生”奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。與此同時，交互技術(shù)的發(fā)展使得人機交互形式越來越多樣化，物聯(lián)網(wǎng)也可以將AR、VR、MR等交互技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成多模態(tài)交互系統(tǒng)，為用戶帶來更佳的用戶體驗。

三、元宇宙的教育應(yīng)用

教育是元宇宙的主要應(yīng)用場景[13]，這深刻體現(xiàn)了未來教育與技術(shù)融合的發(fā)展前景，以及技術(shù)創(chuàng)新是一種可以用來加強教育過程的方式。元宇宙中的技術(shù)早已滲透教育領(lǐng)域，作為一種新的教育環(huán)境與學(xué)習(xí)空間，目前元宇宙主要作用在利用拓展現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，以此展現(xiàn)多樣化的學(xué)習(xí)內(nèi)容，提供高度沉浸感與學(xué)習(xí)新體驗；同時構(gòu)建新的社會交流空間，進一步促進了學(xué)習(xí)者之間的交流協(xié)作。元宇宙也促進了在線學(xué)習(xí)的發(fā)展，進一步突破了教育的時空限制，優(yōu)化在線學(xué)習(xí)體驗。

(一)創(chuàng)設(shè)沉浸式學(xué)習(xí)情境

沉浸式學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)依賴于拓展現(xiàn)實技術(shù)(XR)，目前其中最常用的是虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)與增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)。拓展現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)多樣化的虛擬場景，這些用于教學(xué)的虛擬場景構(gòu)成了沉浸式學(xué)習(xí)情境，可以將其分為三大類。

一是用于演練或練習(xí)較為危險的學(xué)習(xí)活動所創(chuàng)設(shè)的情境，如駕駛飛機、進行外科手術(shù)等。這類學(xué)習(xí)活動的失敗風(fēng)險非常高且后果很嚴(yán)重，不能輕易進行教學(xué)實踐，但在這類操作性較強的學(xué)習(xí)中，實踐又是至關(guān)重要的。虛擬現(xiàn)實中的模擬體驗為學(xué)習(xí)者提供了應(yīng)用理論知識、實驗設(shè)備、練習(xí)復(fù)雜程序和行為技能的機會，并從錯誤中學(xué)習(xí)，而不會受到現(xiàn)實世界中嚴(yán)重的后果或錯誤的影響。例如，韓國首爾國立大學(xué)盆唐醫(yī)院通過智能手術(shù)室進行肺癌手術(shù)培訓(xùn)(見圖2)[14]。智能手術(shù)室包括多個全方位360°拍攝相機，將采集到的圖像通過擴展現(xiàn)實技術(shù)處理后提供給佩戴3D頭盔的學(xué)習(xí)者。學(xué)習(xí)者可以通過實時語音交流、全方位的觀察和模擬操作，進行比直接觀察更精確的學(xué)習(xí)。

二是用于模擬構(gòu)建學(xué)生無法到達(dá)的場景或地點，例如進行考古挖掘、進行熱帶雨林氣候調(diào)研、游覽歷史古都等等。學(xué)生無法實際到達(dá)這些場景中，在過去只能通過觀看視頻等方式完成這些學(xué)習(xí)任務(wù)，缺乏親身體驗。元宇宙技術(shù)的使用能夠擴大探索由于空間、時間或成本障礙而在課堂上無法進入的環(huán)境的機會，為學(xué)生帶來沉浸式學(xué)習(xí)體驗，也有利于教師組織學(xué)生開展多樣化的學(xué)習(xí)活動，如探究式學(xué)習(xí)、項目式學(xué)習(xí)、游戲化學(xué)習(xí)等，大大提升了學(xué)習(xí)效果。例如，Getchell等人利用虛擬世界平臺Second Life構(gòu)建了一個基于考古學(xué)習(xí)的虛擬世界遺址挖掘的案例[15]，組織游戲化學(xué)習(xí)(見圖3)。研究證實了這種沉浸式情境的創(chuàng)設(shè)與應(yīng)用對學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗與學(xué)習(xí)積極性有促進和提升效果。

圖2 學(xué)生沉浸式觀看手術(shù)場景[14]

圖3 學(xué)生虛擬世界考古挖掘成果[15]

三是用于展現(xiàn)現(xiàn)實中難以直接觀測的物體或現(xiàn)象，例如人體細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察、太陽系結(jié)構(gòu)的觀測、原子與分子結(jié)構(gòu)的探索等。這類情境的構(gòu)建往往與理科知識掛鉤，學(xué)生只能通過精密儀器來直接觀察到這些物體或現(xiàn)象。而由于經(jīng)費、儀器、課時等的限制，這些物體或現(xiàn)象多以圖片和視頻的形式展現(xiàn)給學(xué)生，教學(xué)效果受到影響。依托于VR/AR技術(shù)創(chuàng)建的虛擬實驗室可以很好地解決這些問題，學(xué)生能夠更直觀地接觸到這些較為抽象的知識。已有研究表明依托于VR/AR技術(shù)的虛擬實驗室可以提高學(xué)生的表現(xiàn)和分析能力、動機和參與水平[16]。Chen等人利用AR技術(shù)，構(gòu)建了一個可以直接觀察到化學(xué)元素的化學(xué)虛擬實驗室(見圖4)[17]。學(xué)生可以通過操作(指引元素碰撞)觀察到化學(xué)反應(yīng)，也可以通過觸摸符號選項并查看新產(chǎn)物的形成來獲得視覺和聽覺反饋，得到沉浸式與趣味性的學(xué)習(xí)體驗。

(二)構(gòu)建虛擬協(xié)作學(xué)習(xí)空間

元宇宙中的虛擬世界具有社會交互性。虛擬世界中的多個用戶群體，即元空間的一個子集，可以接收其他用戶看到的相同信息，并且可以以一致和實時的方式進行交互。在虛擬世界中，除了使用的文本和圖形進行交流之外，還可以通過語音、手勢和對象更有效地與群體進行交流和互動。虛擬世界由一個身臨其境的環(huán)境組成，它提供一種存在感并減少了學(xué)生社交中的距離限制。虛擬世界中的存在通過化身的外觀來顯示，這是用戶在物理世界中的表示，化身可以根據(jù)用戶的創(chuàng)造力更改為不同類型的形象。一些研究表明，虛擬世界可用于教育，因為它提供了社交互動和角色扮演，可以激發(fā)用戶的存在感[18]。這最終會提升學(xué)習(xí)者之間的信任水平。這種虛擬環(huán)境可以復(fù)制現(xiàn)實世界的環(huán)境，因此它為學(xué)生提供了在不參加實體課程的情況下親身參與學(xué)習(xí)過程的機會。協(xié)作學(xué)習(xí)被認(rèn)為是虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的重要組成部分[19]，現(xiàn)有的虛擬環(huán)境通常被視為一個協(xié)作學(xué)習(xí)空間，在這個空間中，學(xué)習(xí)者們可以在不同的主題下共同完成一些虛擬任務(wù)。

圖4 “Elements 4D”AR化學(xué)虛擬實驗室[17]

虛擬學(xué)習(xí)空間在促進在時間和空間上分散的成員之間的溝通和協(xié)作方面發(fā)揮著核心作用。Bambury考慮到虛擬現(xiàn)實的社會層面，將虛擬現(xiàn)實中的教學(xué)實施劃分為四個階段，這四個階段層層遞進，最后達(dá)成高度自由的協(xié)作學(xué)習(xí)的最高目標(biāo)[20]。第一階段是使用VR進行感知或刺激，教育者指導(dǎo)學(xué)習(xí)者進行多模態(tài)體驗，而學(xué)習(xí)者則處于被動狀態(tài)。在第二階段，學(xué)習(xí)者可以與虛擬世界進行基本的互動，從而影響內(nèi)容的流動。在第三階段，學(xué)習(xí)者實現(xiàn)自治，具有高度的自主性，并通過自己的決定指導(dǎo)學(xué)習(xí)過程。最終階段是虛實空間的融合，通過社交虛擬現(xiàn)實平臺上的人與人之間的互動和協(xié)作，讓學(xué)習(xí)者真正感受到置身于一個全新空間，這種集體虛擬學(xué)習(xí)空間使得以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)設(shè)計策略，如基于問題的學(xué)習(xí)、項目式學(xué)習(xí)和游戲化學(xué)習(xí)得到了更廣泛的應(yīng)用。虛擬空間也打破了協(xié)作學(xué)習(xí)的時空限制，無論是線下教學(xué)還是遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，虛擬空間都能為協(xié)作學(xué)習(xí)提供足夠便捷的環(huán)境。教師設(shè)置了一個規(guī)劃建筑相關(guān)的任務(wù)，并要求學(xué)習(xí)者在利用Second Life構(gòu)建的虛擬空間中進行交流與協(xié)作學(xué)習(xí)(見圖5)[21]。

圖5 在虛擬學(xué)習(xí)空間中進行協(xié)作學(xué)習(xí)[21]

(三)優(yōu)化在線學(xué)習(xí)體驗

在線學(xué)習(xí)越來越成為主流，其主要包含兩種類型：異步和同步的在線學(xué)習(xí)[22]。這兩種類型都依賴于二維數(shù)字環(huán)境中的軟件或網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，它們跨越平面內(nèi)的數(shù)字窗口，具有寬度和高度，但沒有任何深度。標(biāo)準(zhǔn)的異步在線學(xué)習(xí)工具包括學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)(如Moodle、LMS)、協(xié)作網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序等，教育者、學(xué)生和內(nèi)容之間隨時隨地的交流和交互。同步的電子學(xué)習(xí)系統(tǒng)使教育者和學(xué)生能夠在一個數(shù)字的、虛擬的空間同時進行在線會議。同步在線學(xué)習(xí)通過網(wǎng)絡(luò)會議平臺(如Zoom、騰訊會議)實現(xiàn)。然而，在2D、基于web的環(huán)境中運行的應(yīng)用程序有較大的局限性，且運行效率低下。同步在線平臺的日常延伸使用導(dǎo)致了學(xué)習(xí)疲勞等現(xiàn)象。異步平臺經(jīng)常受到情感隔離的困擾。因此，在線課程都存在較高的輟學(xué)率[23]。造成這種問題的主要原因有以下幾點。①不在場：由于學(xué)習(xí)者未處在物理教室，在線課堂常被視為視頻電話，而不是虛擬的集體授課場所。參加長時間不在場學(xué)習(xí)的人往往會注意力分散。②粗糙的情感表達(dá)：用戶通過表情符號表達(dá)情感的選擇非常有限。③低社交：2D平臺提供的參與者互動方式有限。除非教師主動發(fā)起學(xué)習(xí)活動，否則學(xué)生只能被動地參與，很少有機會主動參與課堂。④低自我感知：用戶在2D環(huán)境中對自我的感知非常有限，只能通過照片或?qū)崟r網(wǎng)絡(luò)攝像頭的頭部特寫，以無實體的形式呈現(xiàn)。

元宇宙作為克服現(xiàn)有基于2D的在線和遠(yuǎn)程教育的局限性的一種替代方案，正受到人們的關(guān)注。由于各種技術(shù)，如交互技術(shù)、人工智能等技術(shù)的使用，元宇宙可以提供與當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)時代不同的體驗價值。上述所有的限制都可以通過3D、沉浸式空間環(huán)境來解決，元宇宙驅(qū)動的在線遠(yuǎn)程教育的新模式出現(xiàn)，打破2D平臺的限制，可以構(gòu)建在線3D虛擬教室(見圖6)[24]，為學(xué)習(xí)者帶來無限趨于現(xiàn)實而又超越現(xiàn)實的豐富學(xué)習(xí)環(huán)境，提升自我感知、豐富交流方式、細(xì)化情感表達(dá)，優(yōu)化混合的正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)的在線學(xué)習(xí)體驗。在這里，學(xué)生是虛擬空間的共同所有者，也是流動的、個性化課程的共同創(chuàng)造者。此外，元宇宙使設(shè)計一種超越時間和空間的新體驗成為可能，元世界中的在線學(xué)習(xí)將能夠打破社會聯(lián)系和非正式學(xué)習(xí)的最后邊界，身體出現(xiàn)在教室將不再是一種特權(quán)教育經(jīng)驗。肢體語言和面部表情的保真將使虛擬的學(xué)習(xí)參與同樣有效。此外，元宇宙中的社會混合現(xiàn)實可以實現(xiàn)混合式的主動教學(xué)法，從而培養(yǎng)更深入持久的知識[25]。更重要的是，它可以成為教育民主化的一個因素，使全世界在平等的基礎(chǔ)上參與教育，不受地域限制的限制。總的來說，基于元宇宙的在線學(xué)習(xí)可以利用無限的空間和數(shù)據(jù)，并擁有著能夠達(dá)到與面對面教學(xué)同樣的交流效果。

圖6 元宇宙在線教室的實現(xiàn)[24]

四、總結(jié)與展望

元宇宙有著豐富的教育應(yīng)用場景，且仍在不斷發(fā)展之中，是未來教育的重要發(fā)展方向。目前元宇宙的教育應(yīng)用主要集中在通過拓展現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，以保證沉浸式以及協(xié)作學(xué)習(xí)體驗，并進一步推動在線學(xué)習(xí)的發(fā)展。但由于元宇宙相關(guān)技術(shù)發(fā)展尚未成熟，并且缺乏將教育理念、教學(xué)應(yīng)用于元宇宙的深度結(jié)合分析，元宇宙與教育的結(jié)合仍處于初級階段，距離發(fā)展完善還有很長的路要走。

(一)通過關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展進一步促進元宇宙在教育中的應(yīng)用

元宇宙底層支撐技術(shù)仍在漫長的發(fā)展過程中，有很多問題亟待解決，如人機交互不夠自然，虛擬環(huán)境真實度與美觀性不足，操作延遲過高等等。這些都對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗有負(fù)面影響，同時也會影響學(xué)習(xí)效果。隨著擴展現(xiàn)實、人機交互、計算機視覺等技術(shù)的進一步發(fā)展，學(xué)習(xí)者在虛擬世界中的交互體驗將無限趨近于現(xiàn)實世界中的交互體驗，學(xué)習(xí)者之間的交流協(xié)作將不存在任何界限。同時，未來的技術(shù)要保證用戶與數(shù)字實體之間無縫的、輕量級的交互。現(xiàn)有的技術(shù)需要用戶通過佩戴實體輸入設(shè)備與虛擬世界進行交互，這可能會破壞用戶的學(xué)習(xí)體驗，同時實體設(shè)備高昂的價格與復(fù)雜的操作進一步增加了相關(guān)技術(shù)在教育中的應(yīng)用難度。未來將進一步發(fā)展交互技術(shù)，用戶可以直接通過手勢來選擇和處理虛擬內(nèi)容，簡化學(xué)習(xí)操作，進一步增加沉浸感，提升元宇宙在教育中的應(yīng)用普及速度。

(二)加強教育理論與元宇宙的深度融合

目前，在教學(xué)中對于元宇宙的應(yīng)用多處在教師演示以及學(xué)生較為簡單的交互層次上，元宇宙更像是一種輔助教育教學(xué)的工具，教育者根據(jù)教學(xué)需求構(gòu)建相應(yīng)的虛擬場景來輔助教學(xué)。這主要歸咎于研究者未將教育理論與元宇宙進行深層次的分析和結(jié)合，導(dǎo)致元宇宙在教育方向的發(fā)展還是處在表層應(yīng)用的階段。同時，利用元宇宙技術(shù)開發(fā)的教學(xué)產(chǎn)品多以技術(shù)為導(dǎo)向，缺乏教育理論對產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)的系統(tǒng)支持。想要真正實現(xiàn)元宇宙在教育領(lǐng)域的發(fā)展，必須要將元宇宙與教育教學(xué)設(shè)計理念結(jié)合，教育者需要正確地理解每種類型的元空間的技術(shù)特征和相關(guān)課程設(shè)計原則，以便學(xué)生能夠協(xié)作和創(chuàng)造性地解決問題或執(zhí)行項目。同時要注意不能只簡單地將真實教學(xué)環(huán)境完全復(fù)制到虛擬環(huán)境中，要經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟虒W(xué)設(shè)計，明白虛擬世界是現(xiàn)實世界的補充，而不是替代[26]。

(三)實現(xiàn)對學(xué)習(xí)者全方位全時空的數(shù)字化模擬和分析

在已有的學(xué)習(xí)科學(xué)的研究中，學(xué)習(xí)者的教育神經(jīng)原理和深層次的認(rèn)知心理狀態(tài)分析一直是困擾學(xué)界的難題。通過先進的數(shù)字孿生技術(shù)將學(xué)習(xí)者外在的學(xué)習(xí)行為和內(nèi)在的心理活動進行全狀態(tài)隨時隨地的數(shù)字化模擬，并且與現(xiàn)實世界中的真實學(xué)習(xí)者完全同步。通過對數(shù)字孿生進行分析，可以得到學(xué)習(xí)者認(rèn)知狀態(tài)、心理狀態(tài)的確切數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)者的思維過程將不再是難以深入的“黑匣子”。因此，利用元宇宙中的數(shù)字孿生，教育研究者可以深刻詳盡地研究人類學(xué)習(xí)過程的各種客觀規(guī)律和學(xué)習(xí)者的個性化特征，并以此來映射和指導(dǎo)現(xiàn)實世界中真實學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動，從而實現(xiàn)學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)效果質(zhì)的飛躍。同時，數(shù)字孿生可以進行二十四小時不間斷模擬學(xué)習(xí)，通過學(xué)習(xí)結(jié)果為學(xué)習(xí)者提供效果最佳的下一階段學(xué)習(xí)方案，實現(xiàn)真正的個性化學(xué)習(xí)。

《中國教育現(xiàn)代化2035》提出要“加快信息化時代教育變革”[27]，“十四五”教育規(guī)劃中提到要“探索‘互聯(lián)網(wǎng)+教育’發(fā)展新模式，大力發(fā)展智慧教育，全面提升師生信息素養(yǎng)，為加快推薦教育現(xiàn)代化，建設(shè)教育強國營造良好的技術(shù)環(huán)境”[28]。元宇宙的到來可以有力促進我國教育信息化的發(fā)展，也為未來教育提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)與新的發(fā)展機遇。元宇宙是教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一種未來新生態(tài)，也是教育現(xiàn)代化的一類有機的組成業(yè)態(tài)。元宇宙將成為人類自我創(chuàng)建的嶄新時空，并成為教育領(lǐng)域全新的、具有劃時代意義的下一代學(xué)習(xí)空間。