元宇宙視域下數(shù)字化教育場景的探索研究

賀 寧，丁 可，張俊波

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164；2.常州市鐘樓區(qū)昕弘實驗學(xué)校，常州 213000；3.北京智谷星圖科技有限公司，北京 100000)

0 引言

新一代信息技術(shù)，例如云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、量子技術(shù)等的發(fā)展推動了元宇宙概念的興起和相關(guān)的爆發(fā)。元宇宙提出通過利用科技手段，鏈接創(chuàng)造與現(xiàn)實世界映射平行的虛擬世界概念，創(chuàng)建了一個具備新型社會體系的數(shù)字空間[1]。元宇宙由其基于區(qū)塊鏈或NFT的底層架構(gòu)，到5G、云平臺、異構(gòu)計算、AI等基礎(chǔ)組件，再到VR/AR等前端設(shè)備能支持最上層的服務(wù)和應(yīng)用。元宇宙的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向可以是在硬件層、軟件層或者是虛擬引擎、數(shù)字孿生機器人、高速無線通信等[2]。

最早提出元宇宙概念的科技公司有Roblox和臉書，接著騰訊、字節(jié)跳動、微軟、網(wǎng)易等公司也紛紛跟進。Roblox公司根據(jù)自身平臺的特點定義了元宇宙應(yīng)該具有的8個屬性：身份、朋友、沉浸感、低門檻、多元化、隨時隨地、經(jīng)濟系統(tǒng)和文明。也正是因為需要將虛擬世界和現(xiàn)實世界結(jié)合，構(gòu)建帶有沉浸感的虛實相融的數(shù)字空間，元宇宙的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向也可以聚焦于數(shù)字化的呈現(xiàn)技術(shù)以及虛擬形象的，元宇宙技術(shù)更是為教育場景的探索研究提供了廣闊的空間。

1 元宇宙技術(shù)在教育場景的創(chuàng)新運用

元宇宙為教育領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了可能性，更可以促進教育應(yīng)用。比如增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)、生命記錄、虛擬現(xiàn)實和鏡像世界。

1.1 增強現(xiàn)實技術(shù)增強課程學(xué)習(xí)的體驗感

增強現(xiàn)實基本上是通過利用基于位置的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)來創(chuàng)建智能環(huán)境的，它有助于根據(jù)所需要的內(nèi)容在真實世界的對象上創(chuàng)建數(shù)字覆蓋。AR的一些重要應(yīng)用已經(jīng)在智能手機和3D裸眼得到了體現(xiàn)。

AR技術(shù)可以使書本平面的物體在自然界中成為三維。通過驅(qū)動各種教育含義，可以探索元宇宙在增強現(xiàn)實教育中的不同使用案例(見圖1)。AR可以幫助剖析檢查看不見的部分，并更快地解決問題。例如，教師可以給學(xué)生展示一輛新能源汽車，然后剖析它是如何建造的，速度有多快，以及電池能承受多高的溫度和能效。在經(jīng)歷了這樣的情景后，在學(xué)校學(xué)到的關(guān)鍵理論有了新的意義和相關(guān)性，同時也讓教育工作者有機會彌合差距，傳授理論到行動步驟中缺失的細微差別。此外，在閱讀和寫作中，AR可以使讀者對內(nèi)容有更深入的了解，從而降低觀察和理解文本的難度，其中的互動體驗也可以創(chuàng)造不同身臨其境、引人入勝的體驗。

圖1 元宇宙技術(shù)在教育場景的創(chuàng)新運用

1.2 鏡像世界克服課程學(xué)習(xí)的物理空間限制

鏡像世界實際上是外部世界一種特定類型的模擬，它實際上是真實世界的增強虛擬對應(yīng)物。可以把鏡像世界想象成元宇宙，將現(xiàn)實世界的可見特征轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實。

鏡像世界也是解決“元宇宙如何改變教育”的另一個關(guān)鍵因素，因為它可以提供沉浸式的虛擬學(xué)習(xí)空間。鏡像世界有助于克服學(xué)習(xí)和教育的空間限制和物理限制，例如，在一定程度上線上視頻會議工具可以作為進行在線實時課程的代表性鏡像世界。又如教師或者學(xué)生可以將自己鏡像為孿生體中的潛水員，通過自己的動作控制屏幕里的潛水員，身臨其境地在海底遨游。通過數(shù)字孿生技術(shù)，教師和學(xué)生可以和屏幕中的海底生物互動，并切實地感知周圍的環(huán)境。

1.3 生命里程碑溯源課程學(xué)習(xí)的過程與反思

生命里程碑實際上是用于捕獲、存儲和共享信息以及與特定對象日常體驗的技術(shù)。生命里程碑側(cè)重于增強技術(shù)的使用，其中一些實際例子涉及可穿戴技術(shù)。例如，蘋果手表中的三星健康A(chǔ)pp是生命里程碑在現(xiàn)實世界中的突出應(yīng)用。生命里程碑專注于記錄學(xué)生的日常生活和思想反饋，并產(chǎn)生富有成效的結(jié)果。通過關(guān)注自學(xué)體驗，它可以幫助推動元宇宙在教育中的應(yīng)用。就如撰寫日記，學(xué)生可以回顧和反思個人生活中的日常事件。因此，元宇宙可以提供一個重要的工具，用于表示和實現(xiàn)反饋，并在實踐中從生活中學(xué)習(xí)；它還提供了從批判性角度探索不同類型信息的途徑，可以幫助反思不同學(xué)習(xí)個體的體驗，同時改進信息的創(chuàng)造性重建。

1.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)拓展課程學(xué)習(xí)的現(xiàn)實模擬

虛擬現(xiàn)實在推動元宇宙的教育應(yīng)用方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它基本上是指能夠模擬內(nèi)心世界的元宇宙類型，可以把虛擬現(xiàn)實想象成一個數(shù)字空間，通過使用化身和環(huán)境本身之間交互活動的數(shù)字數(shù)據(jù)來開發(fā)。

通過在數(shù)字環(huán)境中實現(xiàn)實際演示的虛擬模擬，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為教育領(lǐng)域提供里程碑式進步的服務(wù)。例如，在現(xiàn)實世界中，關(guān)于學(xué)校消防、地震演習(xí)課程可能成本高昂，然而學(xué)校消防、地震演習(xí)的虛擬現(xiàn)實模擬很容易成為一種經(jīng)濟高效的替代方案。在尋找有關(guān)元宇宙教育應(yīng)用的信息時，還可以考慮虛擬現(xiàn)實的教育意義。通過在數(shù)字環(huán)境中實現(xiàn)實際演示的虛擬模擬，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為教育領(lǐng)域提供里程碑式進步的服務(wù)。

2 元宇宙支持創(chuàng)建的虛擬學(xué)習(xí)情境

元宇宙可以創(chuàng)建一種在短時間內(nèi)能幫助學(xué)生迅速融入虛擬學(xué)習(xí)情境的場景，可以使用便捷的方式組織情景模擬教學(xué)，實現(xiàn)科學(xué)設(shè)計、充分周密、準確定位。這種場景強調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，增加盡可能多的模擬學(xué)習(xí)與嘗試的機會，讓學(xué)習(xí)者有足夠的成長空間，具有科學(xué)性、反復(fù)性、經(jīng)濟性、實用性和提高快等特點。

2.1 學(xué)習(xí)成本的降低

近幾年，新冠病毒的流行是學(xué)習(xí)社會化下降的最大原因。許多報告顯示，由于缺乏社交能力，各個年齡段的學(xué)生都缺乏某些技能，而社交能力往往是學(xué)習(xí)場所之外所必需的，這就是為什么要致力于改善有效學(xué)習(xí)的社會因素。因此不僅需要非常關(guān)注這些縱向或者橫向技能的重要性，還需要關(guān)注如何降低教授這些技能的成本。

元宇宙則突破了這個界限，可以在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生高水平的社會化，即使是在封鎖和隔離期帶來的限制下。在這個空間里，學(xué)習(xí)者不僅可以學(xué)習(xí)實用的技能，還可以學(xué)習(xí)將這些技能應(yīng)用到社會環(huán)境中。元宇宙可以依靠數(shù)字工具、在線技術(shù)和虛擬現(xiàn)實創(chuàng)造世界而蓬勃發(fā)展。它的沉浸感將吸引各年齡段的學(xué)習(xí)者，以及那些投入更多資金用于深度學(xué)習(xí)體驗的學(xué)習(xí)者。

2.2 認證方式的變更

長期以來，學(xué)生在課堂上所學(xué)的學(xué)習(xí)成果可以通過考試獲得認證，這在很大程度上要求他們在學(xué)習(xí)過程和應(yīng)試中花費許多的時間。對一些人來說，去學(xué)?；虼髮W(xué)很難，生活可能與學(xué)校設(shè)定的時間表沖突。元宇宙希望實現(xiàn)“透明認證”的理念，即報告能力，而不僅限于時間或地點。這是一種更有效的觀察學(xué)生學(xué)習(xí)技巧、技能和個人需求的方法。透明認證承認所有學(xué)生學(xué)習(xí)方式不同，因此注意力集中的時間也不同。經(jīng)典的課堂環(huán)境并不適合所有人，隨著科技使用的增加，人們尤其發(fā)現(xiàn)它不那么吸引人。在數(shù)字空間里相互交流了幾個小時后，獲得的新知不比在教室里接受得少。元宇宙在這里更具有優(yōu)勢，它擁有強吸引力將知識轉(zhuǎn)變成讓學(xué)生去玩?zhèn)€游戲、看個視頻和其他娛樂方式的技術(shù)特質(zhì)。

2.3 學(xué)習(xí)機會的增長

元宇宙將允許任何事物成為學(xué)習(xí)機會。對教師來說，這將有助于打破人為的學(xué)科孤島，這可能是傳統(tǒng)課程的典型特征。例如，在英國，布拉德菲爾德學(xué)院的技術(shù)部門和教學(xué)人員在應(yīng)對疫情時，承擔(dān)了在歷史、科學(xué)和地理等不同學(xué)科創(chuàng)建屬于自己的基于虛擬現(xiàn)實的教學(xué)場景挑戰(zhàn)，并讓學(xué)生體驗這些科目的細節(jié)，這是以前從未實現(xiàn)過的，而且學(xué)生們的反饋情況很好。雖然他們對于課程融合的規(guī)模比較小，但是它已經(jīng)邁出了第一步。又如，在中國的課堂上進行實驗研究表明，虛擬現(xiàn)實的使用已經(jīng)證明對考試結(jié)果的有效性有巨大影響。在貫穿科學(xué)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域中，原等級為“C級”的學(xué)生使用虛擬現(xiàn)實浸入式學(xué)習(xí)后的表現(xiàn)優(yōu)于等級為“B級”的學(xué)生。“B級”學(xué)生是在傳統(tǒng)的教學(xué)課堂中進行的，而“C級”學(xué)生的課堂被取而代之的是一個個將所有3個學(xué)科融合成一個整體的、引人入勝的學(xué)習(xí)體驗的真實例子。

2.4 沉浸式空間的營造

沉浸式學(xué)習(xí)為學(xué)習(xí)者提供了一個接近真實的學(xué)習(xí)環(huán)境，沉浸式虛擬教育空間可以出現(xiàn)在校園活動或各類模擬課堂教學(xué)中。課堂參與可能會以活動為導(dǎo)向，并通過角色扮演、大型游戲機臺、實時策略、多人大型在線游戲化等得到加強。

眾所周知，學(xué)習(xí)是最好要通過一系列的實踐來實現(xiàn)的，這樣學(xué)習(xí)者才能有親身的體驗和感受，以達到最佳效果。例如，高職院校中機床設(shè)備的實體課程與仿真、醫(yī)學(xué)院中手術(shù)問診程序的3D虛擬化以及軟件學(xué)院的軟件模擬仿真操作等。沉浸式學(xué)習(xí)將不受制于語言，而是對思考方式的一種創(chuàng)新，可以反復(fù)訓(xùn)練去達到知行合一。如心理學(xué)中的情緒管理，有負面情緒時從覺知、接納、調(diào)整認知減少自己的負面情緒，再有情緒再覺知、接納、調(diào)整，周而復(fù)始地訓(xùn)練自己。

3 元宇宙教育中的虛擬教室與虛擬教師

虛擬教室可以分為教師教學(xué)區(qū)和學(xué)生學(xué)習(xí)區(qū)。虛擬教室不限時空，可以將最新的專家分析嵌入現(xiàn)實世界中。教師可在虛擬教室講解問題，既可以是微觀的，也可以是宏觀現(xiàn)象以及難以理解的抽象而需要被具體化的知識，可以解決教學(xué)過程中的痛點和難點。學(xué)生在學(xué)習(xí)期可以查閱大量的資料，仰望屬于自己的天空，可以讓著名天文學(xué)家尼爾·德格拉斯·泰森解釋天文學(xué)中銀河的結(jié)構(gòu)，可以讓著名的科幻作家劉慈欣來描述三體和黑暗森林。屆時，專業(yè)知識將來自任何地方，而不僅僅是教科書。學(xué)生還可以不斷去操作各種實驗，不用擔(dān)心實驗物品的損耗以及設(shè)備的破壞，這能大大提高教學(xué)的效率和質(zhì)量。學(xué)生可以對自己的空間進行公開或者加密，如果希望自己的作品被展示，可以投放在虛擬教室的展示位置。虛擬教室也可以在教師的管理下形成自己的班級特色，在不同的教育模式和教育管理要求下，各個區(qū)域可以獨立設(shè)置，也可以混合布置。

虛擬教師應(yīng)不僅限于類似初音未來的二次元動畫角色，她更應(yīng)該是一位類似內(nèi)涵AI技術(shù)微軟小冰——一位可以模擬人類教師行為的AI老師。她首先會診斷每個學(xué)習(xí)者在不同課程領(lǐng)域知識的空缺，以此為基礎(chǔ)推送個性化學(xué)習(xí)，并且能夠反映出學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的不足和缺失，不斷調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和難易程度。虛擬教師會更勝任于解決邏輯思維和推理性的問題，但關(guān)于社會性或情感性的連接，虛擬教師還無法完全做到。因此，普通的教師可以一定程度上介入虛擬教師的輔導(dǎo)工作，以更多的精力投入和每個學(xué)習(xí)者的交流、輔導(dǎo)，加深與學(xué)生之間的互動情節(jié)。

最后，虛擬教室?guī)淼膶W(xué)習(xí)評估不再依賴傳統(tǒng)教師的批改作業(yè)和固定化考試，而是追蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進度，將其作為積極的正向反饋工具，而不是問責(zé)機制。虛擬教室可以直接使用過程性數(shù)據(jù)來作為評測方式。

4 元宇宙中的個體增量學(xué)習(xí)與社會學(xué)習(xí)效應(yīng)

任何領(lǐng)域中進行的正式或非正式環(huán)境下的學(xué)習(xí)都既是個體過程也是一種社會過程。在學(xué)習(xí)的某一個層次，認知和心理感覺是在個體的大腦里以獨特的方式建構(gòu)的。文化、語言相同的個體可以在元宇宙中以相毗鄰的角色進行交流、創(chuàng)造，或以分享、協(xié)作的方式方法去學(xué)習(xí)[3]。共同的語言技能、文化技能、習(xí)慣和手段是建構(gòu)和分享新學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。這些社會規(guī)范也對學(xué)習(xí)意識和學(xué)習(xí)機會起到預(yù)先處理和過濾的作用，而且它們在社會的體系下既有助于發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)意識和學(xué)習(xí)機會，又能掩蓋學(xué)習(xí)意識和學(xué)習(xí)機會[4]。當(dāng)個體學(xué)習(xí)相互連接、強化和觀察時，就會逐步形成用聯(lián)結(jié)的觀點來解釋社會態(tài)度、人際吸引、社會規(guī)范等現(xiàn)象，形成一定的社會學(xué)習(xí)效應(yīng)。

4.1 個體增量學(xué)習(xí)

個體增量學(xué)習(xí)是指一個學(xué)習(xí)系統(tǒng)能不斷地從新樣本中學(xué)習(xí)到新的知識，并能保存絕大部分以前已經(jīng)學(xué)習(xí)到的知識(見圖2)。人類本身的學(xué)習(xí)活動就是增量學(xué)習(xí)，人在成長過程中對新事物總是處于一種循序漸進的學(xué)習(xí)過程且較難忘記現(xiàn)有知識。不過，學(xué)習(xí)者的記憶往往會隨著時間而衰退，也就使得記憶的存儲非常重要。元宇宙技術(shù)可以嘗試幫助將學(xué)習(xí)者的增量學(xué)習(xí)內(nèi)容以一定的形式存儲，可以是筆記、錄音、摘抄的一段對話或者一段視頻。當(dāng)所有學(xué)習(xí)者的過程均被良好地保存，這時就形成了社會學(xué)習(xí)效應(yīng)。

圖2 元宇宙中的個體增量學(xué)習(xí)與社會學(xué)習(xí)效應(yīng)

當(dāng)有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，學(xué)習(xí)方法需要對新數(shù)據(jù)的知識進行探索[5]，對系統(tǒng)進行二次訓(xùn)練改動；當(dāng)新增數(shù)據(jù)時，并不需要重建所有的知識庫，而是在原有知識庫的基礎(chǔ)上，對由于新增數(shù)據(jù)所引起的變化進行更新。一般來說，增量學(xué)習(xí)方法更加符合循序漸進的思維原理。增量學(xué)習(xí)框架有很多，各框架最核心的內(nèi)容是處理新數(shù)據(jù)與已存儲知識相似性匹配方法，因為該方法決定覺察新知識并增加知識庫的方式，它影響著知識的增長。新知識的判定機制成為增量學(xué)習(xí)的核心部件[6]。第一，可以利用元宇宙技術(shù)不斷保存歷史數(shù)據(jù)，不斷保留和擴大存儲空間；第二，可以利用相似性匹配的技術(shù)在新的樣本訓(xùn)練中充分繼承歷史的訓(xùn)練結(jié)果，以縮短后續(xù)訓(xùn)練的時間；第三，在沒有模式可參照的情況下，學(xué)習(xí)者可以用自己的方式搜尋任何相關(guān)信息，自由形成新的增量學(xué)習(xí)節(jié)點。

4.2 社會學(xué)習(xí)效應(yīng)

個體增量學(xué)習(xí)在很多方面都是社會性的，因此集體學(xué)習(xí)可以以多種方式被概念化。首先，最明顯的是團隊訓(xùn)練和學(xué)習(xí)可能作為一種社會活動發(fā)生。學(xué)習(xí)者可以合作學(xué)習(xí)事件，因此社會學(xué)習(xí)效應(yīng)是不同個體在社會語境中表達的一種涌現(xiàn)屬性。有時，學(xué)習(xí)者僅通過觀察他人或模仿榜樣，就可以學(xué)習(xí)某種社會態(tài)度和行為。在觀察學(xué)習(xí)中，元宇宙提供在特定環(huán)境下觀察他人的學(xué)習(xí)過程是一個非常關(guān)鍵的信息來源，觀察學(xué)習(xí)可以在沒有任何其他外在強化的情況下出現(xiàn)。在社會學(xué)習(xí)過程中，觀察的過程、觀察的頻率、觀察的時間等都會對學(xué)習(xí)者們的行為產(chǎn)生相互的影響，在這種情況下，社會環(huán)境會在多個層面發(fā)揮影響。此外，社會環(huán)境還容易聚類出特定的群體身份，并隱含著指導(dǎo)檢索過程和內(nèi)容的特定目標和規(guī)范。

5 結(jié)語

元宇宙被視為下一代互聯(lián)網(wǎng)的新形態(tài)，被認為帶給了人類數(shù)字化的未來。元宇宙等平臺應(yīng)用于當(dāng)前數(shù)字化教育場景的學(xué)習(xí)策略也給教育和培訓(xùn)帶來了創(chuàng)新的思路，無論中小學(xué)還是大學(xué)做的不僅僅是培訓(xùn)，他們積極塑造年輕人的未來，利用元宇宙技術(shù)則可以超出傳統(tǒng)的教育場所，元宇宙將在數(shù)字時代尤其是教育方面發(fā)揮巨大的作用。