數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型研究*

華子荀 黃慕雄 吳鵬澤 黃嘉歆

數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型研究*

華子荀1黃慕雄2吳鵬澤3[通訊作者]黃嘉歆1

（1．廣東第二師范學(xué)院 教師教育學(xué)院，廣東廣州 510303；2．廣東第二師范學(xué)院，廣東廣州 510303；3．華南師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510631）

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，將元宇宙應(yīng)用于教育領(lǐng)域，其獨有的技術(shù)特征對學(xué)習(xí)方法的變革起到了重要作用。為解答“教育元宇宙因何有效”的問題，文章首先基于人類實踐形態(tài)理論、具身認(rèn)知理論及其三要素之間關(guān)系的梳理，提出教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型。之后，文章對該模型三個核心技術(shù)——數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)的內(nèi)涵及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用分別進行了介紹，明確了教育元宇宙的數(shù)字技術(shù)進階性。最后，文章以廣東省G大學(xué)“虛擬現(xiàn)實設(shè)計”課程為案例，并以“元宇宙黨史游覽館”為課程的實踐主題，開展了為期四周的教學(xué)實踐，通過問卷調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，驗證了教育元宇宙在三項核心技術(shù)維度上的教學(xué)有效性。文章構(gòu)建的教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型在技術(shù)維度上凸顯了元宇宙的教育優(yōu)勢，可為教育元宇宙的設(shè)計、開發(fā)、應(yīng)用研究提供借鑒。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型；教育元宇宙；數(shù)字物聯(lián)；數(shù)字人聯(lián)；數(shù)字智聯(lián)

引言

2021年，教育部發(fā)布《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)程目標(biāo)綱要》，明確提出全面推進“數(shù)字中國”目標(biāo)，加快數(shù)字社會、數(shù)字經(jīng)濟、數(shù)字政府建設(shè)，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體推進生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革[1]。數(shù)字化轉(zhuǎn)型對于整個社會來說是一種系統(tǒng)性的變革，教育也應(yīng)融入數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大趨勢中，由此教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的理念應(yīng)運而生。教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型旨在將數(shù)字技術(shù)整合到教育的各個層面，從供給驅(qū)動變?yōu)樾枨篁?qū)動，實現(xiàn)教育的優(yōu)質(zhì)與均衡發(fā)展，形成開放性、適應(yīng)性、靈活性、持續(xù)性的數(shù)字教育生態(tài)。在此背景下，利用適切的數(shù)字技術(shù)進行數(shù)字化場景、活動、資源的設(shè)計，能夠為教學(xué)改革與學(xué)習(xí)者培養(yǎng)提供重要支撐。

在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，教育元宇宙成為重要的發(fā)展變量。教育元宇宙是一種虛實融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，不僅打破了教學(xué)空間的物理邊界[2]、創(chuàng)設(shè)了學(xué)習(xí)者的數(shù)字化身[3]、增強了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗與具身認(rèn)知能力[4]，具有整合學(xué)習(xí)者、物理空間、虛擬空間、數(shù)字世界四元空間為統(tǒng)一整體的技術(shù)特征[5]，而且突破了以往在線教育的技術(shù)限制，能有效解決當(dāng)前在線教學(xué)存在的一些問題，因此元宇宙也是一種更加高階的教學(xué)形態(tài)?；诖耍狙芯烤劢菇逃钪娴幕A(chǔ)數(shù)字技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的進階，探究該環(huán)境中各種數(shù)字技術(shù)對學(xué)習(xí)者的促進作用。

一 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型的構(gòu)建

1 元宇宙的教育賦能作用

依托5G網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、人工智能等技術(shù)的融合，元宇宙成為了數(shù)字技術(shù)發(fā)展的最新形態(tài)，其本質(zhì)是創(chuàng)建一個平行于現(xiàn)實世界的在線數(shù)字空間[6]。元宇宙可以為教育的正式與非正式學(xué)習(xí)提供新場景，解決低效線上互動、低參與率、注意力流失等在線教學(xué)問題。在教育賦能方面，元宇宙為教育發(fā)展提供了嶄新的應(yīng)用場景[7]：①基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，進一步整合基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)與硬件、軟件、數(shù)據(jù)的形態(tài)[8]；②網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)方面，融入智能分析技術(shù)，開展多模態(tài)智慧課堂、虛擬沉浸式學(xué)習(xí)等智能化教學(xué)課程形式[9]；③教學(xué)資源共享方面，以區(qū)塊鏈為支撐，通過學(xué)習(xí)積分、數(shù)字徽章等[10]，為學(xué)習(xí)行為共識提供認(rèn)證依據(jù)；④學(xué)習(xí)互動方面，依托元宇宙創(chuàng)建的數(shù)字化身，開展沉浸式學(xué)習(xí)[11]。雖然元宇宙獲得了學(xué)界的關(guān)注，但眾多研究者依然對元宇宙抱有疑惑、焦慮的態(tài)度[12]，否定教育一味追逐新技術(shù)的發(fā)展思路[13]。那么，元宇宙能夠在多大程度上發(fā)揮教學(xué)效果呢？對于此問題，有必要從元宇宙對技術(shù)發(fā)展的作用、對學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展的作用等角度進行探討。

2 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型

教育元宇宙之所以能夠成為重要的發(fā)展趨勢，關(guān)鍵在于其技術(shù)的進階性和認(rèn)知的發(fā)展性：一方面，教育元宇宙是一種進階的技術(shù)形態(tài)。西方科學(xué)哲學(xué)家Popper[14]提出人類實踐形態(tài)理論，認(rèn)為人類開展實踐的形態(tài)有三種，即物理世界、心理世界、虛擬世界。從教育技術(shù)的視角來看，物理世界、心理世界向虛擬世界發(fā)展是一種技術(shù)進階的過程。進一步而言，在物理世界中構(gòu)建軟、硬件集成的智慧學(xué)習(xí)空間，可為深度學(xué)習(xí)模型提供支撐（物理世界建設(shè)）[15]；通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，形成面向心理世界的知識進化模型[16]，可達(dá)到學(xué)習(xí)者高效認(rèn)知的目的（心理世界建設(shè)）；而在虛擬環(huán)境中融入數(shù)字孿生、虛實學(xué)習(xí)、虛擬化身、數(shù)字人助理的教育服務(wù)[17]，可在物理、心理兩個維度實現(xiàn)超越，產(chǎn)生更高的技術(shù)進階形態(tài)（虛擬世界建設(shè)）。人類實踐形態(tài)理論很好地解釋了元宇宙在技術(shù)進階過程中所帶來的教育效能，即以虛擬世界融合物理世界和心理世界，實現(xiàn)技術(shù)發(fā)展的進階。另一方面，教育元宇宙也是一種能有效促進認(rèn)知發(fā)展的教育形態(tài)。具身認(rèn)知理論（Embodied Cognition）被認(rèn)為是VR、AR、MR等虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論，該理論強調(diào)人的學(xué)習(xí)活動不是獨立存在的，而是依托于具體的環(huán)境。環(huán)境為人提供感知經(jīng)驗[18]，而虛擬現(xiàn)實的具身環(huán)境又進一步影響人的各種身體感官[19]，提供更加豐富的感知經(jīng)驗，人類認(rèn)知發(fā)展以感覺、知覺經(jīng)驗的積累為基礎(chǔ)，“環(huán)境”“人的身體”“認(rèn)知”三要素形成了自組織的統(tǒng)一整體[20]。具身認(rèn)知理論對元宇宙的具身學(xué)習(xí)解釋依然適用，并且元宇宙的技術(shù)特性可以獲得更強的學(xué)習(xí)體驗，進而能夠?qū)崿F(xiàn)認(rèn)知的進階式發(fā)展。

技術(shù)的進階性與認(rèn)知的發(fā)展性，使人類實踐形態(tài)理論與具身認(rèn)知理論成為教育元宇宙的理論基礎(chǔ)，不僅可以解釋元宇宙為何優(yōu)于其他技術(shù)形式，而且解答了教育元宇宙“因何有效”的問題。人類實踐形態(tài)理論的三要素與具身認(rèn)知理論的三要素存在共通之處，主要表現(xiàn)為：“物理世界”和“環(huán)境”都將元宇宙的教育環(huán)境作為影響對象，“心理世界”和“人的身體”都將元宇宙的學(xué)習(xí)者作為影響對象，“虛擬世界”和“認(rèn)知”都將元宇宙的算法智聯(lián)作為影響對象。由此可見，兩個理論中的三要素既相互聯(lián)系、又具有相似的發(fā)展邏輯，且后環(huán)節(jié)要素以前一環(huán)節(jié)要素為基礎(chǔ)，并對前一環(huán)節(jié)要素產(chǎn)生影響。

基于上述人類實踐形態(tài)理論、具身認(rèn)知理論及其三要素之間的關(guān)系梳理，本研究總結(jié)提出教育元宇宙的三個核心技術(shù)：①數(shù)字物聯(lián)技術(shù)（Digital Internet of Things Technology，DITT），是構(gòu)建元宇宙軟、硬件環(huán)境的物聯(lián)基礎(chǔ)技術(shù)，實踐了物理世界與虛擬世界的聯(lián)系，在技術(shù)層面實現(xiàn)了實物與虛擬的信息聯(lián)結(jié)，在教育層面可應(yīng)用于虛實傳感、虛實識別、虛實計算與虛實分析等方面；②數(shù)字人聯(lián)技術(shù)（Digital Internet of People Technology，DIPT），是構(gòu)建元宇宙學(xué)習(xí)者人際交流的人聯(lián)基礎(chǔ)技術(shù)，實踐了人與人的聯(lián)系，在技術(shù)層面實現(xiàn)了數(shù)字化身之間的交流網(wǎng)絡(luò)，在教育層面可應(yīng)用于人際互聯(lián)、人際溝通、人際協(xié)同與人際分析等方面；③數(shù)字智聯(lián)技術(shù)（Digital Internet of Minds Technology，DIMT），是構(gòu)建元宇宙內(nèi)部算法的智聯(lián)基礎(chǔ)技術(shù)，實踐了環(huán)境與人認(rèn)知的聯(lián)系，在技術(shù)層面實現(xiàn)了知識表征與算法生成的智能性水平，在教育層面可應(yīng)用于知識標(biāo)識、知識表征、算法智能和類腦智能等方面。這三個核心技術(shù)與人類實踐形態(tài)理論、具身認(rèn)知理論的三要素存在對應(yīng)關(guān)系，分別為三個核心技術(shù)的內(nèi)涵提供了理論解釋，并且上述理論三要素的內(nèi)在進階性也進一步解釋了三種核心技術(shù)存在進階關(guān)系。基于上述理論分析，本研究提出教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型，如圖1所示。

圖1 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型

在教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型中，數(shù)字物聯(lián)技術(shù)是基礎(chǔ)技術(shù)，數(shù)字人聯(lián)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，而數(shù)字智聯(lián)技術(shù)是高階技術(shù)。三個核心技術(shù)都以數(shù)字物聯(lián)網(wǎng)為支撐，且互為聯(lián)系形成了數(shù)字人聯(lián)網(wǎng)，使元宇宙教育得以規(guī)?；瘧?yīng)用，并不斷積累算法促進數(shù)字智聯(lián)網(wǎng)的成熟。當(dāng)前，教育元宇宙尚未完成技術(shù)進階，但已出現(xiàn)諸多基礎(chǔ)技術(shù)交叉融合的趨勢。下文將詳細(xì)介紹元宇宙數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)及其在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用。

二 元宇宙數(shù)字物聯(lián)技術(shù)及其教育應(yīng)用

學(xué)習(xí)者沉浸于元宇宙需借助一定的物理設(shè)備，物理設(shè)備為“物理對象”與“信息溝通”提供聯(lián)系，學(xué)習(xí)者通過基于物理設(shè)備的數(shù)字物聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)信息要素的屬性聯(lián)結(jié)。數(shù)字物聯(lián)技術(shù)是指通過各種信息傳感設(shè)備，實時采集所需物理信息的技術(shù)[21]。數(shù)字物聯(lián)技術(shù)可以將一切物品數(shù)字化，將教育交互從“實有范式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎ヂ?lián)范式”[22][23]。傳統(tǒng)課堂的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境僅能夠滿足基本的識別，而數(shù)字物聯(lián)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)物理設(shè)備與應(yīng)用的泛在化[24]——采用該技術(shù)支持的物理過程模型和設(shè)備推理模型對教學(xué)特征、行為與環(huán)境進行分析，可以實現(xiàn)傳感器與管理平臺的智能通信[25]。

1 數(shù)字物聯(lián)技術(shù)的虛實傳感與識別

數(shù)字物聯(lián)的核心技術(shù)是傳感與識別技術(shù)。元宇宙的虛實傳感與識別是將傳感技術(shù)與元宇宙環(huán)境進行融合，通過現(xiàn)實傳感硬件與模擬信號進行傳輸，實現(xiàn)實體和虛擬對象的傳感與信號識別，達(dá)到“以實控虛”或“以虛控實”的互動目的。例如，厲動體感控制器（Leap Motion）能夠讓使用者通過體感操作實現(xiàn)對虛擬物件的控制，在任何涉及使用控制器的元宇宙環(huán)境都可以利用其軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）來定義手勢動作[26]，制造沉浸進階的學(xué)習(xí)臨場感；另外，對體感控制器SDK的各種手勢動作也可以進行個性化定義，當(dāng)使用者利用控制器進行虛擬控制時，即可根據(jù)定義的個性化指令來識別其行為[27]。

2 數(shù)字物聯(lián)技術(shù)的虛實計算與分析

傳感與識別是物聯(lián)技術(shù)的重點，而未來數(shù)字物聯(lián)技術(shù)的發(fā)展重點將集中在計算與分析方面。計算與分析技術(shù)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在教育領(lǐng)域已有教育環(huán)境分析、師生特征分析、師生行為分析等應(yīng)用。元宇宙環(huán)境下，學(xué)習(xí)者的計算與行為分析具有較大的應(yīng)用價值，通過元宇宙獨有的沉浸環(huán)境能夠解決在線教育的諸多難題，這是發(fā)揮元宇宙教育賦能作用的重要方向。例如，以虛擬化身的生理信號表征學(xué)習(xí)者本身的行為特點，可以結(jié)合數(shù)字物聯(lián)技術(shù)進行基于心電的學(xué)習(xí)情緒模型分析、基于腦電的認(rèn)知投入度模型分析等[28]。

三 元宇宙數(shù)字人聯(lián)技術(shù)及其教育應(yīng)用

學(xué)習(xí)者看到彼此的虛擬形象并能夠進行溝通，這是教育元宇宙的顯著優(yōu)勢。人類通過元宇宙進行“人”與“人”的溝通，學(xué)習(xí)者基于數(shù)字人聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)人際要素的屬性聯(lián)結(jié)，為現(xiàn)實世界和虛擬世界中的人際互聯(lián)、溝通、協(xié)同提供了通道。數(shù)字人聯(lián)技術(shù)以去中心化技術(shù)為基礎(chǔ)，使用者成為應(yīng)用程序的終端服務(wù)對象，同時成為應(yīng)用程序聯(lián)結(jié)的中間服務(wù)因素[29]。在元宇宙數(shù)字化身的“人聯(lián)”網(wǎng)絡(luò)中，“人聯(lián)”既是一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[30]，同時也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對象[31]，群體情緒和行為通過網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生“擴音”的效果[32]。

1 數(shù)字人聯(lián)技術(shù)的人際互聯(lián)與溝通

數(shù)字人聯(lián)技術(shù)的主要功能是為使用者提供互聯(lián)與溝通的橋梁：①元宇宙數(shù)字人聯(lián)技術(shù)中的人際互聯(lián)既有依賴于5G技術(shù)的信息傳輸，也有通過視覺、聽覺進行的多種感官交互，實現(xiàn)了多媒體的人際互聯(lián)。②數(shù)字人聯(lián)技術(shù)所創(chuàng)建的人際溝通創(chuàng)造了一種用戶價值，在元宇宙中不僅網(wǎng)絡(luò)有價值，人與人的聯(lián)系也存在價值，并且人與人聯(lián)系的產(chǎn)物也是有價值的，這種人際網(wǎng)絡(luò)凸顯了人與人聯(lián)系的價值性。③元宇宙的虛擬環(huán)境為學(xué)習(xí)者營造了較強的“在場”感（Contextualized Copresence），這源于學(xué)習(xí)者根據(jù)同伴反饋進行感知覺調(diào)整的機制[33]。這種在場感讓學(xué)習(xí)者在元宇宙中體驗的沉浸感更強烈，不僅加強了數(shù)字人聯(lián)技術(shù)支持的人際互聯(lián)與溝通，而且在一定程度上解決在線教學(xué)中學(xué)習(xí)者參與度和關(guān)注度不高的問題[34]。

2 數(shù)字人聯(lián)技術(shù)的人際協(xié)同與分析

在人際互聯(lián)與溝通的基礎(chǔ)上，人與人之間形成的交互網(wǎng)絡(luò)能夠通過人際協(xié)同解決現(xiàn)實問題。教育技術(shù)對人際協(xié)同的輔助，主要包括小組協(xié)同、共同體協(xié)同和社會網(wǎng)絡(luò)協(xié)同[35]。其中，基于體感技術(shù)的小組學(xué)習(xí)屬于小組協(xié)同，基于網(wǎng)絡(luò)社群的教師發(fā)展共同體屬于共同體協(xié)同[36]，基于大規(guī)模在線課程的知識共創(chuàng)屬于社會網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，而元宇宙能夠涵蓋以上三種層次的人際協(xié)同，甚至可以實現(xiàn)虛擬化身之間的虛擬協(xié)同。對于人際協(xié)同成效的驗證，考慮到人類行為具有不可預(yù)測、隨機性的特點，可采用熵值法（Entropy Method）進行分析。熵值法是一種客觀賦權(quán)的方法，能夠?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)的不確定進行度量。對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進學(xué)習(xí)者的效果驗證，已有研究通過六類VR設(shè)備硬件因素、軟件因素、行為意向因素的熵值分析，驗證了虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有較好的教學(xué)成效[37]，可為元宇宙環(huán)境下的人際協(xié)同分析提供參考。

四 元宇宙數(shù)字智聯(lián)技術(shù)及其教育應(yīng)用

智能性是元宇宙的基本特征，同時也是元宇宙在教育領(lǐng)域發(fā)揮作用的重要支撐。人類通過元宇宙進行“知識體系”與“機器智能”的構(gòu)建，學(xué)習(xí)者基于數(shù)字智聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)知識要素的屬性聯(lián)結(jié)，并在人類知識與虛擬空間中的知識之間建立聯(lián)系。數(shù)字智聯(lián)技術(shù)是構(gòu)建知識與智能自動化的核心系統(tǒng)，其關(guān)鍵任務(wù)是在多種人工智能基礎(chǔ)技術(shù)的支持下進行知識獲取、知識表達(dá)和知識交換，以建立包括物、人、機器在內(nèi)的智能實體之間的語義聯(lián)結(jié)，并實現(xiàn)不同智能體之間知識的互聯(lián)互通[38]。

1 數(shù)字智聯(lián)技術(shù)的知識標(biāo)識與表征

虛擬世界呈現(xiàn)的是人類創(chuàng)造的一種人工世界，因此虛擬環(huán)境中的樣態(tài)是人類各種知識的標(biāo)識與表征。元宇宙用數(shù)據(jù)標(biāo)記知識，利用算法進行表征[39]，這就需要應(yīng)用數(shù)字智聯(lián)技術(shù)對知識進行管理。學(xué)習(xí)元（Learning Cell）是一種數(shù)字化資源標(biāo)識與表征形式，強調(diào)資源利用、信息采集和網(wǎng)絡(luò)共享。已經(jīng)具有完善設(shè)計框架的學(xué)習(xí)元可為元宇宙的知識管理提供借鑒[40]，尤其是其對“社會知識網(wǎng)絡(luò)”的定義可用于進一步細(xì)化元宇宙的知識結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)字智聯(lián)技術(shù)的算法智聯(lián)與類腦智能

元宇宙中數(shù)字環(huán)境與數(shù)字化身的運行規(guī)則是由算法定義的。根據(jù)內(nèi)外共生進化算法的設(shè)計思路[41]，數(shù)字智聯(lián)技術(shù)的算法可分為內(nèi)嵌算法和外嵌算法。經(jīng)過內(nèi)嵌算法與外嵌算法的不斷組合、優(yōu)化，便可構(gòu)建具有初級智能水平的“類腦”智能體。類腦智能（Cybernetic Brain，Cybrain）是以計算建模為手段，通過軟、硬件協(xié)同實現(xiàn)神經(jīng)擬態(tài)的一種機器智能[42]。當(dāng)元宇宙的數(shù)字人和虛擬環(huán)境建設(shè)達(dá)到一定規(guī)模時，內(nèi)嵌算法與外嵌算法便可實現(xiàn)共生，算法的智聯(lián)則由靜態(tài)服務(wù)向動態(tài)生成發(fā)展，并達(dá)到初級的類腦智能水平。本研究案例部分所選取的虛幻引擎平臺（Unreal Engine），提供的就是具有初級類腦智能水平的應(yīng)用。

五 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型的實踐案例

為驗證教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型的有效性，本研究依托虛幻引擎平臺，將元宇宙數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)和數(shù)字智聯(lián)技術(shù)融入具體的教學(xué)實踐。虛幻引擎平臺是由美國藝鉑（Epic Games）公司于1998年發(fā)布的游戲開發(fā)平臺，擁有比較先進的三維環(huán)境創(chuàng)作工具和數(shù)字人創(chuàng)作工具，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于游戲、影視、醫(yī)療、建筑、教育等領(lǐng)域。

1 實踐設(shè)計

（1）教學(xué)設(shè)計

本研究以廣東省G大學(xué)教育技術(shù)學(xué)專業(yè)的必修課“虛擬現(xiàn)實設(shè)計”課程為案例，并以“元宇宙黨史游覽館”為課程的實踐主題，開展了為期四周的教學(xué)實踐。本研究采用虛幻引擎平臺作為元宇宙開發(fā)環(huán)境，并使用HTC Vive虛擬現(xiàn)實眼鏡作為沉浸式設(shè)備。

（2）數(shù)字物聯(lián)模塊設(shè)計

數(shù)字物聯(lián)模塊設(shè)計主要是對學(xué)習(xí)者使用的教具、觀看的教學(xué)媒體和實現(xiàn)虛實結(jié)合的控制器進行物聯(lián)設(shè)計，包括：

①教具物聯(lián)設(shè)計。本研究設(shè)計了黨史學(xué)習(xí)卡，這是一種能提供虛擬化三維（Objective 3D，OBJ）模型的實物卡片。學(xué)習(xí)者通過掃描學(xué)習(xí)卡上的二維碼，可以查看虛擬化OBJ模型，且該模型會自動導(dǎo)入到虛幻引擎平臺。

②教學(xué)媒體物聯(lián)設(shè)計。將虛擬化OBJ模型導(dǎo)入虛幻引擎平臺后，通過平臺上的相關(guān)工具和按鈕制作虛擬的媒體展示設(shè)備，包括將平板工具設(shè)置為Media Player屬性、在藍(lán)圖中設(shè)計開關(guān)按鈕命令（Pressed/Released）、創(chuàng)建Media變量并聯(lián)結(jié)Open source函數(shù)、調(diào)用On Component Begin Overlap函數(shù)、設(shè)置循環(huán)參數(shù)等。通過上述操作，可以實現(xiàn)元宇宙環(huán)境對實物媒體與虛擬媒體的協(xié)同控制。

③控制器物聯(lián)設(shè)計。為提高沉浸性，本研究將厲動體感控制器引入元宇宙控制系統(tǒng)以代替鼠標(biāo)操作，并直接在電腦中安裝厲動體感控制器的手勢操作應(yīng)用。在虛幻引擎平臺上打開厲動體感控制器接口，學(xué)習(xí)者即可通過自己的手勢實現(xiàn)對虛擬化身相應(yīng)手勢的操作控制。

（3）數(shù)字人聯(lián)模塊設(shè)計

數(shù)字人聯(lián)模塊主要用于輔助學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實世界的溝通、交流與協(xié)作，包括：

①虛擬化身的創(chuàng)建。本研究采用手工建模方法，首先根據(jù)現(xiàn)實人的特征進行建模，搭建虛擬化身的基本骨架，并將骨架模型導(dǎo)入虛幻引擎平臺；然后在元宇宙場景中創(chuàng)建虛擬化身網(wǎng)格體，并根據(jù)網(wǎng)格體匹配骨架；最后對骨架的骨骼進行活動范圍和骨骼掛件設(shè)計，如圖2所示。

圖2 虛擬化身的創(chuàng)建

圖3 黨史學(xué)習(xí)元宇宙場景

②虛擬化身算法設(shè)計。在虛幻引擎中設(shè)計虛擬化身的行為規(guī)則，行為規(guī)則以虛幻引擎的藍(lán)圖（Blueprint）功能為基礎(chǔ)得到實現(xiàn)。對虛擬化身人聯(lián)性的設(shè)計主要是按鍵控制器動作，包括自由移動、對話及互動行為，這些行為調(diào)用了三類變量：以浮點變量獲得虛擬化身在場景中的相對位置、以BOOL變量設(shè)計虛擬化身的控制命令、以O(shè)bject對象變量輸出虛擬化身做出相應(yīng)行為。

③黨史學(xué)習(xí)元宇宙場景設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)有的黨史學(xué)習(xí)室的空間布局進行元宇宙場景設(shè)計，并充分利用墻面用來展示黨史學(xué)習(xí)卡，以支撐后續(xù)基于場景進行的學(xué)習(xí)活動，如圖3所示。

（4）數(shù)字智聯(lián)模塊設(shè)計

數(shù)字智聯(lián)模塊主要用于本案例中各種環(huán)境、學(xué)習(xí)對象和學(xué)習(xí)者要素的表征設(shè)計，賦予環(huán)境、數(shù)字人以算法，使之可以與學(xué)習(xí)者進行交互，主要包括：

①知識表征設(shè)計。本研究通過虛幻引擎平臺創(chuàng)建知識元，將知識元屬性分為五種類型，即對象屬性、通用類屬、資產(chǎn)屬性、藍(lán)圖算法、共享屬性，分別對應(yīng)案例中的知識屬性、知識互動形態(tài)、知識媒體形態(tài)、知識智能式互動方法、知識發(fā)布渠道。

②智能體構(gòu)建。對虛擬化身下達(dá)循環(huán)命令，根據(jù)虛擬化身的活動進行算法啟動與關(guān)閉（On/Off），使之具有初級的類腦智能水平。對于機器人智能體主要調(diào)用Object對象的AI運動算法，并利用Object對象的Delay延遲算法進行智能自循環(huán)、利用BOOL變量和Float浮點型變量進行輔助支撐，最終實現(xiàn)初級智能導(dǎo)師的構(gòu)建。

2 實踐過程

2022年秋季學(xué)期，本研究團隊開展了具體的教學(xué)實踐，主要基于元宇宙環(huán)境開展序列型指引、綜合型探究、眾創(chuàng)型建構(gòu)三種學(xué)習(xí)活動，實踐周期為四周。

①第一周開展序列型指引活動：指導(dǎo)學(xué)習(xí)者按序列型步驟分步學(xué)習(xí)，熟悉虛幻引擎平臺，觀察目標(biāo)測試原型，熟悉物聯(lián)設(shè)計的操作。

②第二周開展綜合型探究活動：指導(dǎo)學(xué)習(xí)者根據(jù)已有原型進行黨史學(xué)習(xí)場館搭建和虛擬化身人物建模，并通過小組合作搭建、完善、優(yōu)化虛擬化身。

③第三周開展眾創(chuàng)型建構(gòu)活動：指導(dǎo)學(xué)習(xí)者以小組為單位，根據(jù)前兩周成果進行黨史學(xué)習(xí)活動設(shè)計，要求活動體現(xiàn)智聯(lián)特征，尤其是黨史的知識表征和虛擬化身的AI設(shè)計要具有智聯(lián)性。

④最后一周為作品分享：學(xué)習(xí)者通過作品的匯報提高協(xié)同驅(qū)動力，并在后續(xù)優(yōu)化作品。

3 實踐效果分析

本案例的實踐效果分析采用問卷調(diào)查法。參考“基于VR技術(shù)的教學(xué)效果問卷”[43]，針對教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型的成效，本研究設(shè)計了“教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階效果調(diào)查問卷”，具體包括3個一級指標(biāo)、10個二級指標(biāo)，共70道題目，如表1所示。為檢查無效數(shù)據(jù)、提高研究效度，本研究設(shè)計了7道反向測試題。經(jīng)計算，問卷總的Cronbach’s α值=0.92，表明問卷的信度較高；KMO值=0.713＞0.5，值=0＜0.05，表明問卷具有較好的結(jié)構(gòu)效度。

表1 教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階效果調(diào)查問卷設(shè)計

注：(R)表示反向測試題。

本次問卷調(diào)查以G大學(xué)教育技術(shù)學(xué)專業(yè)2020級參與案例課程學(xué)習(xí)的某班學(xué)生為調(diào)查對象，該班共45人，其中女生31人、男生14人。本研究通過面對面方式發(fā)放問卷45份，回收有效問卷45份，問卷有效率為100%。本研究采用SPSS 22.0進行問卷數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)果如表2所示。

表2 問卷調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果

①在指標(biāo)評價方面，3個一級指標(biāo)、10個二級指標(biāo)的均值都大于平均水平（＞3），表明教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階效果獲得了被調(diào)查者的積極正面評價。但是，3個一級指標(biāo)在成效高低上存在差異：數(shù)字物聯(lián)技術(shù)效果、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)效果的均值明顯高于數(shù)字人聯(lián)技術(shù)效果，表明案例的數(shù)字物聯(lián)、數(shù)字智聯(lián)成效優(yōu)于數(shù)字人聯(lián)成效。

②效應(yīng)量評價方面，將各二級指標(biāo)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差與前測平均水平的均值、標(biāo)準(zhǔn)差進行比較之后得到效應(yīng)量值（Cohen’s D），該值處于0～1的范圍內(nèi)，數(shù)值越高，表明指標(biāo)的效度越高。其中，感知有用性（0.71）、臨場感（0.51）、心流（0.48）、眩暈（0.42）分值較高，而感知易用性（0.22）、認(rèn)知發(fā)展（0.08）分值較低，其他指標(biāo)處于相對平均的水平，說明被調(diào)查者認(rèn)為案例中所建構(gòu)的教育元宇宙環(huán)境對學(xué)習(xí)有用且臨場感強，但在易用性和促進認(rèn)知發(fā)展的設(shè)計上仍有待進一步加強。

③模型擬合度方面，本研究提出教育元宇宙數(shù)字進階的假設(shè)模型，即元宇宙賦能教育主要依賴數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)，并且這三個核心技術(shù)具有“物聯(lián)→人聯(lián)→智聯(lián)”技術(shù)進階的單向指向關(guān)系。之后，本研究采用SPSS Amos 22.0進行基于結(jié)構(gòu)方程模型的模型擬合度檢驗，獲得相關(guān)檢驗統(tǒng)計量如下：絕對適配度指數(shù)RMSEA、SRMR均小于0.1，增值適配度指數(shù)CFI、TLI、IFI均大于0.9，表明模型整體擬合度好。也就是說，本研究所提出的理論模型與實際調(diào)查數(shù)據(jù)具有較好的擬合度，教育元宇宙數(shù)字進階的假設(shè)模型得到了較好的支持。

六 結(jié)語

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是對傳統(tǒng)教育組織形式、教學(xué)模式和學(xué)習(xí)范式的系統(tǒng)化革新，涉及教與學(xué)全要素、全流程、全領(lǐng)域的整體性推進，而數(shù)字技術(shù)深度融入教育過程是推進教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵步驟。教育元宇宙作為能夠整合多種技術(shù)的教學(xué)環(huán)境，具有諸多技術(shù)優(yōu)勢，對變革教學(xué)方式與學(xué)習(xí)方式具有重要作用。

本研究聚焦于教育元宇宙的技術(shù)進階性，基于人類實踐形態(tài)理論和具身認(rèn)知理論，提出教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型。該模型包含三個核心技術(shù)，即數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)，它們均在教育領(lǐng)域進行了應(yīng)用。為驗證教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型的成效，本研究選取廣東省G大學(xué)的“虛擬現(xiàn)實設(shè)計”課程作為案例，以“元宇宙黨史游覽館”為課程的實踐主題，開展了為期四周的教學(xué)實踐。“教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階效果調(diào)查問卷”的數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示教育元宇宙的數(shù)字物聯(lián)技術(shù)、數(shù)字人聯(lián)技術(shù)、數(shù)字智聯(lián)技術(shù)應(yīng)用取得了較好的教學(xué)成效，并且通過基于結(jié)構(gòu)方程模型的模型擬合度檢驗得出本研究所提出的理論模型與實際調(diào)查數(shù)據(jù)具有較好的擬合度，由此進一步驗證了教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型的有效性。

但是，本研究也存在一定的局限性，如教育元宇宙的數(shù)字進階尚未完成，一些核心技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用還不夠深入，有待進一步探索教育元宇宙相關(guān)技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合；雖已進行教育元宇宙數(shù)字技術(shù)進階模型的案例研究，但后續(xù)研究需要擴大樣本量并豐富研究維度，以驗證理論模型的多維有效性。當(dāng)前，元宇宙的教學(xué)應(yīng)用仍處于探索階段，但可以預(yù)見元宇宙賦能教育將發(fā)揮越來越重要的作用。期待在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，教育工作者能夠應(yīng)用教育元宇宙解決特定的教學(xué)問題，為實現(xiàn)我國教育的高質(zhì)量內(nèi)涵式發(fā)展提供堅實助力。

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Research on the Advanced Model of Digital Technology of Edu-metaverse under the Background of Digital Education Transformation

HUA Zi-xun1HUANG Mu-xiong2WU Peng-ze3[Corresponding Author]HUANG Jia-xin1

Under the background of digital transformation, the metaverse has been applied into the educational field, and its unique technological characteristics have an important role in promoting the reform of learning methods. In order to answer the question “why the edu-metaverse was effective”, this paper proposed the advanced model of digital technology of edu-metaverse based on the human practical morphology theory, embodied cognition theory and the carding of the relationship among the three elements. Then, the connotations of the three core technologies of this model, namely, digital internet of things technology, digital internet of people technology, and digital internet of mind technology, and their applications in the educational field were introduced step by step. Meanwhile, the advanced nature of digital technology of edu-metaverse was clarified. Finally, this paper carried out a four-week teaching practice by taking the “Virtual Reality Design” course of G University in Guangdong province as an example and further the “Tour Hall of the Party History of the Metaverse” as the practical theme. In addition, through questionnaire survey and data statistical analysis, the teaching effectiveness of edu-metaverse in the dimensions of the three core technologies was verified. The advanced model of digital technology of educational meteverse constructed in this paper highlighted the educational advantages of the metaverse, which could provide reference for the design, development, and application research of edu-metaverse.

digital transformation; edu-metaverse; digital internet of things; digital internet of people; digital internet of mind

G40-057

A

1009—8097（2023）01—0029—11

10.3969/j.issn.1009-8097.2023.01.003

本文為國家社會科學(xué)基金“十四五”規(guī)劃2022年度教育學(xué)一般課題“數(shù)據(jù)驅(qū)動下中小學(xué)教師智能教育素養(yǎng)提升路徑與機制研究”（項目編號：BCA220207）的階段性研究成果。

華子荀，系主任，講師，博士，研究方向為教育元宇宙、跨學(xué)科（STEAM）教育、互動媒體教學(xué)，郵箱為huazixun@gdei.edu.cn。

2022年10月31日

編輯：小米