指向工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)的教育元宇宙：技術(shù)路向與因應(yīng)策略

侯浩翔?王旦

摘 要：促進工科學生的創(chuàng)新素養(yǎng)提升是我國應(yīng)對“卡脖子”難題和實現(xiàn)科技創(chuàng)新的必由之路。承襲數(shù)字化的技術(shù)理念與游戲化的設(shè)計思維，教育元宇宙呈現(xiàn)出沉浸式虛實交互體驗、多元化技術(shù)高度融合以及趣味化探究的特征，在促進工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)方面具有顯著優(yōu)勢。在教師的組織設(shè)計引導(dǎo)下，創(chuàng)設(shè)虛實交互的學習環(huán)境，激發(fā)工科學生創(chuàng)新思維發(fā)展；應(yīng)用多元融合的數(shù)字孿生技術(shù)，提升工科學生創(chuàng)新實踐能力；發(fā)揮元宇宙游戲化、趣味化的技術(shù)屬性，助力工科學生創(chuàng)新精神品質(zhì)養(yǎng)成。為發(fā)揮教育元宇宙對工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)的支持作用，提出建立教育元宇宙協(xié)同發(fā)展體系，革新教學模式并推動教師教學能力提升，借鑒虛擬學習場景數(shù)據(jù)反饋，完善學生創(chuàng)新素養(yǎng)評價機制，明確虛擬身份準入認證規(guī)則，化解師生隱私安全風險等因應(yīng)策略。

關(guān)鍵詞：教育元宇宙；創(chuàng)新素養(yǎng)；工科學生；數(shù)字孿生；沉浸式體驗

適應(yīng)建設(shè)世界重要人才中心和創(chuàng)新高地、克服“卡脖子”難題及關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)實需求，創(chuàng)新人才培養(yǎng)成為我國教育高質(zhì)量發(fā)展的重要事項。培養(yǎng)大批具有科技創(chuàng)新素養(yǎng)的工程學科人才成為我國實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、實現(xiàn)高水平科技自立自強、打贏關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅戰(zhàn)的必然路徑。傳統(tǒng)的課堂教學滿足于知識的灌輸、應(yīng)試能力的培養(yǎng)，與探索求新的創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)相抵觸。元宇宙、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等數(shù)字化技術(shù)日益深入學習環(huán)境中，成為區(qū)別于傳統(tǒng)課堂教學場域的最明顯特征，與強調(diào)創(chuàng)新創(chuàng)造、實踐操作的學生創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)具有本質(zhì)上的聯(lián)系。特別是在新冠疫情期間，虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實設(shè)備等元宇宙技術(shù)在工程專業(yè)課程教學中發(fā)揮了重要作用，保障了正常的工程教學實踐。為應(yīng)對現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的時代背景，麻省理工學院于2017年啟動實施新工程教育變革計劃（New Engineering Education Transformation，NEET），旨在重新構(gòu)建本科工程教育，利用智能機器、物聯(lián)網(wǎng)、新型材料設(shè)計與制造、智慧城市、AI（人工智能）驅(qū)動的醫(yī)療診斷等基于項目的課程建構(gòu)（Project-Centric Curricular Construct）體系，改變傳統(tǒng)以機械、化學、電氣為主的工程教育課程形式，使工科學生的發(fā)明創(chuàng)造、創(chuàng)新思想、批判與元認知發(fā)展等11項創(chuàng)新能力得以提升?？梢娦屡d的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為變革工程教育教學方式、推動工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)提升的重要支撐。

元宇宙是第三代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型發(fā)展形態(tài)，融合了全息講臺教學、遠程擬真教學、鏡面互動教學等虛實相通的協(xié)作教學平臺，引入全息投影膜和佩珀爾幻象（Peppers Ghost）等全息顯示技術(shù)等多項技術(shù)應(yīng)用，將多元化前沿技術(shù)融合為終極數(shù)字媒介，鏈接虛擬世界并復(fù)制現(xiàn)實場景，基于主體、場景、技術(shù)等要素構(gòu)建人機交互、虛實相融、具身沉浸的全息鏡像空間。區(qū)別于其他教育數(shù)字化技術(shù)，教育元宇宙以其沉浸體驗、虛實交互等技術(shù)優(yōu)勢吸引學生的學習興趣，使學生在虛擬場景創(chuàng)設(shè)、實踐活動參與中提升知識學習效果，促進思維發(fā)展和實踐能力鍛煉，并在趣味化、互動式的過程中培育持久堅韌的創(chuàng)新精神品質(zhì)。為明確教育元宇宙支持工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)發(fā)展的具體指向，本研究首先明確以下幾個問題，即：教育元宇宙的內(nèi)涵界定與技術(shù)特征如何概述？工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)的維度結(jié)構(gòu)包括哪些？教育元宇宙如何促進工科學生的創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)？在此基礎(chǔ)上，提出支持工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)的教育元宇宙發(fā)展路徑。

一、教育元宇宙的內(nèi)涵概述與技術(shù)特征

元宇宙概念并非源于學術(shù)創(chuàng)造，最早出現(xiàn)在1992年尼爾·斯蒂芬森（Neal Stephenson）的科幻小說《雪崩》（Snow Crash）中，小說中的人物化身為虛擬角色并在3D環(huán)境中活動，這種虛擬環(huán)境被稱為“Metaverse”，即存在于現(xiàn)實之外的虛擬現(xiàn)實。元宇宙的概念產(chǎn)生以后，社會各界對其進行廣泛的研究和探索。2006年，元宇宙加速研究基金會（Acceleration Studies Foundation，ASF）公布了元宇宙的發(fā)展路線圖，提出元宇宙的具體概念及類型，包括虛擬世界（Virtual Worlds）、鏡像世界（Mirror Worlds）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality）和生活記錄（Life logging）四個關(guān)鍵組成部分。增強現(xiàn)實空間構(gòu)成元宇宙的子集，形成虛擬環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境之間的“十字路口”。2008年發(fā)布的索利普斯（Solipsis）白皮書，介紹了使用對等拓撲創(chuàng)建大型虛擬環(huán)境系統(tǒng)的開源架構(gòu)，可以通過用戶界面訪問的虛擬世界大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施，將2D和3D結(jié)合到沉浸式互聯(lián)網(wǎng)中[1]。利用3D虛擬世界或元宇宙組成的大規(guī)模集成網(wǎng)絡(luò)，可以綜合調(diào)動人們的視覺、聽覺和觸覺沉浸式真實感受，成為與人類社會并行的虛擬世界[2]。教育元宇宙體現(xiàn)了數(shù)字化的技術(shù)哲學理念與游戲化的設(shè)計思維，其顯著優(yōu)勢是為師生創(chuàng)設(shè)一種沉浸化的教學活動空間，賦予相關(guān)教育參與群體數(shù)字化身份，延伸正式與非正式的虛擬教學環(huán)境，發(fā)揮虛擬技術(shù)的交互性、視聽性、持久性和沉浸性的優(yōu)勢，為師生打造現(xiàn)實世界與虛擬環(huán)境相互聯(lián)通的教學場域。結(jié)合教育元宇宙的虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，由松散連接的信息、格式和VRML、X3D等數(shù)據(jù)標準集合，生成側(cè)重于跨虛擬世界環(huán)境傳輸三維模型。從教育元宇宙的技術(shù)路徑出發(fā)，教育元宇宙既承接了虛擬現(xiàn)實、人工智能等技術(shù)優(yōu)勢，又適應(yīng)了數(shù)字孿生、全息技術(shù)等新型技術(shù)的發(fā)展趨勢，呈現(xiàn)出沉浸式學習體驗、高度技術(shù)融合和趣味化等顯著特征（見圖1）。

1．遵循具身認知的技術(shù)范式，彰顯沉浸式虛實交互的特征

基于具身認知的沉浸式教學體驗，成為教育元宇宙支持下課堂教學的新形態(tài)，將學生的身體感知和沉浸交互體驗作為教學過程中的重要考量，有助于提升學生的知識學習效果及認知發(fā)展。具身認知理論歷經(jīng)梅洛·龐蒂（Merleau Ponty）、威爾遜（Wilson）等人的系統(tǒng)建構(gòu)，注重身體感受與經(jīng)驗對認知提升的作用。梅洛·龐蒂以知覺現(xiàn)象學為依據(jù)，認為世界并非是由概念構(gòu)成的存在形式，而是在身體的支配下介入世界并作出反應(yīng)，身體作為人與外界溝通的媒介，身體的感知要遠勝于符號運算的效果[3]。身體不僅為認知發(fā)展提供了源泉，還影響著認知的內(nèi)容生成與發(fā)展方向。威爾遜（Wilson）更加明確地指出“活著的心智”（Mind on the Hoof）是依賴于認知和環(huán)境的實時交互產(chǎn)生的，離線認知（Off-line）是以身體作為基礎(chǔ)，脫離環(huán)境的心靈活動也是和環(huán)境共同作用之后的工作機制[4]。在教育元宇宙的技術(shù)支配下，同樣遵循具身認知的理論范式，沉浸體驗的元宇宙技術(shù)與教育用戶的身體、大腦以及環(huán)境相聯(lián)系。吉爾伯特（Gilbert）將虛擬技術(shù)概括為五個方面的特征，分別是具有3D圖形界面和集成音頻，支持大規(guī)模的多用戶遠程交互，即使沒有聯(lián)結(jié)特定用戶也能夠持續(xù)運行，環(huán)境及多感官現(xiàn)實主義創(chuàng)造了“身臨其境”的存在感，提供個性化的內(nèi)容創(chuàng)建工具及虛擬化體驗[5]。利用具身化的、交互式的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，沉浸式的學習場景能夠為學生提供更加真實的感受，對學習內(nèi)容進行分解式、條理化呈現(xiàn)；結(jié)合智能技術(shù)的信息捕捉，及時識別并掌握學生的學習動態(tài)和身體表現(xiàn)，精準化地提供教學反饋；寓身于境的具身化學習場景，使學生能夠在與協(xié)作對象的交互中開展知識內(nèi)容學習。

2．集成迭代技術(shù)發(fā)展層次，呈現(xiàn)高度的技術(shù)交融特征

元宇宙體現(xiàn)了高度的技術(shù)整合性特征，發(fā)端于數(shù)字游戲平臺與數(shù)字貨幣等集合式硬件技術(shù)，在5G網(wǎng)絡(luò)配置、沉浸設(shè)備、訪問與展示類設(shè)備、生物數(shù)據(jù)采集設(shè)備的基礎(chǔ)支撐下，呈現(xiàn)數(shù)字孿生、虛擬原生、虛實相融的技術(shù)發(fā)展層次。第一，元宇宙對于高端算力的需求，隨著云計算的應(yīng)用成熟而為算力集群提供了更多邊緣計算資源，進一步減輕了個人終端的計算壓力，促進終端設(shè)備向便攜化、高性能與并行化的方向轉(zhuǎn)變。第二，腦接口（Brain-Computer Interface，BCI）技術(shù)可以借助于虛擬現(xiàn)實和擴展現(xiàn)實終端賦予受教育者相對局部的感官體驗，實現(xiàn)一定程度上的腦機結(jié)合和感官交互共享。從人腦的運行機制來看，人們的所有感官接觸與行為反饋都是由大腦進行的信號處理，BCI可以直接通過人腦與技術(shù)裝備之間建立聯(lián)系，從而對大腦特定區(qū)域完成刺激后進行沉浸式的感官體驗。第三，云計算為元宇宙提供了充分的算力基礎(chǔ)，是用戶之間開展信息交流互換及通信的有效平臺，但對高性能的客戶端也提出了較高要求。網(wǎng)格模式下的OpenSim服務(wù)器支持構(gòu)建分布式游戲環(huán)境，在登錄時間與遠程傳輸方面均具有一定優(yōu)勢，能夠在開源軟件的支持下對服務(wù)器進行定制，使Second Life的兼容性得到保證。此外，OpenSim服務(wù)器以獨立模式和網(wǎng)格模式同時運行并輕松構(gòu)建虛擬世界，可以將其作為三維展示工具在課堂環(huán)境中使用。第四，區(qū)塊鏈可以為虛擬世界中的資產(chǎn)提供數(shù)字所有權(quán)證明，區(qū)塊鏈加密技術(shù)可以提供眾多關(guān)鍵功能來填補元宇宙中缺失的非同質(zhì)化代幣（NFT）[6]。NFT為教育元宇宙創(chuàng)設(shè)了無縫銜接的支付規(guī)則及結(jié)算系統(tǒng)，對教育數(shù)字資源加以標記和確認，維護師生數(shù)字化學習過程中的身份識別、數(shù)據(jù)記錄、隱私保護等權(quán)益。

3．整合游戲化工程教育理念，賦予探究過程的趣味性特征

元宇宙結(jié)合游戲化教育活動設(shè)計，在提高學生學習積極性及溝通合作能力方面效果顯著。工程教育游戲?qū)儆谝环N寓教于樂的教學活動設(shè)計，借此可以創(chuàng)建沉浸式的游戲場景，在激發(fā)學生創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作能力和自主性學習方面均具有積極作用[7]。結(jié)合工程教育游戲化設(shè)計和元宇宙技術(shù)，則進一步增強了工程教育游戲的沉浸式體驗和趣味性，伊斯坦特（Estudante）等利用元宇宙開展教育逃脫游戲，使學生在學習學科知識時進入知名學者索爾維（Solvay）的實驗室，學習化學反應(yīng)平衡、摩爾質(zhì)量概念等原理，借助于增強現(xiàn)實技術(shù)，該設(shè)備可以廣泛應(yīng)用到普通教室[7]。在利用教育元宇宙創(chuàng)建的學習環(huán)境中，文化背景、空間布局、虛擬任務(wù)和組織機構(gòu)的設(shè)計既與現(xiàn)實場景相類似，又呈現(xiàn)出數(shù)字孿生、智能互聯(lián)的虛實一體化特征。工科學生和其他參與者共同探索虛擬空間，開展趣味性、接近真實的游戲化學習活動。例如，Zepeto是基于3D頭像的增強現(xiàn)實虛擬形象服務(wù)，使用面部識別、增強現(xiàn)實和3D技術(shù)創(chuàng)建虛擬頭像與其他用戶開展交流，用戶通過智能技術(shù)自定義個性特征、面部表情等，進入教育游戲開展角色扮演。Roblox是世界上最大的多人在線游戲創(chuàng)作平臺，越來越多的用戶使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作游戲或應(yīng)用他人制作的游戲，用戶可以從游戲制作的過程中獲得Robux和Tix兩種虛擬貨幣。特別是在新冠疫情背景下，Roblox和Zepeto等元宇宙技術(shù)為無法外出的人們提供了新的社交空間，學生則在Zepeto系統(tǒng)中的“教室地圖”中開展學習活動[8]。在這些電子化游戲中，綜合采用了交互式、虛擬化、沉浸式的技術(shù)設(shè)備，涵蓋了工程、技術(shù)等多種學科，利用增強現(xiàn)實技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)游戲和現(xiàn)實世界相結(jié)合，便于工科學生在虛擬仿真世界中增強創(chuàng)新創(chuàng)造的興趣和信心。

二、工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)的維度結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新素養(yǎng)概念起源于現(xiàn)代創(chuàng)造力理論。20世紀50年代，吉爾福特（Guilford）率先提出現(xiàn)代創(chuàng)造力理論，在學術(shù)領(lǐng)域掀起“創(chuàng)造力研究”的熱潮。特麗莎·阿瑪貝爾（Teresa Amabile）在創(chuàng)造力研究領(lǐng)域取得卓有成效的研究成果[9]。在她提出的創(chuàng)造力結(jié)構(gòu)模型中，指出創(chuàng)造力是由領(lǐng)域技能、創(chuàng)造技能和任務(wù)動機構(gòu)成。領(lǐng)域技能是特定領(lǐng)域中所需的知識、行為準則、技能的操作技能等；創(chuàng)造技能是指創(chuàng)新創(chuàng)造過程中以及實踐問題解決中所需的創(chuàng)造性思維、認知能力和敏銳度；任務(wù)動機則是個體對從事創(chuàng)新活動所秉持的態(tài)度及相關(guān)心理反應(yīng)。林崇德對創(chuàng)造性的實質(zhì)進行總結(jié)，認為是個體對知識經(jīng)驗及思維材料的高度概括，隨后進行集中且系統(tǒng)的遷移和新穎的組合分析[10]。從以上界定可以看出創(chuàng)新實質(zhì)上是學生全面發(fā)展的結(jié)果，是學生潛能迸發(fā)和積極開拓創(chuàng)新的結(jié)果，工科學生的創(chuàng)新素養(yǎng)表現(xiàn)為一種創(chuàng)新的思維方式、創(chuàng)造性的問題解決能力和實踐能力以及相應(yīng)的精神品質(zhì)，在解決問題或設(shè)計創(chuàng)意產(chǎn)品的過程中表現(xiàn)出來（見圖2）。

第一，創(chuàng)新思維，即工科學生思維上的靈活性、敏銳性、發(fā)散性、獨創(chuàng)性、流暢性等，是創(chuàng)造力的智能系統(tǒng)。創(chuàng)新思維對創(chuàng)新行為具有思維上的引導(dǎo)性，正如愛因斯坦（Albert Einstein）所說的“提出問題通常比解決問題更重要”和“提出新問題、新可能性，從新角度審視問題，需要創(chuàng)造性的想象力，這也標志著科學的真正進步”[11]。工程創(chuàng)新思維與工科學生的創(chuàng)造性活動相聯(lián)系，能夠?qū)⒂袟l理思維和無條理思維相結(jié)合，為產(chǎn)品開發(fā)與項目解決方案的探索提供了思維基礎(chǔ)，工程創(chuàng)新思維的培養(yǎng)是工程學導(dǎo)論課程中的重要環(huán)節(jié)。具有創(chuàng)新思維的工科學生能夠應(yīng)用包括類比、批判性思維、思維導(dǎo)圖、逆向思維以及獨特的思維觀點，促進了工程技術(shù)的創(chuàng)新，創(chuàng)新思維培養(yǎng)也是工程教育的重要目標。

第二，創(chuàng)新實踐能力，指工科學生主動獲取信息資源、操作應(yīng)用工具、統(tǒng)籌安排解決復(fù)雜事務(wù)的能力，屬于創(chuàng)造力表現(xiàn)的工作系統(tǒng)。具體涉及問題的識別、歸類、建立聯(lián)系、提出解決方案、評估進度、探索新知等要素。從認知心理學的角度來看，創(chuàng)新過程同樣表現(xiàn)為解決問題的過程，解決問題的能力和創(chuàng)造力密切相關(guān)。Santos等人在研究中設(shè)計了智能化的實驗室環(huán)境，旨在通過互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)提升工科學生的創(chuàng)造力[12]。學生在此環(huán)境中，能夠按照既定的模型設(shè)計產(chǎn)生新穎觀點、包容開放和勇于探索等創(chuàng)造力的相關(guān)要素。問題解決能力被視為工科學生創(chuàng)造力的重要組成部分，尤其是當他們面臨開放式問題、案例研究等，要求個人發(fā)揮更高的認知、分析、綜合能力，并對解決實踐問題的方案與經(jīng)驗進行重組，從而激發(fā)學習者的創(chuàng)新實踐能力。

第三，創(chuàng)新精神品質(zhì)，是指工科學生具有強烈的動機、好奇心、求知欲、主動性、不畏挑戰(zhàn)等品質(zhì)，屬于創(chuàng)造力的動力系統(tǒng)。為了使工程專業(yè)的學生做好迎接未來的準備，應(yīng)當幫助他們發(fā)展創(chuàng)新創(chuàng)造的思維及實踐能力，并將敬業(yè)精神、責任感等內(nèi)在品質(zhì)列入培養(yǎng)指標要素。創(chuàng)新精神品質(zhì)被認為是創(chuàng)造力的根本，是確保創(chuàng)新活動得以持續(xù)開展的決定性因素。在豐富的知識經(jīng)驗基礎(chǔ)上，如果個人始終對從事的創(chuàng)新實踐保持積極樂觀、充滿好奇心、努力探索未知之境，便可以使知識轉(zhuǎn)換為創(chuàng)新思維與能力。恰恰是這種難以衡量、容易被忽視的非智力因素，正是決定工科學生創(chuàng)造力發(fā)展的重要變量。

三、教育元宇宙助推工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)發(fā)展的技術(shù)路向

從教育元宇宙的技術(shù)特征出發(fā)，為工科學生的沉浸式學習體驗和參與虛實交互的教學過程創(chuàng)建了特定場景，高度融合的技術(shù)應(yīng)用與趣味化的教學設(shè)計使工科學生擁有創(chuàng)新創(chuàng)造的實踐機遇，在虛擬的、人機交互式的實踐活動參與中培育個人的創(chuàng)新精神品質(zhì)?？梢娊逃钪媾c工科學生的創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)具有內(nèi)在的天然聯(lián)系，強調(diào)工科學生在實踐操作、技術(shù)應(yīng)用等過程中得到創(chuàng)新素養(yǎng)的提升（見圖3）。

1．應(yīng)用全息沉浸式交互學習系統(tǒng)，促進工科學生創(chuàng)新思維提升

元宇宙能夠為教育用戶的思維表象化提供虛實交融的學習環(huán)境，用戶以元宇宙中的沉浸式學習系統(tǒng)及可穿戴設(shè)備為依托，在三維虛擬世界中創(chuàng)造并交易虛擬產(chǎn)品，將個體的創(chuàng)造性思維轉(zhuǎn)化為有形或者無形的產(chǎn)品，表征為復(fù)雜性思維、創(chuàng)新觀點向具體化產(chǎn)品的顯現(xiàn)。基于元宇宙的創(chuàng)造性思維教學可以增強學生解決問題的創(chuàng)造力，借用比爾（Bill）等人提出了三種基于網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新思維教學原則，分別是“致力于思維的教學”（Teach for Thinking）、“思維的教學”（Teaching of Thinking）和“關(guān)于思維的教學”（Teaching about Thinking）[13]。其中，“致力于思維的教學”旨在利用元宇宙改善學校和教室環(huán)境，以促進思維發(fā)展；“思維的教學”目的在于借助虛實交互的教育元宇宙技術(shù)，在教學活動中提高工科學生的思維能力和相關(guān)策略；“關(guān)于思維的教學”是在虛擬現(xiàn)實的情境交互中，幫助工科學生感知個人和他人的思維過程，并將這種認知過程應(yīng)用于日常生活和解決現(xiàn)實問題。

教育元宇宙在促進工科學生創(chuàng)新思維發(fā)展方面具有較大潛力，虛擬現(xiàn)實允許學習者與他人或者物體互動，為觀察、探索和主動學習提供了模擬情境。虛擬現(xiàn)實在各種教學嘗試和實踐中創(chuàng)建了形象化的環(huán)境，結(jié)合3D動畫、文本和語音可以增強學生的注意力，發(fā)展批判性思維。此外，教育元宇宙還可以激發(fā)工科學生的想象力，形成各種可行的、獨特的、新穎的創(chuàng)新觀念。如在航空制造實驗教學中，教師借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實物實驗平臺，可以為工科學生創(chuàng)造沉浸式和交互式的飛機裝配實驗教學場景，該系統(tǒng)能夠使工科學生在三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境中模擬配件的裝配和對接，在教師的支持下開展探究性學習和專題化演練，借此提升工科學生的創(chuàng)造性思維。

2．結(jié)合多元化數(shù)字孿生技術(shù)，提升工科學生創(chuàng)新實踐能力

多元化數(shù)字化技術(shù)整合的教育元宇宙，有助于推動以知識符號為主導(dǎo)的課堂知識向問題驅(qū)動、任務(wù)導(dǎo)向、多元融合及知識遷移的情境知識學習環(huán)境轉(zhuǎn)變，由此觸發(fā)工科學生創(chuàng)新實踐問題解決能力的發(fā)展。創(chuàng)新實踐要求工科學生從多重角度對問題進行思考，能夠靈活地從不同解題方法的尋找中找到相適應(yīng)的做法，從而獨創(chuàng)性地提出新穎的問題解決策略。巴拉塔（Barata）等對數(shù)字游戲和虛擬技術(shù)相結(jié)合的教學環(huán)境進行試驗，研究發(fā)現(xiàn)虛擬技術(shù)提供了場景化的學習環(huán)境，便于學生創(chuàng)造、探索和交流。通過混合虛擬環(huán)境可以提高學生的自主性、創(chuàng)造力，在課程中加入虛擬環(huán)境Avatar World，這個虛擬環(huán)境隨著學生的評分而增長[14]。研究結(jié)果表明，即使學生利用少量時間在虛擬世界中進行學習和開展游戲，他們也具備了執(zhí)行創(chuàng)造性任務(wù)的能力。

元宇宙為工程教育打開了探索實踐空間和新型拓展領(lǐng)域的大門，創(chuàng)建了更多的資源及空間供工科學生進行創(chuàng)新實踐活動，使主體的社會實踐能力轉(zhuǎn)變成虛擬產(chǎn)品或現(xiàn)實存在。在教育元宇宙技術(shù)支持下的工程實驗教學架構(gòu)中，涉及基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)信息層、功能軟件層和采集交互層，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗教學的情景化、實時監(jiān)測、多維交互和全面評價[15]。在操作驗證類實驗、設(shè)計優(yōu)化類實驗等常規(guī)實驗教學中均可以發(fā)揮效用，如英偉達Omniverse汽車生產(chǎn)模擬平臺，并基于實踐操作的數(shù)據(jù)反饋進行自我評價，在項目化、協(xié)作式的實驗教學中實現(xiàn)工科學生的創(chuàng)新實踐能力提升。除了提供數(shù)字孿生技術(shù)以促進學習者的創(chuàng)新能力發(fā)展的物理空間，元宇宙技術(shù)應(yīng)用程序本身也可以為創(chuàng)造活動提供環(huán)境，包括虛擬現(xiàn)實環(huán)境和交互式社區(qū)成為創(chuàng)造性協(xié)作空間，培養(yǎng)工科學生參與復(fù)雜場景中的問題解決潛力。

3．秉承趣味化的技術(shù)屬性，助力工科學生創(chuàng)新精神品質(zhì)養(yǎng)成

元宇宙本身具備“育樂”（Edutainment）的內(nèi)在屬性，將游戲化學習與生活方式相結(jié)合，為學生創(chuàng)建數(shù)字身份并在虛擬的環(huán)境中進行知識探索，創(chuàng)設(shè)趣味化、交互性的學習條件。在多模態(tài)交互技術(shù)的支撐下，學生視聽觸覺等多種感官體驗得以調(diào)動，并模擬師生之間的社會交互行為。這種交互行為能夠擺脫指令執(zhí)行與圖形界面的約束，采用更加自然交互（Natural User Interface）的行為邏輯，更加注重前饋自適應(yīng)的主動交互。與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作平臺相比，沉浸式的元宇宙提供了更加豐富有效的線上協(xié)作平臺，便于在學習成員之間創(chuàng)設(shè)便捷的交往情境。例如，元宇宙虛擬環(huán)境中的師生可以通過手勢、注視等方式增加溝通交流的有效性，并借助形象化和交互式的虛擬對象以提高教學任務(wù)的性能，進而創(chuàng)建更豐富的協(xié)作環(huán)境。

學校可以創(chuàng)建交互操作、團隊參與的虛擬學科實踐空間，利用游戲化的故事情節(jié)、任務(wù)挑戰(zhàn)、排行榜或贏得徽章等方式，為激發(fā)學生的頭腦風暴以及團隊協(xié)作精神提供支撐。虛擬的學習環(huán)境是培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神品質(zhì)的重要場景，通過交互式模擬來應(yīng)用沉浸式虛擬環(huán)境，進而增強學生的學習體驗。基于虛擬現(xiàn)實實驗教學的創(chuàng)新實踐平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)場景內(nèi)的模擬庫配景模型任意擺放、使用更加豐富的模型庫以及動態(tài)物體運動軌跡的自定義；建設(shè)AR、VR與無人機技術(shù)的創(chuàng)新驅(qū)動實驗平臺，支持無人機制式圖片的智能識別、軌跡智能建模等功能于一體的增強現(xiàn)實實驗系統(tǒng)[16]；在教學資源庫中則進一步構(gòu)建學科競賽與畢業(yè)設(shè)計的OR系統(tǒng)，實現(xiàn)多人虛擬沉浸式教學、無人機航拍建模應(yīng)用。可見富于探索性和趣味性的虛擬任務(wù)成為釋放學生創(chuàng)造潛能的有效方法，學生在此過程中沉浸于學習活動及產(chǎn)品創(chuàng)設(shè)，可以自由地提出創(chuàng)意觀念，探索并評估設(shè)想，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造的精神品質(zhì)。

四、支持工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)的教育元宇宙因應(yīng)策略

教育元宇宙背景下的工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程，要求各級各類教育體系形成合力。其中政府部門主要為教育元宇宙提供基本的制度保障和資源支持；學校根據(jù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標或規(guī)劃綱要開展教育元宇宙教學實踐，提升教師的技術(shù)應(yīng)用能力并革新教學模式；企業(yè)、科研機構(gòu)等能夠為學校的元宇宙教學提供智力支持和專業(yè)化培訓(xùn)。在多元主體協(xié)作的支持下，輔助學校設(shè)計元宇宙技術(shù)與學科相整合的課程資源，建立與教育元宇宙相適應(yīng)的工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)評價系統(tǒng)，并在消解隱私風險的考量下完善元宇宙身份認定機制。

1．建立教育元宇宙協(xié)同發(fā)展體系，致力于工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)培養(yǎng)

根據(jù)教育元宇宙的技術(shù)特征分析可以看出，發(fā)揮教育元宇宙的優(yōu)勢需要多部門的協(xié)同參與，厘清教育行政部門、企業(yè)、高校等部門的職責。第一，由于教育元宇宙的應(yīng)用涉及個人感官信息提取、數(shù)據(jù)適配與傳輸、傳感器隱私數(shù)據(jù)的收集等，需要針對教育元宇宙的行業(yè)標準及數(shù)據(jù)應(yīng)用制定明確的標準，并建立基于師生數(shù)字身份的學校管理制度，將虛實交融、萬物互聯(lián)的元宇宙技術(shù)規(guī)范納入學校新基建規(guī)劃項目，并建立配套的空間布局應(yīng)用條例。第二，科技類企業(yè)在教育元宇宙技術(shù)研發(fā)、市場調(diào)研與推廣等方面具有顯著優(yōu)勢，能夠為學校的元宇宙技術(shù)應(yīng)用提供大量資金、硬件與軟件設(shè)備、課程資源等，是協(xié)同創(chuàng)新體系中的重要組成部分。在科技類企業(yè)的支持下，有助于完善教育元宇宙的多維培養(yǎng)體系，豐富學校的課程設(shè)計實踐板塊、科技實踐模塊、學科基礎(chǔ)實驗?zāi)K等，指導(dǎo)元宇宙技術(shù)的教學應(yīng)用，通過教育元宇宙促進工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)的發(fā)展。第三，隨著現(xiàn)代生產(chǎn)方式及高新技術(shù)的快速發(fā)展，建立科學研發(fā)與教育教學現(xiàn)實需要緊密結(jié)合的“一體化”運作機制。圍繞提升工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)的教學主題，構(gòu)建基于教育元宇宙、智能技術(shù)支持的學習環(huán)境，實現(xiàn)課堂內(nèi)的師生交流互動便捷化、教學方式趣味化、學習效果和學生創(chuàng)新素養(yǎng)提升的目標，創(chuàng)設(shè)形式多樣的虛擬交互、沉浸式感知等教學形式，涉及創(chuàng)意產(chǎn)品設(shè)計、零部件加工、控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計、可靠性及穩(wěn)定性調(diào)整等，促使工程教育科研理論和實踐教學更加協(xié)同。

2．利用教育元宇宙革新教學模式，推動高校教師教學能力提升

通過建構(gòu)跨學科的學習方式和新型教育教學方法，推動教育元宇宙等新型教學技術(shù)的廣泛運用，在學校教育中建構(gòu)工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)機制。但是僅僅采用新的技術(shù)手段尚不能促進工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)的發(fā)展，教師需要采用創(chuàng)新教學理念并在課堂中引入學生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方式。兼松（Kanematsu）等人使用教育元宇宙開展虛擬現(xiàn)實和STEM學科實踐相結(jié)合的教學方式，涉及具有一定風險的放射性核安全教育，學生在元宇宙學習環(huán)境中接受教師的同步引導(dǎo)。對比實驗結(jié)果表明學生對虛擬課程產(chǎn)生濃厚興趣，能夠從情感上克服對于危險事物的恐懼感并深度探究學習，可見教師的有效指導(dǎo)能夠進一步提升教育元宇宙的教學效果，對于培養(yǎng)學生的實踐動手能力也具有積極效應(yīng)[17]。教師在利用虛擬現(xiàn)實等技術(shù)教授學生時，需要鼓勵各種類型的創(chuàng)新素養(yǎng)發(fā)展，使學生在學習期間燃起創(chuàng)新創(chuàng)造的希望。為培養(yǎng)工科學生的創(chuàng)新素養(yǎng)，需要在教學方面進行一系列改革。第一，利用元宇宙創(chuàng)設(shè)具有挑戰(zhàn)性的問題情境，使工科學生經(jīng)過思維加工發(fā)展個人的創(chuàng)新思維；第二，工科學生在自主探究與學習的過程中，往往能夠鍛煉自身收集材料、組織材料、傳遞信息并解決問題的能力，形成創(chuàng)新素養(yǎng)發(fā)展所需的技能；第三，促進多樣化的教學模式改進，引導(dǎo)學生探究“是什么”“能夠是什么”的問題，使工科學生的思維得以豐富和拓展；第四，圍繞知識增長和創(chuàng)新能力發(fā)展的相關(guān)性，增加課程教學的類型，包括學生所必修的核心課程、差異化的外圍課程、經(jīng)驗為本的課程以及微型課程，為學生發(fā)散思維加工和復(fù)合性思維加工創(chuàng)造條件。

3．借鑒虛擬學習場景數(shù)據(jù)反饋，完善工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)評價機制

在教育元宇宙的虛擬學習場景中，系統(tǒng)儲存了大量學習者及其行為表現(xiàn)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理能夠提供形成性和診斷性的反饋，便于為工科學生的學習表現(xiàn)及創(chuàng)新素養(yǎng)創(chuàng)設(shè)總結(jié)性評價基礎(chǔ)。在對工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)的評價方面，必須革新已有的評價理念，建構(gòu)數(shù)字化教育背景下的學生創(chuàng)新評價機制[18]。評價的目的是促進工科學生綜合素質(zhì)提升和創(chuàng)新能力生成，切合學生發(fā)展及生長的動態(tài)性，而終結(jié)性的結(jié)果評價往往只注重學生的最終表現(xiàn)，對工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)發(fā)展的過程忽略不計，有違學生成長的客觀規(guī)律及科學培養(yǎng)。最早注意過程評價的是斯塔弗爾比姆（Stufflebeam）等人提出的CIPP（Context，Input，Process，Product）評價模式，斯塔弗爾比姆對CIPP模式中的過程評價進行界定，認為“過程評價的實施目的是發(fā)現(xiàn)方案實施過程中出現(xiàn)的問題，并向方案指定的人作出及時的信息反饋，整體反映為一種實施過程中的評價形式”[19]。在創(chuàng)新人才過程性評價的基礎(chǔ)上，借助于元宇宙、智能技術(shù)支撐，結(jié)合形成性評價、針對性評價以及終結(jié)性評價體系，動態(tài)地將各種評價形式加以整合，形成針對工科學生創(chuàng)新素養(yǎng)發(fā)展的全過程評價，定期檢驗工科學生創(chuàng)新創(chuàng)造的階段性表現(xiàn)，探究問題解決途徑，將動態(tài)化評價作為學生創(chuàng)造力培養(yǎng)的必要途徑。具體來看，基于元宇宙在形成性評價與總結(jié)性評價方面的優(yōu)勢，能夠為工科學生的創(chuàng)新素養(yǎng)發(fā)展創(chuàng)造三方面的支持[20]。第一，元宇宙結(jié)合精心設(shè)計的課堂教學活動，可以吸引工科學生積極參與其中；第二，元宇宙可以激發(fā)工科學生更多樣化的創(chuàng)新行為表現(xiàn)，描述學生學習體驗及虛擬情境的參與情況，通過創(chuàng)造性的活動設(shè)計使工科學生的自我效能感、創(chuàng)新意愿得以激發(fā)；第三，提供工科學生創(chuàng)新行為表現(xiàn)的證據(jù)，借助于內(nèi)嵌于元宇宙中的診斷性評價重構(gòu)學生行為軌跡中的細節(jié)，或者采用快照式的總結(jié)性評價、展示創(chuàng)意產(chǎn)品作品的綜合評價。

4．明確虛擬身份準入認證規(guī)則，化解師生隱私安全風險

元宇宙本身作為多項技術(shù)的綜合體，以“去中心化”推進資源共享，消除傳統(tǒng)媒介中的數(shù)字鴻溝，但在資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)隱私保護等層面均存在較多的倫理挑戰(zhàn)。元宇宙中的虛擬分身技術(shù)和生物數(shù)據(jù)系統(tǒng)在增強人機交互便利性的同時，也給師生的隱私保護帶來較大風險。在沒有對元宇宙運營平臺加以管控的情況下，放任運營方對師生的行為偏好、文字表述及虛擬分身等數(shù)據(jù)信息加以收集，并將其用于商品推銷、企業(yè)盈利等目的，將會出現(xiàn)師生隱私問題蔓延至元宇宙世界的問題。教育元宇宙創(chuàng)建了一種基于游戲中心的網(wǎng)絡(luò)虛擬關(guān)系，忽視現(xiàn)實世界的生生互動和師生交流，可能誘發(fā)身份混亂、逃避現(xiàn)實以及對現(xiàn)實的不適應(yīng)。另外個人隱私信息和數(shù)據(jù)安全難以得到保障，平臺管理員的主導(dǎo)權(quán)力無限放大，不可避免地會受到違法行為的威脅。為規(guī)范教育元宇宙中的學習活動，應(yīng)當建立學生虛擬身份準入的認證規(guī)則，保障師生身份信息的真實性和完整性，使身處元宇宙中的師生具有與現(xiàn)實世界唯一映射的虛擬化身，打造元宇宙虛擬世界的“通行證”“信任體系”，建立官方認證并具有特定標識的元宇宙身份認定機制[21]。利用區(qū)塊鏈技術(shù)、非同質(zhì)代幣（NFT）和非同質(zhì)化權(quán)益（NFR）的價值轉(zhuǎn)化閉環(huán)，包括分布式存儲技術(shù)、分布式賬本與智能合約、哈希算法及時間戳技術(shù)，使數(shù)字產(chǎn)品得到身份綁定、版權(quán)認證、權(quán)益分配等方面的信息保障，維護用戶原創(chuàng)內(nèi)容（UGC）、專業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容（PGC）等產(chǎn)品創(chuàng)作，避免區(qū)塊鏈交易及元宇宙技術(shù)應(yīng)用時發(fā)生侵權(quán)

行為。

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[基金項目：2021年度全國教育科學規(guī)劃課題“基于智慧教育的高質(zhì)量新型教與學體系構(gòu)建與應(yīng)用研究”（BCA210085），2022年度中央高?；究蒲杏媱潯啊ヂ?lián)網(wǎng)+背景下本科生創(chuàng)新素養(yǎng)的測評指標構(gòu)建與培養(yǎng)路徑研究”（JUSRP122064），2022年度江蘇省教育科學規(guī)劃重點課題“編程教育對工科生創(chuàng)新素養(yǎng)的影響機理與提升路徑研究”（B/2022/01/107）]

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