教育元宇宙概念界定、優(yōu)勢特征及技術(shù)實現(xiàn)

摘要：本文對當(dāng)前的教育元宇宙相關(guān)研究文獻資料進行了比較分析，提煉出教育元宇宙的關(guān)鍵特征，同時結(jié)合信息化工作實踐經(jīng)驗在理論層面對教育元宇宙進行了概念界定，歸納出教育元宇宙的五項優(yōu)勢特征。以此為基礎(chǔ)，以服務(wù)教學(xué)為目標(biāo)，綜合當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀，規(guī)劃了教育元宇宙三層基礎(chǔ)平臺和五項集成應(yīng)用，完成了教育元宇宙技術(shù)實現(xiàn)的總體框架設(shè)計。

關(guān)鍵詞：教育元宇宙；概念界定；技術(shù)實現(xiàn)；云計算；AI技術(shù)

1. 教育元宇宙的概念界定和優(yōu)勢特征

教育元宇宙是基于當(dāng)前階段信息技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，以及未來發(fā)展趨勢的設(shè)想，針對教育領(lǐng)域潛在的賦能作用而衍生出的新概念。教育元宇宙研究的關(guān)鍵是對其概念的界定。劉革平等（2021）[1]認(rèn)為，教育元宇宙是利用VR／AR／MR、數(shù)字孿生、5G、人工智能、區(qū)塊鏈等新興信息技術(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)。華子荀和黃慕雄（2021）[2]認(rèn)為，教育元宇宙可以理解為元宇宙的教育應(yīng)用，為教師、學(xué)生、管理者等相關(guān)者創(chuàng)建數(shù)字身份，在虛擬世界中開拓正式與非正式的教學(xué)場所，并允許師生在虛擬的教學(xué)場所進行互動。鐘正和王?。?022）[3]認(rèn)為，教育元宇宙可以實現(xiàn)虛擬世界與真實教學(xué)環(huán)境的無縫對接和有機融合。教師、學(xué)生、管理人員作為教學(xué)活動的參與者或組織者，通過虛擬化身沉浸于教育元宇宙中，自主地創(chuàng)建、參與教學(xué)活動，自然地響應(yīng)虛實世界的教學(xué)行為，突破教學(xué)過程中物理規(guī)律和地理空間的束縛，實現(xiàn)信息在虛實世界的雙向傳遞。

綜上，拋開技術(shù)的因素，我們可以提煉出這樣一些有關(guān)教育元宇宙定義的核心要素：

（1）教育元宇宙是一個虛實無縫融合，服務(wù)教育教學(xué)的空間環(huán)境；

（2）教育元宇宙是以全面的數(shù)字化聯(lián)通現(xiàn)實與虛擬世界；

（3）教育元宇宙能夠超越現(xiàn)實，實現(xiàn)多維度教學(xué)時空的變換。

因此，本文將教育元宇宙定義為：教育元宇宙是以學(xué)習(xí)者和教育者為主要活動主體，以全面的數(shù)字化聯(lián)通現(xiàn)實與虛擬世界，同時能夠超越現(xiàn)實，達到多維度教學(xué)時空變換的虛實無縫融合的教育教學(xué)空間。圍繞此概念，結(jié)合教育的本質(zhì)和目標(biāo)，本文進一步歸納出教育元宇宙的五個優(yōu)勢特征。

1.1 資源海量

教育元宇宙并不是一個虛無的教育教學(xué)空間，而是匯聚了類別齊全、形式多樣的各種教育資源。這些資源是自教育信息化早期就開始積累的數(shù)字教學(xué)資源，及至元宇宙時期多模態(tài)的教育資源。這些人類創(chuàng)造的寶貴的教育資源，經(jīng)由人工智能整理歸類，并動態(tài)管理，結(jié)合教育元宇宙相關(guān)的管理規(guī)定，最終分享給每一位學(xué)習(xí)者。這些學(xué)習(xí)者的知識、經(jīng)驗和技能，又將形成新的教育資源，被智能化評價、歸類、存儲、分享，不斷匯入教育元宇宙海量資源庫中。

1.2 時空多維

因為教育元宇宙虛實融合的特性，傳統(tǒng)教學(xué)方式中固定場地、指定時間的需求將成為歷史。教育元宇宙能將現(xiàn)實中的教育者、學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)場景無差別映射至虛擬空間，并在保證授課內(nèi)容的前提下，進行適度拆解和組合，以方便任意學(xué)習(xí)者在任意時刻加入。而在授課過程當(dāng)中，學(xué)習(xí)者也能夠根據(jù)自身需要，在不同的授課場景中穿越，隨時補全缺失的知識。理論上，教育元宇宙為每位學(xué)習(xí)者創(chuàng)造了一個多維度的學(xué)習(xí)時空。

1.3 方式多元

教育元宇宙的超時空和超現(xiàn)實性為學(xué)習(xí)者提供了多元的學(xué)習(xí)方式。首先，學(xué)習(xí)者獲取知識的途徑將不再局限于聽和看，還增加了感。教育元宇宙為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造了特殊的學(xué)習(xí)環(huán)境，這種特殊的學(xué)習(xí)環(huán)境能夠調(diào)動學(xué)習(xí)者所有的感官，感悟知識的本源，使知識的獲取更加全面立體和穩(wěn)固。其次，學(xué)習(xí)者能夠以多種方式參與學(xué)習(xí)，如個體、群體、異地、異時等，教育元宇宙實現(xiàn)了不同學(xué)習(xí)者個性化的學(xué)習(xí)空間和學(xué)習(xí)模式。再次，對于不同種類知識的學(xué)習(xí)，如陳述性知識、程序性知識、策略性知識，教育元宇宙能夠靈活安排學(xué)習(xí)者以多種方式加入學(xué)習(xí)，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的實際學(xué)習(xí)情況智能調(diào)整學(xué)習(xí)進度和學(xué)習(xí)方案。最后，教育元宇宙實現(xiàn)了教育的終身化，教育元宇宙中的每一位加入者都是終身學(xué)習(xí)者。

1.4 智能引領(lǐng)

智能引領(lǐng)是教育元宇宙最核心的驅(qū)動引擎。從教育者和學(xué)習(xí)者步入教育元宇宙開始，他們的每一次教育活動、每一次成長變化，甚至每一句話、每一個動作、每一個表情都為空間所記錄，并最終形成立體的個人畫像。

1.5 評價精準(zhǔn)

教育元宇宙以全面的數(shù)字化為基礎(chǔ)，以全程的智能化為驅(qū)動，對每一位學(xué)習(xí)者每一天的學(xué)習(xí)輔以客觀的評價和判斷，同時結(jié)合其在元宇宙空間的個性活動，逐步形成針對個人完整的評價模型，并以精準(zhǔn)量化的方式告知學(xué)習(xí)者，包括更加合理的學(xué)習(xí)建議。

2. 教育元宇宙的技術(shù)實現(xiàn)

基于上文的理論分析，可以看到教育元宇宙本質(zhì)上是教育信息化超越智慧校園環(huán)境的更高階形態(tài)，是現(xiàn)代化教育信息技術(shù)的組合聚能[4]。要實現(xiàn)并發(fā)揮出教育元宇宙的優(yōu)勢作用，必須依托元宇宙中的技術(shù)平臺，圍繞教育教學(xué)目標(biāo)，分別從數(shù)字學(xué)習(xí)空間構(gòu)建、數(shù)字學(xué)習(xí)資源構(gòu)建、學(xué)習(xí)者數(shù)字形象構(gòu)建、教育者數(shù)字形象構(gòu)建、智能教學(xué)評價構(gòu)建、空間環(huán)境認(rèn)證等多個維度各自引入相關(guān)的技術(shù)進行集成應(yīng)用[5]，共同構(gòu)成教育元宇宙空間。其技術(shù)實現(xiàn)的總體框架圖如圖1所示。

教育元宇宙技術(shù)實現(xiàn)總體框架包括三個層次十五項技術(shù)。具體分析如下：

2.1 ?基礎(chǔ)技術(shù)層

基礎(chǔ)技術(shù)層是元宇宙構(gòu)建之源，主要由五部分組成，分別是計算技術(shù)、存儲技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、AI技術(shù)和安全技術(shù)。

2.1.1 計算技術(shù)

數(shù)字世界是靠強大的算力來維持的，可以說算力就是元宇宙的能量之源。而強大的算力則來自先進的計算技術(shù)，在單體計算機硬件設(shè)備有質(zhì)的突破之前，可以預(yù)想元宇宙所能依賴的主要算力支撐就是云計算。元宇宙將呈現(xiàn)多樣的計算特征，如計算平臺的多樣、計算數(shù)據(jù)的多樣、計算方式的多樣、計算位置的多樣等。當(dāng)前，只有云計算技術(shù)能夠較好適應(yīng)元宇宙多樣的計算特征。

2.1.2 存儲技術(shù)

一切數(shù)字的存在都離不開存儲，所以存儲技術(shù)是元宇宙的根藏之源。分布式云存儲保證了數(shù)字的安全存在，然而這還遠遠不夠。在元宇宙和教育元宇宙中部分?jǐn)?shù)字資源已經(jīng)成為一種資產(chǎn)，對于數(shù)字資產(chǎn)而言，其要求已不僅僅是一種簡單的存儲，而是需要某種程度的“保管”，其屬性中包含了“擁有權(quán)”和“使用權(quán)”。顯然普通的云存儲已無法滿足數(shù)字資產(chǎn)類的存儲，新興的區(qū)塊鏈存儲技術(shù)將承擔(dān)此重任。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

元宇宙內(nèi)萬物互聯(lián)，毫無疑問，網(wǎng)絡(luò)是元宇宙聯(lián)通一切的基礎(chǔ)，是其傳輸之源。無論是元宇宙數(shù)字內(nèi)容的分享體驗，還是元宇宙數(shù)字人之間的互動交流，或者是元宇宙內(nèi)時空場域的變換，都對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了較高的要求。作為元宇宙?zhèn)鬏斨危W(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須能夠提供泛在的、穩(wěn)定的、持久的實時連接，同時滿足具有高帶寬、低時延、高穩(wěn)定性等特點的數(shù)據(jù)傳輸要求。目前逐步部署中的5G，以及未來的6G、Wi-Fi7等移動通信技術(shù)是元宇宙網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流。

2.1.4 AI技術(shù)

元宇宙的構(gòu)建和發(fā)展是真實世界與虛擬世界的持續(xù)互動過程，這個過程包括了三個方面，分別是由實化虛、虛實交融、由虛返實。對于其中的每一個方面，AI都是最關(guān)鍵的驅(qū)動力量之一。AI已經(jīng)成為元宇宙事實上的成長之源。

2.1.5 安全技術(shù)

由數(shù)字、由網(wǎng)絡(luò)、由計算機構(gòu)成的世界從來都是不安全的，無論計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到何種程度，安全問題始終存在，安全技術(shù)也是計算機專家們不可忽略的重點。元宇宙、教育元宇宙要正常運行必須同步提升相關(guān)的安全技術(shù)水平。安全技術(shù)是元宇宙的健康之源。因為元宇宙的全域一體化，及多終端的互動，傳統(tǒng)安全技術(shù)中基于邊界防護的防火墻、入侵檢測、病毒查殺系統(tǒng)將失去作用，可信計算、擬態(tài)防御等新興安全技術(shù)未來將發(fā)揮一定的作用。

2.2 核心支柱層

核心支柱層包括終端互動技術(shù)、身份創(chuàng)建技術(shù)、數(shù)字資源技術(shù)、數(shù)字資產(chǎn)技術(shù)、空間治理技術(shù)五部分。這五部分支撐起元宇宙核心空間，并隨著自身的升級發(fā)展，正逐步擴展空間的規(guī)模。

2.2.1 終端互動技術(shù)

元宇宙是人類自己創(chuàng)造的數(shù)字虛擬空間，如同現(xiàn)實生活中一樣，空間中的每一個數(shù)字人共同組成了龐大的數(shù)字社會，并推動其運轉(zhuǎn)。除了極少數(shù)空間自建的原生數(shù)字人之外，絕大部分?jǐn)?shù)字人都有現(xiàn)實中的實體，而這些人類實體要進入元宇宙并正常地生活、學(xué)習(xí)、工作，所依賴的就是成熟方便的終端互動技術(shù)，如目前處在不斷發(fā)展中的VR/AR/MR技術(shù)，以及正在研究中的腦機接口技術(shù)等。

2.2.2 身份創(chuàng)建技術(shù)

每一個數(shù)字人在元宇宙中都擁有唯一合法的注冊身份，而在不同的元宇宙空間中數(shù)字人又可以隨意變換喜歡的角色身份，身份創(chuàng)建技術(shù)就是對數(shù)字人不同身份的統(tǒng)一、安全地管理。此外，每一個數(shù)字人在元宇宙空間任意的活動，也需要身份創(chuàng)建技術(shù)參與權(quán)限授予、通行認(rèn)證。目前通過基于區(qū)塊鏈技術(shù)的密鑰衍生、多重簽名、環(huán)簽名、零知識證明等多種手段，可以完成數(shù)字人身份到各個元宇宙空間的映射[6]。

2.2.3 數(shù)字資源技術(shù)

這里的數(shù)字資源技術(shù)主要是指元宇宙空間數(shù)字環(huán)境資源的生成技術(shù)，目前包括兩大塊：數(shù)字孿生技術(shù)、數(shù)字原生技術(shù)。數(shù)字孿生就是物理世界中的物體映射于數(shù)字世界里的鏡像，其核心技術(shù)包括數(shù)字建模、數(shù)字仿真與模擬、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)AI、云計算與邊緣計算等。數(shù)字原生即基于虛擬數(shù)字空間通過想象構(gòu)建出來的場景、物體、人等資源，其關(guān)鍵技術(shù)包括深度強化學(xué)習(xí)、生成式對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多模態(tài)學(xué)習(xí)等。

2.2.4 數(shù)字資產(chǎn)技術(shù)

數(shù)字從資源到資產(chǎn)不是一個簡單的名稱變換，而是一個質(zhì)的變化。數(shù)據(jù)資產(chǎn)也屬于數(shù)字資源，因此，它的基礎(chǔ)是數(shù)字資源生成技術(shù)。與數(shù)字資源的區(qū)別之處在于數(shù)字資產(chǎn)具有兩個特殊的屬性，即權(quán)力屬性、交易屬性。當(dāng)數(shù)字資源具備上述兩個屬性時，也就成為數(shù)字資產(chǎn)。

2.2.5 空間治理技術(shù)

元宇宙空間治理是一系列連續(xù)、復(fù)雜、系統(tǒng)的工作，包括空間數(shù)字治理、空間秩序治理、空間能耗治理、空間法規(guī)治理等。

2.3 集成應(yīng)用層

集成應(yīng)用技術(shù)層具體劃分了元宇宙在不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的服務(wù)空間。于教育領(lǐng)域而言，以數(shù)字學(xué)習(xí)空間構(gòu)建、數(shù)字學(xué)習(xí)資源構(gòu)建、教育元宇宙數(shù)字人構(gòu)建、教育元宇宙教學(xué)智能評價、教育元宇宙空間認(rèn)證為典型的集成應(yīng)用，是教育元宇宙技術(shù)構(gòu)成的核心關(guān)鍵。

2.3.1 數(shù)字學(xué)習(xí)空間構(gòu)建

數(shù)字學(xué)習(xí)空間是元宇宙賦能教育的主要載體，是教育元宇宙“場域”的重要組成部分。數(shù)字學(xué)習(xí)空間融合了數(shù)字資源技術(shù)、數(shù)字資產(chǎn)技術(shù)、終端互動技術(shù)，構(gòu)建物理空間—信息空間—社會空間無縫融合的教育生態(tài)系統(tǒng)，為數(shù)字人創(chuàng)造出聯(lián)通、開放、個性的生態(tài)化學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.3.2 數(shù)字學(xué)習(xí)資源構(gòu)建

數(shù)字學(xué)習(xí)資源是數(shù)字學(xué)習(xí)空間的重要組成部分，是教育元宇宙空間知識的存儲和積累。教育元宇宙中的數(shù)字學(xué)習(xí)資源構(gòu)建以數(shù)字資源技術(shù)為核心，融合了VR/AR/MR技術(shù)以及AI技術(shù)，突破傳統(tǒng)課本以及簡單數(shù)字化和多媒體化的限制，從多方位感知以及實踐體驗的角度為學(xué)習(xí)者提供更科學(xué)合理的知識學(xué)習(xí)方法。

2.3.3 教育元宇宙數(shù)字人構(gòu)建

教育元宇宙數(shù)字人是教育元宇宙空間的主體所在。主要包括三類數(shù)字人：第一類是教育元宇宙空間治理者；第二類是教育元宇宙空間教學(xué)方案的主要規(guī)劃者和實施者；第三類是學(xué)習(xí)者。學(xué)習(xí)者可以是教育元宇宙空間的任何數(shù)字人。教育元宇宙數(shù)字人的構(gòu)建融合了身份創(chuàng)建技術(shù)、終端互動技術(shù)和AI技術(shù)。

2.3.4 教育元宇宙教學(xué)智能評價

教育元宇宙教學(xué)智能評價貫穿空間教學(xué)全程，以AI技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)跟蹤評價每位學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果，并結(jié)合數(shù)據(jù)資產(chǎn)技術(shù)形成相關(guān)的評價結(jié)論。教育元宇宙教學(xué)智能評價是以提升學(xué)習(xí)效果為目的，隨時對教育者和學(xué)習(xí)者予以提醒，保證高效完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

2.3.5 教育元宇宙空間認(rèn)證

教育元宇宙空間必然是一個開放包容的空間，包括各色的教育者、學(xué)習(xí)者以及各類豐富多樣的學(xué)習(xí)資源，只有這樣才能保證教育元宇宙的持續(xù)擴展。在開放包容的同時，教育元宇宙空間也必須有一定的訪問和使用限制，這就需要用到教育元宇宙空間認(rèn)證技術(shù)。未來的教育元宇宙空間認(rèn)證技術(shù)主要依賴于身份認(rèn)證技術(shù)、數(shù)字資產(chǎn)技術(shù)和空間治理技術(shù)的融合發(fā)展。

結(jié)語

教育元宇宙是基于元宇宙空間的存在，是元宇宙賦能教育的一種表現(xiàn)形態(tài)。同時，教育元宇宙也是先進教育理念融合前沿信息技術(shù)后的產(chǎn)物。目前，關(guān)于教育元宇宙的研究還處在早期階段，未來的研究空間還很廣闊。本文在前輩學(xué)者的研究基礎(chǔ)之上，定義了教育元宇宙概念，分析了教育元宇宙的優(yōu)勢特征，并從技術(shù)實現(xiàn)角度進行了整體框架層次的設(shè)計，為進一步深入探討教育元宇宙的教學(xué)實踐提供了參考。

參考文獻：

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作者簡介：聶明輝，碩士，高級工程師，研究方向：教育信息化應(yīng)用。

基金項目：2022年江蘇省教育廳“公安院校面向?qū)崙?zhàn)教學(xué)‘教育元宇宙環(huán)境構(gòu)建、教學(xué)設(shè)計及策略制定研究”項目（編號：2022SJYB0480）。