教育背景下的元宇宙：特征、赋能与挑战

摘 要

元宇宙利用逐步成熟的各类新技术，构建了一个既映射真实世界又独立于网络空间的虚拟世界，这对包括教育在内的相关主体的未来发展至关重要。元宇宙本质上是一个与现实世界平行的在线数字空间，正逐渐成为人类社会创新和发展的一个实践领域。在元宇宙技术的参与下，教育能够展示出多元化、弱边界性、强交互性、进阶性的特征。在教育学习和教学中有关元宇宙的新的研究方向仍在涌现，但从技术维度、社会维度以及政府维度来看，仍需要更多的实证证据来引导其发展方向，以充分实现其巨大的可能性。

关键词

元宇宙；教育；虚拟现实；沉浸式；技术

中图分类号 G434  文献标识码 A  文章编号 1005-4634（2024）03-0022-06

技术的快速进步促使经济进一步发展，也使人们的工作方式及所需的技能发生了巨大的变化。教育所培养出的学生需要满足未来经济的需求，教育应该为未来全球公民发展和劳动力补足发挥关键作用。传统教育广泛使用直接学习的标准化模式，在很大程度上受到第一次和第二次工业革命需求的影响[1]，专业人才的大规模生产被用来填补重复的、以过程为导向的早期制造业工作需要。尽管大多数教育系统仍一如既往地运作，但技术已经推动经济走向新的生产力模式，第三次和第四次工业革命引入了生产自动化和无形的生产自动化进行价值创造。2020 年世界经济论坛（World Economic Forum）提出了“教育4.0”，指出教育必须具备创造一个更具包容性、更有凝聚力和生产力的世界的能力[2]。

教育是人类社会发展相对滞后的领域之一[2]。与时俱进，通过技术赋能教育变革，是顺应社会从工业社会进入信息化社会的必然趋势。已有的在线学习技术可以作为元宇宙应用教育领域的发展开端[3]，元宇宙通过对现实课堂的空间再拓展，以虚拟现实提升技术营造更个性化的沉浸式课堂。元宇宙中的“虚拟化身”表征可提升学习效果[4-5]，促进全世界学生之间、师生之间共同互动学习，从而实现学生合作竞争能力、同理心、社会意识的全面培养。在疫情的刺激下，线上教学模式得到了普及与发展[6]，学生可以观看视频课程，并通过文本或视频聊天等方式与教师和其他学生进行互动，达成学生对在线教育系统操作层面上与其他学生、授课教师的交互。但学生缺少在真实教室里学习的感觉。

目前，线上教学逐渐成为当下教育领域关注的焦点，也为元宇宙在教育领域的应用拉开序幕[7]。线上教学拥有目前最成熟的在线学习技术，但元宇宙包含在线学习技术不限于此。元宇宙作为一种能够克服现有的基于二维在线和远程类限制的可替代的学习与教学方案，正引起了人们的关注[8]。由于各种技术的交互使用，元宇宙可以为教育者提供与当前互联网时代不同的体验价值。基于元宇宙的教育可以使用无限的空间和数据，满足学生在线面对面学习的需求[9]。

1 元宇宙视角下的教育行业

基于教育领域，国内外众多学者以元宇宙的视角进行了讨论。如有研究者认为教育元宇宙的实质是元宇宙在教育领域的应用[10]，是对现实物理世界的平行拓展，学生、教师、学校等管理者可通过虚拟ID进行学习活动。在此基础上，也有研究者认为教育元宇宙至少要满足交互性、沉浸性、多元性的特点[2]。由于技术的掌控者总是人类自身，且影响着社会形态的方方面面。教育元宇宙未来会呈现虚实结合、人机协同、学校与社会全面联结的特点。对于教育元宇宙之后的发展方向，研究者们也进行了预测：通过分析现有线上线下混合教育模式实时交互难且体验差的缺点，有研究者提出未来元宇宙将会弥补当下教育模式的不足[11]；且对比传统互联网教学，教育元宇宙在时空、关系、交流及情感维度的边界都将有所突破[12]。目前，借助AI变革教育方面，如美国佐治亚州立大学，已经有学者基于该校丰富的智能教育实践，探索元宇宙时代一流大学智能教育发展经验[13]。在元宇宙中，技术能够叠加个人所感知的物理环境的更深层次的信息。以人为中心，元宇宙被分为内部世界和外部世界。内部世界关注个人或物体的身份和行为，技术被用来实现元宇宙的完成，个人化身数字资料进行活动或直接在系统中进行行动。相比之下，外部世界通常关注使用者与外部环境的交流。因此，元宇宙本身涉及多元技术与参与主体，当人技交互逐渐增强，人对已有技术的敏感度会逐步下降，可以促进技术的再次进阶。此时，现实与虚拟空间的边界渐弱，参与主体的沉浸感再次增强，交流会更为便捷。在此过程中，人们的学习方式逐步进阶，学科边界渐弱。因此，元宇宙应用到教育领域具有以下特点。

1.1 多元化

技术多元化。元宇宙集成了各种新技术，提供了基于增强现实技术的沉浸式体验。5G/6G将创设现实课堂和虚拟课堂联通的合作环境，为元宇宙在教育中的应用提供网络基础。人工智能算法（机器学习、深度学习、强化学习等）是连接虚拟和现实学习环境的“关键”，使学生可以便捷、自由地参与线下课堂之外的教学活动。此外，物联网感知为师生提供了一种完全真实、持久、平滑的虚拟课堂与现实课堂的交互体验，连接了元宇宙和现实世界。同时，支持元宇宙的教育应用需要一个强大的计算系统，云计算、边缘计算和其他计算范式能够在一定程度上促进计算能力的发展，并成为元宇宙的主要基础设施。

主体多元化。元宇宙在教育中的应用更便捷地包容了多个参与主体。从参与主体数量来看，首先教师与学生将通过建立虚拟ID的方式进入元宇宙的学习空间；学生的课堂表现将通过各种心电设备客观记录在虚拟教务系统里，便于学院、学校等进行综合素质评价；基于人工智能算法以及云计算可以对各个学生进行数据画像，精准测评每位学生的潜能与不足，便于社会实践单位降低信息不对称性，进行人才的引进与培养。政府基于每个学生的成长档案将组成教育大数据，便于教育政策的制定与调整。从参与主体种类看，除正常参与课堂的主体外，课堂还可以包容行动不便的学生或偏远地区等活动受限的主体。传统物理世界的课堂包容度有限，而元宇宙的课堂可以包容现实世界中行动不便的学生（物理环境受限、身体受限），使他们可以按照自身的兴趣爱好加入到虚拟课堂中，同时偏远地区的学生可以不受地理和时空限制参加名师的讲座与课堂授业。

1.2 弱边界性

时空边界变弱。教育中的元宇宙使得物理世界与虚拟世界的边界变得不明显。它打破了时间和空间的界限，为多元的参与者提供了一个开放、自由和身临其境的服务与体验。元宇宙的参与下，由于现实中物理距离、学生自身主客观因素的影响将极大降低，学生在虚拟现实设备下依旧可以继续接受教育。已有研究也表明利用元宇宙的“虚拟化身”可以促进学习效果提升。因此，课堂内与课堂外的边界也将更为模糊，即便现实远距千里，依然可以与授课教师进行高效率的学习互动。

学科边界变弱。元宇宙也使得教育中的学科边界自然消融。预计在未来，拥有人工智能等尖端科学技术的社会，对具有数学和科学基础知识的人才的需求将不断增加。元宇宙本身就是尖端科技的集成体，在各个领域中应用元宇宙需要配套的硬件设施，这将会刺激产生新的融合专业背景的学科与专业人士。在教育领域，教与学、师与生的界限变得更加模糊。学生通过元宇宙的课堂探索新知、与教师共同交流学习，虚拟课堂可以容纳更多有想法的学生，也可以促进学生拓展时空深入学习，教师由此将会更大程度地拓展自身知识广度与深度。

1.3 强交互性

人机交互。无摩擦的人机交互才会产生高效率的师生交互。元宇宙构建的虚拟课堂，学生、教师、管理者往往是借助虚拟现实设备丰富自身感官而高度投入，沉浸式地进入虚拟课堂进行学习交流。人与机器的无摩擦交互允许学生与教师完全沉浸在一个独立的人工或模拟环境中，同时体验它的真实。沉浸式环境可以为学习者提供丰富和复杂的基于内容的学习，同时也可以帮助学习者磨练其技术，提升他们的创造性和解决问题的技能。

参与主体交互。学院、学校、设备管理者也可以借助元宇宙在教育中的应用与外界进行全面联结，元宇宙将最大限度地发挥教育的普适性。许多教育组织和机构已经在利用VR技术进行营销和提供服务，如通过虚拟校园旅游有效地接触和吸引未来的学生；学校与社会企业的合作，在促进知识理论对当前实践的补充的同时，可以帮助企业匹配合适的人才。此外，还可以为科学教育者提供在职培训等。

1.4 进阶性

技术进阶。元宇宙本身集各项尖端技术于一身，技术进阶是技术发展的一个必然阶段，但不是最终阶段。构建教育元宇宙需要一个强大的计算系统，尽管云计算、边缘计算和其他计算范式能够在一定程度上促进计算能力的发展，但目前的计算能力架构还不能持续满足元宇宙的低阈值和经验密集型需求。能源可持续性缺乏也是元宇宙应用于教育的核心制约因素。此外，在元宇宙资源管理技术的背景下，有效地发现和分配资源也是技术管理需要进一步考虑的。

学习方式进阶。原本线上线下混合的学习方式发生了改变。传统课堂的线上仅仅依靠多媒体进行简单的课件教授与网址浏览。以往，教师通过制作课件进行教学，其课件包含了教师的教学思路和教学重点，但学生未必真正理解。元宇宙使得学习方式焕然一新，在虚拟课堂上师生可以按照教师教学思路进行沉浸式的思考与交流。有学者将国内的教学模式分为3类：教师系统教学、教师辅导教学、教师系统教学同时也辅导教学[13]。在元宇宙的参与下，教师在本科生的课堂上也许将逐步以辅导教学为主，师生共同学习、探索与交流。

2 元宇宙视角下教育行业的发展

元宇宙通过集成通信技术、计算基础设施以及为现实课堂和虚拟教学场景的连接与融合提供所需的技术构建了虚拟课堂，为教育的使用者提供沉浸式课堂体验，促进具有不同背景、不同文化的学生们基于元宇宙进行协作学习与交流学习，实现学生们基于问题的能力探索，形成更为包容开放的世界视野。

2.1 技术支撑

首先，元宇宙应用于教育是物理课堂和虚拟课堂的紧密整合、互动和交织，这需要整合各项组成元宇宙的新技术，以创建一个新的互联网应用程序和教育形式。元宇宙能够为教育领域现实课堂和虚拟教学场景的连接与融合提供技术支撑。此外，随着元宇宙逐步应用于教育领域，收集到的教师、学生数据的数量和丰富性是前所未有的，如同在现实世界中一样，进入元世界的教师、学生、管理人员需要一个虚拟身份凭证，而身份建模和身份寻址就是现实世界和元宇宙之间的桥梁。因此，在协调与交互过程中需要确保不同教育元宇宙系统的隐私和安全，这将是元宇宙时代一个非常重要的研究领域。

2.2 虚拟现实

虚拟现实能够将实际知识引入课堂，可以通过模拟和虚拟体验来增强教育能力。元宇宙的实质是提升参与者的沉浸感，在教育教学过程中，可提升本科生学习兴趣与效率（沉浸感）及实践技能（虚拟具有破坏性的化工实验、手术实践等）。

2.2.1 个性化和自定节奏的学习

现实课堂上，优质教师资源、空间学习资源、开拓交流视野都相对有限。同时，现实课堂班级规模较大，面向每位学生的教学资源随之递减，而优质教师资源分配并不均匀，使得学生可能无法收到更为个性化的反馈。教育元宇宙通过虚拟现实，可以使每位学生脱离现实空间的限制自行设置属于自己的虚拟课堂，通过选择教师资源库、教师教学音量与语速、其他学生课堂透明度，实现学习空间的个性化与自我节奏的安排；基于虚拟学习空间学生可以体验虚拟现实的名胜古迹，加深对历史和文化的理解，深刻体会人文魅力；学生通过自我创建封闭的虚拟空间专注于解决数学、物理、化学等课程的习题，从而锻炼理性思维能力；通过虚拟课堂学生可以更方便地同来自不同班级、区域、国家的学生与教师进行交流，拓宽自身视野。教师可根据学生的学习日志数据，促进定制的学习，提供适当的支持；通过虚拟课堂的系统平台了解不同学生的个性化学习进度，提供个性化的家庭作业，并根据学生的技能掌握水平为学生制定个性化的学习计划。

2.2.2 可获得性和包容性学习

虚拟现实的课堂教育对学生更具包容性，学生的获得性更强。教育是社会流动性和福祉的关键驱动力，学习系统必须转向更容易被获得，因此更具包容性的方法才能确保每个人都能获得机会。对于残疾的学生，可以采用虚拟课堂模式——将视觉、听觉、触觉和动觉方法结合，整合到现有的课程中，帮助学生以不同的方式参与课程。对有特殊需要的学生可针对性地采用如加减配件和触觉刺激物等方式，创造适合每个人的虚拟现实课堂；同时，确保学习材料的不同呈现，如