元宇宙中情境知識的構建與應用初探

姚占雷，許 鑫

0 引言

以2021年10月28日Facebook正式改名Meta為觸點，元宇宙概念迅速走紅，助推其成為社會高度關注的創新方向，2021年也被譽為“元宇宙元年”。清華大學新媒體研究中心發布的《2020－2021元宇宙發展研究報告》顯示，“‘元宇宙’熱潮背后是AI、VR、AR、5G、大數據、數字孿生、云計算、區塊鏈等相關技術的發展已經到規模化應用的臨界點，是對新型技術的統攝性產品化想象，可統合諸多新興技術，將其導向可落地的產品形態”[1]。元宇宙為我們勾勒了人類未來數字化生存圖景，其本質是構建一個與真實世界平行的虛擬數字世界，且在實踐的過程中勢必會為現有的科技領域帶來更多的應用場景，進而重塑人類未來的生產生活與學習方式[2]，將在游戲、社交、藝術、教育、設計、營銷等諸多領域取得突破[3]，構成經濟社會數字化轉型的一大助力。

聚焦到教育場景，當前線上教學的模式已被師生廣為接納，不過多是傳統授課模式的線上延伸，學生的知識遷移能力受限。同時，現有以情境模擬實驗(實訓)教學為代表的虛擬學習環境，雖然能在培育學生知識遷移能力過程中發揮重要作用，但也多是作為傳統課堂活動的一個自然延續，主要是完成對課堂知識綜合運用能力的考察且非必須，導致情境知識的習得過程漫長。而元宇宙以其沉浸式互動體驗等特性，可為情境知識的習得提供理想空間；同時作為“包羅萬象”的元宇宙，探索建構與之匹配的學科知識資源科學組織與利用范式，扭轉現有物理現實世界、主觀虛擬世界、客觀知識世界鏈接欠佳的現狀，有其必要性和價值。

1 情境知識相關研究

為什么要構建情境知識？情境知識作為現實知識的構成部分，它存在于每一具體的互動情境中，具有影響行動并建構社會的功能[4]，在知識遷移能力形成過程中，情境知識習得的作用至關重要。情境知識的習得總在某種程度上改變著原有的認知結構，它發生于學習者在對已掌握的課堂知識進行重構與組合的過程之中，繼而形成知識遷移能力，而促使知識遷移發生的要素包括學習者的概括及類比推理能力、對原理的理解與掌握程度、學習情境識別及系統化思考等[5]。因此，只有理解并把握事物的屬性和基本原則(如傳統課堂知識習得)，并經系統化思考識別出知識與情境間的相互關系(本文所提的情境知識)，概括出自己的經驗、方法，繼而形成知識遷移能力。元宇宙中所富含的場景將成為支撐情境知識習得的一個重要載體；同時情境知識所承載的學科知識資源，也將進一步充實元宇宙內涵，改變當前過度的泛娛樂化、社交化傾向，賦能經濟社會數字化轉型。

圖1 課堂知識與情境知識區別示意圖

1.1 情境知識及其應用

目前學界對情境知識的概念界定尚未形成共識。情境知識通常可被看作是對與研究對象相關的條件、背景和環境的認知，既包括外部環境、背景等客觀因素，也包括活動主體的認知、經驗、心理等主觀因素[6]。張瓊等根據教學過程與呈現時借助的手段不同，將情境知識分為符號類情境知識、模擬社會生活場景類情境知識、操作類情境知識和基于技術支持的情境知識四種類型[7]。張輝蓉等認為基于教師問題提出的情境知識，由問題提出知識、學生問題提出知識、問題提出情境知識、問題提出教學方法知識、問題提出教學評估知識構成[8]，情境知識亦或按照實體情境特點劃分為設備情境、時空情境、用戶情境和任務情境[9]，并具有時間鏈驅動的動態演化特性[10]。

盡管對情境知識的界定尚未清晰，但情境知識的價值已被發掘并廣泛應用于知識管理、決策模擬等。比如，在知識管理方向，鄔益男[10]構建情境視圖對知識資源進行導航；李澤中等[11]建立起面向業務問題求解的知識情境集成模型框架；王欣等[12]構建靜態、動態情境知識模型，為用戶推送所需的個性化知識；Palacios S等[13]設計一個可擴展的實時按需情境知識提取和分發框架(SKOD)，以通過基于用戶興趣建模的觸發器，將動態內容推送給相關用戶。再如，在決策模擬方向，曹高輝等[9]基于情境數據的情境建模，尋求最優融合策略完成多層次、多維度的信息融合決策處理；Jain S等[14]采用自上而下、自下而上、基于案例、基于規則的混合推理方法來提供緊急決策支持；Steinberg A N[15]等認為情境知識有助于把握市場動態，從而做出理性決策，而在職前教育階段應重視真實工作情境的滲透，重視跨領域理論知識及其情境化的運用[16]。

1.2 知識情境化組織

為促進形成特定知識的遷移能力，構建與應用場景相匹配的知識資源至關重要。目前國內外相關研究與實踐已累積一定的成果，為相關研究與實踐開展提供了參考。

(1)技術方法應用。協作制圖/視頻、案例資源整合、多媒體技術是在情境教學過程中常見的、靈活的且受限較少的知識資源獲取方法。比如，Gaston J P等[17]提出由學生團隊合作制作特定概念和內容領域的視頻，可觸發情境學習過程中的興趣、動力和情境感知。而隨著移動學習快速興起，一些學習APP為提高用戶學習模塊化，開始重視情境在內容交付中的作用。比如，Wu X等[18]測試了一款情境交互式酒店英語學習APP，該APP依據部門劃分酒店，依據工作場景設定英語對話練習內容，發現娛樂性和自我效能是用戶使用該類APP意愿的重要因素。以VR、AR、MR為代表的虛擬現實技術也備受關注，亦在教學情境構建中廣泛應用。比如，孫紅杏等[19]將VR技術用于詞匯講解及情境對話口語訓練場景；Yip J等[20]運用AR技術制作虛擬現實場景，提高學生的學習經驗及其對復雜問題的理解；Matthew A F等[21]利用Second Life machinima視頻和模擬文檔所描繪的敘述，構建一個真實的談判模擬學習環境；方琦[22]等將基于網絡環境的虛擬地貌考察融入傳統的課堂教學。

(2)系列模型構建。此類多是基于情境學習理論、分析情境模型、動態記憶理論、故事構造模型等構建面向具體情境的模型或模式。曲茜美等[23]基于情境故事視角構建的MOOC游戲化模型，能夠將抽象概念融入具體情境、故事和人物關系之中，避免了概念之間的孤立[24]。Beyyoudh M等[25]認為基于游戲的知識資源融合能夠促進偶然學習。針對網絡教學過程中知識資源結構外部封閉、內部松散堆砌等問題，宋曉光[26]提出基于網絡教學構建“三課兩網一平臺”知識供應體系。

簡言之，當前針對學科知識情境化組織利用的技術方法研究，多是以刺激感官、提高學生情境學習興趣為出發點，或是優化已有知識資源的展現形式，對知識資源的深層次組織利用少見，知識資源的有效組織利用模式尚未形成；而學者面向具體學習情境構建的知識資源模型，雖可使知識資源的表示方式更具多樣化和關聯性，但多是圍繞已有課程內容或教學計劃構建。值得一提的是，中國人民大學朝樂門研究團隊圍繞數據故事化的系列研究[27-29]，為數據科學相關知識的情境化組織提供了參考，如設計面向數字人文的“數據化-情境化-故事化”層層遞進的紅色檔案資源組織路徑，從情境化角度編織多元的敘事維度[30]。

2 元宇宙與三個世界

元宇宙是什么？目前尚無公認定義，學術界、產業界均發表了自己的理解和看法，國內較具代表的理解認為“元宇宙是整合多種新技術而產生的新型虛實相融的互聯網應用和社會形態，它基于擴展現實技術提供沉浸式體驗，基于數字孿生技術生成現實世界的鏡像，基于區塊鏈技術搭建經濟體系，使虛擬世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，并且允許每個用戶進行內容生產和世界編輯”[31]。由此可見，元宇宙關心的是技術之上的應用形態，賦予體系化、豐富的應用場景，是一個人類基于對現實世界的認知和理解，創造和構建一個基于現實、高于現實的虛擬宇宙[32]。

基于當代英國科學哲學家卡爾·波普爾的三個世界理論(即物理世界、被感知的數字世界、客觀知識世界)，元宇宙可分別映射為其組成的“物理現實世界”(建筑、土地、河流等)、“主觀虛擬世界”(數字環境或虛擬場景)與“客觀知識世界”(各種形態的學科知識資源)。現階段業界和學界有關元宇宙的探索普遍將視角聚焦在物理現實世界與主觀虛擬世界的更為沉浸式互動體驗上(如娛樂、傳媒、工業)，鮮有關注作為其重要組成部分的客觀知識世界，僅向安玲等[33]從元宇宙技術發展和組織特性出發，結合數字資源管理的關鍵環節，梳理了技術融合點和潛在應用場景。盡管如此，當前元宇宙中三個世界鏈接的機理依舊存在(圖2)，但需增強、升級。

圖2 元宇宙中三個世界的鏈接現狀

隨著相關實踐的深入，元宇宙中三個世界的鏈接將更為緊密，尤其是物理現實世界和主觀虛擬世界；也正是緣于對這種統攝性產品化的想象，可統合諸多新興技術，成為爆發性熱點，將其導向可落地的產品形態。事實上，基于數字孿生技術生成現實世界的鏡像、新型虛實相融的社會形態業已出現，如智慧交通數字孿生平臺[34]。客觀知識世界與物理現實世界的鏈接會在人類生產生活與學習活動過程中自然發生，是一類客觀存在，無須干預，而具體到教育領域，則反映在學校課堂授課等活動之中。自古以來，客觀知識世界的建構方主要源自教研或生產實踐一線人員，并通過學校等場所傳播開來，而隨著現代信息技術與教學活動的持續深入融合，客觀知識世界開始走進主觀虛擬世界。近年在線教育行業發展迅猛，尤其是新冠肺炎疫情全球爆發以來，人類的現實生活開始大規模向虛擬世界遷移，2020年上半年我國幾乎所有教學活動轉移至線上，客觀知識世界與主觀虛擬世界相融互通，然而多是傳統授課模式的線上鏡像。緣于線上線下教學各具不可替代特性，兩者對教學資源要求不一，線上線下融合教學的理論[35]與實踐[36]探索備受關注，成為相關領域研究的熱點現象。以篇名“線上線下”AND主題“教育”為檢索式，2021年12月3日的CNKI檢索數據顯示，相較于2019年國內學者發表的46篇期刊論文，2020年114篇、2021年159篇，增幅顯著。

綜上所述，因為客觀知識世界的存在，有別于數字孿生完全著力于對物理世界生產生活的優化與效率提升，元宇宙被賦予了更多的想象。不過，元宇宙中的客觀知識世界構建并不是簡單地將線下學科知識資源線上化，亦被賦予了新的內涵。

3 融合情境知識的元宇宙

3.1 基于情境知識的客觀知識世界重塑

當前客觀知識世界(各種形態的學科知識資源)在主觀虛擬世界(數字環境或虛擬場景)中的形式多樣、種類繁多，涉及文本、圖片、音頻、視頻、程序源碼等表現形式(見表1)，并廣泛分布在諸多繁雜的網絡環境中。

表1 知識資源的種類與分布

線上教學活動多依賴專業化教學平臺(超星泛雅、Blackboard、Moodle等)或直播平臺(騰訊會議、嗶哩嗶哩、Zoom等)。與特定應用場景結合的則是依托教育部開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設[37]所產生的各級別虛擬仿真實驗教學項目，如國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺(http：//www.ilab-x.com)，這也是元宇宙在教育領域的一類典型實踐。元宇宙將會使教育的體驗性更強，開展沉浸式的教育，它更偏向具備必要基礎知識之后的知識運用能力鍛煉和知識遷移能力形成。因此，元宇宙中客觀知識世界的構建，本質上是深度融合應用場景的學科知識資源重構，本文將這一過程稱之為“知識情境化”，最終得到情境知識。

情境知識是知識遷移能力形成的關鍵，它能夠助力學習者形成新的知識邊界，加速其面對特定任務(或問題)做出正確行動，存在于以知識點為中心的關聯知識庫之中，它源于課堂知識，但又高于課堂知識。作為一類能加速學習者面向特定任務(或問題)做出正確行動的知識資源，情境知識具有實操性強、富含行動等特點，是面向特定任務達成(或問題解決)的系列組合，是對現有課堂知識的萃取與升華。為此，本文以任務為節點，以任務達成所采納的方法及對應的流程為屬性，建立富含行動指導的情境知識，形成“任務-方法-流程”情境知識描述框架(圖3)，即：將情境知識中的“任務”定義為領域知識，“方法”“流程”歸屬操作性知識，“任務”與“方法”關聯，通常是多個方法的組合，而“流程”又是“方法”的載體，構建情境知識概念圖以實現任務導向的情境知識表示。同時，為實現情境知識的科學管理與共享利用，可采用RDF資源描述框架，以“資源(任務)”-“屬性(方法、流程等)”-“值(實例)”三元組的形式，完成對情境知識概念圖的資源描述，形成情境知識庫，以實現它的科學管理與共享利用，并基于知識圖譜優化信息檢索，利用語義匹配而非詞匹配、概念關系而非關鍵詞關系來實現情境匹配和近似情境的精確關聯。

圖3 某企業產品研發決策情境下競爭對手專利識別任務的情境知識示意

3.2 情境知識構建的一般路徑

情境知識構建是一項系統性工程，既依賴于特定學科，又要兼顧應用場景，還需具有可直接用于指導實踐訓練的配套資源，可遵循相關范式。下文以數據驅動決策情境為例開展闡釋。

3.2.1 應用場景中教學需求識別

對應用場景中教學需求的精準把握是針對性開展情境教學活動的前提，它決定了教學活動的內容與形式，成為情境知識構建中的關鍵環節，主要涉及兩類需求的識別。

圖4 情境知識構建“四部曲”

(1)教學情境需求識別。基于企業視角，對常用的決策情境(研發決策、營銷決策、定價決策等)進行特征畫像，系統挖掘決策情境中所包含的任務及其對應的活動，并廓清這些活動的性質(演示型、操作型等)、載體(音視頻、圖文等)、時機等，為情境知識構建提供必要的框架與要素。

(2)教學資源需求識別。數據驅動決策情境中的教學資源主要分為面向理論回顧的基礎知識、面向實際情境的領域知識和面向決策活動的數據資源三類，全面梳理它們的特點、分布狀態、可用性、更新頻率及數據之間的關聯現象等，進而厘清所需的教學資源，為后續研究工作開展提供基礎支撐。

3.2.2 需求驅動的教學資源整合

教學資源本身來源廣泛、形態各異、結構繁雜，其碎片化、異構、多模態等特點為教學資源利用帶來了困難，而對它的整合也通常涉及資源的穩定獲取、類型聚合、關系融合、管理利用等，主要建設內容包括三類。

(1)資源獲取與聚合。建立教學資源的穩定獲取方式方法，并研究不同模態數據之間的轉換，使用統一的元數據標準對資源進行聚合，旨在提供一站式的資源檢索服務。

(2)知識發現與抽取。在資源聚合的前提下，著重面向數據資源這類教學資源，構建用于輔助決策的知識，具體包括企業競合關系、產品開發方向、用戶群體畫像(偏好/情緒等)、影響事件發展的要素等。

(3)知識資源庫建設。為解決知識資源的規范與動態管理問題，建立統一的知識資源數據模型，并據此建設知識資源庫，進而更好地滿足知識資源最大化利用的需要。

3.2.3 任務導向的情境知識建模

情境知識的規范化表示是做好組織利用的前提和基礎，探尋具有一定普適性的情境知識表示方法有其價值，能助推與豐富元宇宙的內涵建設，但因情境歸屬領域的差異顯著而極具挑戰，主要建設內容包括三類。

(1)情境知識表示方法。將情境模擬中任務達成(或問題解決)所采納的“方法”和實施的“流程”納入情境知識范疇，建立以任務為節點、以方法和流程為屬性的情境知識描述框架(圖3)。

(2)情境知識生成。解決情境知識的實例化問題，著重基于知識資源庫，結合教學情境需求，探究任務與方法、流程間的關聯機制，構建情境知識生成機制，完成大規模情境知識的構建。

(3)情境知識利用策略。解決情境知識的利用問題，著重探究建立起面向特定情境檢索并選取情境知識的路徑，及其利用時機等，并實現以多維視圖、多途徑檢索等方式的情境知識全景呈現，以服務于相關實踐。

3.2.4 情境模擬的教學方案設計

不同類型的決策情境決定情境模擬的內容與形式。數據驅動決策情境則是強調基于數據形成決策依據的過程，主要建設內容包括兩類。

(1)數據驅動決策的情境模擬方法。依托前述構建的知識資源庫，著重以數據資源為原始輸入，以決策模型(情境知識中的“方法”“流程”)為核心，以決策結果(情境知識中的“任務”)為結果輸出，建立融合情境知識的決策情境模擬機制，搭建由“活動數據”生成“決策依據”的通道。

(2)決策情境要素設計。針對決策情境活動，設計或梳理與之配套的決策情境要素(場景、實物、用戶等)及其呈現形式，為情境模擬學習環境建設提供必要的基礎素材。

4 元宇宙中情境知識的典型應用初探

筆者實驗室在2021年5月組織的一次“虛擬學習環境的教學現狀調查”(問卷面向長三角地區發放，有效回收234份)結果顯示，當前高等院校的情境化教學活動比重似乎并不高，學生的知識遷移能力多是通過其他途徑習得或在生產生活中自我歸納形成。

作為描繪人類未來數字化生存圖景，教育亦是重要一環，元宇宙將重塑上述狀態。情境知識的構建在一定程度上解決了元宇宙中客觀知識世界與主觀虛擬世界的弱連接問題，增強其獨特的育人功能，主要是利用元宇宙更為沉浸式互動體驗的特性，促使線上線下教學分工清晰、迭代升級，且與具體應用場景的深度逼真融合，會產生更廣闊的想象空間，主要包括但不限于三個方面。

表2 不同類型虛擬學習環境在教學活動中的接受程度

(1)深耕內容，由“知道”升級為“行動”。面向具體應用場景、問題驅動任務導向的學科知識資源重構，將涌現出情境知識供給的產品形態，這為百科資源類平臺帶來新契機，即：在保留原有詞條的基礎上，以闡釋基本知識為主，漸趨走向指導行動，知識和資源精準及時抵達。元宇宙中人類實現虛擬世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合，對參與指導行動、解決實際問題的知識要求更為迫切，也為精準及時抵達等體驗提供了可能。當前也出現有類似指導行動的產品(如百度經驗)，但多偏向指導常識性生產生活實踐。

(2)平臺升級，由“仿真”趨向“真實”。作為新型虛實相融的互聯網應用和社會形態，元宇宙所富含的應用場景更接近現實，能為教學活動帶來更為真實的情境，進而改變“當前虛擬學習環境多是傳統課堂活動的實踐環節，其知識表達多遵循課堂知識體系”現狀。學科知識資源的情境化組織并融入元宇宙，并統合AR/VR/MR等技術拓寬感知模式，會帶來更為完整、貼近實際的學習環境，讓學生做“真實驗”、“真實踐”，進而加速情境知識習得過程，助推所學知識的遷移運用。

(3)層次分明，助推經濟社會數字化轉型。經濟社會的數字化轉型，不僅需要大量的數據產業技術人才和熟悉數據業務的人才，聚焦探索數據資源的創新應用，還需要公民具備一定的數字素養，國家2021年11月印發《提升全民數字素養與技能行動綱要》，將加速這一進程。而元宇宙本身的數字屬性，通過將情境知識與不同場景的組合，可為公民數字素養提升及相關人才培養提供理想的實踐空間，如數據驅動決策情境知識可快速幫助從業人員習得相關生產技能；智慧交通數字孿生平臺等的業務運作及其與情境知識串聯，可促使學生或新進員工直觀建立與場景的聯系、熟悉數據業務；而作為一類能加速學習者面向特定任務(或問題)做出正確行動的知識資源，情境知識具有實操性強、富含行動等特點，可直接融入提升全民數字素養與技能行動。