中小學教育元宇宙空間的構建及其教學應用*

王同聚

中小學教育元宇宙空間的構建及其教學應用*

王同聚

（廣州市電化教育館，廣東廣州 510091）

隨著新技術的迅猛發展，元宇宙快速進入社會多個應用領域，教育元宇宙應運而生。目前，我國教育元宇宙的應用尚處于初級階段。為推動教育元宇宙在中小學校的落地實施，文章首先厘清了“元宇宙”與“教育元宇宙”的概念，然后通過對教育元宇宙的關鍵技術、框架設計、場景構建、教學空間等方面進行統籌規劃，構建了中小學教育元宇宙空間，其架構包含基礎設施層、技術平臺層、智能感知層、應用展示層。最后，文章依托教育元宇宙空間，在中小學學科教學中開展了XR和“三師課堂”教學探索性實驗。在教育元宇宙空間，人類教師、虛擬數字人教師和智能機器人教師以“三師課堂”形式協同授課，實現了跨越時空的師生互動交流，既能減輕教師的工作負擔，也能發展學生的核心素養、提升其學習成效，有助于創新人才的培養。

教育元宇宙；虛擬數字人；智能機器人；“三師課堂”；中小學學科教學；智能技術應用

一 研究背景

隨著人工智能（Artificial Intelligence，AI）、擴展現實（Extended Reality，XR）、物聯網（Internet of Things，IoT）、5G、區塊鏈、數字孿生、腦機控制等新技術的迅猛發展，“元宇宙”快速走進大眾視野。2021年10月29日，扎克伯格將“臉書”（Facebook）更名為“元”（Meta），“元宇宙”成為了年度流行熱詞，2021年亦被視為“元宇宙元年”[1]。元宇宙涉及人類社會的各個領域，既要有多學科、跨學科研究的融合度，也要有單一學科研究的精深度[2]。隨著元宇宙時代的到來，元宇宙在教育領域的應用將開啟“教育元宇宙”的新紀元。

教育元宇宙以技術為體、以教育為魂、以育人為本，將推動“互聯網+教育”時代走向“元宇宙+教育”新時代。順應時代發展的趨勢，各地學校要積極打造教育元宇宙教學空間，讓教師適應“元宇宙”教學場景，并在教育元宇宙空間開展豐富多彩的教學活動。人類教師進入虛擬空間后，將通過數字化以虛擬數字人形象行走于虛擬世界。虛擬數字人可以作為教育元宇宙形象代表，成為人類教師的得力助手和智慧伙伴；而智能機器人在AI技術的支持下可以實現語音識別、圖像識別、智能感知、智能應答、智能移動等操作，并可在教室里提供模式識別、行為分析、人機交互、問題答疑等功能，亦能成為人類教師的幫手。虛擬數字人和智能機器人能夠以助教的角色協助人類教師完成重復性、繁雜性、程式性、機械性的工作，因此未來的課堂教學將會由人類教師、虛擬數字人教師和智能機器人教師三元一體協同授課，以“三師課堂”形式共同完成教學任務。

目前，教育元宇宙的相關應用研究已在一些高校展開，如蔡蘇等[3]在北京師范大學搭建了“VR/AR+教育”實驗室，并基于VR/AR的理科虛擬實驗室和文科沉浸式情境體驗教學實驗，開展了教育元宇宙的教學應用研究；華子荀等[4]在廣東第二師范學院開展了教育元宇宙的應用實驗，通過創設“圖書館”“校園”“教室”三類教育元宇宙場景，分別對應序列型指引、綜合型探究、眾創建構三種學習活動；劉革平等[5]在西南大學探討了教育元宇宙在素質教育、全納教育、職業教育、終身教育等領域的應用場景。但是，目前我國在中小學搭建教育元宇宙空間和開展教育元宇宙教學應用的研究案例并不多見。2022年，我國各地政府相繼發布支持元宇宙產業落地的政策文件，其中北京市通州區人民政府、北京市科學技術委員會等印發的《北京城市副中心元宇宙創新發展行動計劃（2022-2024年）》推出了一批元宇宙應用場景，其中“元宇宙+教育場景”主要用于支持“元宇宙教育實驗室”“智能學校”等智慧教育試點示范建設，加快虛擬現實技術在職業教育、基礎教育等不同教育階段的應用，支持建設新型虛擬仿真實訓基地、產教融合智慧云平臺，推動科普、培訓、教學、科研的融合發展等[6]。為落實國家教育數字化戰略行動計劃，有必要在中小學開展教育元宇宙和虛擬數字人實驗的相關研究，以帶動教育數字化轉型和智能升級、創新數字資源供給模式、深化教育教學改革創新、促進教育公平和提高教學質量。為此，本研究聚焦于中小學教育元宇宙空間的構建，并開展了相關的教學探索性實驗。

二 “元宇宙”與“教育元宇宙”

1 “元宇宙”的概念

目前，公認的“元宇宙”（Metaverse）概念來自美國作家尼爾·斯蒂芬森于1992年出版的科幻小說《雪崩》（），書中的主角Protagonist帶著防護眼鏡和耳機進入元宇宙，在數字世界中以自己定制的化身形象出現[7]。目前，國內學術界尚未就“元宇宙”的概念達成共識。例如，沈陽[8]認為元宇宙是整合多種新技術后產生的新型虛實相融的互聯網應用和社會形態，其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，并將虛實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，使每個用戶都可以進行內容生產和編輯；陳剛等[9]認為，元宇宙是利用科技手段進行鏈接、創造并與現實世界映射、交互的虛擬世界，也是具有新型社會體系的數字生活空間。當前，人們對元宇宙的探索仍處于起步階段，因此“元宇宙”是一個不斷發展、演變的概念，需要對其內涵繼續進行整合、提煉、歸納和總結，使其更加貼合現實應用場景的需求。此外，“元宇宙”的概念需適合在多個領域應用，故要從技術支撐、拓展屬性、人機融生、生存空間、構建階段、主要特征等多個層面對其概念進行界定。

基于上述分析，本研究通過對多名研究者的相關觀點進行梳理、歸納，提出元宇宙是基于AI、IoT、XR、數字孿生、區塊鏈、腦機控制等新技術，將現實世界與虛擬世界進行交互融合，通過自然人、智能機器人和虛擬數字人三元融合共同參與數字社會活動，由數字孿生、虛擬貨幣、虛擬原生、虛實共生、虛實聯動構建而成的數字化生存空間。元宇宙的出現，實現了生活空間、感官體驗、視角維度、思想實踐、消費空間等的拓展。

2 “教育元宇宙”的概念

“教育元宇宙”（Edu-metaverse）的研究剛剛起步，其相關理論研究成果較少。華子荀等[10]認為，“教育元宇宙”可被理解為元宇宙的教育應用，其為教師、學生、管理者等創建數字身份，在虛擬世界中開拓正式與非正式的教學場所，并允許師生在虛擬的教學場所進行互動；劉革平等[11]認為，教育元宇宙是利用XR、數字孿生、5G、人工智能、區塊鏈等新興信息技術塑造的虛實融合教育環境，具有虛擬與現實全面交織、人類與機器全面聯結、學校與社會全面互動的特征。值得一提的是，這兩位學者還根據自己在高校的工作經歷，從技術、應用、呈現形式等層面對“教育元宇宙”的概念進行了解讀。但是，目前國內對“教育元宇宙”的概念尚未有明確、統一的界定，需要對其概念做進一步的梳理、歸納和總結，使其更加貼近現實教育場景，以推進元宇宙在教育領域的應用。

在梳理多名研究者對“教育元宇宙”相關論述的基礎上，結合七年來筆者在教學中應用VR、AR、MR的實踐探索，本研究歸納“元宇宙”的概念并預測其發展趨勢后認為：教育元宇宙是在AI、XR、IoT、區塊鏈、數字孿生、腦機控制等技術的支撐下，集智慧育人空間、虛實教學體驗、跨越時空交流、三師協同授課和多種教育資源于一體的智能教育教學應用場景，其通過人類教師、虛擬數字人教師和智能機器人教師三元一體協同授課，以“三師課堂”形式在現實空間和虛擬空間共同開展教學活動，能夠實現人機交互、虛實交互、智能交互、情境交互、體感交互、腦機交互和師生交互。

厘清“元宇宙”“教育元宇宙”的概念后，如何在中小學校落地實施教育元宇宙的問題便提上了日程。本研究通過對教育元宇宙的關鍵技術、框架設計、場景構建、教學空間等方面進行統籌規劃，首先從理論上構建中小學教育元宇宙空間，然后從教育元宇宙的硬件配置、資源開發、教學應用等方面開展探索性實驗，以不斷挖掘教育元宇宙與中小學教育深度融合的潛力，開發具有實踐性和指導性的教學案例，從而為中小學教育元宇宙的理論與實踐研究提供參考。

三 中小學教育元宇宙空間的構建

從理論上進行設想，中小學教育元宇宙空間應是一個集教學、體驗于一體的智能交互空間，由人類教師、虛擬數字人教師和智能機器人教師以“三師課堂”形式協同授課，并通過基礎設施層、技術平臺層進入教育元宇宙，通過智能感知層實現語音交互、體感交互、人機交互，通過應用展示層創設教育元宇宙的教學應用場景。基于此，本研究構建了包含基礎設施層、技術平臺層、智能感知層、應用展示層的中小學教育元宇宙空間，其架構設計如圖1所示。

圖1 中小學教育元宇宙空間的架構設計

1 基礎設施層

基礎設施層為教育元宇宙提供網絡設施、軟件平臺和硬件設備支持，主要由互聯網接入、物聯網接入、元宇宙軟件平臺和元宇宙硬件設備組成。

①互聯網接入：采用光纖網絡+5G WiFi網絡接入方式，確保網絡暢通，是通往教育元宇宙空間的“信息高速公路”。

②物聯網接入：能夠實現物與物、物與人、人與人之間的連接，涉及各種傳感器、感知設備、網絡傳輸模塊等。

③元宇宙軟件平臺：主要為教育元宇宙空間提供軟件環境支持，如XR資源平臺、虛擬數字人制作平臺、3D建模平臺、虛擬直播平臺等。

④元宇宙硬件設備：主要為教育元宇宙空間提供硬件保障，如語音交互智能機器人、VR交互無人機、智能音箱、智能體感設備、智能動作捕捉設備、腦機控制設備、頭戴式XR眼鏡等。

2 技術平臺層

技術平臺層是在云計算、大數據、AI、XR、IoT、區塊鏈、數字孿生、腦機控制等技術的支持下，主要為教育元宇宙空間提供算力、算法和數據支持。

①計算技術：為教育元宇宙提供算力支持，以支持語音控制、XR應用、機器人控制、無人機控制等軟件的開發與應用，具體包括云計算、普適計算、邊緣計算等。其中，云計算具有分布式存儲和計算、高擴展性、高可用性、用戶友好性等特征[12]；普適計算能夠在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理[13]；而邊緣計算可以緩解云計算中心的壓力，提高可用性，并能夠保護數據安全和隱私[14]。

②核心算法：為教育元宇宙空間提供各種智能設備操作和各種算法的支持，通過算法設計與分析，為平臺各應用系統的編程提供可靠算法設計思想和算法分析基本原則，具體包括AI、大數據、區塊鏈、數字孿生、互聯網/物聯網、物理引擎。其中，區塊鏈技術可用于完善數字內容的確權，使創作的數字內容具有資產屬性；而數字孿生技術以數字化的方式建立物理實體的多維動態虛擬模型，可用于仿真物理實體在真實環境中的屬性、行為等[15]。

③交互技術：語音交互、體感交互、腦機交互等多種交互技術在教育元宇宙空間運行時，需要調用大量的數據作支撐。例如，在交互的過程中需要調用設備綜合數據、平臺基礎數據、第三方應用數據、教學資源數據、過程性生成數據等多種數據。

3 智能感知層

智能感知層是教育元宇宙空間的“感覺器官”，由模式識別、感知控制兩大模塊組成。在AI、5G、XR、IoT等技術的支持下，人們通過眼、耳、口、鼻、腦、身實現視覺增強、聽覺延伸、味覺拓展、嗅覺靈敏、意識映射和體感交互，達到智能感知、智能分析、智能判斷、時空延展和人機融合的感官體驗效果。

①模式識別：包括文字識別、語音識別、圖像識別和人臉識別等。例如，應用文字識別，可以將文字轉成聲音文件或將聲音文件轉成文字；應用語音識別，可以與智能音箱或智能機器人進行語音交互；應用圖像識別，可以掃描圖片轉成文字、手機拍照識別植物等；而人臉識別可用于課堂監測、校園安防、學生身份識別等。

②感知控制：包括感應控制、體感控制和腦機控制等。其中，感應控制可以通過各種傳感器應用提升控制的精細化、智能化水平，如教育機器人通過超聲波傳感器、紅外傳感器、溫度傳感器、智能化數字傳感器等感知外部環境，從而在教育元宇宙空間實現自動避障、自動測溫、智能應答；體感控制是使用肢體動作與周邊體感設備進行互動，如通過各種可穿戴設備與頭戴式VR眼鏡中的操作對象進行虛實交互、體感交互；腦機控制是用人腦控制外部設備將思考轉化為行動，如利用腦機控制頭環控制計算機操作，完成文本輸入和文件的編輯、排版等。

4 應用展示層

應用展示層是教育元宇宙的應用展示窗口和教學應用場景，能為師生提供信息發布平臺與各種教育元宇宙的應用體驗。

①微信公眾號/視頻號：可發布教育元宇宙教學活動信息和元宇宙應用視頻展示內容。

②教育元宇宙應用資源網站：展示引進或自主開發的教育元宇宙教學應用資源。

③智能機器人應用：由中央處理器、多種傳感器和效果器等組成。在人工智能、大數據、物聯網等技術的支持下，用于教學的智能機器人具有相當發達的“大腦”，存儲了海量的各學科知識信息，能夠進行人機交互對話。在教育元宇宙空間，智能機器人可擔任人類教師的助教，學生遇到的概念性、知識性問題可由智能機器人來解答。

④虛擬數字人應用：主要利用智影、元媧、希壤、Snasp Camera、XSplit VCam等多種虛擬數字人平臺自主開發的各類教學視頻，通過虛擬數字人完成線上線下視頻授課。在教育元宇宙空間，虛擬數字人拓展了自然人在虛擬空間的數字融合應用能力，可以擔任人類教師的助教。

⑤XR與全息投影應用：主要放置VR/AR/MR設備和全息投影設備，分別應用于VR學科虛擬仿真實驗操作、VR在學科教學中的應用、VR與智能體感設備配合應用等；AR圖書、AR卡片、AR在學科教學中的應用；通過頭戴式MR眼鏡展示各種大型模擬實驗，如智能機器人組裝、高精密機械修理、動物解剖實驗、危化品爆炸實驗等；通過全息智能音箱和3D全息風扇屏，實現自然人與虛擬影像的人機語音交互，并在虛擬環境中讓全息數字人進行學科知識答疑、才藝技能展示、學科知識教學等。

⑥體感/動捕/腦電控制應用：可以通過動作捕捉設備、攝像頭與虛擬數字人平臺聯動，實現自然人與虛擬數字人的交互；通過智能腦機頭環，實現腦機交互打字、腦機交互操作計算機、學習狀態捕獲、學習效率分析等。

⑦3D建模編程應用：應用UE5虛幻引擎、MetaHuman等軟件，完成虛擬數字人的建模、設計、捏臉、服飾裝扮等任務；可以制作高仿真的虛擬數字人，為“三師課堂”提供虛擬數字人教師資源。

四 中小學教育元宇宙空間在學科教學中的應用

2015年，筆者創建“智創空間”的同時，配備了多種XR設備和AR圖書資源；2016年，筆者將VR、AR、MR技術（含可穿戴設備）作為創客教育“新三劍客”[16][17]，開展了XR在教學中的應用實驗研究[18]。近年來，“智創空間”又配備了全息投影設備、裸眼3D設備、交互體感可穿戴設備、腦機控制頭環、物聯網感知設備、教育智能機器人、腦機控制無人機等多種硬件設備，并搭建了虛擬數字人制作平臺、VR資源開發編程設計平臺等軟件平臺，在此基礎上構建了教育元宇宙空間，為開展中小學教育元宇宙實驗提供了有力的軟硬件支持。依托教育元宇宙空間，本研究在中小學學科教學中開展了XR和“三師課堂”教學探索性實驗。

1 XR在中小學學科教學中的應用

XR是VR、AR、MR等多種技術的統稱。VR是純虛擬數字畫面，其主戰場是虛擬世界，人們使用VR設備探索人工創建的虛擬世界，追求沉浸感；AR是虛擬數字畫面+裸眼現實，其主戰場是現實世界，人們使用AR設備產生的虛擬信息提升探索現實世界的能力，具有極強的移動性；MR是數字化現實+虛擬數字畫面，MR與AR更為接近，都是一半現實一半虛擬影像。

（1）VR在中小學學科教學中的應用

VR是一種基于多媒體計算機技術、傳感技術、仿真技術的沉浸式交互環境[19]，具有沉浸性、交互性、構想性和智能性。在教育元宇宙空間，可以使用VR設備開展中小學各學科內容的教學，如通過中央電化教育館的“虛擬實驗教學服務系統”（網址：https://vlab.eduyun.cn/）進入物理、化學、生物學、科學虛擬實驗室平臺，學生借助頭戴式VR眼鏡（如HTC、PiCO）和操控手柄，即可在虛擬空間身臨其境般地使用、操作各種實驗設備，進行實時交互、觀察各種實驗現象，如用頭戴式VR眼鏡探究電壓與電流之間的關系、頭戴式VR眼鏡觀察點燃鎂條的化學反應等。另外，通過桌面式VR一體機，學生可以使用相關設備操作各學科的VR課件資源并進行人機交互，如利用“桌面式VR一體機+全息投影”，學生通過裸眼即可觀看蝴蝶從“幼蟲→成蟲→繭蛹→蝴蝶”的蛻變全過程；利用“桌面式VR一體機+激光筆”，學生可以進行拆解發動機的實驗，而通過對發動機的每個部件進行拆分和重新組裝，學生可以直觀地了解發動機的組成結構和工作原理。在教學中使用三維模型、三維仿真、三維動畫等可交互式操作的VR資源，進行趣味性、直觀性、應用性、沉浸式的情景再現，可以實現人機交互的教學活動和實操訓練，讓學生獲得具有真實感和沉浸感的學習體驗。

（2）AR在中小學多個學科教學中的應用

AR是基于計算機的顯示與交互、網絡的跟蹤與定位等技術，將計算機形成的虛擬信息疊加到現實中的真實場景，以對現實世界進行補充，具有虛實結合、實時交互、沉浸體驗三大特性[20]。教師在組織開展中小學各學科教學時，師生均可通過手機或平板電腦的攝像頭觀看AR地球儀、AR圖書等AR素材提供的AR特效，并通過相關APP控制虛擬畫面中的機器人做出相應動作。在智慧教室，通過AR+AI摳像，可將人物經由AI摳像提取后的影像放置到相應場景中進行情景還原和場景再現，真正實現虛擬影像疊加在真實場景的AR特效。

（3）MR在學科教學中的應用

MR是數字化現實加上虛擬數字畫面，即通過在現實場景呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感[21]。MR技術結合了VR、AR技術的優勢，具有VR和AR相融的雙重特征。例如，教師在講授汽車底盤模型結構時，學生可以使用頭戴式MR眼鏡對虛擬的汽車底盤進行組裝并調試每個部件；學生在進行建筑模型設計時，可以多人同時使用頭戴式MR眼鏡，取得多人協同操作、實時交互、虛實互融的學習效果。此外，利用MR組織教學，還可以通過創設虛擬情境、明確探究問題、多人協同交互、拓展延伸空間來實現教學場景設計。可以說，MR縮小了真實世界與虛擬世界之間的差距，將知識體系同時朝橫向、縱向方向上拓展，可以幫助學生發現更深層次的問題，并為快速解決現實問題搭建虛擬化、數字化的學習平臺。

2 “三師課堂”在中小學學科教學中的應用

“三師課堂”是由人類教師、虛擬數字人教師和智能機器人教師三類教師協同開展的課堂教學，其教學模型如圖2所示。三類教師雖然角色不同、分工不同，但有共同的目標，能夠團結一致、三體合一，協同完成教學任務。

圖2 “三師課堂”教學模型

本研究以融合人工智能技術與虛擬現實技術開發的教學案例——“語音交互懸空體感爵士鼓的設計與制作”課程為例，來介紹“三師課堂”中三類教師的授課分工。語音交互懸空體感爵士鼓是一個數字化虛擬爵士鼓，其使用語音交互、虛實交互、體感交互等方式進行演奏。制作語音交互懸空體感爵士鼓需要利用方位計、重力傳感器、陀螺儀、超聲波傳感器、藍牙模塊、語音控制模塊、控制器等多種硬件設備，并需要通過圖形化語言或Python語言進行編程[22]。

（1）虛擬數字人教師：負責線上線下視頻授課

虛擬數字人教師是通過虛擬形象建模、文本輸入、文字識別、語音合成、自然語音處理、動作捕捉、動作設計、視頻生成等多個設計步驟，生成的數字化身人物形象。筆者利用智影、元媧兩個平臺，制作了虛擬數字人教師——“小慧”。課前，教師只需將提前準備好的PPT課件和虛擬數字人教師要講解的每張PPT文字內容分別導入虛擬數字人制作平臺，再經過場景、人物、服飾、動作、語調等一系列設置，即可自動生成虛擬數字人的授課視頻。“小慧”可以通過線上線下進行視頻授課，具有真人形象和發音，有豐富的肢體語言，發音純正而不夾帶方言，講解內容清晰、精準而不會出現口誤，是幫助人類教師授課的虛擬助教，能根據PPT內容出色地完成授課任務，可以代替人類教師通過視頻向學生講解“語音交互懸空體感爵士鼓的設計與制作”課程的全部授課內容。

（2）智能機器人教師：負責知識性問題的答疑

教育元宇宙空間配置的智能機器人能夠通過人臉識別技術識別學生身份，已存儲了海量的各學科知識信息，能夠通過智能語音交互功能進行人機交互對話，可擔任人類教師的助教。筆者對具有語音交互功能的人形智能機器人經過二次設計、開發，制作了具有個性化語音交互和人臉自動識別驗證身份功能的智能機器人教師——“小智”。在教育元宇宙空間上課時，“小智”的任務是為學生答疑解惑，尤其擅長為學生解答各種知識性、概念性疑難問題，且對各類概念性知識點的回答能做到解答精準、反應敏捷、有問必答、不會出錯，回答問題的快捷度、精準度、知識量、記憶力等已遠遠超越了人類教師。學生制作懸空體感爵士鼓時，如果遇到了知識性、概念性難題，便可直接向“小智”求助——只要呼喚他的名字“小智”，他就會自動走到學生身邊，用自帶攝影頭自動識別學生身份，并能精準回答學生所提出的問題。

（3）人類教師：負責線下現場教學活動的指導

在教育元宇宙空間上課時，“小智”“小慧”兩個貼身助教可以承擔大部分重復、繁重的知識性教學任務，這在“雙減”背景下首先減輕了人類教師的授課負擔，使人類教師可以集中精力去重點解決學生制作懸空體感爵士鼓過程中遇到的技術難題（如硬件設計制作、軟件程序編寫、作品聯合調試等方面的難題），并讓人類教師有更多的時間與學生溝通交流，引導學生完善項目設計方案，培養學生設計出創新性、智能化的優秀作品；同時，人類教師也有更多的時間去關注學困生的發展，并對情緒波動的學生及時進行心理疏導，給予情感關懷，提升心理素質，從而達到培優補差、提高學習成效、實現教育公平的目標。在教育元宇宙空間制作懸空體感爵士鼓的過程中，人類教師承擔組織者、引導者、參與者、設計者、陪伴者、評價者的角色，重點培養學生的項目規劃、計算思維、創意編程、綜合設計、開拓創新等能力，發展其核心素養。

教育元宇宙空間為“三師課堂”提供了廣闊的發展平臺，而人類教師、虛擬數字人教師和智能機器人教師可以取長補短、協同工作。學生在教育元宇宙空間進行學習時，可以同時接受人類教師、虛擬數字人教師和智能機器人教師的協同授課，并根據遇到的不同問題分別向他們求助。“三師課堂”的實施，既能為人類教師減負、提高其教學效率，又能提升學生的學習成效。

五 結語

通過構建中小學教育元宇宙空間，讓元宇宙和虛擬數字人走進中小學日常教學，中小學師生可以直觀地感受教育元宇宙的各類應用場景。通過XR和“三師課堂”在中小學學科教學中的應用，本研究將教育元宇宙空間與現實場景應用相結合，實現了跨越時空的師生互動交流，既減輕了教師的工作負擔，也發展了學生的核心素養、提升了其學習成效，有助于創新人才的培養。后續研究需要進一步優化教育元宇宙空間的建設，將教育元宇宙、虛擬數字人、智能機器人技術與課堂教學進行深度融合，以推動未來教育的數字化轉型和智能升級；同時，順應人工智能時代的教育發展需要，培養智慧型、創新型人才，使教育元宇宙為師生造福，實現新技術與教育的雙向促進和良性發展。

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The Construction and its Teaching Application of Edu-metaverse Space in Primary and Secondary Schools

WANG Tong-ju

With the rapid development of new technology, metaverse has soon been applied in various social fields, and edu-metaverse has emerged as the times require. At present, the application of edu-metaverse in China is still in the primary stage. In order to promote the implementation of edu-metaverse in primary and secondary schools, this paper firstly clarified the concepts of “metaverse” and “edu-metaverse”. After that, through the overall planning of key technologies, framework design, scene construction, teaching space and other aspects of edu-metaverse, the edu-metaverse space for primary and secondary schools was constructed, whose architecture included infrastructure layer, technology platform layer, intelligent perception layer, and application display layer. Finally, relying on the edu-metaverse space, this paper carried out teaching exploratory experiments of XR and “triple-teacher classroom” in the subject teaching of primary and secondary schools. In the edu-metaverse space, human teachers, virtual digital human teachers, and intelligent robot teachers teach together in the form of “triple-teacher classroom”, realize teacher-student interaction and communication across time and space, which could not only reduce teachers’ workload, but also develop students’ core literacy, improve their learning effectiveness, and help cultivate innovative talents.

edu-metaverse; virtual digital human; intelligent robot; “triple-teacher classroom”; subject teaching of primary and secondary schools; intelligent technology application

G40-057

A

1009—8097（2022）11—0015—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2022.11.002

本文為全國教育科學“十三五”規劃2020年度教育部重點課題“面向中小學人工智能教育的教師培養與教學策略研究”（項目編號：DHA200334）的階段性研究成果。

王同聚，正高級教師，本科，研究方向為基于智能機器人的創客教育、STEM教育、人工智能教育和教育元宇宙應用，郵箱為22915296@qq.com。

2022年7月1日

編輯：小米