元宇宙場域下的教育數字人及其應用*

婁方園，齊夢娜，王竹新，王 娟

0 引言

隨著人類進入元宇宙時代，人工智能、數字孿生、腦機接口等智能技術的應用助力百行千業找到新發展空間并實現全面轉型升級，尤其是教育領域。數字人是打開元宇宙大門的第一把鑰匙[1]，是教育元宇宙的敲門磚。數字人產業已初具規模，預計2030年中國數字人的整體市場規模將達2，700億元，逐步成為元宇宙重要一環[2]。

1989年美國國立醫學圖書館發起“數字人”項目(VHP)，1994年創造世界上第一例數字人[3]。2001年韓國大學和韓國科技信息研究所建立“韓國數字人”(VKH)項目[4]。同年“中國數字人”項目(CVH)建立，創造了中國首個數字人數據集[5]。數字人進化階段可以分為三代：可見人、物理人和生理人[6]，第一代實現了三維(3D)結構的可視化，如真人拍攝、換臉、二次元和卡通動漫；第二代實現了對人的物理特征的分析，如AI生成的超寫實、AI實時驅動3D超寫實；第三代實現了對人的生理特性的模擬，如AI賦能、性格培養。在技術與市場驅動下，數字人得到快速發展，為元宇宙提供蓬勃的發展動力。

通過對與數字人相關的國內外文獻及案例的梳理與分析，發現數字人的發展給教育帶來了機會，如虛擬教師構建個性化學習環境、虛擬學生實現像人一樣學習和思考、虛擬學伴陪伴并指導用戶學習、虛擬教育主播可以面向社會群體傳播知識、虛擬導游可以提高社會教育的趣味性和靈活性，激活了教育元宇宙的生態。國內學者對教育數字人的研究尚少，在知網上以“教育數字人”為關鍵詞檢索出的相關文獻為0篇，以“教育數字人”為主題檢索出的相關文獻僅18篇，且缺乏對其應用的分析與總結。基于此，筆者在對教育數字人的概念、特征與技術分析的基礎上，從學校教育型數字人和社會教育型數字人兩方面剖析其應用及國內外相關案例，對教育數字人所面臨的挑戰及實施建議進行了分析總結，以期為數字人促進教育發展提供思路，推動數字人與教育的初步融合發展邁向新階段。

1 元宇宙場域下的教育數字人概念與特征

1.1 教育數字人的概念

教育元宇宙為教育相關主體創建數字身份，實現真實人和數字人的教育交互[7]。從狹義講，教育元宇宙是基于VR等智能技術實現讓人沉浸式教與學的虛擬世界；從廣義講，教育元宇宙涵蓋數字教育世界的所有概念，包括當前的互聯網+教育和未來虛實融合的數字化教育世界，其中最重要的主體是真實人和數字人。

教育數字人是計算機通過復制或模擬真實世界中教育主體的體格而生成的實體，可以擺脫與人類身體互動相關的物理、空間和時間限制，與其他真實或虛擬對象、人或系統進行交互。簡言之，教育數字人意指具有數字化外形的與教育息息相關的虛擬人物，不僅擁有人的外觀、行為和思想，還具有識別外界環境、與人交流互動的能力。教育數字人有兩種主要類型——教育數字人化身(由人控制)和教育虛擬代理(由計算機控制)。教育數字人化身是由實時用戶控制的教育數字人，集成了人體生理、心理、生物力學等特征，能夠將真實教育世界的動作、意圖和想法遷移到虛擬世界中。教育虛擬代理是由計算機程序創建并控制的教育數字人，用于支持真實教育主體與虛擬環境的交互[8]。

1.2 教育數字人的特征

(1)教育數字人具有教育性。在高度仿真的虛擬教學場景中，師生能打破時空限制，通過控制虛擬化身以具身認知體驗和沉浸式體驗的方式進行情境性、探究性的學習活動和交互，形成虛擬人、教師和學生數字孿生體三位一體的局面，相比傳統教學方式效率更高、互動性更強，空間成本、時間成本被顛覆性降低，教育效率被顛覆性提升。如虛擬教師除了可以模擬真人教師的姿態、形象、行為和表情之外，還可以完成既定的教學任務，展現高度擬人化的虛擬教師形象。虛擬學生也可以理解人的想法，實現像人一樣學習和思考，主動生成符合用戶需求的互動，直觀、全面地捕捉人的需求。

(2)教育數字人具有交互性。教育數字人可以在教育元宇宙中和真實人類傳遞信息。根據信息傳輸的方向，教育數字人與人類的交互可以分為3類。一是信息可以從人傳遞到教育數字人來指導真實的人在虛擬教育環境中的動作(人→教育數字人)，如清華大學虛擬學生華智冰唱歌。二是信息的傳遞可以從人到教育數字人再到人(人→教育數字人→人)，如虛擬教育主播播報新冠疫情防控通知等。三是信息可以通過教育數字人從一個人傳遞給另外一個人(人A→教育數字人A→教育數字人B→人B)，如A同學和B同學使用ASOUL平臺通過數字人進行學術交流和互動。教育數字人的交互性極大地促進了教育的情感感知與強交互，替代真實的教育相關者完成許多真人完成不了的教育任務[6]。

(3)教育數字人具有虛擬性。教育數字人打破了物理空間和虛擬空間的界限，教育主體通過虛擬化身，在教育元宇宙中獲得全息化臨場感，如瞬間傳送或物體重力下落。教育數字人的沉浸性有3種方式：空間、時間和情感沉浸。一是教育數字人的生成伴隨著對用戶的感知系統的數字化復刻，這意味著真實的人通過教育數字人可以在虛擬空間中獲得身臨其境的體驗；二是教育數字人不會衰老，擺脫了時間限制，這種自主性能提高對教育用戶的吸引力；三是用戶通過教育數字人進行交互，產生情感共鳴，進而收獲情感沉浸[9]。

(4)教育數字人具有高度擬人化的特點，擁有人的外觀及性格特征。教育數字人無論是微表情、發質，還是膚質，做到對真實人的還原，且教育數字人可以根據不同的光影條件做出對應的渲染和模擬，擁有貼近真正的教育相關者的虛擬形象。教育數字人被賦予了獨特的人物個性和飽滿的情感，在形象、言談舉止等方面無限接近于真實的教育相關者。

2 元宇宙場域下教育數字人的支撐技術

隨著教育元宇宙發展，教育數字人作為連接虛擬與現實的交互載體，已成為不可分割的一部分。在元宇宙場域下，每個教育主體都有虛擬化身，其不僅要有自己的外觀與行為，還要有自己的思想與意識，這就需要相關技術的支撐促進其實現。姚蕾等將教育數字人分為靜態教育數字人和動態教育數字人[10]，靜態教育數字人主要運用建模技術和渲染技術；動態教育數字人要在建模和渲染的基礎上進行驅動，驅動分為真人驅動和算法驅動，真人驅動主要利用動作捕捉技術，算法驅動主要運用人工智能技術[11]。具體見圖1。

圖1 元宇宙場域下數字人的支撐技術

2.1 建模技術

對角色進行形象設計以及建立模型是實現教育數字人的前提，要想實現3D教育數字人逼真的形象，就需要使用3D建模技術。建模是指采用三維建模軟件建立三維立體模型，主要包括手工建模、圖像采集模型和儀器采集模型等建模形式。儀器采集模型是建模技術發展的重點方向，主要分為靜態掃描建模和動態光場重建。靜態掃描建模技術是人物建模的主流方式，目前可實現毫秒級高速拍照掃描，滿足教育數字人掃描重建需求，使其在元宇宙的場域下更趨向逼真的效果。與傳統的靜態重構技術相比，動態光場重建技術不但能一次性采集到模型的運動數據，還能呈現多角度下的高真實教育數字人物，近年商湯科技、谷歌、微軟等已將該技術應用于3D建模并取得進展，雖然該技術因制作成本高、組裝難度大等因素，尚未在國內普及，但因其巨大的市場潛力已成為建模的重點發展方向。

2.2 渲染技術

對捕捉到的動作進行記錄后，還應使用渲染技術使主體更加逼真。渲染主要是指對電腦軟件制作的教育數字人物模型進行寫實處理的過程，主要包括離線渲染和實時渲染。離線渲染是在時間充足情況下，事先預定好紋理、燈光、材質、顏色等參數，然后再進行模型渲染，以達到極高的渲染質量與效果，缺點是渲染時間長且無法得到及時的反饋。實時渲染與離線渲染相比，計算速度有了質的提升，但為了實現即時計算，渲染質量的精度有所降低。近年隨著人工智能技術發展和計算機軟硬件進步，實時渲染技術快速提升，特別是PBR(Physically Based Rendering，基于物理的渲染技術)和重光照技術的引入，使實時渲染技術突破傳統渲染的塑料感，達到近乎真實的效果。科大訊飛與河南開放大學推出的河南首位虛擬教師河開開充分利用實時渲染技術[12]，她以干凈利落的外表和清爽淡雅的妝容，迅速獲得教育界的廣泛關注。

2.3 動作捕捉技術

動作捕捉技術是指在特定空間中，對被測主體的動作進行記錄，并將捕獲采集的行為轉換成驅動教育數字人的動作，供進一步測量、追蹤、分析、修改和應用。目前在教育領域，通過對被測主體身體動作、面部表情、眼神追蹤和手部動作的精準捕捉，促使教育數字人形象更加生動逼真。動作捕捉系統按其實現原理可分為光學動作捕捉、慣性動作捕捉和計算機視覺動作捕捉。光學動作捕捉以其高精度、高專業度、高保真度等特點占據市場的主導地位，慣性動作捕捉是把慣性測量單元(IMU)與目標主體的骨骼相連，并利用算法實現對動作的捕捉，目前因其明顯的價格優勢已經成為實現教育數字人動作的主要生成方式[13]。隨著計算機視覺、云計算、深度學習等技術迅猛發展，新興計算機視覺動作捕捉技術逐漸成為該領域熱點，這種捕捉技術雖算法開發難度大，但因操作簡單、對硬件設備與外部環境要求較低等優勢被一些公司青睞。

2.4 人工智能技術

隨著人工智能技術在驅動技術領域的運用，算法驅動型教育數字人成為交互的主要方式。算法驅動型教育數字人主要利用人工智能技術對外部輸入的內容進行分析與識別，并根據分析的結果判斷出下一步的輸出，該類型教育數字人具備自我學習能力，可通過不斷地人工智能技術訓練，達到更高標準。在驅動教育數字人過程中用到的人工智能技術主要包括智能感知技術、深度學習技術、智能數據處理技術、語音識別技術、自然語言處理技術、語音合成技術、語音驅動面部動畫技術等。比如，在動作綁定過程中利用分類算法實現動作與數字人的匹配，在訓練各類驅動模型時利用深度學習得到逼真的面部表情驅動模型，在內容制作時利用語音識別技術、語音合成技術和語音驅動面部動畫技術等使虛擬人物動作與語音完美貼合，在人物表達時進行智能分析決策和識別感知，并利用終端技術實現合成顯示。在未來教育中，學校將會運用人工智能技術改革教育教學，為學生提供輔導答疑、教育教學等服務，保障雙師協同教學順利進行。

3 元宇宙場域下教育數字人的應用與困境

3.1 元宇宙場域下教育數字人的應用

教育數字人是教育元宇宙中的重要組成部分，根據教育屬性，其應用可分為學校教育型數字人和社會教育型數字人，如圖2所示。

圖2 元宇宙場域下教育數字人的應用

3.1.1 學校教育型數字人

學校教育型數字人擁有獨立身份，被賦予具有個性的人格特征，目前主要的學校教育應用有虛擬教師、虛擬學生、虛擬仿真實驗室和多模態智慧課堂。

(1)虛擬教師：展現擬人化虛擬教師的形象。教育數字人的沉浸性、交互性等特征使得虛擬教師作為數字人在教育領域的產物之一，除可以模擬真人教師的姿態、形象、行為和表情外，還可以完成既定的教學任務，展現高度擬人化的虛擬教師形象。在元宇宙中，除虛擬教師提供智能化的服務，真實的教師也能創造屬于自己的數字人來開展教學活動[14]。比如，世界上首位虛擬數字教師Will可以像一個真正的人類一樣和學生進行互動、交流[15]；河南開放大學虛擬教師“河開開”著粉色西裝為全校師生播報教學服務內容，著黑色西裝領學國家開放大學和河南開放大學聯合開展的教育數字化聯合主題黨日；廣州市電化教育館的虛擬教師小智代替真人教師進行《人工智能走進校園提升學生智能素養》的授課；Tumbuh小學通過定量研究證明虛擬教師在教學能力、人格能力、專業能力和社會能力等方面對特殊需要兒童有很大的影響力[16]。

(2)虛擬學生：實現像人一樣學習和思考。在教育數字人技術支持下，虛擬學生也可以理解人的想法，實現像人一樣的學習和思考，主動生成符合用戶需求的互動，直觀、全面地捕捉人的需求。中國首位虛擬學生華智冰具有足夠豐富的面部特征，能夠實現精度更高的視覺化交互內容，不僅具有豐富的知識、擁有與人類良好交互的能力，還會創作音樂、寫詩詞和繪畫，同時擁有持續的學習能力，能不斷“學習”數據中隱含的模式，就同人類能不斷從身邊經歷的事中來學習的行為模式一樣。虛擬學生可以適應不同且不斷變化的教學場景所要求的各種角色。Methical Jane(虛擬學生)通過監控學生的工作量以及在學習中的問題，及時提供解決方案，促進了在線教育發展，鼓勵了學生學習參與[17]。

(3)虛擬仿真實驗室：構建高度仿真的虛擬實驗對象及環境。虛擬仿真實驗室依托于虛擬技術、人機交互等信息技術，構建高度仿真的虛擬實驗對象和實驗環境，讓師生可以及時、形象、直觀地體驗實驗內容，打破時空限制，豐富實驗素材。在高度仿真的虛擬教學場景中，師生能夠打破時空限制，通過控制虛擬化身以具身認知體驗和沉浸式體驗的方式進行情境性、探究性的學習活動和交互，形成虛擬人、教師和學生數字孿生體三位一體的局面，這也為未來教育發展提供了新思路。美國莫爾豪斯學院(Morehouse College)建立沉浸式虛擬實驗室進行虛擬人體科學實驗[18]。虛擬仿真實驗室也有助于培養醫學生和年輕專業人士的個人職業技能。比如，虛擬仿真實驗室中的數字人病人，能幫助醫學生或實習生體驗如何做一名合格的醫生，如何對患者進行各種治理、診斷和檢查。虛擬病人會對醫生或者實習生的操作進行判斷和及時反饋，滿足學生作為醫生或者實習生的體驗，鍛煉其臨床思維能力，使實習生在進入臨床實習前對相關病患有了一定的了解和認識，也避免因實習生失誤而造成的對病患的傷害，以及醫患糾紛。

(4)多模態智慧課堂：提供沉浸式智慧學習體驗。多模態智慧課堂是指通過多種途徑、多個感官參與到師、生、技術和環境之中全向互動而形成的教學活動綜合體[19]。數字人支持的多模態智慧課堂可以實現軟件和硬件之間的無縫互聯，人與數字人進行實時互動，為學生提供沉浸式的智慧學習體驗，學生可以獲得大量的學習機會。OPPO推出的首個虛擬助手數字人“小布”是國內首個基于虛擬人多模態交互的手機智能助手，為學習者提供更多的學習機會和體驗。科大訊飛的“超腦”數字人能理解知識、擅長學習，有望在課堂上使用“數字人+智慧課堂”開展“三個課堂”。Jie Yuan等通過虛實融合方式進行虛擬實驗，設計多模態智慧課堂，提高了人與數字人的交互效率，降低了用戶的認知負荷，增強了用戶的現實感和操作感，激發用戶的學習興趣[20]。

3.1.2 社會教育型數字人

社會教育型數字人可以投入生產和服務，以虛擬化身的形象執行偏標準化的社會教育工作。目前主要的教育應用有虛擬學伴、數字人教育軟件、虛擬教育主播、虛擬導游和虛擬客服5種。

(1)虛擬學伴：陪伴并指導用戶學習。虛擬學伴是指具有數字化外形的虛擬人物，具備智能性、社會交互性、適應性和自主性等特點，具備表達情感和溝通交流的能力，主要功能是陪伴并指導用戶學習。虛擬學伴不僅有人的外觀、行為和思想，還能讓用戶感受到親切感、關懷感和沉浸感。虛擬學伴的設計旨在解決用戶在社會教育過程缺乏監督、指導和陪伴等問題。三星STARLabs在CES國際消費電子展上展出的數字人項目NEON擁有近似真人的形象及逼真的表情動作，可成為人類的學習伙伴。Roberto Reyes等開發了一個使用戶能夠訪問適用于人工智能入門課程的交互式內容的虛擬學伴，能夠以分層結構的方式顯示常見問題的答案，通過語音、文本或觸覺輸入等方式引導用戶更好地解決問題[21]。但在實際社會環境中應用，許多教育數字人技術和倫理等問題亟須克服。

(2)數字人教育軟件：實現良好的人機交互。數字人教育軟件依托于計算機圖像、計算機視覺、機器學習、動作捕捉等技術，主要具備兩大功能：良好的人機交互功能和虛擬教育場景的實現。實現數字人在教育領域的“低成本、短周期、批量化”生產與“超寫實、沉浸式”實時互動。AR Avatar數字人軟件能與真人實時互動，能將各種Avatar化身放在詩經之中，亦可在講解知識點時，動作與語音協調配合，輔以相應的數據、圖片、視頻、模型、場景。VoRtex能支持虛擬環境中的協作學習活動，為教育者提供輔助工具，實現真實人與數字人的良好互動[22]。

(3)虛擬教育主播：面向社會群體傳播知識。虛擬教育主播主要是在電視、廣播、圖書館或者網絡中以虛擬形象出現，面向社會群體傳播知識的數字人。虛擬教育主播具備獨特的人格化特征，在傳播知識時能夠做出合適的表情動作和肢體動作[23]。新華網推出的虛擬教育主播新小萌參與兩會報道；光明網推出的虛擬教育主播小明能夠模仿真人主播的神態和聲音朗讀文本內容，實現新聞播報的全流程服務；人民日報虛擬教育主播果果可以清晰流利地用普通話、廣東話、英語和多種其他語言進行播報示范。未來虛擬教育主播的使用場景可以更多元化，如地鐵、高鐵、機場、圖書館等公共設施上的視頻信息播報中，可能會有越來越多虛擬教育主播的身影。

(4)虛擬導游：提高社會教育的趣味性、靈活性和教育性。虛擬導游能夠在虛擬場景中指導用戶游覽，在圖書館、博物館等公共服務場所加入虛擬導游，可以提高其社會教育的趣味性、靈活性和教育性。疫情常態化影響了圖書館、博物館的線下客流量，開發線上圖書館、博物館及虛擬導游，能從一定程度上對抗這種影響。商湯為上海科技節特別定制的虛擬導游“小糖”對文物進行講解。Li Wang等利用Unity3D交互開發引擎和3DMax建模技術，設計開發了一個具有自主性、沉浸感、交互性等特點的虛擬導游系統，為用戶提供了一個高仿真場景和良好的互動環境，可以提高社會教育的趣味性和靈活性[24]。

(5)虛擬客服：基于真人形象提供顧問、事務處理等服務。虛擬客服可以通過預置知識庫、知識圖譜、用戶自主配置觸發條件等替代真人服務，可以對用戶的基本訴求進行語音和行為識別，并以固定話術進行回應，擁有極高的擬人程度和交互能力。虛擬客服可以在圖書館、電教館等特定場景中，基于真人形象提供顧問、事務處理、陪伴和關懷等服務。如浦發銀行與百度、原力動畫聯合推出的虛擬客服“小浦”、萬科集團推出虛擬客服“崔筱盼”，均以遠高于真人千倍的效率進行工作。

3.2 元宇宙場域下教育數字人發展難題

(1)技術工具的迭代。教育數字人雖然有無論是發質、膚質，還是微表情等對真人的還原，擁有近似真人的虛擬形象，但其發展尚處于早期，相關技術還未完全成熟，如腦機接口、數字人類這些技術尚處于萌芽期。教育數字人的發展亟待技術能力和工具的迭代，包括AI能力、虛擬人引擎、動作面部捕捉、教育教學等。

(2)與真實人類的平衡。隨著教育數字人的持續發展，其應用日益明顯。教育數字人將打破現實世界的物理規則，在虛擬世界重新定義絕大部分的生產生活方式，以全新方式提高全社會生產效率，但教育數字人產生的新型視覺場景和互動性體驗，會讓更多人沉浸在虛擬世界中不能自拔。如何平衡真實人和教育數字人之間的關系，發揮教育數字人的正面影響，抑制消極作用，這將是未來要解決的問題。

(3)情感交互的缺失。目前教育數字人的應用研究集中在知識內容的交互，在情感交互方面的研究略有不足。數字人與教育的融合為學習者提供了虛擬化、智能化的學習場景及豐富的學習體驗，但學習者長時間和教育數字人缺少情感交互，容易產生注意力不集中、學習效率低等問題，甚至會對學習產生抵觸心理[25]。教育數字人的應用最終需要落腳到人的學習，即“人是如何學習的，怎樣才能促進有效的學習？”

4 元宇宙場域下教育數字人發展建議

元宇宙時代下的教育數字人的應用領域和規模不斷拓展，促進了虛擬世界和現實世界的融合共生。雖然未來教育數字人智能化程度不可估量，但也需要針對現實情況作出預設和完善。自從教育數字人的概念被提出以來，人類一直致力于通過智能技術延伸、增強自身改造自然和治理社會的能力。隨著科技的發展，教育數字人在信息記錄、數值計算等領域有望超越人類。所以，人類要保持對教育數字人的控制能力，謹防虛擬人神話，加強情感依賴，滿足用戶個性化需求。

4.1 全方面培養技術人才，升級核心工具

教育數字人發展處于萌芽期，要拓展教育數字人的應用和規模，急需大量優質的專業人才和新型工具。首先，學校教育要注重培養學生創新思維和解決問題的能力，探究在核心素養指導下的跨學科項目式教學，將人工智能理論與實踐相結合，根據不同地區不同學校特色開展人工智能等校本課程，尊重學生個性化發展，為教育虛擬人領域培養優秀人才。其次，不斷完善和提高相關技術，以AI能力、虛擬人引擎、動作面部捕捉、教育教學等為技術創新的核心，增強教育虛擬人微表情和肢體的精準度，使其趨近于真實人類，增強與人類交互的智能化和趣味化。最后，教育數字人在使用過程中應不斷開發新的應用領域，在不同領域中也能充分發揮出優勢，解決人類較難解決的問題，為真實生活服務。

4.2 重視數字人教育研究，謹防虛擬人神話

元宇宙時代的到來，教育數字人發展有了新契機，應該把目光聚焦于教育數字人應該如何發揮其巨大潛能。但隨著人與未來深度數字化的世界的到來，教育數字人是否能替代真實人在教育行業地位的言論觀點也層出不窮。在教育元宇宙世界中，教育數字人的潛在功能是巨大的，但回顧歷史，教育教學工具從當初的竹簡、紙張，漸漸發展到多媒體、智能技術，人的作用非但沒有被削弱，反而社會對人的要求越來越高。教育數字人技術即使已經發展到外形與真人別無二致，但真實的情感表達和陪伴是任何技術都無法取代的，應該謹防虛擬人神話，教育數字人和真實人類不應該是非此即彼，應該是融合共生的。對于教育數字人和真實人如何融合與共創也是教育數字人在實施中的重點研究方向。

4.3 加強情感依賴，滿足用戶個性化需求

隨著教育數字人廣泛應用，引起了教育領域的變革，加快了社會生產力和人們受教育水平的提高。但教育數字人目前很難落腳到情感教育目標上，教育活動伴隨著師生互動和情感傳遞，元宇宙場域下的教育數字人想要更好融于實際教育，不僅需要在外形、表情和動作上更加逼真，還應該在真實用戶交流的過程中通過人工智能技術，包括多模態的感知和理解、情感智能、擬人化合成等做到多模態交互。比如，當虛擬教師識別到學生的情感需要時，在心理學、教育學等相關理論知識基礎上，通過文字、語音、動作等和學習者進行虛實交互，逐步建立情感依賴，存儲互動數據完善用戶畫像，滿足用戶個性化的需要。教育數字人和真實人類之間的關系會不會成為一個程序員群體的個人意志的體現？教育數字人的去中心化對中心化的真實人的沖擊有多大？元宇宙中教育數字人和真實人的情感歸屬將會走向何方？都將是未來持續關注的命題。