教育元宇宙概念界定、優(yōu)勢特征及技術實現(xiàn)

摘要：本文對當前的教育元宇宙相關研究文獻資料進行了比較分析，提煉出教育元宇宙的關鍵特征，同時結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，以服務教學為目標，綜合當前的技術現(xiàn)狀，規(guī)劃了教育元宇宙三層基礎平臺和五項集成應用，完成了教育元宇宙技術實現(xiàn)的總體框架設計。

關鍵詞：教育元宇宙；概念界定；技術實現(xiàn)；云計算；AI技術

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前階段信息技術發(fā)展狀況，以及未來發(fā)展趨勢的設想，針對教育領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鍵是對其概念的界定。劉革平等（2021）[1]認為，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、學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]認為，教育元宇宙可以理解為元宇宙的教育應用，為教師、學生、管理者等相關者創(chuàng)建數(shù)字身份，在虛擬世界中開拓正式與非正式的教學場所，并允許師生在虛擬的教學場所進行互動。鐘正和王俊（2022）[3]認為，教育元宇宙可以實現(xiàn)虛擬世界與真實教學環(huán)境的無縫對接和有機融合。教師、學生、管理人員作為教學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、參與教學活動，自然地響應虛實世界的教學行為，突破教學過程中物理規(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，拋開技術的因素，我們可以提煉出這樣一些有關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，服務教育教學的空間環(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：教育元宇宙是以學習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，達到多維度教學時空變換的虛實無縫融合的教育教學空間。圍繞此概念，結合教育的本質和目標，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，結合教育元宇宙相關的管理規(guī)定，最終分享給每一位學習者。這些學習者的知識、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、學習者、學習場景無差別映射至虛擬空間，并在保證授課內容的前提下，進行適度拆解和組合，以方便任意學習者在任意時刻加入。而在授課過程當中，學習者也能夠根據(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習者創(chuàng)造了一個多維度的學習時空。

1.3 方式多元

教育元宇宙的超時空和超現(xiàn)實性為學習者提供了多元的學習方式。首先，學習者獲取知識的途徑將不再局限于聽和看，還增加了感。教育元宇宙為學習者創(chuàng)造了特殊的學習環(huán)境，這種特殊的學習環(huán)境能夠調動學習者所有的感官，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，學習者能夠以多種方式參與學習，如個體、群體、異地、異時等，教育元宇宙實現(xiàn)了不同學習者個性化的學習空間和學習模式。再次，對于不同種類知識的學習，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習者以多種方式加入學習，并根據(jù)學習者的實際學習情況智能調整學習進度和學習方案。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習者。

1.4 智能引領

智能引領是教育元宇宙最核心的驅動引擎。從教育者和學習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

教育元宇宙以全面的數(shù)字化為基礎，以全程的智能化為驅動，對每一位學習者每一天的學習輔以客觀的評價和判斷，同時結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，并以精準量化的方式告知學習者，包括更加合理的學習建議。

2. 教育元宇宙的技術實現(xiàn)

基于上文的理論分析，可以看到教育元宇宙本質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平臺，圍繞教育教學目標，分別從數(shù)字學習空間構建、數(shù)字學習資源構建、學習者數(shù)字形象構建、教育者數(shù)字形象構建、智能教學評價構建、空間環(huán)境認證等多個維度各自引入相關的技術進行集成應用[5]，共同構成教育元宇宙空間。其技術實現(xiàn)的總體框架圖如圖1所示。

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

2.1 ?基礎技術層

基礎技術層是元宇宙構建之源，主要由五部分組成，分別是計算技術、存儲技術、網(wǎng)絡技術、AI技術和安全技術。

2.1.1 計算技術

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，在單體計算機硬件設備有質的突破之前，可以預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。當前，只有云計算技術能夠較好適應元宇宙多樣的計算特征。

2.1.2 存儲技術

一切數(shù)字的存在都離不開存儲，所以存儲技術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數(shù)字資源已經(jīng)成為一種資產，對于數(shù)字資產而言，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”和“使用權”。顯然普通的云存儲已無法滿足數(shù)字資產類的存儲，新興的區(qū)塊鏈存儲技術將承擔此重任。

2.1.3 網(wǎng)絡技術

元宇宙內萬物互聯(lián)，毫無疑問，網(wǎng)絡是元宇宙聯(lián)通一切的基礎，是其傳輸之源。無論是元宇宙數(shù)字內容的分享體驗，還是元宇宙數(shù)字人之間的互動交流，或者是元宇宙內時空場域的變換，都對網(wǎng)絡技術提出了較高的要求。作為元宇宙?zhèn)鬏斨危W(wǎng)絡技術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等移動通信技術是元宇宙網(wǎng)絡技術的主流。

2.1.4 AI技術

元宇宙的構建和發(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都是最關鍵的驅動力量之一。AI已經(jīng)成為元宇宙事實上的成長之源。

2.1.5 安全技術

由數(shù)字、由網(wǎng)絡、由計算機構成的世界從來都是不安全的，無論計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展到何種程度，安全問題始終存在，安全技術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的安全技術水平。安全技術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、身份創(chuàng)建技術、數(shù)字資源技術、數(shù)字資產技術、空間治理技術五部分。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

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。除了極少數(shù)空間自建的原生數(shù)字人之外，絕大部分數(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、學習、工作，所依賴的就是成熟方便的終端互動技術，如目前處在不斷發(fā)展中的VR/AR/MR技術，以及正在研究中的腦機接口技術等。

2.2.2 身份創(chuàng)建技術

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)建技術參與權限授予、通行認證。目前通過基于區(qū)塊鏈技術的密鑰衍生、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

這里的數(shù)字資源技術主要是指元宇宙空間數(shù)字環(huán)境資源的生成技術，目前包括兩大塊：數(shù)字孿生技術、數(shù)字原生技術。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)字空間通過想象構建出來的場景、物體、人等資源，其關鍵技術包括深度強化學習、生成式對抗神經(jīng)網(wǎng)絡、多模態(tài)學習等。

2.2.4 數(shù)字資產技術

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

2.2.5 空間治理技術

元宇宙空間治理是一系列連續(xù)、復雜、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 集成應用層

集成應用技術層具體劃分了元宇宙在不同業(yè)務領域的服務空間。于教育領域而言，以數(shù)字學習空間構建、數(shù)字學習資源構建、教育元宇宙數(shù)字人構建、教育元宇宙教學智能評價、教育元宇宙空間認證為典型的集成應用，是教育元宇宙技術構成的核心關鍵。

2.3.1 數(shù)字學習空間構建

數(shù)字學習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)字學習空間融合了數(shù)字資源技術、數(shù)字資產技術、終端互動技術，構建物理空間—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)化學習環(huán)境。

2.3.2 數(shù)字學習資源構建

數(shù)字學習資源是數(shù)字學習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)字學習資源構建以數(shù)字資源技術為核心，融合了VR/AR/MR技術以及AI技術，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習者提供更科學合理的知識學習方法。

2.3.3 教育元宇宙數(shù)字人構建

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方案的主要規(guī)劃者和實施者；第三類是學習者。學習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)字人的構建融合了身份創(chuàng)建技術、終端互動技術和AI技術。

2.3.4 教育元宇宙教學智能評價

教育元宇宙教學智能評價貫穿空間教學全程，以AI技術、大數(shù)據(jù)分析技術跟蹤評價每位學習者的學習狀態(tài)和學習效果，并結合數(shù)據(jù)資產技術形成相關的評價結論。教育元宇宙教學智能評價是以提升學習效果為目的，隨時對教育者和學習者予以提醒，保證高效完成學習任務。

2.3.5 教育元宇宙空間認證

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、學習者以及各類豐富多樣的學習資源，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證技術。未來的教育元宇宙空間認證技術主要依賴于身份認證技術、數(shù)字資產技術和空間治理技術的融合發(fā)展。

結語

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后的產物。目前，關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。本文在前輩學者的研究基礎之上，定義了教育元宇宙概念，分析了教育元宇宙的優(yōu)勢特征，并從技術實現(xiàn)角度進行了整體框架層次的設計，為進一步深入探討教育元宇宙的教學實踐提供了參考。

參考文獻：

[1]劉革平，王星，高楠，等.從虛擬現(xiàn)實到元宇宙：在線教育的新方向[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2021，33（6）：12-22.

[2]華子荀，黃慕雄.教育元宇宙的教學場域架構、關鍵技術與實驗研究[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2021，33（6）：23-31.

[3]鐘正，王俊.教育元宇宙的應用潛力與典型場景探析[J].開放教育研究，2022，28（1）：11-13.

[4]王文喜，周芳，萬月亮，等.元宇宙技術綜述[J].工程科學學報，2022，44（4）：744-756.

[5]全國十二所重點師范大學聯(lián)合編寫.教育學基礎：第3版[M].北京：教育科學出版社，2014：5-98.

[6]葉毓睿，李安民.元宇宙十大技術[M].北京：中國出版集團中譯出版社，2022：3-364.

作者簡介：聶明輝，碩士，高級工程師，研究方向：教育信息化應用。

基金項目：2022年江蘇省教育廳“公安院校面向實戰(zhàn)教學‘教育元宇宙環(huán)境構建、教學設計及策略制定研究”項目（編號：2022SJYB0480）。