元宇宙賦能新工科教育的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

訾玲玲 叢鑫 重慶師范大學(xué)計算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院

●引言

新工科教育的創(chuàng)新發(fā)展一直是教育界研究的熱點(diǎn)[1]，尤其是“十四五”期間，高等教育進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，需要探索新技術(shù)提供新路徑，破解當(dāng)前新工科教育存在的弊端，構(gòu)建新的系統(tǒng)框架。[2]而以虛擬現(xiàn)實(shí)、區(qū)塊鏈、人工智能等為基石的元宇宙技術(shù)[3]為新工科教育的發(fā)展開辟了新的路徑。本文面向我國新工科教育背景，探索元宇宙技術(shù)加持下的未來新工科教育實(shí)踐路徑，嘗試構(gòu)建基于元宇宙的應(yīng)用架構(gòu)，擴(kuò)展元宇宙的應(yīng)用場景和范圍，為改變新工科教育模式提供有益參考。

●元宇宙賦能新工科教育的主要特征

元宇宙的支撐技術(shù)包括區(qū)塊鏈技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)算技術(shù)、交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、人工智能技術(shù)等，這些技術(shù)使得元宇宙具有沉浸性、社交性、內(nèi)容生態(tài)豐富性及經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)完備性[4]，以上特性為新工科教育注入新的活力，體現(xiàn)在教學(xué)環(huán)境情境化、教學(xué)互動多維化、教育數(shù)據(jù)可信化、教育資源共享化等方面。

1.教學(xué)環(huán)境情境化

新工科需要培養(yǎng)面向新興產(chǎn)業(yè)的未來人才，要求構(gòu)建大量的教學(xué)、實(shí)踐、實(shí)習(xí)等來對接企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，但目前的教學(xué)環(huán)境存在情境化不足的缺點(diǎn)[5，6]，如學(xué)生臨場感不佳、實(shí)踐場景缺乏等，使得培養(yǎng)的人才與企業(yè)期望的要求存在很大的鴻溝。而元宇宙的虛實(shí)融合特性打破了教學(xué)環(huán)境的時空限制，在空間拓展方面，其采用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建逼真的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者身臨其境地處在實(shí)訓(xùn)室、企業(yè)等不同環(huán)境中學(xué)習(xí)。在時間拓展方面，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動不受時間的限制，可以在任意時間進(jìn)行正式和非正式學(xué)習(xí)活動，隨時沉浸在學(xué)習(xí)空間中，有助于全面提升學(xué)習(xí)者的素質(zhì)。此外，情境化的教學(xué)環(huán)境為人才培養(yǎng)提供了便利條件。

從教師角度來講，元宇宙改變了以知識傳授為中心的人才培養(yǎng)模式，促進(jìn)學(xué)習(xí)者開展自主學(xué)習(xí)、個性化學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的人才培養(yǎng)模式。從學(xué)習(xí)者角度來講，元宇宙提供的內(nèi)容生成，使得學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需求去創(chuàng)造場景，有助于培養(yǎng)分析問題和解決問題能力，同時提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

總之，元宇宙賦能的教學(xué)環(huán)境創(chuàng)建了豐富逼真的教學(xué)場景，為打破學(xué)校與企業(yè)之間的鴻溝提供了技術(shù)條件。

2.教學(xué)互動多維化

新工科教育需要教師與學(xué)習(xí)者通過高質(zhì)量的教學(xué)互動來促進(jìn)新知識新方法的融合，幫助學(xué)習(xí)者構(gòu)建自己的能力體系。而傳統(tǒng)的教學(xué)互動方式，更多強(qiáng)調(diào)教與學(xué)之間的關(guān)系，缺乏感觀的交互、身份的交互及情感的交互。元宇宙技術(shù)為新工科教育提供了全新的教學(xué)交互方式，具體體現(xiàn)在三個方面：第一，多感官交互。采用語音合成、腦機(jī)接口、體感交互等技術(shù)，使得學(xué)習(xí)者具備視覺、聽覺、觸覺等多種感官體驗(yàn)，這樣教師、學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)環(huán)境就能夠真實(shí)自然地進(jìn)行學(xué)習(xí)互動與交流。第二，多身份交互。在元宇宙中，師生可以通過虛擬化身進(jìn)行互動，這種互動關(guān)系拓展了教學(xué)情境[7]，帶來了立體的學(xué)習(xí)關(guān)系，同時，鼓勵更多的時空同伴參與到學(xué)習(xí)活動中。第三，多情感交互。在元宇宙中，虛擬化身可以作為學(xué)習(xí)者的情感陪伴，也可以作為教師的虛擬助教，給予學(xué)習(xí)者個性化的幫助與關(guān)懷，從而形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。綜上所述，新型的交互方式，有助于重塑教師與學(xué)習(xí)者之間的關(guān)系，提高學(xué)習(xí)過程中的互動和交流體驗(yàn)。

3.教育數(shù)據(jù)可信化

傳統(tǒng)的教育數(shù)據(jù)存在不完整、不可信等缺點(diǎn)，而以區(qū)塊鏈技術(shù)為支撐的元宇宙，為解決傳統(tǒng)教育數(shù)據(jù)的可信度問題提供了可行途徑，體現(xiàn)在教育數(shù)據(jù)完整、記錄真實(shí)、數(shù)據(jù)安全可信等多個方面。在教育數(shù)據(jù)完整性方面，元宇宙中的數(shù)據(jù)以區(qū)塊形式進(jìn)行存儲，區(qū)塊鏈的不變性、共識機(jī)制保證學(xué)習(xí)者擁有完整的教育記錄數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)可信性方面，學(xué)習(xí)者具有唯一的身份標(biāo)識，身份標(biāo)識既是對現(xiàn)實(shí)身份的合理映射，又是虛擬身份再造性的體現(xiàn)。同時，元宇宙會如實(shí)記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程，使得學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可全程追溯，有效保護(hù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成果。[8]綜上所述，元宇宙的去中心化、可追溯、不可篡改特征使教育過程能夠在高度信任制度體系中得到良好發(fā)展，提升教育數(shù)據(jù)的可信性，為企業(yè)選拔人才提供可靠依據(jù)。

4.教育資源共享化

新工科教育的開展離不開豐富的教育資源，而當(dāng)今的教育資源，在城鄉(xiāng)之間、發(fā)達(dá)地區(qū)與欠發(fā)達(dá)地區(qū)之間存在明顯的差距，造成了教育資源鴻溝不斷增大。[9]元宇宙為該問題的解決提供了強(qiáng)有力的工具，為滿足不同地區(qū)學(xué)習(xí)者的教育資源需求提供了可行途徑。這體現(xiàn)在兩個方面：在資源創(chuàng)建方面，元宇宙的社交屬性允許學(xué)習(xí)者、教師、教學(xué)活動者作為資源的提供者，同時，在區(qū)塊鏈框架下的規(guī)則保護(hù)下[10]，學(xué)習(xí)者可以創(chuàng)建符合自己需求的資源，教師可以開發(fā)滿足學(xué)生個性化需求的資源。在資源共享方面，元宇宙中教育資源分布在不同的區(qū)塊鏈中，所有節(jié)點(diǎn)都可以共享教育資源，學(xué)習(xí)者可以跨越地理限制共享需要的資源。[11]綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)有助于元宇宙構(gòu)建公平的資源共享平臺，打破地區(qū)差異，促進(jìn)教育資源的高效共享。

●元宇宙賦能新工科教育的應(yīng)用架構(gòu)

元宇宙賦能新工科教育的應(yīng)用架構(gòu)，包括情境化教學(xué)環(huán)境構(gòu)建、多維化教學(xué)模式互動、可信化教育數(shù)據(jù)保障與共享化教育資源創(chuàng)建四個方面，如下圖所示。

元宇宙賦能新工科教育的應(yīng)用架構(gòu)

1.情境化教學(xué)環(huán)境構(gòu)建

采用元宇宙技術(shù)構(gòu)建情境化教學(xué)環(huán)境，包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、教學(xué)活動實(shí)施與環(huán)境數(shù)據(jù)解析三個部分。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

采用硬件設(shè)施和軟件平臺支持元宇宙的數(shù)據(jù)采集，硬件設(shè)施主要包括網(wǎng)絡(luò)、沉浸式設(shè)備和其他輔助設(shè)備，軟件包括虛擬現(xiàn)實(shí)軟件和元空間平臺。在此基礎(chǔ)上，建立區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

（2）環(huán)境數(shù)據(jù)解析

采用跨模態(tài)語義分析方法解析學(xué)習(xí)者過程數(shù)據(jù)，探索過程數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)狀態(tài)之間的關(guān)系，為學(xué)習(xí)者進(jìn)行精準(zhǔn)畫像。

（3）教學(xué)活動實(shí)施

依據(jù)學(xué)習(xí)者精準(zhǔn)畫像，教師組織并開展各種多元實(shí)踐學(xué)習(xí)活動，同時支持實(shí)踐教學(xué)場景切換，滿足新工科教育的實(shí)訓(xùn)需求。在此教學(xué)場景中，教師和學(xué)習(xí)者都沉浸在高仿真的場景中，并進(jìn)行自然、實(shí)時的交互。

2.多維化教學(xué)模式互動

元宇宙構(gòu)建的教學(xué)場景為師生帶來了多維度的教學(xué)交互方式，包括多感官交互、多身份交互及多情感交互。

（1）多感官交互

學(xué)習(xí)者可以獲得聽覺、觸覺、視覺等多種感知體驗(yàn)，方便不同類型教學(xué)場景的互動。對于基礎(chǔ)理論教學(xué)場景，建立關(guān)于新知識的抽象概念，注重教師對學(xué)習(xí)者的啟發(fā)式交流；對于實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)場景，側(cè)重學(xué)習(xí)者肢體動作實(shí)現(xiàn)與場景中的虛擬物體的互動，更大程度地提升學(xué)習(xí)者的實(shí)際操作能力；對于探究型教學(xué)場景，全面結(jié)合多種感官認(rèn)知，提供學(xué)習(xí)者主動探索的機(jī)會與條件。

（2）多身份交互

學(xué)習(xí)者在元宇宙空間中，可以采用虛擬代理身份參與教育教學(xué)互動，同時區(qū)塊鏈系統(tǒng)的身份認(rèn)證，可以保障身份的真實(shí)性。

（3）多情感交互

在元宇宙空間中，采用表情識別、情感計算等技術(shù)分析捕獲學(xué)習(xí)者過程數(shù)據(jù)，并實(shí)時反饋給教師，方便教學(xué)進(jìn)度的調(diào)整。同時，虛擬代理的設(shè)置，也方便性格內(nèi)向的學(xué)習(xí)者表達(dá)自己的真實(shí)情緒，方便教師為學(xué)習(xí)者進(jìn)行個性化的能力培養(yǎng)。

3.可信化教育數(shù)據(jù)保障

采用中心化和非中心化相結(jié)合的方式存儲教育數(shù)據(jù)。考慮到區(qū)塊鏈的容量有限，設(shè)計主鏈和側(cè)鏈的擴(kuò)展模型，其中教學(xué)場景中的采集數(shù)據(jù)存儲在主鏈中，標(biāo)注數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)成果數(shù)據(jù)存儲在側(cè)鏈中。在具體實(shí)施中，可以通過向區(qū)塊添加額外的比特位來設(shè)計側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。針對學(xué)習(xí)成果數(shù)據(jù)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立多角色認(rèn)證平臺，包含學(xué)習(xí)者、學(xué)校和企業(yè)等多種角色，并根據(jù)學(xué)習(xí)成果自動頒發(fā)數(shù)字證書。數(shù)字證書以區(qū)塊的形式使用加密算法存儲在區(qū)塊鏈上，方便追蹤證書來源的真實(shí)性，同時，該證書可以用于企業(yè)進(jìn)行查詢驗(yàn)證，方便企業(yè)與學(xué)校之間的信息溝通。

4.共享化教育資源創(chuàng)建

在元宇宙中共享教育資源，首先需要捕獲教育資源需求，這主要有兩種方式：一是直接獲取教師或?qū)W習(xí)者的資源需求；二是通過分析教學(xué)場景中學(xué)習(xí)者搜索、觀看等行為記錄感知的資源需求。根據(jù)資源需求，建立教育資源區(qū)塊鏈，采用智能合約自動執(zhí)行預(yù)定義的資源并創(chuàng)建業(yè)務(wù)邏輯，同時存儲資源的詳細(xì)信息，包含資源內(nèi)容、創(chuàng)建者、創(chuàng)建時間等。智能合約包括三個部分：合約注冊、合約摘要以及合約關(guān)系。合約注冊內(nèi)容為區(qū)塊鏈中的公鑰，合約摘要包含合約的主體信息、歷史資源的執(zhí)行情況等信息、合約關(guān)系包括資源訪問、查詢、管理、權(quán)限等。為了鼓勵元宇宙中更多的教育角色參與資源創(chuàng)建，采用虛擬幣構(gòu)建激勵機(jī)制，對資源創(chuàng)建給予一定獎勵。同時，采用共識機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對資源質(zhì)量的評估，以激勵共享更多的優(yōu)質(zhì)資源。

●技術(shù)挑戰(zhàn)

元宇宙賦能新工科教育的應(yīng)用架構(gòu)，需要面對以下的挑戰(zhàn)：

實(shí)踐場景的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。基于工程實(shí)踐的目標(biāo)，元宇宙創(chuàng)建適合學(xué)習(xí)者能力的實(shí)踐場景，需要進(jìn)行難度切換及升級，以最大限度地激發(fā)學(xué)習(xí)者的潛力。

元宇宙賦能人機(jī)交互的理論方法。創(chuàng)建的教育環(huán)境，改變了傳統(tǒng)的人機(jī)互動方式，加入了多通道多身份等復(fù)雜因素，因此需要分析教育環(huán)境下學(xué)習(xí)者的動態(tài)認(rèn)知過程、情感態(tài)度變化等，并提出新的方法探索多種因素協(xié)同工作的交互機(jī)制。

虛擬現(xiàn)實(shí)和區(qū)塊鏈的技術(shù)融合。在教學(xué)場景中，虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備采集學(xué)習(xí)者的過程數(shù)據(jù)，其中包含學(xué)習(xí)者的隱私信息，區(qū)塊鏈能夠進(jìn)行這些數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)，但是如何讓它們協(xié)作來保障數(shù)據(jù)的完整可信，仍然有一系列的關(guān)鍵問題需要解決。

教育資源共享是解決當(dāng)前教育資源鴻溝的有效手段，元宇宙為資源共享提供了一個新的突破口，但是如何創(chuàng)建公平合理的資源共享機(jī)制還有許多問題需要解決。

●結(jié)語

筆者總結(jié)了元宇宙技術(shù)賦能新工科教育的技術(shù)優(yōu)勢，展示了其應(yīng)用架構(gòu)，提供了滿足企業(yè)需求的人才培養(yǎng)模式，這是一個嶄新視角的探索，具有重要的意義。筆者希望它可以幫助研究人員以元宇宙技術(shù)創(chuàng)建可靠、公平和可信的新工科教育平臺，但由于目前元宇宙賦能新工科教育仍處在探索階段，有很多問題尚待進(jìn)一步研究。