教育元宇宙：互聯網教育新形態的系統建構與實踐應用

摘要：元宇宙是第三代互聯網的發展方向，教育元宇宙則被稱為教育發展的新形態，對教育教學活動產生了變革性影響。在此背景下，文章首先闡釋了教育元宇宙的內涵和特征；隨后，文章依托教育元宇宙系統建構的技術、理論和架構支撐并結合其數字生態，搭建了包含物理層、軟件層、數據層、應用層的教育元宇宙系統總體架構；最后，文章從醫學科研教學、系統開發、程序化的實驗功能開發三個方面，設計了初級教育元宇宙虛擬實驗操練系統，初步探索了教育元宇宙的實踐應用。文章為互聯網教育的新形態探索了發展路徑，對于促進教育新基建的高效建設、教育現代化的創新發展具有重要意義。

關鍵詞：教育元宇宙；元宇宙；虛擬仿真；互聯網教育；信息技術

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2023）07—0099—09 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2023.07.011

元宇宙是基于大數據、云計算、區塊鏈、虛擬現實、人工智能等數字信息技術構成的平衡于物理世界的虛擬網絡空間。元宇宙具有逼真的沉浸體驗、完整的世界體系、巨大的經濟價值、新的運行規則等特點，從某種意義上說，它將改變人們的思維方式，甚至改變人們對世界、空間和時間的認識。元宇宙作為新一代信息的集大成者，是第三代互聯網的發展方向。教育與元宇宙的結合，是互聯網教育的新形態，也是人們認識、探索、解構教育領域的新趨勢。《教育部2022年工作要點》指出要實施教育數字化戰略行動，加強信息技術與教育教學的創新融合^[1]。國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》也提出要運用人工智能技術促進教育教學和人才培養模式的變革，尤其要關注智能校園、交互式學習等新型教育體系的構建^[2]。這些政策的出臺加速了信息技術與教育教學的深度融合，指明了元宇宙在教育領域的應用方向。元宇宙將重新定義教育形態的發生空間，為教育信息化指明了方向，因此有必要發揮元宇宙在教學體系中改善學習環境、優化教學過程、增強現場效果、培養創新人才等方面的作用。當前，元宇宙尚處于初期的概念厘清和框架搭建階段，關于教育元宇宙的建構研究較少且教學應用缺乏深入探究。基于此，本研究立足于現階段教育元宇宙的基本特征和發展狀況，探索面向互聯網教育新形態的系統建構和實踐應用，積極開發元宇宙的現實教育潛力。

一 教育元宇宙的內涵和特征

Stephenson^[3]在1992年出版的科幻小說《雪崩》中創造了術語“Metaverse”（英文直譯為“元宇宙”），他將元宇宙定義為一個平行于客觀現實世界的大型虛擬環境。由于元宇宙涉及的內容過于龐大且具有極強的前瞻性，故不同專家、學者對元宇宙的解釋往往會有不同的側重點。例如，Roblox作為首個將元宇宙寫進招股說明書的公司，其將元宇宙描述為“持久的、共享的三維虛擬空間”^[4]；沈陽等認為“元宇宙是利用互聯網生成鏡像的擴展應用現實技術，深度融合了虛擬世界與物理世界的經濟、文化、身份等系統，進而為用戶提供沉浸式體驗”^[5]。本研究認為，元宇宙是基于多種數字信息技術交互運用而構成的平衡于客觀物理世界的三維網絡空間，人們可以化身其中完成鏡像現實世界的各種社交、學習、工作、生活等活動。

1 教育元宇宙的內涵

元宇宙的熱潮給教育帶來了極大的沖擊。信息技術的迅速發展特別是從互聯網到移動互聯網的推陳出新，使人們的生活方式和知識獲取方式發生了突破性的變革。元宇宙集人工智能、區塊鏈、虛擬現實、人機交互等數字技術為一體，將進一步改變人們的思維模式、教育方式和活動空間。元宇宙與教育結合的產物為“教育元宇宙”，其以嶄新的教育思維，為教育觀念和教育模式的轉變提供了新的思路。對于教育元宇宙的內涵，學界做了諸多解釋，如劉革平等^[6]指出教育元宇宙是虛擬與現實、人類與機器、學校與社會的全面交織互動，是運用新興信息技術塑造的高階形態的教育環境；華子荀等^[7]認為教育元宇宙融合了多種數字技術，為教育活動主體創建了數字身份，重塑了教育活動的發生空間，構建了虛實融合的教育新生態。由此可見，隨著元宇宙的深入發展，人類將進入“教育即生活，生活即教育”的新型教育發展階段。

2 教育元宇宙的特征

教育元宇宙虛擬與真實、線上與線下的高度融合，將極大地拓展教與學的時空邊界，并重塑教學觀念與教學模式，形成新的教育生態。教育元宇宙具有高沉溺、低延遲、交互性、泛在化等特征，其關注教育活動中的身體實踐和感官經驗，倡導終身學習和泛在學習，具體表現為：①在學習資源方面，教育元宇宙融合了虛擬資源與真實資源^[8]。②在教育活動方面，教育元宇宙在創設教學情境、豐富課堂互動、創新教學資源、激發學習主動性等方面優勢獨特^[9]；還可以通過虛擬現實、數字孿生和增強現實等技術的共同賦能，形成學習者過去與未來學習時空的無縫銜接和融合^[10]。③在教育評價方面，基于心電、腦電、光學近紅外成像等生理信號的學習行為分析新技術，可以精確、有效地進行教育評價^[11]；基于區塊鏈技術構建的評價體系，可以為學習者提供教育評價的全程留痕、公開透明和不可偽造等功能^[12]。

二 教育元宇宙的系統建構

教育元宇宙為真實世界的教師、學生、管理者等教育實體拓展了教學的時間和空間，創建了一種高度沉浸式的教學環境。現階段應明晰教育元宇宙的基本構建脈絡，加快建設教育元宇宙的擴展現實平臺、虛擬學習環境和數字孿生校園，以推動教育元宇宙的可持續發展。

1 教育元宇宙系統建構的依托

（1）技術支撐

技術的進步與發展，為教育元宇宙的構建奠定了堅實的基礎。本研究通過綜合業界對元宇宙技術體系的各種論述與分析，總結提煉出支撐元宇宙的七大技術支柱：①通信技術5G。虛實設備需有更高的分辨率和幀率，才能為用戶提供真正的沉浸感。元宇宙在教育領域的應用創新，離不開具有低時延、低能耗、高速率和大規模設備連接等特性的5G通信技術的支持。②擴展現實（Extended Reality，XR），包括虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）和混合現實（Mixed Reality，MR）。其中，VR提供沉浸式體驗，通過人類的視覺、聽覺、觸覺和動作捕捉，來實現元宇宙中信息的輸入輸出；AR在現實場景中疊加一層虛擬信息；MR通過向視網膜投射光場，可以實現虛擬、真實之間的部分保留與自由切換。③區塊鏈技術。區塊鏈技術可以有效打造元宇宙去中心化的內容創造模式，如分布式的清結算平臺和價值傳遞機制，可以保障價值歸屬與流轉，實現元宇宙經濟系統運行的高效穩定；也可以用于創建具有學習者獨特身份的連續和序列化加密信息綜合體，以保障數據安全。④人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術。AI技術是指使機器能夠從經驗中學習并執行各種任務的理論和技術。在元宇宙中，AI技術的運用無處不在，如虛擬人物的語音語義識別、社交關系的AI推薦、各種虛擬場景的AI建設等。⑤數字孿生技術。借助模擬、感覺和鏡像世界，數字孿生技術連接了物理現實和虛擬現實，而元宇宙需要數字孿生技術來創建高保真的鏡像世界。⑥計算機視覺技術。在處理、分析、理解數字圖像或視頻以得出有意義的決定和采取行動方面，計算機視覺發揮著至關重要的作用。使用XR設備識別和理解用戶活動及其物理環境的視覺信息，有助于構建更可靠、更準確的虛擬環境和增強環境。⑦邊緣計算技術。邊緣計算是以云計算為核心，以現代通信網絡為途徑，以海量智能終端為前沿，集云、網、端、智四位一體的新型計算模型。邊緣計算技術可以為所有設備提供高質量的交互式體驗，從而增加人們在元宇宙的體驗感，為算力支撐元宇宙保駕護航。

（2）理論支撐

技術本身固然重要，但挖掘教育元宇宙的教育理論也十分有必要。分布認知理論、信息加工理論、具身認知理論是教育元宇宙的理論基礎，以此為依托，方海光等^[13]提出了人機協同教育理論。真實學習環境理論、體驗學習理論的提出，為教育元宇宙的學習環境構建和體驗起到了理論導向作用^[14]。此外，還應廣泛吸取行為主義、認知主義、建構主義、聯通主義等學習理論的研究成果，在教育元宇宙中嘗試構建具身空間創新教學理論體系^[15]。當前，我國教育元宇宙的理論框架薄弱、研究方法匱乏，在發展新基建的同時，更重要的是推動教學理論和研究方法的創新，并構建中國特色教育元宇宙的理論框架^[16]。

（3）架構支撐

元宇宙的架構組成在國內外的工業界、學術界尚未達成共識，但在不同層面上為教育元宇宙的構建提供了架構支撐。例如，Lim等^[17]提出了由兩部分組成的元宇宙架構，其中第一部分既是虛擬世界也是物理世界，第二部分是元宇宙引擎；Duan等^[18]通過繪制兩個垂直的圓圈并重疊成三層來制定元宇宙框架，包括基礎設施（底部）、交互（中間）、虛擬生態系統（頂部）；Smart等^[19]提出了元宇宙路線圖，并將元宇宙分為增強現實、生命記錄、鏡像世界、虛擬世界四種類型；Radoff等^[20]提出了七層的元宇宙架構，分別是基礎設施層、人機交互層、去中心化層、空間計算層、創造者經濟層、發現層、體驗層；華子荀等^[21]設計了教育元宇宙的三端六層架構，包括技術端、應用端、分析端和物理層、軟件層、規則層、應用層、數據層、分析層。

2 教育元宇宙系統總體架構

基于元宇宙構建的已有研究，本研究認為數字技術層、系統平臺層、硬件設備層、場景應用層構成了教育元宇宙的數字生態：數字技術層主要為系統研發和硬件開發提供技術支撐，包括通信、云存儲、人工智能等技術；系統平臺層包括應用及內容設計、內容分發、中間件及工具軟件、游戲引擎、操作系統等，主要為具體場景應用建設系統集成平臺；硬件設備層包括VR/AR頭顯、腦機接口、體感設備、語言識別、攝像頭、手機、個人計算機等，主要為場景應用提供連接；場景應用層的功能主要是為教育、醫療、社交、旅游、會展、直播、演唱會等場景的開展提供支持。在此基礎上，依托教育元宇宙系統建構的技術、理論和架構支撐，本研究將教育元宇宙系統分為物理層、軟件層、數據層、應用層四層架構，具體如圖1所示。對于不同主題的系統（如教育教學系統、旅游體驗系統、博物館展示系統等）來說，其物理層、軟件層、數據層三層的架構具有相似性，不同之處在于應用層的軟件生態構成存在差異。例如，教育教學系統的軟件生態包含科學教育、技能培訓、專業教育、教學質量評估等細分功能性軟件。

（1）物理層

物理層連接虛擬世界與現實本體，是支撐教育元宇宙體系的基礎，也是數據產生、儲存、分析的主體。物理層包括感知設備和數字化設施，具體如圖2所示。

①感知設備：通過移動終端、攝像頭、傳感器、數據手套、VR頭盔、MR眼鏡等識別教學環境中的各類事物，采集來自本體的各種數據，如通過各種傳感器采集本體所在真實環境的溫度、濕度、光照等信息，實現對真實世界中教育資源狀態的實時感知。

②數字化設施：是各種現代化、信息化的技術和裝備，包括5G、物聯網、云計算中心等。其中，5G可為教育元宇宙提供高速率、低延時的通信管道支撐，實時傳輸海量數據；物聯網可以實現教學環境中的萬物互聯，其收集和產生的不同維度的海量數據將自動存儲于云端；云計算中心為海量數據處理提供算例支持。

物理層的架構設計要考慮感知設備和數字化設施兩種硬件載體的相同點：兩者都以系統運行為保障、以與數據庫的協作為中心。物聯網設施與云計算中心的存儲、交互等功能使用最為頻繁，且物聯網和云計算中心協同作用，可以實時收集和處理多樣化信息。教育元宇宙系統運行時不可避免地要根據需要調整總體架構，以適應用戶使用規模、數據量等的變化，而云化架構可為適應此變化所需的軟硬件協調運作、設備擴展提供保障。

（2）軟件層

軟件層主要通過各種系統軟件和應用軟件來加工、分析、處理物理層產生的數據，具體如圖3所示。其中，系統軟件一般包括操作系統、數據庫系統、云計算系統、人工智能控制系統、教育元宇宙系統專用軟件等，用于控制和協調教育元宇宙系統中物理層的硬件，部分協調應用軟件的正常運行；應用軟件是專門為教育元宇宙而開發，用來實現教育元宇宙特定的功能。

軟件層是連接物理層和真實世界的關鍵，重在實現教育元宇宙的眾多個性化功能。同時，軟件層還可通過即時通信、環境傳感、同步仿真等技術的軟件來提供公共服務。軟件層是物理層硬件設備的引擎和驅動器，兩者共同構成了教育元宇宙的基礎設施。在軟件層中，系統軟件是“骨架”，而應用軟件是附著在骨架上的“肌肉”，兩者協調工作，為教育元宇宙基本功能的運行提供了保障。此外，系統軟件直接控制硬件設備使其能夠正常運行，應用軟件則使硬件設備能夠實現多種專用功能。

（3）數據層

數據層包括虛擬孿生體、多種數據庫、數據處理中心等功能模塊（具體如圖4所示），主要處理數據之間的連通性，實現數據的管理、存儲、傳遞、分析和集成，為運行教育元宇宙系統提供數據支撐：①通過建立與現實世界的原型（即本體）相對應的虛擬孿生體，可以動態復現實際教學環境、實時數據和歷史狀態，有助于實現精準化教學管理和支持服務。②各類數據庫可以實現對教育元宇宙大數據的儲存和處理。③數據處理中心通過數據挖掘、深度學習、神經網絡等算法和技術，結合半人工化的分析，來展示教育元宇宙的教學效果，幫助教學設計者發現系統特征、挖掘學習者的學習規律、集合各種特征數據，從而得到帶有學生類型標簽的分析結果。

（4）應用層

應用層以虛擬現實、大數據、人工智能等技術為支撐，與教育教學環境進行深度融合，為用戶提供技能培訓、專業教育、社交娛樂等具體應用功能：①利用虛擬現實技術，感知教育元宇宙各系統的運行狀況和用戶狀態，為用戶提供多維時空的即時虛擬交互體驗；②利用大數據技術，通過對海量數據進行分析，為用戶精準推送學習資源，實現個性化教學；③利用人工智能技術，為用戶提供智能感知、智能導學等功能，具體如圖5所示。

應用層是整個教育元宇宙系統能否真正運行下去的關鍵：一方面，只有應用軟件類型足夠多樣化，才能使教育元宇宙系統發揮出最大效益。同時，應用層是用戶可見的，能為用戶提供直觀的體驗，并驅使硬件設備為用戶提供各種定制化、個性化服務。另一方面，只有為用戶提供沉浸式的且符合其心理預期的體驗，才能維持用戶的使用忠實度，在提升學習成效的同時基于反饋改進系統，從而形成教育、產業和社會效益相互促進的良好循環。

三 教育元宇宙的實踐應用

基于教育元宇宙的內涵特征分析，依托教育元宇宙系統總體架構，本研究聯合河南省醫學虛擬現實工程研究中心，在其開發的生理學虛擬仿真實驗教學平臺的基礎之上進一步融合多種數字信息化技術，研發了初級教育元宇宙虛擬實驗操練系統，并以醫學生理學實驗為例，呈現教學、科研、實訓三方面內容。該系統屬于醫學機能學、計算機科學和軟件工程學交叉學科的應用研究，涉及醫學知識的研究和系統開發兩個關鍵點。

本研究從醫學科研教學、系統開發、程序化的實驗功能開發三個方面進行了設計：①在醫學科研教學方面，搜集整理專業醫學知識，并請專家鑒定其科學合理性，形成知識文檔，以備融入到系統開發工作中。②在系統開發方面，通過Maya軟件進行相關3D建模，用動畫技術對角色進行綁定，利用U3D進行場景美工。③在程序化的實驗功能開發方面，先實現基礎數據的信息化和程序化管理，再利用基于ECMAScript的ActionScript編程語言來編寫Adobe Flash應用程序，最后與信息化程序的數據交互整合。經過醫學知識的搜集、整理、論證和軟件系統的開發、測試、改進，初級教育元宇宙虛擬實驗操練系統提供的虛擬醫學實驗操作科學合理，實驗儀器沒有偏差，同時保證了系統使用的流暢性和穩定性（如圖6所示）。該系統經過多輪測試改進與實踐推廣應用，收到了良好的反饋。

值得注意的是，該虛擬仿真實驗并非就是教育元宇宙概念所指的全部內容，它只是教育元宇宙的一種表現形式，教育元宇宙的概念還包含AR、VR、MR等多種形式。由該實驗所代表的一般虛擬仿真實驗依托VR、計算機多媒體、人機交互等技術，通過構建高度仿真的虛擬環境和對象，讓用戶在虛擬環境中進行標準化的操作，以達到“以假亂真”的目的。隨著計算機信息化和人工智能技術的發展，以及相關硬件設備的性能提升，VR、AR、MR將會被更廣泛地應用于各個領域，進而形成不同形式、不同領域的專業虛擬空間。這些虛擬空間是教育元宇宙的基本組成單元，同一用戶在進入這些不同的空間時會有不同的身份，這就是元宇宙的初級表現形式。而當專業虛擬空間的數量和用戶的數量形成一定的規模之后（對照真實人類社會的基本組成），將這些不同的虛擬空間連通起來，構成一個可使用戶在不同的專業虛擬空間中自由無感地轉變身份并能作出符合不同身份的相應動作、如同生活在與人類真實世界平行運行的虛擬世界，這便是元宇宙的終極形態。

四 結語

元宇宙在教育領域的應用是一個新興話題，探索教育元宇宙具有十分重要的意義。本研究基于教育元宇宙的內涵特征，搭建了包含物理層、軟件層、數據層、應用層的教育元宇宙系統總體架構，并聯合河南省醫學虛擬現實工程研究中心研發了初級教育元宇宙虛擬實驗操練系統，初步探索了教育元宇宙的實踐應用。但是，目前教育元宇宙還處于初級發展階段，面臨技術風險、沉迷風險、侵權風險、倫理風險等諸多挑戰，元宇宙與教育充分結合并賦能教育變革還有很多問題需要解決。例如，教育元宇宙的關聯技術仍不成熟、技術底座不夠牢固、硬件設備性能還不理想、課程制作體系尚未成型等，均需要相關技術進一步迭代升級方可支撐教育元宇宙的場景應用。值得注意的是，教育元宇宙拓展了師生的生存維度和感官維度，但虛擬世界不可能完全復刻現實世界，沉浸式、高仿真的感官體驗強化了算法規訓，易使學習者對元宇宙產生依賴并沉迷于其補償性滿足和同質化信息。另外，教育元宇宙中虛實身份的復雜性和教學場域的多元性可能會帶來侵權風險，使數字產權和隱私安全難以保障。與此同時，教育元宇宙在促進虛實共融的同時，教育的主體和價值可能會受到沖擊，這就需要考量主觀意志和虛實世界的邊界，凸顯教育的價值和意蘊^[22]。面對這些挑戰，相關部門應加強對教育元宇宙的頂層設計，優化防止成癮的路徑，打造共創共享的教育生態，以更好地發揮人的主體性和教育的價值。

教育元宇宙的發展是一個動態演化的過程，虛實世界的無縫連接有待各方面共同努力，元宇宙完全融入教育亦任重而道遠。目前，學界對于教育元宇宙的建構框架尚未達成共識，并且其實踐應用還缺乏具體的案例驗證。基于此，后續需加快明晰教育元宇宙的系統建構脈絡，積極開展其教學實踐應用，不斷提升現代信息技術支撐教育的服務能力，積極探索互聯網教育新形態的教育規律和價值邏輯。

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Educational Metaverse： System Construction and Practical Application of the New Forms of Internet Education

MA Jing¹""" JIN Yan-chi¹""" YANG Yang²""" ZHAO Zhang-hong^{3[Corresponding Author]}

（1. College of Education， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan， China 450001; 2. Department of Basic Teaching， Zhengzhou Railway Vocational and Technical College， Zhengzhou， Henan， China 453000; 3. College of Surveying and Mapping Engineering， Yellow River Conservancy Vocational and Technical Institute， Kaifeng， Henan， China 475004）

Abstract： The metaverse is the development direction of the third-generation Internet， and education metaverse is referred to as the new form of education development， which will bring transformative effects to education and teaching activities. Under this context， the paper firstly outlined the connotation and characteristics of educational metaverse. Then， based on the technology， theory and architecture support constructed by education metaverse system and combined with its digital ecology， the overall architecture of educational metaverse including physical layer， software layer， data layer and application layer was constructed in this paper. Finally， this paper designed the virtual experimental operating system of primary education metaverse from three aspects of medical scientific research teaching， system development and programmed experiment function development， and initially explored the practical application of education metaverse. The development path for the new forms of Internet education has been investigated in this paper， which was of great significance for promoting the efficient construction of new education infrastructure and the innovative development of education modernization.

Keywords： educational metaverse; metaverse; virtual simulation; Internet education; information technology