元宇宙技術(shù)在林業(yè)培訓(xùn)中的應(yīng)用

牛振興，楊 麗

（國(guó)家林業(yè)和草原局管理干部學(xué)院，北京 102600）

1 元宇宙概念

元宇宙是一個(gè)由科技虛擬與現(xiàn)實(shí)世界相交匯的全息數(shù)字世界，該名詞誕生于科幻小說(shuō)，現(xiàn)已成為一個(gè)跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的概念。雖然當(dāng)前元宇宙的定義尚未統(tǒng)一，但其特點(diǎn)已經(jīng)比較明顯。首先，元宇宙具備同步和擬真的屬性，通過(guò)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的相互，呈現(xiàn)出更高的交互效果。其次，元宇宙具有開(kāi)源和創(chuàng)造的屬性，通過(guò)技術(shù)開(kāi)源和平臺(tái)開(kāi)源，建立新的標(biāo)準(zhǔn)，以用戶(hù)需求為出發(fā)點(diǎn)，保證元宇宙內(nèi)部設(shè)施的完善。再次，元宇宙具有永續(xù)的屬性，其中的所有事物基本上都能無(wú)限延續(xù)下去。最后，元宇宙具有閉環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的屬性，用戶(hù)可以使用虛擬貨幣進(jìn)行交易，也可以按照規(guī)定比例來(lái)置換現(xiàn)實(shí)貨幣，促進(jìn)元宇宙的發(fā)展。元宇宙的發(fā)展已經(jīng)引發(fā)了信息科學(xué)、量子科學(xué)等學(xué)科的互動(dòng)，在培訓(xùn)和教育領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用。在林業(yè)培訓(xùn)中，元宇宙技術(shù)的應(yīng)用可以提供多種學(xué)習(xí)模式，滿足不同學(xué)員的需求和興趣，從而提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量。同時(shí)，元宇宙技術(shù)的應(yīng)用還可以促進(jìn)林業(yè)工程建設(shè)和林業(yè)發(fā)展，為林業(yè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的支持。元宇宙技術(shù)的應(yīng)用將在未來(lái)的發(fā)展中扮演越來(lái)越重要的角色，為各行各業(yè)的發(fā)展注入新的活力[1]。

2 元宇宙的教學(xué)場(chǎng)域架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物理層

物理層是元宇宙教學(xué)場(chǎng)域架構(gòu)的基礎(chǔ)組成部分，主要指設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施和人際互動(dòng)設(shè)備。在硬件設(shè)施方面，物理層包括高性能計(jì)算設(shè)備、超大規(guī)模集成電路（VLSI）和云存儲(chǔ)系統(tǒng)，為元宇宙的復(fù)雜虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境提供強(qiáng)大的支持，該層級(jí)還包括用于捕捉用戶(hù)身體動(dòng)作的各種跟蹤器和感應(yīng)器，如IMUs和攝像頭，以及為用戶(hù)提供沉浸式體驗(yàn)的顯示器、頭顯設(shè)備和聽(tīng)覺(jué)設(shè)備。為支持現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界之間的流暢交互，物理層還涵蓋了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和通信的基本架構(gòu)。此外，物理層還包括為保證各種設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通所需的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，如傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）和虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）等。總的來(lái)說(shuō)，在這個(gè)層面上，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高速的計(jì)算能力、廣泛的連接和互動(dòng)性，以滿足元宇宙教學(xué)場(chǎng)域的需求[2]。

2.2 軟件層

軟件層在元宇宙教學(xué)場(chǎng)域架構(gòu)中發(fā)揮著極其重要的作用，主要任務(wù)為構(gòu)建現(xiàn)實(shí)感強(qiáng)烈的虛擬環(huán)境、實(shí)現(xiàn)多樣的角色交互以及連接真實(shí)與虛擬世界的教學(xué)資源。這個(gè)層面涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括高效的圖形渲染引擎、精確的物理引擎和強(qiáng)大的人工智能支持。圖形渲染引擎通過(guò)生成精細(xì)的紋理貼圖、逼真的光影效果和高度準(zhǔn)確的模型來(lái)創(chuàng)造身臨其中的立體學(xué)習(xí)環(huán)境。物理引擎則用于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的物理現(xiàn)象（如碰撞、摩擦、重力等）進(jìn)行仿真，確保用戶(hù)在與虛擬對(duì)象交互時(shí)符合現(xiàn)實(shí)情景。人工智能技術(shù)在軟件層的應(yīng)用顯得尤為關(guān)鍵，借助機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理等先進(jìn)技術(shù)，元宇宙教育場(chǎng)景得以發(fā)揮出更豐富的潛力。例如，通過(guò)虛擬教師和學(xué)生的個(gè)性化互動(dòng)和智能推薦，使學(xué)習(xí)過(guò)程更加特色化、個(gè)性化，人工智能還可對(duì)教育質(zhì)量進(jìn)行智能評(píng)估，以及分析用戶(hù)行為和學(xué)習(xí)成果，從而為學(xué)員提供量身定制的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。如此一來(lái)，在軟件層的優(yōu)化與創(chuàng)新下，元宇宙教育場(chǎng)景煥發(fā)出更廣泛的應(yīng)用前景。它將為未來(lái)教育賦能，打破傳統(tǒng)的局限性，給學(xué)員帶來(lái)更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的提升[3]。

2.3 分析層

分析層是元宇宙教學(xué)場(chǎng)域架構(gòu)的頂層，主要關(guān)注用戶(hù)行為數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)成果數(shù)據(jù)的收集與分析，以及對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的優(yōu)化與指導(dǎo)。首先，它要進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)分析用戶(hù)在虛擬環(huán)境中的行為模式，理解用戶(hù)的學(xué)習(xí)需求與習(xí)慣。通過(guò)整合大量的用戶(hù)數(shù)據(jù)，分析層可以揭示學(xué)習(xí)過(guò)程中的瓶頸與難點(diǎn)，從而為優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方式提供有效依據(jù)。其次，在分析層中，利用高級(jí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法研究用戶(hù)與教育資源之間的相互作用，以期實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化。此外，基于人工智能技術(shù)和學(xué)習(xí)分析模式，分析層可以為個(gè)體學(xué)生提供精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)建議并制定適應(yīng)性的學(xué)習(xí)計(jì)劃。最后，分析層關(guān)注學(xué)習(xí)成果的評(píng)估與反饋。通過(guò)詳細(xì)分析學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境中的表現(xiàn)，評(píng)價(jià)其在知識(shí)獲取與技能掌握方面的成果。這將有利于優(yōu)化教學(xué)策略并實(shí)現(xiàn)教育場(chǎng)域的持續(xù)發(fā)展。此外，在分析層中對(duì)學(xué)習(xí)成果進(jìn)行比較研究，可以挖掘潛在的優(yōu)秀教學(xué)實(shí)踐，形成具有廣泛適用價(jià)值的教育參考案例，進(jìn)一步提升元宇宙場(chǎng)域教育的質(zhì)量[4]。

3 元宇宙技術(shù)在林業(yè)培訓(xùn)中的應(yīng)用價(jià)值

3.1 模擬真實(shí)環(huán)境

在元宇宙技術(shù)的作用下，可以創(chuàng)造出一個(gè)逼真的林業(yè)環(huán)境，讓學(xué)員們?cè)谔摂M環(huán)境中進(jìn)行觀察和探索，了解不同季節(jié)中森林的變化和特點(diǎn)。這種學(xué)習(xí)方式不僅可以提供更加直觀、生動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還可以讓學(xué)員們更加深入地了解森林中的生態(tài)環(huán)境。通過(guò)元宇宙技術(shù)，可以模擬森林的植被、地形和氣候等方面的特點(diǎn)。學(xué)員們可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行觀察和探索，了解不同季節(jié)中森林的變化和特點(diǎn)。比如，在春季，學(xué)員們可以看到森林中各種花草的盛開(kāi)，感受到春天的氣息；在秋季，學(xué)員們可以看到森林中各種樹(shù)木的變色，感受到秋天的氣息。通過(guò)這種方式，學(xué)員們可以更加深入地了解森林的生態(tài)環(huán)境，讓學(xué)員們感受到真實(shí)的森林氣息和聲音。比如，在虛擬環(huán)境中，模擬出鳥(niǎo)兒的鳴叫聲、昆蟲(chóng)的叫聲、風(fēng)吹樹(shù)葉的聲音等，產(chǎn)生更加逼真的學(xué)習(xí)感受，從而促進(jìn)培訓(xùn)效果的提升。這也是元宇宙技術(shù)的主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)之一。

3.2 提供交互式的學(xué)習(xí)方式

通過(guò)元宇宙技術(shù)，學(xué)員們能進(jìn)行虛擬的林業(yè)實(shí)驗(yàn)和模擬操作。這種實(shí)驗(yàn)方式更加逼真，有助于學(xué)員深入了解林業(yè)知識(shí)和技能，給學(xué)員帶來(lái)直觀、生動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還能讓學(xué)員們深入了解林業(yè)技能的實(shí)際操作流程。學(xué)員們可以通過(guò)虛擬環(huán)境中的模擬操作，如植物栽植、修剪枝葉等，了解林業(yè)技能的實(shí)際操作流程。通過(guò)虛擬環(huán)境中的操作流程可以模擬出真實(shí)的操作流程，在現(xiàn)代化技術(shù)的加持下，學(xué)員能對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和操作方式進(jìn)行直觀分析，從而促進(jìn)學(xué)員深入地了解操作步驟和注意事項(xiàng)。通過(guò)這種方式，學(xué)員們可以在虛擬環(huán)境中反復(fù)練習(xí)和實(shí)踐，更好地掌握林業(yè)技能。學(xué)員們可以進(jìn)行虛擬的林業(yè)實(shí)驗(yàn)，如樹(shù)木的生長(zhǎng)、病蟲(chóng)害的防治等，深入了解林業(yè)知識(shí)。通過(guò)虛擬環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)?zāi)M出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)員們更加深入地了解林業(yè)知識(shí)和技能，由此實(shí)現(xiàn)交互式學(xué)習(xí)。相比于傳統(tǒng)的林業(yè)培訓(xùn)方式，應(yīng)用元宇宙技術(shù)的林業(yè)培訓(xùn)方式明顯更加高效[5]。

4 元宇宙技術(shù)在林業(yè)培訓(xùn)中的具體應(yīng)用

4.1 個(gè)性化與協(xié)同學(xué)習(xí)模式

智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理手段和學(xué)習(xí)分析模型，深入了解學(xué)員的學(xué)習(xí)風(fēng)格、認(rèn)知能力、知識(shí)背景和興趣偏好，對(duì)這些數(shù)據(jù)的精細(xì)分析，教學(xué)過(guò)程得以針對(duì)每位學(xué)員的獨(dú)特需求提供定制化的教學(xué)方案、實(shí)踐任務(wù)和學(xué)習(xí)資源，從而促進(jìn)林業(yè)培訓(xùn)的個(gè)性化和高效進(jìn)行。除了為個(gè)體提供精確匹配的學(xué)習(xí)方案，元宇宙技術(shù)還強(qiáng)調(diào)學(xué)員之間的協(xié)同學(xué)習(xí)和相互支持，在豐富多樣的虛擬環(huán)境中，學(xué)員可以組建團(tuán)隊(duì)共同應(yīng)對(duì)一系列林業(yè)實(shí)踐場(chǎng)景，如森林病蟲(chóng)管理、林業(yè)改革策略設(shè)計(jì)、重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)規(guī)劃、森林資源調(diào)查與評(píng)估等，模擬實(shí)際工作場(chǎng)景，學(xué)員們既可以掌握豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又可以提升團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力和溝通協(xié)調(diào)技巧。同時(shí)，借助元宇宙平臺(tái)中的實(shí)時(shí)互動(dòng)工具，學(xué)員們可以在虛擬環(huán)境中分享經(jīng)驗(yàn)與心得，探討案例解決方法，促進(jìn)知識(shí)的傳遞與共享，這種協(xié)同學(xué)習(xí)模式涵蓋多種學(xué)習(xí)方式，如結(jié)對(duì)合作、小組討論、在線評(píng)審，有助于提高學(xué)習(xí)者的跨學(xué)科思考與創(chuàng)新能力。整合個(gè)性化與協(xié)同學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)，學(xué)員在增強(qiáng)自身解決問(wèn)題能力的同時(shí)，也鍛煉團(tuán)隊(duì)溝通與合作技巧。這種學(xué)習(xí)模式有效激發(fā)了學(xué)員的潛力，提高了他們?cè)趹?yīng)對(duì)實(shí)際林業(yè)問(wèn)題時(shí)的綜合素質(zhì)，元宇宙技術(shù)支持下的個(gè)性化與協(xié)同學(xué)習(xí)模式，將成為未來(lái)林業(yè)培訓(xùn)教育的創(chuàng)新方式，為林業(yè)發(fā)展培養(yǎng)更多高素質(zhì)專(zhuān)業(yè)人才。

4.2 培訓(xùn)師多角色模式

元宇宙技術(shù)在林業(yè)培訓(xùn)中的應(yīng)用之一是提供培訓(xùn)師多角色模式。在這種模式下，培訓(xùn)師不僅是傳統(tǒng)的教師角色，還可以扮演其他角色，如導(dǎo)游、解說(shuō)員、實(shí)驗(yàn)員等，通過(guò)多角色模式提供更加豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。培訓(xùn)師可以通過(guò)元宇宙技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)虛擬的林業(yè)環(huán)境，并扮演不同的角色，提供不同的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。比如，培訓(xùn)師可以扮演導(dǎo)游的角色，帶領(lǐng)學(xué)員們?cè)谔摂M環(huán)境中進(jìn)行探索和觀察，介紹不同的植物和動(dòng)物，讓學(xué)員們更加深入地了解林業(yè)知識(shí)。同時(shí)，培訓(xùn)師還可以扮演解說(shuō)員的角色，通過(guò)講解和演示，讓學(xué)員們更加深入地了解林業(yè)知識(shí)和技能。除了導(dǎo)游和解說(shuō)員，培訓(xùn)師還可以扮演實(shí)驗(yàn)員的角色，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)員們進(jìn)行各種林業(yè)實(shí)驗(yàn)，如樹(shù)木的生長(zhǎng)、病蟲(chóng)害的防治等。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，培訓(xùn)師可以為學(xué)員們提供指導(dǎo)和支持，讓學(xué)員們更加深入地了解實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果。通過(guò)采用培訓(xùn)師多角色模式，讓學(xué)員們可以獲得更加豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，同時(shí)也可以更加深入地了解林業(yè)知識(shí)和技能。在虛擬環(huán)境中，培訓(xùn)師可以根據(jù)學(xué)員的不同需求和能力，提供不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)方式，從而更好地滿足學(xué)員的學(xué)習(xí)需求。

4.3 學(xué)習(xí)的多元選擇模式

在林業(yè)培訓(xùn)中應(yīng)用元宇宙技術(shù)，可以提供多元選擇的學(xué)習(xí)模式，這種學(xué)習(xí)方式不僅可以提供更加個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還能讓學(xué)員們更加深入地了解林業(yè)知識(shí)和技能。在林業(yè)培訓(xùn)中應(yīng)用元宇宙技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多元化學(xué)習(xí)模式，其中包括自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、導(dǎo)師指導(dǎo)和實(shí)踐模式。這些不同的學(xué)習(xí)模式可以滿足不同學(xué)員的需求和興趣，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效果。在自主學(xué)習(xí)模式下，學(xué)員可以在元宇宙環(huán)境中自由探索和學(xué)習(xí)，根據(jù)自己的興趣和需求，選擇自己感興趣的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，自由安排學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)節(jié)奏。這種學(xué)習(xí)模式能提高學(xué)員的學(xué)習(xí)自主性和學(xué)習(xí)效果，讓學(xué)員更加主動(dòng)地探索和學(xué)習(xí)。合作學(xué)習(xí)模式是指學(xué)員可以與其他學(xué)員一起學(xué)習(xí)和合作。在這種模式下，學(xué)員能通過(guò)元宇宙環(huán)境中的社交功能，與其他學(xué)員進(jìn)行交流和合作，共同完成學(xué)習(xí)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)。這種交流和溝通，不僅有助于深化學(xué)員對(duì)林業(yè)知識(shí)的認(rèn)知，也有助于提高學(xué)員的團(tuán)隊(duì)合作能力和溝通能力，讓學(xué)員更好地理解和掌握林業(yè)知識(shí)和技能。導(dǎo)師指導(dǎo)模式是指學(xué)員可以得到導(dǎo)師的指導(dǎo)和支持。在導(dǎo)師指導(dǎo)模式中，學(xué)員可以通過(guò)元宇宙環(huán)境中的導(dǎo)師功能，得到導(dǎo)師的指導(dǎo)和支持，解決學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題和困難。這種學(xué)習(xí)模式可以提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量，讓學(xué)員更好地掌握林業(yè)知識(shí)和技能。實(shí)踐模式是指學(xué)員可以通過(guò)實(shí)踐來(lái)學(xué)習(xí)。在這種模式下，學(xué)員可以利用元宇宙環(huán)境中的虛擬實(shí)驗(yàn)室和模擬環(huán)境，進(jìn)行實(shí)踐操作和模擬實(shí)驗(yàn)，從而更加深入地了解林業(yè)知識(shí)和技能。這種學(xué)習(xí)模式可以提高學(xué)員的實(shí)踐能力和實(shí)際操作能力，讓學(xué)員更好地掌握林業(yè)知識(shí)和技能。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在林業(yè)培訓(xùn)中應(yīng)用元宇宙技術(shù)可以提供多種學(xué)習(xí)模式，滿足不同學(xué)員的需求和興趣，從而提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量。隨著科技的不斷發(fā)展，元宇宙技術(shù)應(yīng)用將在未來(lái)的發(fā)展中扮演越來(lái)越重要的角色，為各行各業(yè)的發(fā)展注入新的活力。在林業(yè)培訓(xùn)中，我們可以利用元宇宙技術(shù)來(lái)創(chuàng)造更加真實(shí)、有趣的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力，為林業(yè)行業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)更多的人才，促進(jìn)林業(yè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。