“元宇宙”的教学应用特性、场景与应用关键点分析.pdf

59.技术应用“元宇宙”的教学应用特性、场景与应用关键点分析谷小雅渤海大学教育科学学院辽宁锦州121013摘要：元宇宙的出现引起了社会各界的重视，其应用广受关注，教育领域也是如此。通过对资料的系统梳理，研究发现元宇宙是一个与现实世界脱离但又平行于现实世界的虚拟世界，它的支撑技术包括区块链技术、通信技术和云计算技术、物联网技术、人工智能技术、交互技术、电子游戏技术，具有沉浸性、交互性和开放性特点。元宇宙的教育应用场景包括沉浸式课堂教学、交互式线上教学、场景化技能培训等，在未来的教育教学应用过程中，要注意三个关键点：系统构建沉浸式教学情境是核心，灵活使用线上线下结合的混合式教学是关键，数据资源的建设和深度分析是未来。关键词：元宇宙；沉浸式教学；教学应用场景中图分类号：G434；T P39 1.9文献标识码：A文章编号：16 7 2-0 2 45（2 0 2 3）0 3-0 0 59-0 6随着信息化2.0 时代的到来，越来越多的新技术涌人教育界，为教育的发展提供新技术和新资源。元宇宙的到来也在影响教育各方面的发展。此前，由于新冠疫情的影响，人们的很多现实世界的生活和娱乐等需要得不到满足。新冠疫情对于教育的冲击也很大，学生无法正常在学校进行学习。于是，虚拟世界的开发就显得格外珍贵，这也增加了元宇宙的热度。目前，元宇宙的教育应用主要是在增强现实、虚拟世界、赋能智慧教育和游戏化学习等方面。比如，美国成立了全球第一所虚拟现实高中美国高中（American High School),加州大学伯克利分校在沙盘游戏我的世界重建校园并举办线上毕业典礼，美国莫尔豪斯学院（MorehouseCollege）建立沉浸式虚拟实验室等 1。基于元宇宙的特性和未来教学需求分析，探讨在未来教学过程中元宇宙参与所能够带来的价值，能够为教育信息化的进一步发展提供的坚实理论基础和重要的现实指导。一、元宇宙的认识与理解（一）元宇宙是什么元宇宙的概念，最早出现在尼尔史蒂芬森（Neal Stephenson）19 9 2 年的小说雪崩（Sn o w C r a s h）里。在小说的描绘中，世界上任何地点的任何人都可以通过Metaverse（元宇宙）这个虚拟现实宇宙空间实时同步连接在一起，并从事工作、生活、娱乐休闲等一切活动，该世界与人类物质世界并行运行，同步、同向发展【2 。元宇宙的概念最初被游戏界所吸收和创设。例如，欧内斯特克莱恩（ErnestCline）2 0 11年出版的小说头号玩家（ReadyPlayerOne）也呈现了一个符合当今人类想象的元宇宙 3。在头号玩家的情境里，人们在虚拟游戏绿洲中获得精神慰籍，通过寻找彩蛋获胜，玩家甚至可以在虚拟世界中建立大型组织来除掉其他竞争者。2 0 2 0 年出现的新冠疫情加速了人们线上活动的发展，居家生60期第年Oa活使得人们有了更多的网络生活体验，人们开始丰富、完善网络世界。2 0 2 1年3月，沙盒游戏平台罗布乐思（Roblox）首次将“元宇宙”概念写入招股书，并成功在纽交所上市。企业层面，马克扎克伯格（MarkZuckerberg）于2021年10 月宣布脸书（Facebook）公司改名为“元”（Meta），并表示要将其打造为一家全方位的元宇宙公司。微软2 0 2 1年11月发布MeshforMicrosoftTeams，允许用户通过虚拟形象参与会议并体验沉浸式虚拟工作空间41。2021年也被众多媒体称为“元宇宙元年”【5。在生活中人们可以确切地感受到元宇宙的存在。例如，游戏软件我的世界就构建了一个虚拟空间，在游戏中人们能以第一视角创建自己的世界，在这个世界中“生存”下来。也就是说，元宇宙是一个与现实世界脱离但又平行于现实世界的虚拟世界。在这个虚拟世界中，人们以数字化身份存在，可以在其中虚拟生存。而在教育中，一直有三大应用场景，即课堂教学、线上教学和培训活动，尤其是线上教学活动，元宇宙的进人带来了更强的沉浸感和参与性。（二）元宇宙的技术支撑元宇宙作为一种新技术，具有扎实的技术基石：第一，区块链技术。区块链是一种融合现有多种技术的新型分布式计算和存储方式。它具有分布式、强加密、不可篡改、唯一指向等技术优点，使得数据资产的安全得到了技术逻辑上的保障 6 。第二，通信技术和云计算技术。5G网络的发展促进网络提速，使教育打破时空界限得以实现。云计算的超大规模和速度快的特性为元宇宙的发展提供了基础的运算和数据功能，也促进了元宇宙多元化的发展。第三，物联网技术。物联网即物物相连的互联网，是在互联网基础上的拓展和延伸，元宇宙万物链接和虚拟共生离不开物联网的技术支持和保障。第四，人工智能技术。元宇宙的大量应用场景离不开人工智能技术的支持例如，人工智能技术涉及的机械学习、自然语言处理、智能语音等功能可为元宇宙提供支撑。在元宇宙的各种应用场景下，人工智能无处不在，如区块链中的智能合约、电子游戏中的代码人物等。人工智能渗透到方方面面，助力元宇宙构建虚实结合的数字生活空间。第五，交互技术。交互技术为元宇宙用户提供了沉浸式的体验，能够深化用户的感知，增强用户的真实感。比如，增强现实（AR）技术、虚拟现实（VR）技术、全息影像技术都为元宇宙提供了支持，表现的案例诸如虚拟实验室、虚拟学校，以及以眼球追踪为主的眼控交互，或是以自然语言为主的语言交互等。未来，3D建模技术发展也会逐渐融人大数据、云计算、人工智能等技术，为实现自动化建模和元宇宙的完善提供数字底板。第六，电子游戏技术。电子游戏也是元宇宙的一种呈现方式，它的特点是既具有灵活性、交互性，信息资源又十分丰富。电子游戏技术为元宇宙提供了创作平台和社交场景等。比如，我的世界游戏软件，以及现在出现的元宇宙服饰的3D煊染等，满足了人们在虚拟世界的一些需求。实时染技术一直在推动游戏产业的发展，它的高度真实性也为元宇宙的虚实融合提供了技术支持和有力保障（三）元宇宙的教学应用特性分析1.沉浸性沉浸性是元宇宙在教育应用中最大的特点。在元宇宙中，通过VR等技术的支持，人们可以体验到非常真实的场景，特别是进人具体的跨时空的场景，这可以在感官上给人们普通技术所无法带来的体验，这也是元宇宙的初级实现方法 7 。进进入元宇宙后，每个人不但会在其中获得一个或多个数字身份，而且，和现实世界中一样，每一个数字身份都是独一无二的。在元宇宙中，人们能感受和现实场景几技术应用乎没有差别的情境，还可以看到现实世界中无法用肉眼观察到的情境。例如，现在出现的NOBOOK虚拟实验室可以模拟物理、化学、生物等科目的实验，这是在二维层次上进行的实验模拟，它的实验效果可能不够生动，且人机交互方式单一。而在元宇宙的助力下，三维层次的虚拟实验室不仅能降低真实实验室的成本，打破时空的局限，还会增加学习的沉浸感，让学习者更好地感悟和体会实验过程。超大规模的情境的展示也可以借助元宇宙来实现，让学习者更好地沉浸其中，获得真实感，从而更好地理解知识2.交互性元宇宙内置了社交网络，它是具有社交属性的。在元宇宙中，人们可以利用自己的数字身份，像在现实生活中一样和其他具有数字身份的人进行社交。通过VR等技术，人们还可以在元宇宙中拥有与现实同等的社交体验。元宇宙不再是向受众进行单向的信息输人，而是让受众拥有一些主动改造虚拟环境的创作工具。人们甚至不是必须依赖特定的界面和工具才能改造元宇宙，而是可以直接运用思维去操控。同样，人们也可以利用自己的数字身份去获得知识。在元宇宙环境中，学习者之间可以进行交互学习、互相沟通。每个人都是接收者，同时也都是传播者，即每个人都是学习者，也都可以成为教育者。学习者以交互的方式观察或操控虚拟环境中的对象，并获得实时的反馈，从而实现学习者和学习者之间、学习者与学习内容之间的有效交互。例如，人们可以利用虚拟的空间以虚拟的身份参加会议，在会议上可以用语音和动作进行实时交互。同样，这也可以运用到教学中去，有利于教育者和学习者之间建立沟通的桥梁3.开放性开放性是元宇宙在教育中应用的又一大特点。元宇宙不受时间和地点的限制，任何人都可以随时随地利用终端链接元宇宙，加入其中。例如，人们可以在游戏中参加虚拟演唱会，这是开放性的，对所有用户都可以开展的。元宇宙实现了虚拟重现、虚拟仿真、虚拟融合和虚实联动，使现实世界和虚拟世界间有了连接，物联网技术、人工智能技术和交互技术等作为元宇宙的技术支撑，都为元宇宙的开放性提供了有力的技术保障。在教育领域，学习者可以随时随地进人元宇宙进行学习和交互，元宇宙的开放性支持所有人进行学习。此外，将培训、仿真与元宇宙相结合，可以进行场景驱动的虚拟教学实验设计，探索多点协作、远程互动的教学模式 8 。元宇宙不是单一的技术，它的教育应用场景有很多，如打造虚拟课堂、赋能职业培训、开展教学实训、扩展现实技术和仿真实践等。元宇宙的虚拟仿真促进了开放教育的发展，也更体现了教育元宇宙的开放性。元宇宙的教学应用场景（一）沉浸式课堂教学沉浸式教学是指学生能够适应课堂学习氛围，全身心融人课堂，发挥主观能动性。有学者指出，在初中语文教学中，教师通过沉浸式教学引导学生深人课文情境中去思考、去体悟，可以收到事半功倍的学习效果 9 。同样地，在其他学科教学中，也可以适当展开沉浸式教学，有元宇宙参与的课堂教学可以促进沉浸式学习的实现。传统的授课制偏向知识的传授，这对于理论型的知识是行之有效的，但是对于实践型的知识，或是一些需要靠观察体会来获得的知识，显然传统的讲授是不能满足的。例如，对于宇宙这种大型的、粒子这种微型的无法用语言描述，更无法将实物搬出来与学生分享的知识，借助元宇宙，就可以为教学助力。教师通过元宇宙带领学生期第年OecnnologyaOsauona进人虚拟的环境，让学生利用自身的感官感受，有利于加深其对知识的理解，还可以开阔其视野。例如，教育元宇宙根据用户需求构建不同的使用场景，包括外语对话场景和历史穿越场景等。在元宇宙环境中，搭建VR英语口语学习场景，提供自然的交互方式，给用户身临其境的感受。虚实融合的学习环境可应用于在线教育、第二课堂或传统课堂实践拓展等多种场景。在化学课中，学生可以在元宇宙世界中根据自己的设想大胆做实验，不用担心会有受伤的风险。在地理学习中，元宇宙采用数字李生技术或全景拍摄技术再现一些自然地貌、名胜古迹，以及一些奇特景观等，学生就可以在学习中突破时空的限制，在虚拟环境中完成地理考察任务，观察到平时无法轻易看到的景象。（二）交互式线上教学教学过程中，需要学生和教师的交互，也需要学生之间的交互。然而，线上学习缺乏真实的交互，但现在线上学习又是必需的，元宇宙的支持能够解决这个问题，增加其交互性。有学者认为，元宇宙的本质是网络学习空间 10 。元宇宙构建了一个虚拟的学习社区，学习者可以在这个虚拟的学习社区里畅所欲言，在丰富的学习资源中选择。在这个虚拟的世界里，使用者利用自己的数字身份与其他使用者交互学习，不但能突破传统学习的时空障碍，而且相较于一般的远程学习增添了真实的体验感，能使学习和交互的效果更真实有效。现在出现的网络虚拟形象能很好地运用于教学情境中。比如，在线教学情境中设置一位“教学助手”，在屏幕中与学生进行交互、答疑，以方便学生。学生在视频学习或者在直播过程中，可以根据自己的需要，向“教学助手”提出问题，由“教学助手”帮助学生解决问题，或者收集问题向教师反馈。“教学助手”还可以实现签到、收发作业等功能【1。在线学习想要突破时空界限，达到更好的教学效果，就要给学生与线下教学相同的真实学习体验，并且还要有比线下教学更丰富的教学资源。想要实现这些目标，需要元宇宙的助力。（三）场景化技能培训元宇宙可以实现场景化的技能培训，这在一些具有危险性的工作培训和优化传统培训中行之有效。例如，元宇宙通过三维制作工具构建出高保真度的煤矿井下三维模型，创建虚拟场景，并连接井下各类传感器，便于参培人员了解井下实际状况。将井下的真实情况如实反映到元宇宙场景中去，利用大数据算法建立高仿真的灾害脚本，使得参培人员可以直观地感受灾害场景，提高应对突发事件的心理素质和应变能力 12 。传统的培训模式形式单一且限制很多。开展传统面授培训，还要解决讲师的报酬、场地租赁费用以及相关设备的成本问题。元宇宙的参与则可以在一定程度上给出上述问题的解决方案。元宇宙利用VR技术，构建一个场景化的培训基地，学习者可以通过穿戴VR设备在生成的特定虚拟空间里模拟现实操作和实践。在虚拟环境里，学习者甚至可以利用设备，用手抓握虚拟环境中的物体，并让它在手中实现移动，这就具备了现实中培训的优点，具有可操作性。有时培训活动无法正常在线下进行，或是由于地理条件的限制，学员可能无法及时赶到现场参加培训，元宇宙生成的场景化培训不仅能提供真实的场景训练，还能解决传统培训的弊端三、元宇宙的教学应用关键点（一）系统构建沉浸式教学情境是核心沉浸式教学情境是元宇宙的一大优点，是教育元宇宙应用的核心。有学者指出，学习元宇宙中的沉浸式学习将成为以半数字人或数63技术应用字人为代表的学习者适应未来虚实共生世界的一种新学习方式，并为构建虚实共生的未来学习形态提供新的可能 13。远程教育虽在一定程度上打破了教与学时空的局限，但多依赖网课形式来进行授课，无法真正获得线下教学的真实感，因而可能无法保证学生上课的积极性和自律性，对于学校一线教师来说，如果利用元宇宙的VR技术让学生进人虚拟教室，构建沉浸式的教学情境，有利于教师开展沉浸式教学，对于自律性不足的学生也能有一定的督促作用。除了沉浸式的学习体验，元宇宙也催生新型的办学形式的出现。传统校园对于学生个性化学习和创新型人才培养而言并不是最佳的选择，学校与社会的互动也是非常传统和单一的。如果有了元宇宙的助力，那么学校就不再是唯一的学习场所，教与学的发生可以延伸到整个社会乃至整个世界，所有人都可以借助元宇宙获得自己的数字身份并加人其中进行学习，同时它也支持学习者更自由的创作和共享，通过数字李生、物联网、人工智能、区块链等技术塑造更强的沉浸感，增强用户体验。同时，班级与班级、年级与年级，甚至学校之间都可以互相沟通和建立关系，每个人都是开放的个体。元宇宙与教育融合发展会催生元宇宙学校，这也为未来学校建设和教学组织形式以及学校教育的数字化转型提供了广阔的发展前景（二）灵活使用线上线下结合的混合式教学是关键现在的学习形式，只采用单一的线上形式或线下形式是非常单薄的。何克抗教授认为，混合式学习是将传统学习方式的优势和在线学习的优势结合起来，既要发挥教师引导、启发、监控整个教学过程的主导作用，又要充分体现学生作为学习过程主体的主动性、积极性、创造性14。线上线下结合的混合式学习在目前是非常适用且有发展前景的，元宇宙的交互性可以为线上线下的结合提供支持，这在未来的教学中非常关键。在课前，学生可以借助元宇宙提前做好预习工作。例如，在地理、物理和化学学科中，学生可以利用元宇宙设备提前进人下一节课学习内容的场景，了解有关内容的信息，如观察地球、宇宙、粒子、元素的形态等，相较于观看教学视频增强了真实感，也更有助于后续教师更好地开展课堂教学。在课堂上，教师可以利用元宇宙支撑和辅助学科教学。例如，在英语学习过程中，学生可以借助数字李生技术，将自己代人对话情境去体会英语的语境和使用，也可以把自已代人对话人中去，尝试用英语进行交流，从而更好地理解语言和使用语言。在课后，学生也可以利用元宇宙设备对所学内容进行巩固，如课下进行实验的模拟和巩固练习。除了课堂教学和课下学习，元宇宙提供的丰富学习资源也是不可忽视的一部分。教师要利用元宇宙的特性，灵活把握线上和线下结合的混合式学习，促进学生对知识的理解和把握。（三）数据资源的建设和深度分析是未来在未来，元宇宙的应用会越来越广泛，要注重资源的建设，利用好数据进行深度分析。教育行业引人元宇宙，拓展现实技术AR和VR是不可缺少的接入点。当前拓展现实技术和大数据、人工智能一样，被广泛运用到各个领域、各个行业。由于VR技术和AR技术具有能够打破时空局限的优点，在元宇宙概念频繁出现的时候，其成为教育元宇宙的切人点。要注意元宇宙资源的建设和开发，目前，国外元宇宙相关企业更偏重内容，而国内相关企业更偏重技术。国外公司如苹果、微软等，都大力投人元宇宙相关操作系统以及虚拟现实设备的生产，而国内公司如阿里、华为等都投人对虚拟现实设备的研发，从而搭建更好的通向元宇宙的路径。教育元宇宙也64期第年Olechnology要抓住时机，建设元宇宙资源，通过数据资源的建设和深度分析，创制个性化的元宇宙环境，从而更好地服务教育。比如，在发电企业培训中，通过数据将员工的工作技能、综合素质、专业特长以及员工的不足之处具体呈现出来，再以发电企业的实际需求为导向开展相关培训活动，从而提高培训的针对性和有效性 15。在教育元宇宙中，也可以引人这种企业培训的模式，针对每一名教师或学生进行分析，利用大数据为不同的教师或学生量身打造不同的培训项目。在培训中，元宇宙庞大的数据资源可以加强培训效果，增强培训的现实感和用户体验。四、结语总之，元宇宙目前还在快速发展之中，教育元宇宙的实现离不开各种新兴技术的强力支持，要充分利用元宇宙的优点，弥补教育中的不足，取长补短，这对于所有的教师和学生都至关重要。教育元宇宙的系统分析与研究，对实现技术赋能智慧教育、打造智慧校园具有非常积极的促进作用。同时，元宇宙技术在教育领域中的广泛应用，也会大大促进信息技术与现有学科课程之间的深度有机融合，为学生核心素养的发展、提升提供重要的认知工具或环境。参考文献：1刘革平，高楠，胡翰林，等.教育元宇宙：特征、机理及应用场景J.开放教育研究，2 0 2 2，2 8(1):24-33.【2】雒亮，祝智庭.元宇宙的教育实践价值与目标路径辨析J.中国远程教育，2 0 2 2（6）：1-10，7 6.【3胡永斌，倪清，杨现民.元宇宙教育应用的国际镜鉴：进展、趋势与挑战【J.现代远程教育研究，2 0 2 2,34（5）：37-46.4周鑫，王海英，柯平，等.国内外元宇宙研究综述 J.现代情报，2 0 2 2，42（12）：147-159.5】刘革平，王星，高楠，等.从虚拟现实到元宇宙：在线教育的新方向J.现代远程教育研究，2021,33(6):12-22.6 黄焕贤.元宇宙及其内哲学内涵和社会影响研究D.桂林：广西师范大学，2 0 2 2.7 孙亚文.元宇宙环境下英语口语训练系统的设计与实现 D.杭州：杭州师范大学，2 0 2 1.8 楼军江，肖君，于天贞。人工智能赋能教育开放、融合与智联一一基于2 0 2 2 世界人工智能大会开放教育和终身学习论坛的审思J.开放教育研究，2022,28(5):4-11.9 孙俊.浅谈沉浸式教学在中学语文课堂上的应用J.语文建设，2 0 2 1，（19）：7 6-7 7.10 杨阳，陈丽.元宇宙的社会热议与“互联网+教育”的理性思考J.中国电化教育，2 0 2 2(8):24-31,74.11梁择宏.基于小学美术课的虚拟主播设计D .昆明：云南艺术学院，2 0 2 2.【12 郭决决，元宇宙技术在煤矿安全培训和应急演练中的可行性研究J.煤田地质与勘探，2 0 2 2，50(1):144-148.13张文超，袁磊，闫若，等.从游戏化学习到学习元宇宙：沉浸式学习新框架与实践要义J.远程教育杂志，2 0 2 2，40（4）：3-13.14何克抗，深度学习：网络时代学习方式的变革J.教育研究，2 0 18，39（5）：111-115.15郭文锋.基于“互联网+”的发电企业培训创新J.中国电力教育，2 0 2 2（8）：46-47.作者简介：谷小雅，在读研究生，研究方向为新媒体技术支持下的数字化学习。