打开教育的另⼀扇门——教育元宇宙的应⽤、挑战与展望
美国科幻⼩说作家尼尔·斯蒂芬森[1]在《雪崩》⼀书中⾸次提出“元宇宙”（Metaver）的概念，并将元宇宙描述成⼀个与现实⽣活平⾏的虚拟城市环境。随着脸书（Facebook）更名为“元”（Meta），⼀时间，“元宇宙”在⼤众前迅速爆燃，成为年度最为流⾏的热词。当前，微软、腾讯、字节跳动等科技巨头都在布局元宇宙，2021年也因此被视为“元宇宙元年”。近年来，以虚拟现实、增强现实等为代表的新兴教育技术引领了未来教育的新⽅向，整合了虚拟现实、⼈⼯智能、区块链等技术的元宇宙为学习者提供了⼀个虚拟的学习环境，将有可能带来新的教育教学变⾰。在此背景下，元宇宙在教育领域应⽤的可⾏性成为研究者关注的热点，教育元宇宙的潜⼒值得深⼊挖掘和分析。
⼀元宇宙的定义及特征
“Metaver”这个词由前缀“meta”（意思是“超越”）和词⼲“ver”（从“univer”演变⽽来）组成。⽬前，元宇宙尚没有⼀个权威、统⼀的定义，它仍是⼀个不断发展、演变的概念。例如，《2020-2021年元宇宙发展研究报告》给出的定义如下：“元宇宙是整合多种新技术⽽产⽣的新型虚实相融的互联⽹应⽤和社会形态，它基于扩展显⽰技术提供沉浸式体验，基于数字孪⽣技术⽣成现实世界的镜像，基于区块链技术搭建经济体系，将虚拟世界与现实世界在经济系统、社交系统、⾝份系统上密切融合，并且允许每个⽤户进⾏内容⽣产和世界编辑”[2]；维基百科将元宇宙解释为“被⽤来描述⼀个未来持久化和去中⼼化的
在线三维虚拟环境”[3]；朱嘉明[4]认为元宇宙是通过虚拟增强的物理现实，呈现收敛性和物理持久性特征的、基于未来互联⽹的、具有连接感知和共享特征的3D虚拟空间。此外，产业界也对元宇宙的内涵、特征有不同的描述。例如，Roblox公司的⾸席执⾏官Baszucki[5]提出“元宇宙”具有⼋⼤基本特征：⾝份（Identity）、朋友（Friend）、沉浸感（Immersive）、低延迟（Low Friction）、多元化（Variety）、随地（Anywhere）、经济系统（Economy）和⽂明（Civility）；⽽Beamable公司的创始⼈Radoff[6]提出从七个层⾯构建“元宇宙”：体验（Experience）、发现（Discovery）、创作者经济（Creator Economy）、空间计算（Spatial Computing）、去中⼼化（Decentralization）、⼈机互动（Human-computer Interaction）、基础设施（Infrastructure）。
可以预见，元宇宙将为⼈类⽣存带来两个维度的扩展：⼀是⽣存维度，即元宇宙提供了⼀个既独⽴于现实世界⼜能与现实世界相结合的综合环境；⼆是⼈类感官维度的扩展，在元宇宙中⽤户将体会到虚拟世界和现实世界的多重感官，虚拟世界也将不仅是视觉，⽽是虚拟视觉、现实视觉、听觉、触觉的综合感官体验[7]。
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⼆教育元宇宙的特征、技术⽀撑及应⽤场景
1 教育元宇宙及其特征
教育具有开放性、不可还原性、⾮线性与⾮均衡性等特征，是⼀个复杂系统，要想深刻认识其发展规
冷门景点律并⾮易事。以往⼈们研究教育系统通常采取理论研究和试验两种⽅式，⽽元宇宙的出现，有可能为⼈类认识教育系统的复杂性和教育的发⽣发展规律带来第三种⽅式。为论述⽅便，本研究将元宇宙在教育中的应⽤称为“教育元宇宙”。“教育元宇宙”是⼀个全新的概念，尚不具备科技产业界所描述的众多特征，但若要发展教育元宇宙，⾄少应具备三个核⼼特征：
（1）强调社交互动——交互性
咯咯老师部署元宇宙⾸先要关注其社会交互性[8]。教师、学⽣、学习资源、学习环境是教育场景的四⼤基本要素[9]，⽽教育元宇宙中虚拟学习环境不是固定的，可以由居住在其中的部分或全部⽤户进⾏建模和修改，从⽽促进学⽣和学习资源、学习环境之间的交互。此外，教育元宇宙还允许学⽣或教师通过代理建⽴关系，每个虚拟形象都⽤来传达学⽣或教师在世界中的⾓⾊。学⽣也可以在教育元宇宙中进⾏社交，建⽴社会关系。这种随时随地沉浸式的社会交互，给⽣⽣、师⽣之间的交互创建了近乎真实的社会情境，不仅可以拓展学习空间，还能提供更多的学习、社交机会，形成社区观念。教育元宇宙的交互性，为不同阶段、不同学科、不同层次、不同领域的教育打开了另⼀扇门，为这些形式各异的教育活动注⼊
宇宙的交互性，为不同阶段、不同学科、不同层次、不同领域的教育打开了另⼀扇门，为这些形式各异的教育活动注⼊新的灵感。
（2）真实世界的模拟——沉浸性
教育元宇宙所呈现的环境与现实世界⾮常相似，能够通过模拟物理定律为⽤户提供⼀个逼真的现实世界环境。因此，我们所熟悉的⼀些⾏为（如⾝体不能穿过墙壁、物体由于重⼒下落等）能够在三维⽴体的虚拟环境中得以反映，这极⼤地提⾼了虚拟世界的真实感和沉浸性[10]。然⽽，为了促进⽤户在教育元宇宙中的探索，也有⼀些情况例外，如⽤户可以腾空⽽起或瞬间传送到教育元宇宙中的任意地⽅。教育元宇宙⾼度真实和沉浸的特征将进⼀步提升⽤户的存在感、临场感，使⽤户⾝临其境般的学习成为可能[11]。
（3）⾃由、开放、灵活的规则——多元性
教育元宇宙不像商业游戏⼀样有预置的规则，它并不强加任何既定的规则或⽬标。所有的教育元宇宙居民（即⽤户，⽽⾮平台的开发者）负责定义他们⾃⼰理想环境的规则和条件，这使得⽤户在教育元宇宙中⼏乎可以做任何想做的事情，如举办⾳乐会、组织游戏[12]、开设⼤学讲座等[13]。此外，由于教育元宇宙采⽤分布式云计算技术，可以将多个服务器托管于世界上不同的地区，因此教育元宇宙允许⽤户根据需求扩⼤或缩⼩学习环境的规模。教育元宇宙还提供访问控制的⽀持，允许授权⽤户在个别⼟地上定义限制和规则，这使得在共享环境中引⼊私⼈空间成为可能，因此不管是⼤规模开放在线课程（Massive Open Online Cours，MOOC）还是⼩规模私有在线课程（Small Private Online Co
ur，SPOC）都可以通过三维沉浸的⽅式开展。这种灵活的规则使得教育元宇宙中的⽤户可以⾃由地进⾏活动、创作和交流，并由此产⽣了⽆限、多元的教育活动形式。
2 教育元宇宙的底层⽀撑技术及应⽤场景
尽管教育元宇宙的概念尚处于萌芽阶段，其代表——三维虚拟/增强现实学习环境的出现也不算早[14][15]，但其特点也符合如⾏为主义（Behaviorism）、情境认知理论（Situated Cognition）、具⾝认知理论（Embodied Cognition）、建构主义学习理论（Constructivism）、⼼流理论（Flow）等传统理论上的观点[16][17]。
当前产业界对元宇宙底层⽀撑技术的描述有很多，⼤致可归为六⼤类：⽹络及运算技术、物联⽹技术、区块链技术、交互技术、电⼦游戏技术、⼈⼯智能技术[18]。在教育元宇宙中，这六⼤底层⽀撑技术及应⽤场景如图1所⽰。
霍金的轮椅
图1 教育元宇宙的底层⽀撑技术及应⽤场景
①⽹络及运算技术，5G校园⽹、边缘计算、多终端协同云计算可作为教育元宇宙的⽹络及运算基础设施，为未来学⽣和教师享受⾼带宽、低延迟、多连接的泛在学习场景提供坚实的硬件环境基础；②物联⽹技术，芯⽚的⼩型化和计算能⼒的⼤幅提升，促进了物联⽹技术的迅速普及，为教育元宇宙感知物理世界的信号和接⼊教育元宇宙提供了传输通道，这种万物互联的学习环境必定会激发出学⽣动⼿创作新世界的热情，并为未来的安全校园、创客教育、多模态智慧课堂提供有⼒⽀撑；③区块链技术，
该技术的去中⼼化、分布式、可追溯性、⾼信任度等技术特征，确保了教育管理和教学过程中所产⽣数据信息的完整性和安全性，可为未来教育元宇宙中学习成果认证、学分银⾏建设、数字资源管理及分发、开放教育资源⽣态构建、数字校园社区⾃组织运⾏等提供基于规则与算法运作的知识分享与认证保障；④交互技术，以计算机图形学、计算机视觉、姿态识别、⼿势识别甚⾄脑机接⼝等⼈机交互技术为⽀撑的三维虚拟现实/增强现实学习环境，为教育元宇宙带来了⽆限想象空间，使学⽣的学习不再局限于视觉和听觉两个通道，因为多通道融合的VR/AR技术可让学⽣在教育元宇宙中的学习活动汇聚视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等综合感官体验；⑤电⼦游戏技术，电⼦游戏技术衍⽣出来的游戏化学习、悦趣化学习让学⽣在教育元宇宙中的学习变得更加有趣，配合多模态的数据、脑科学技术，游戏化学习在提供更多沉浸感的同时，也让学⽣的学习过程更加科学、合理；⑥⼈⼯智能技术，教育元宇宙中个性化推荐、教学⾏为数据挖掘、知识图谱、多模态情感计算得益于当前⼈⼯智能技术的飞速发展，智能导师、智能测评、多模态情感计算等都将在教育元宇宙中得到更⼴泛的发展和应⽤。这些底层⽀撑技术和应⽤场景为教育元宇宙的发展与落地提供了坚实、有⼒的基础，并描绘了⼀幅极具想象⼒的未来教育蓝图。
香水用法不过现阶段教育领域⼗分重视智能化的学习交互环境和⼿段，这其中以机器学习、⾃然语⾔处理为代表的⼈⼯智能（Artificial Intelligence，AI）技术和以虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）为代表的交互技术得到的关注最多。从⼈们的直观感受来看，教育元宇
宙就是基于VR/AR技术将现实世界映射到具有⼀定智能的虚拟学习环境当中，是对现实⽣活的延伸。因此，本研究将教育元宇宙的关注点确定为建设智能化的VR/AR学习环境。
手机带
三教育元宇宙的应⽤案例
教育元宇宙中形象、直观并可交互的三维场景其实早已在教育领域存在，具体体现为以VR技术为代表的三维虚拟学习环境和以AR技术为代表的虚实融合学习环境，只是⽬前的⽔平尚未达到元宇宙所描绘的那种超前绚丽的蓝图。对此，本研究认为可以从学科教育、⾮正式学习、职业培训等领域的案例⼊⼿，来了解教育元宇宙当前的发展状况。
1 学科教育
（1）数学、物理、化学、⽣物——虚拟实验室
⽬前，许多教育研究者和开发者运⽤VR/AR技术，利⽤VR/AR眼镜、平板电脑已经做了许多的物理、化学、⽣物实验，如⽴体⼏何[19]、电磁现象[20]、天⽂知识[21]、化学元素[22][23]、化学反应[24]等，并证实了VR/AR技术能给学⽣带来更好的学习体验[25][26][27]。未来的教育元宇宙可能不需要识别图和头盔、眼镜等笨重的设备，学⽣借助轻便的设备即可来到其“虚拟实验室”，⾝临其境般地观察、操作实验设备并实时与之互动，获得更加真实和沉浸的学习体验。
十七画的字（2）语⽂、英语、历史、地理——沉浸式情境体验
语⽂、英语、历史、地理学科⼤多通过图⽚、视频的形式，让学⽣学习语⾔⽂化、历史情境或不同地⽅的⼈⽂地貌等内容，由于受技术的限制，有些情况还⽆法做到为学⽣提供百分百还原真实的虚拟情境。教育元宇宙给学⽣创造了近乎真实的社会、实践、⽂化情境，让学⽣突破时空限制，⾝临其境般地观察和体验不同时间与不同地点的⼈⽂、历史、地理环境，让学习在近乎真实的情境中⾃然⽽然地发⽣。北京师范⼤学“VR/AR+教育”实验室与清华⼤学附属⼩学开展了⼀系列基于AR技术的语⾔学习活动[28]，通过AR应⽤程序创建了⼀个增强现实学习环境，⼩学四年级学⽣在英语课上观察太阳、地球并与之互动，同时进⾏英语对话学习，如图2所⽰。
图2 清华⼤学附属⼩学英语AR公开课“TheSun and the Earth”苹果的做法
2 ⾮正式学习
（1）虚拟学习社区
新冠肺炎疫情的出现和互联⽹技术的发展，使得建⽴虚拟学习社区成为关注热点[29]。⼀个完整的虚拟学习社区，⼤多具有历史、⾝份、相互依赖、多元化、⾃治、参与、社交礼仪、反思、学习等基本要素[30]。众多研究表明，基于⽹络的协作学习环境会使社区成员获得更强的社区意识和参与感，可以推动成员之间的互动[31][32]，并促进成员对知识的理解[33]。近年来，已有许多案例在此⽅⾯进⾏了尝试，⽐较典型的有：
①Sloodle。Sloodle的虚拟社区特征⼗分突出，它将Moodle学习管理系统与Second Life游戏整合在⼀起，如图3所⽰。Sloodle的开发者和⽤户都可以参与社区建设，并在社区中进⾏社会互动，形成社区意识；任何⽤户都能参与在Sloodle 岛上举办的定期会议和讨论等[34]。该学习平台可以称之为元宇宙与虚拟学习社区结合的雏形。
图3 Sloodle学习平台
在知识共享、全民参与的时代背景下，元宇宙与虚拟学习社区的结合有望在虚拟世界中模拟并超越现实世界的场景，突破时空的各种限制，让师⽣进⾏沉浸式的交流与学习并迸发创意，给学习社区带来全新的体验。例如，将Sloodle的所有社交特征移植到元宇宙中，建⽴元宇宙中的学习社区，形成更具有沉浸感的实践共同体，让学⽣在近乎真实的虚拟实践共同体中学习和互动，实现知识建构和情境认知。
