元宇宙在中小学教育中的应用

【摘 要】2021年是元宇宙元年。整合了虚拟现实、增强现实、人工智能以及区块链技术的元宇宙必将深刻影响未来的中小学教育。本文在梳理元宇宙概念的基础上，辨析了元宇宙与VR/AR的差别，并从人工智能的视角理解元宇宙在教育中的作用。进一步分析了元宇宙在中小学教育中的潜在应用。最后，以STEMuli元宇宙为例说明元宇宙在中小学教育中的尝试。

【关键词】元宇宙;虚拟现实;增强现实;人工智能

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2022）010-005-03

2021年10月，Facebook正式更名为Meta，让元宇宙正式进入了大众的视野。随后，腾讯、阿里以及字节跳动等科技巨头纷纷开始布局元宇宙，开启了中国的“元宇宙元年”。近年来，以虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等为代表的新兴技术引领了未来教育的新方向。整合了人工智能、区块链以及数字孪生等新兴技术的元宇宙为学习者提供了一个更加丰富多元的学习场景，必将深刻影响未来的中小学教育。

什么是元宇宙

目前学术界还未形成元宇宙的统一定义，它仍是一个不断发展、演变的概念。狭义的理解，元宇宙是利用虚拟现实（VR）技术构建的虚拟世界。广义的理解，元宇宙被认为是下一代的社会联系方式。即人们在一个被创造的世界里，基于创造者定义的规则进行“生活”。[1]元宇宙可以是完全虚拟的，也可以是部分虚拟的。例如，它可以是像虚拟现实（VR）系统那样的完全虚拟世界，或者像在现实环境中使用增强现实（AR）那样的部分虚拟世界。[2]在元宇宙中，人们可以参与社会活动，比如讨论问题、玩游戏、学习。元宇宙中的伙伴或朋友可以是真人或虚拟角色。在元宇宙中可以有各种各样的活动或事件，就像在现实世界中一样，如经济活动、政治事件和自然灾害。通过生活日志功能，可以充分记录元宇宙中的生活细节。

元宇宙是超越了AR或VR的一个新术语。Hwang与Chien（2022）指出元宇宙的框架及特征，如图1所示。[3]在这个框架中元宇宙有三个特征使其与传统的VR或AR截然不同：“共享（Shared）”“持久（Persistent）”和“去中心化（Decentralized）”。此外，人工智能（AI）是一项必要的技术，使元宇宙的世界按照创造者定义的规则工作。从这个框架可以看出，元宇宙可以包含AR或VR元素以及其他必需元素。就“共享”的特点而言，仅通过VR训练系统学习的学生不能被认为是教育中的元宇宙。在第二人生（Second Life）等多用户VR系统中，人们可以使用新身份与他人互动。就“持久”的特点而言，如果系统不能提供一个让使用者能够“生活”的持久世界，例如工作、学习、交互、创造和娱乐，那么就不是元宇宙。就“去中心化”特点而言，系统需要去中心化技术（如区块链），以确保经济活动能够安全进行，以及元宇宙中的个人财产和日志不会被其他人修改。

人工智能视角下元宇宙在教育中的作用

教育被认为是元宇宙的主要应用场景，例如护理和保健教育、科学教育、技能培训以及语言学习等领域具有巨大的潜力。由于元宇宙的特点，教育中的元宇宙与传统的基于VR或AR的教育有所不同。例如，对于EFL（英语作为外语）的语言学习课程，虚拟现实提供的真实情境对学习者的有效性已经在之前的几项研究中得到了报道。然而，从元宇宙的角度看，语言学习的目的不仅仅是一门课程或一种学习活动，而是让英语学习者拥有另一种生活，一个使用英语工作、学习、社交和娱乐的生活环境，就像他们是英语母语者一样。这两种学习体验（即VR和元宇宙）是完全不同的。另一个例子是Webel 等人（2013）使用AR技术培养学生的技能。[4]在基于AR的训练模式中，学习者只需要在一个短期（即60分钟）的活动中得到AR的支持，完成一项特定的技能练习。相比之下，从元宇宙的角度来看，这可以做得更好。例如，如果学习者是专业培训机构的职前培训生，他们可以在NPC教师的指导下参加正式的培训项目，比如在3个月里以体验真实的培训过程，而不是远离实际培训情况的短期活动。

因此，从人工智能的角度来看，元宇宙在教育中有多种作用，即提供一个真实的世界，使学习者能够与智能NPC导师、同伴和学生以及其他人类学习者一起“学习”，图2描述了教育元宇宙的框架。综上所述，元宇宙与当前VR或AR在教育领域应用的最大区别在于体验时间和AI技术。首先，在元宇宙中，学生的生活往往与现实世界分离，并运行一段时间。目前，VR和AR在教育中的应用往往是让学生在短时间内体验特定的情境，他们可以暂停或重新开始。相反，元宇宙旨在提供一种真实的生活，这意味着其中的体验通常不能暂停或重新开始。在元宇宙中，需要人工智能技术来维护真实的世界。我们可以想象元宇宙中的NPC角色在与用户互动后可以“学习”，并随着时间轴“成长”。元宇宙中的NPC角色在遇到个体用户后，能够记住他们在元宇宙中的对话和行为。另一方面，在VR中虚拟人物通常只是按照原有的设置与用户进行互动，并不会从用户的互动中“学习”。

从教育的角度来看，人工智能在元宇宙中的作用非常重要。正如Hwang等人（2020）指出的，除了支持元宇宙中的仲裁、模拟和决策的角色外，AI在提供教育服务方面还有三种角色。[5]

（1）NPC导师。在元宇宙中，用户通常可以从知识丰富或经验丰富的其他用户那里寻求帮助或建议。然而，在某些特定或专业领域，可能需要一些“明智的”或“有经验的”NPC的建议。例如，学习者很可能无法找到一个用户来帮助他们解决元宇宙中与学习相关的问题。在这种情况下，能够解决学习问题的智慧NPC的角色就非常重要了。当然，教师也可以是这样做的用户，只是不可能总是在那里帮助每一个学习者。

（2）NPC学生。在元宇宙中一些学习者需要练习教别人或学习成为一个导师。这意味着需要有一个人可以经常成为他们的练习生。例如，对于一个担任职前教师的学习者来说，他可能需要练习他的班级管理或学习设计技能，而几乎不可能找到一个班级来做到这一点。在这种情况下，在元宇宙的学校中设置一个NPC学生班级是很重要的。

（3）NPC同伴。从社会建构主义的角度来看，这种作用是非常重要的。在学习环境中，学习者与同伴的互动总是必要的。理想的情况是多个用户出于相同的教育目的在相同的环境中体验和学习，这样他们就可以在学习过程中相互讨论。然而，情况并非总是如此。因此，需要那些NPC同伴，他们可以成为学习者的榜样。

元宇宙在中小学教育中的潜在应用

元宇宙在中小学教育中有各种潜在的应用，例如科学教育、语言学习以及体育技能训练等。元宇宙让学习者有更多机会在新世界中体验、探索、学习以及与人互动。学习者甚至可以在现实世界中无法体验的环境中学习或练习。例如，中小学生可能没有机会在危险的灾难现场练习避难逃生的技能。在不丧失一般性的情况下，元宇宙在中小学教育中应用的几个路径如下。

（1）将中小学生持续置于现实世界中可能有风险或危险的认知或技能学习环境中。

（2）将中小学生持续置于语境中，让他们体验和学习他们在现实世界中通常没有机会参与的内容。

（3）使中小学生能够感知或学习需要长期参与和练习的内容。

（4）鼓励中小学生尝试创造或探索一些他们在现实世界中由于一些实际原因而无法做的事情。

（5）使中小学生能够从不同的角度或角色去感知、体验或观察事物。

（6）使中小学生能够学会与他们在现实世界中可能没有机会合作的人互动甚至合作。

（7）通过让中小学生参与复杂、多样和真实的任务，探索学习者潜在的或更高层次的思维。

因此，可以看出元宇宙在教育中有许多潜在的应用。如果他们没有机会在现实世界中体验或实践，那么在元宇宙中学习的目的可能与学习者在现实生活中的需求高度相关。或者，元宇宙可能与学习者在现实世界中的职业或专业完全无关;他们可能只是想尝试一些新的东西或扮演不同的角色，看看他们可以在元宇宙中以完全不同的专业方向做些什么。

元宇宙在中小学教育中应用的尝试

一方面，Facebook、Roblex和腾讯等科技大公司投入巨资推动元宇宙在教育中的应用。另一方面，一众的教育元宇宙初创公司跃跃欲试。它们共同推动了元宇宙在中小学教育中应用的尝试。

新冠肺炎疫情让Dallas Hybrid Prep学校暂停了面对面教学，于是它借助STEMuli元宇宙平台开展8nOYSYCGDsKEIR1jgnqLoon2v06ybYk44hD6ms73Qb8=在线教学。STEMuli是一个基于3D引擎的游戏平台，可以为K-12的科学、数学和语言等课程设置3D学习环境。学生可以通过虚拟学习和指导来发展他们的潜力。学生使用他们的笔记本计算机或平板计算机访问STEMuli元宇宙平台。他们在这个虚拟世界中，可以看到所有同学的化身。元宇宙以达拉斯为基础，学生会看到美国航空中心和达拉斯天际线的不同部分。在等待上课的同时，学生们可以驾驶汽车环游世界或玩游戏。然后，教师在他们一侧的平台上开始上课，平台立即将学生带入虚拟教室进行教学。

学生使用3D游戏环境来学习和赚取游戏代币，可以与同学互动、协作，共同完成学习任务和游戏式作业。此外，还有虚拟学习伙伴，可以引导学生从任何起点到任何学习目标的个性化路径。教师可以依据学生的兴趣、学习基础和风格开展个性化教学;可以通过新工具参与元宇宙，发布学习数据和作业，评价和奖励学生。元宇宙系统的分析引擎提供有关学生在课程学习的实时数据，并给予及时的反馈。

尽管实施起来存在一些困难，但是Dallas Hybrid Prep学校反馈的结果显示学生在元宇宙中的学习效果良好，尤其对于那些需要更加个性化教学体验的学生。

参考文献

Farjami， S.， Taguchi， R.， Nakahira， K. T.， Nunez Rattia， R.， Fukumura， Y.， & Kanematsu， H. （2011）. Multilingual problem based learning in metaverse. In International Conference on Knowledge-Based and Intelligent Information and Engineering Systems （pp. 499-509）. Springer， Berlin， Heidelberg.

Avila， S. （2017）. Implementing augmented reality in academic libraries [J]. Public Services Quarterly， 13（3）， 190-199.

Hwang， G. J.， & Chien， S. Y.. Definition， Roles， and Potential Research Issues of the Metaverse in Education： An Artificial Intelligence Perspective [J]. Computers and Education： Artificial Intelligence， 2022（2）， 100082.

Webel， S.， Bockholt， U.， Engelke， T.， Gavish， N.， Olbrich， M.， & Preusche， C. （2013）. An augmented reality training platform for assembly and maintenance skills. Robotics and autonomous systems， 61（4）， 398-403.

Hwang， G. J.， Xie， H.， Wah， B. W.， & Gašević， D. （2020）. Vision， challenges， roles and research issues of Artificial Intelligence in Education. Computers and Education： Artificial Intelligence， 1， 100001.

作者单位：台湾科技大学数字学习与教育研究所 温州大学教育学院教育技术系