教育元宇宙：概念内涵、价值意蕴及应用挑战*

任志儒 陈卫东

1 江苏师范大学物理与电子工程学院 江苏徐州 221116 2 徐州工程学院师范学院 江苏徐州 221018

0 引言

2021年10月份，Facebook 公司宣布更名为“Meta”，并提出元宇宙是未来互联网和数字领域发展的战略方向，由此元宇宙进入了世人的视野，元宇宙是继VR、AR 等新媒体之后又一个被广泛热炒的概念。元宇宙概念突然被引爆，曾经成为2021年度十大热词之一，科技公司、社交媒体、产业界、传媒行业、教育行业等持续关注和涌入元宇宙。元宇宙的功能和价值被寄托了太多的希冀，似乎无所不能，因而也给众多行业和领域的人们带来狂欢，人们似乎看到了数字领域蕴含的新商机和发展契机。在学术领域，元宇宙成为学术研究的热门话题，在情报学、社会学、经济学、信息科技、教育等研究领域引燃了研究热潮。但目前来看，人们对什么是元宇宙、元宇宙构成、元宇宙价值和功用等都没有统一的认识，元宇宙技术本身也处在不断发展之中，技术本身也远没有成熟。因此，本文从元宇宙与教育结合的视角，阐释教育元宇宙相关概念、应用价值以及应用面临的挑战。

1 元宇宙及教育元宇宙概念

目前，元宇宙研究仍处于理论探索和原型研发阶段。元宇宙在教育中的应用充满了未知和挑战，因而，整体来看人们对元宇宙概念及其教育应用并没有明确的认识。

1.1 元宇宙概念的辨析

从字面意思解读，元宇宙（Mataverse）作为一个英语词汇的汉语意译，其代表的含义是超越了现实世界的、更高维度的新型世界，Meta 代表的意思是“元”“超越”，Meta 与Universe 相结合而成的新词汇Metaverse 具有超越宇宙的意味[1]。需要注意的是，元宇宙这个词汇的翻译并不好，在理解上是晦涩的、模糊的，人们并不能通过词语本身而正确地理解其含义，宇宙在哲学意义上是指对所有的时间、空间、物质等及其产生的一切事物的统称，将Mataverse 翻译成元宇宙容易导致理解上的神秘主义倾向。

人们对元宇宙概念的理解包含以下内容：

1）元宇宙是虚拟数字空间，是与现实世界交互的虚拟空间，其本质是一个巨大的虚拟世界，元宇宙不是全新的事物，而是网络虚拟空间，是在叠加数据和智能后未来数智世界的一种理想具象；

2）元宇宙是由各类技术构建的融合互联网全要素的未来网络形态，这些技术包括信息技术、互联网技术以及各类数字技术等[2]，例如虚拟引擎、区块链、5G、人工智能、全息技术、智能算法、数字孪生、AR、VR、MR 等。

综合以上对元宇宙概念的理解，本文认为元宇宙应当包含狭义和广义两种概念：狭义的元宇宙是指基于互联网技术、数字技术等构建的一种沉浸式的虚拟世界[3]；广义的元宇宙是指未来人类生活的一种数字化场域，该场域能够模拟和复制真实世界，并成为真实世界的延伸和拓展。元宇宙的概念仍在不断演变之中，由于技术进步和更迭，参与者的深度介入和体验等等，都会深化元宇宙的意涵，使其内涵和边界持续发展中。

1.2 教育元宇宙

教育元宇宙是指元宇宙的教育应用，是教育与元宇宙深度融合的产物，是能够提供与现实教育情境同样体验的虚拟空间和场域[4]。教育元宇宙为教师、学生、管理者等相关人员创建数字身份，在虚拟世界中开拓教学场所，允许师生在虚拟的教学场所中进行互动，教师和学生在教育元宇宙中像在真实教室一样开展教学和学习活动，能够为教育参与者提供一种仿真现实教育情境的独立沉浸式教学场域。沉浸理论、心流理论、情境认知、具身认知是教育元宇宙的基础理论。借助虚拟现实终端、脑机接口等技术，参与者进入虚拟世界，实现虚拟世界与真实教学环境的无缝对接，教师和学生的数字替身是其在虚拟世界的唯一标志，数字替身能够在虚拟场景中做出诸如行走、举手、面部表情等行为和动作，通过数字替身在虚拟教学情境中开展教学和学习。教育元宇宙的虚拟空间可以通过数字孪生技术进行创建，实现真实世界的镜像，也可以通过三维建模技术打造现实世界所不具备的虚拟环境。

教育元宇宙一般具有交互性、沉浸性、以及自由、开放的规则等核心特征。交互性一般是指学习者在元宇宙中开展的社会交互，包括学习者之间以及学习者与教师之间的语言交互、文字交互等，也包括学习者与学习资源和学习环境之间的交互。沉浸性是指教育元宇宙所创造的空间能够给学习者带来强烈的真实感和临场感，学习者能够全身心地投入虚拟学习环境中，有利于学习者开展学习活动。教育元宇宙允许教育参与者根据自己的需求创设教育环境，该特征保有自由、开放的规则，为学习活动的开展提供了无限可能。

2 元宇宙的教育应用场域及价值

元宇宙融合了区块链、人工智能、5G、虚拟现实等新一代信息技术，其在教育领域的主要应用表现为创设全新的具有自然交互功能的逼真教学环境，使用该教学环境能够开展在线仿真实验、情境教学和学习，推动专业知识和技能的具身化认知，此外，元宇宙在教育中的应用还有利于尝试新的教学形式，实现教学模式的创新。

2.1 基于元宇宙的仿真实验教学

在线实验教学是随着web 技术的发展逐步应用到教学中，在线实验突破了时空的限制，能够满足学习者随时随地开展基于互联网的虚拟实验，但是，传统的在线实验教学是基于二维页面的，实验中所展示的设备、实验材料、实验现象等通常是平面化的，在线实验教学的非沉浸性导致学习者的体验非常差。基于元宇宙的仿真实验教学能够让在线教学环境变得非常逼真，通过细腻的三维建模技术、实时高效的渲染以及有效的互动设计，教师和学生可以沉浸到元宇宙创设的三维实验教学情景中，从而获得前所未有的高度沉浸感。

元宇宙场域下仿真实验教学的特征包括三个方面。1）仿真实验的高逼真性。学习者可以借助VR设备、脑机接口设备等进入到三维实验场景，三维建模、动态全息等技术为学习者提供高逼真的实验和真实的实验过程，其学习的沉浸感和代入感显著获得提升[5]。2）仿真实验的互动性强、灵活性高。通过在元宇宙中设置多种互动方式，例如人机互动、虚实互动、师生互动、生生互动等，可以为实验教学带来更高的灵活性，从而能够使实验教学方式更加灵活，为探究式、个性化、游学化、项目式等学习方式提供支持。3）仿真实验全面、多维的数据记录。基于元宇宙的仿真实验记录的数据包括实验操作数据、感知实验教学环境与活动的多维生理数据（例如视觉、听觉、触觉等生理数据）、评价数据，多维度的数据有利于全面分析和评价实验教学，使得实验教学评价更加客观和准确。

元宇宙在仿真实验教学的应用典型的代表为英伟达Omniverse 平台[6]，该平台支持汽车生产工业实验，专门为物理属性准确的实时模拟和虚拟协作打造的开放式平台，被称为工程师的元宇宙，汽车制造相关专业的学生可以在Omniverse 中以设计师、工程师的角色模拟制作汽车生产车间、汽车配件、汽车生产线以及汽车整车，并在共享虚拟空间Omniverse 中使用汽车设计工具、资源进行协同，完成设计、生产、优化等一系列复杂的汽车生产流程，提升自己的高阶能力。英伟达Omniverse 平台能够改善实验教学环境、优化实验教学资源、丰富实验教学活动、完成实验精准评价。

2.2 基于元宇宙的全智慧图书馆建设

元宇宙的底层技术包括虚拟现实技术、区块链技术、数字孪生技术等，这些技术的应用为建设全智慧图书馆奠定了坚实的基础。全智慧图书馆建设的第一阶段主要利用虚拟现实技术，打造无人值守的数字图书馆，读者通过头戴式显示器获取视觉和听觉信息开展阅读和学习活动[7]；第二阶段是利用数字孪生技术基于现实的图书馆建设数字孪生图书馆，在数字孪生图书馆中，阅读者都具有独一无二的数字化身身份，通过数字化身学习者在图书馆中开展借阅、归还、阅读、交流等学习活动，应用虚拟现实的体感设备可以显著增强阅读者的沉浸感，在数字孪生图书馆中利用数据挖掘技术为阅读者推荐阅读书目和关联信息，为学习者提供多元化和全方位的智慧阅读服务。为有效对数字图书资源确权，维护数字孪生图书馆的相关权益，可以利用区块链技术的不可篡改、全结点认证等特性对数字孪生图书馆的资源进行认定，在全智慧图书馆中，非同质化代币可以为馆藏资源提供非同质化标识，这些标识为馆藏资源提供锚定价值。

2.3 沉浸式虚拟学习空间创设

元宇宙技术赋能学习空间建设，能够创建沉浸式与协作式学习空间，整合已有的VR技术为学习者提供现实学习环境无法提供的全景式学习情境和深刻的学习体验[8]。基于元宇宙的学习空间设计主要面向两种情况：一是创设较为危险的学习情境，通过让学习者反复练习和演练从而掌握某种技能或学会应对危险环境和事件，比如外科手术训练、飞行驾驶、消防技能等，这类学习的风险系数较高，如果在真实的环境下开展真实的实验则随时要面临因失败而产生的风险；二是创设学习者难以到达或接触的环境，例如在校学生很难进行考古发掘、开展热带雨林气候调研，学习者无法到达这些场景中，只能通过观看视频去了解和体验，但这种学习方式很难获得深度的沉浸感，学习体验并不友好。

通过元宇宙技术提供的沉浸式和协作式学习空间，便于学习者开展沉浸式学习，学习者的临场感将空前提高，学习者与其教师和学习同伴共处同样的学习空间和环境，可以通过听觉、视觉等感官开展交流，全方位地观察要学习的事物，自然而高效的互动方式有利于项目式学习、探究式学习、游戏化学习的开展[9]，例如，Getchell 等人利用第二人生（Second Life）平台构建了一个用于考古学习的虚拟世界遗址，在该虚拟空间中学习者可以开展虚拟考古挖掘活动，并在考古挖掘中通过学习者之间进行语音交流而获取考古知识。

3 教育元宇宙现状及应用挑战

目前教育元宇宙研究以理论探索为主，应用案例较少，整体来看教育元宇宙在技术层面和应用模式方面仍然处于尝试和探索阶段。在教育领域作为一种新兴媒体和技术，教育元宇宙应用面临的挑战主要包括完善的技术、创新的教学模式、资源利用的便利性以及令人满意的学习效果。

第一，教育元宇宙需要整合和完善各项新一代技术，根据具体的教育需求设计和开发元宇宙系统。从技术角度来讲，元宇宙并非是一种新的信息技术，而是利用现有的信息技术建设的一种虚拟空间，所用到的技术包括虚拟现实技术、人工智能、区块链技术、5G、数字孪生、脑机接口[10]等底层技术。以上这些信息技术仍在不断的发展之中，有的还不是太成熟，因此基于以上技术创设的教育元宇宙也存在一定的局限性，与理想的元宇宙功能相比还有不小的差距。此外，教育元宇宙一定要体现出其教育特性，应该根据具体的学科、专业和教学需要建设元宇宙，发挥其教育和教学价值。

第二，教育元宇宙需要与之相适应的教学模式和学习方式。教育媒体发展的历史警示我们，每一种媒体都有其对应的合适的教学模式，只有合适的教学模式才能彰显媒体的价值，例如，在使用粉笔加黑板的传统教学环境下，班级教学和集体授课是高效的教学模式，而在网络时代，利用网络和媒体的丰富性，情境教学、项目化学习等常用的教学模式，可以实现高效和个性化的学习。教育元宇宙能够让学习者进入虚拟的三维环境中，其中具有丰富的学习资源，既有传统的文字、图片、视频等资源，也有模型、环境、人力等资源，每个人都有各自的数字化身，这些都是新兴的技术和表现形式。如何在元宇宙空间中有效地开展教学活动是未来研究需要关注的重点和探索课题，适应元宇宙特定环境的教学模式可以充分发挥其特殊的教育功能。一般来说，教学模式的设计需要借鉴教学理论和学习理论，例如建构主义学习理论、多媒体教学理论、情境学习理论等，通过元宇宙教育实践对教学过程进行总结和反思，形成合理性和可操作性的模型和流程，用于指导元宇宙环境下的教学和学习。

第三，元宇宙教学资源创设的简易性和便捷性。应当明确的是教师和学生是教育元宇宙的应用者，而不是开发者，这就要求提供的教育元宇宙应当是一种成熟稳定的软件产品，界面友好且操作方法符合人们的习惯，也就是说教育元宇宙应当具有简易性和便捷性，保障教学活动的顺利开展，教师和学生应当能够在元宇宙环境下方便的创设和利用资源，就像使用PPT 一样使用熟练，只有这样才能吸引教师和学生尝试去使用元宇宙。

第四，令人满意的学习效果和体验。学习效果是检验元宇宙应用的标准和关键，教育元宇宙应当发挥其独有的视听功能、交互功能和展示功能，为学习者提供有效的学习资源，为此，需要合理地分析当前教育和教学中存在的痛点和难点，并针对痛点和难点设计教育元宇宙，只有如此，才能对症下药，学习者才会取得良好的学习效果和体验，元宇宙在教育领域才可能得到广泛应用和推广。

4 结束语

元宇宙是新一代互联网平台，其与教育的结合能够为学习空间和学习资源的创设提供技术支持，虚拟仿真设计、沉浸式学习空间、虚拟校园、数字图书馆等领域都将在元宇宙的加持下获得新的发展，其教育价值在未来的应用中将得到彰显。还应当看到，由于元宇宙技术的发展性和成熟度不够，在教育中的应用都处在尝试阶段和摸索中，如何在教育中有效整合元宇宙技术还需要艰巨的探索。