元宇宙赋能新工科教育的应用与挑战

訾玲玲 丛鑫 重庆师范大学计算机与信息科学学院

●引言

新工科教育的创新发展一直是教育界研究的热点[1]，尤其是“十四五”期间，高等教育进入高质量发展阶段，需要探索新技术提供新路径，破解当前新工科教育存在的弊端，构建新的系统框架。[2]而以虚拟现实、区块链、人工智能等为基石的元宇宙技术[3]为新工科教育的发展开辟了新的路径。本文面向我国新工科教育背景，探索元宇宙技术加持下的未来新工科教育实践路径，尝试构建基于元宇宙的应用架构，扩展元宇宙的应用场景和范围，为改变新工科教育模式提供有益参考。

●元宇宙赋能新工科教育的主要特征

元宇宙的支撑技术包括区块链技术、物联网技术、网络及运算技术、交互技术、电子游戏技术、人工智能技术等，这些技术使得元宇宙具有沉浸性、社交性、内容生态丰富性及经济系统完备性[4]，以上特性为新工科教育注入新的活力，体现在教学环境情境化、教学互动多维化、教育数据可信化、教育资源共享化等方面。

1.教学环境情境化

新工科需要培养面向新兴产业的未来人才，要求构建大量的教学、实践、实习等来对接企业的生产环境，但目前的教学环境存在情境化不足的缺点[5，6]，如学生临场感不佳、实践场景缺乏等，使得培养的人才与企业期望的要求存在很大的鸿沟。而元宇宙的虚实融合特性打破了教学环境的时空限制，在空间拓展方面，其采用虚拟现实、增强现实技术构建逼真的教学环境，让学习者身临其境地处在实训室、企业等不同环境中学习。在时间拓展方面，学习者的学习活动不受时间的限制，可以在任意时间进行正式和非正式学习活动，随时沉浸在学习空间中，有助于全面提升学习者的素质。此外，情境化的教学环境为人才培养提供了便利条件。

从教师角度来讲，元宇宙改变了以知识传授为中心的人才培养模式，促进学习者开展自主学习、个性化学习、泛在学习，实现以学生为中心的人才培养模式。从学习者角度来讲，元宇宙提供的内容生成，使得学习者可以根据自己的学习需求去创造场景，有助于培养分析问题和解决问题能力，同时提升学习者的学习体验。

总之，元宇宙赋能的教学环境创建了丰富逼真的教学场景，为打破学校与企业之间的鸿沟提供了技术条件。

2.教学互动多维化

新工科教育需要教师与学习者通过高质量的教学互动来促进新知识新方法的融合，帮助学习者构建自己的能力体系。而传统的教学互动方式，更多强调教与学之间的关系，缺乏感观的交互、身份的交互及情感的交互。元宇宙技术为新工科教育提供了全新的教学交互方式，具体体现在三个方面：第一，多感官交互。采用语音合成、脑机接口、体感交互等技术，使得学习者具备视觉、听觉、触觉等多种感官体验，这样教师、学习者、学习环境就能够真实自然地进行学习互动与交流。第二，多身份交互。在元宇宙中，师生可以通过虚拟化身进行互动，这种互动关系拓展了教学情境[7]，带来了立体的学习关系，同时，鼓励更多的时空同伴参与到学习活动中。第三，多情感交互。在元宇宙中，虚拟化身可以作为学习者的情感陪伴，也可以作为教师的虚拟助教，给予学习者个性化的帮助与关怀，从而形成良好的学习氛围。综上所述，新型的交互方式，有助于重塑教师与学习者之间的关系，提高学习过程中的互动和交流体验。

3.教育数据可信化

传统的教育数据存在不完整、不可信等缺点，而以区块链技术为支撑的元宇宙，为解决传统教育数据的可信度问题提供了可行途径，体现在教育数据完整、记录真实、数据安全可信等多个方面。在教育数据完整性方面，元宇宙中的数据以区块形式进行存储，区块链的不变性、共识机制保证学习者拥有完整的教育记录数据。在数据可信性方面，学习者具有唯一的身份标识，身份标识既是对现实身份的合理映射，又是虚拟身份再造性的体现。同时，元宇宙会如实记录学习者的学习过程，使得学习数据可全程追溯，有效保护学习者的学习成果。[8]综上所述，元宇宙的去中心化、可追溯、不可篡改特征使教育过程能够在高度信任制度体系中得到良好发展，提升教育数据的可信性，为企业选拔人才提供可靠依据。

4.教育资源共享化

新工科教育的开展离不开丰富的教育资源，而当今的教育资源，在城乡之间、发达地区与欠发达地区之间存在明显的差距，造成了教育资源鸿沟不断增大。[9]元宇宙为该问题的解决提供了强有力的工具，为满足不同地区学习者的教育资源需求提供了可行途径。这体现在两个方面：在资源创建方面，元宇宙的社交属性允许学习者、教师、教学活动者作为资源的提供者，同时，在区块链框架下的规则保护下[10]，学习者可以创建符合自己需求的资源，教师可以开发满足学生个性化需求的资源。在资源共享方面，元宇宙中教育资源分布在不同的区块链中，所有节点都可以共享教育资源，学习者可以跨越地理限制共享需要的资源。[11]综上所述，区块链技术有助于元宇宙构建公平的资源共享平台，打破地区差异，促进教育资源的高效共享。

●元宇宙赋能新工科教育的应用架构

元宇宙赋能新工科教育的应用架构，包括情境化教学环境构建、多维化教学模式互动、可信化教育数据保障与共享化教育资源创建四个方面，如下图所示。

元宇宙赋能新工科教育的应用架构

1.情境化教学环境构建

采用元宇宙技术构建情境化教学环境，包括基础设施建设、教学活动实施与环境数据解析三个部分。

（1）基础设施建设

采用硬件设施和软件平台支持元宇宙的数据采集，硬件设施主要包括网络、沉浸式设备和其他辅助设备，软件包括虚拟现实软件和元空间平台。在此基础上，建立区块链网络。

（2）环境数据解析

采用跨模态语义分析方法解析学习者过程数据，探索过程数据和学习状态之间的关系，为学习者进行精准画像。

（3）教学活动实施

依据学习者精准画像，教师组织并开展各种多元实践学习活动，同时支持实践教学场景切换，满足新工科教育的实训需求。在此教学场景中，教师和学习者都沉浸在高仿真的场景中，并进行自然、实时的交互。

2.多维化教学模式互动

元宇宙构建的教学场景为师生带来了多维度的教学交互方式，包括多感官交互、多身份交互及多情感交互。

（1）多感官交互

学习者可以获得听觉、触觉、视觉等多种感知体验，方便不同类型教学场景的互动。对于基础理论教学场景，建立关于新知识的抽象概念，注重教师对学习者的启发式交流；对于实训实践教学场景，侧重学习者肢体动作实现与场景中的虚拟物体的互动，更大程度地提升学习者的实际操作能力；对于探究型教学场景，全面结合多种感官认知，提供学习者主动探索的机会与条件。

（2）多身份交互

学习者在元宇宙空间中，可以采用虚拟代理身份参与教育教学互动，同时区块链系统的身份认证，可以保障身份的真实性。

（3）多情感交互

在元宇宙空间中，采用表情识别、情感计算等技术分析捕获学习者过程数据，并实时反馈给教师，方便教学进度的调整。同时，虚拟代理的设置，也方便性格内向的学习者表达自己的真实情绪，方便教师为学习者进行个性化的能力培养。

3.可信化教育数据保障

采用中心化和非中心化相结合的方式存储教育数据。考虑到区块链的容量有限，设计主链和侧链的扩展模型，其中教学场景中的采集数据存储在主链中，标注数据和学习成果数据存储在侧链中。在具体实施中，可以通过向区块添加额外的比特位来设计侧链结构。针对学习成果数据，利用区块链技术建立多角色认证平台，包含学习者、学校和企业等多种角色，并根据学习成果自动颁发数字证书。数字证书以区块的形式使用加密算法存储在区块链上，方便追踪证书来源的真实性，同时，该证书可以用于企业进行查询验证，方便企业与学校之间的信息沟通。

4.共享化教育资源创建

在元宇宙中共享教育资源，首先需要捕获教育资源需求，这主要有两种方式：一是直接获取教师或学习者的资源需求；二是通过分析教学场景中学习者搜索、观看等行为记录感知的资源需求。根据资源需求，建立教育资源区块链，采用智能合约自动执行预定义的资源并创建业务逻辑，同时存储资源的详细信息，包含资源内容、创建者、创建时间等。智能合约包括三个部分：合约注册、合约摘要以及合约关系。合约注册内容为区块链中的公钥，合约摘要包含合约的主体信息、历史资源的执行情况等信息、合约关系包括资源访问、查询、管理、权限等。为了鼓励元宇宙中更多的教育角色参与资源创建，采用虚拟币构建激励机制，对资源创建给予一定奖励。同时，采用共识机制，实现对资源质量的评估，以激励共享更多的优质资源。

●技术挑战

元宇宙赋能新工科教育的应用架构，需要面对以下的挑战：

实践场景的自适应转换。基于工程实践的目标，元宇宙创建适合学习者能力的实践场景，需要进行难度切换及升级，以最大限度地激发学习者的潜力。

元宇宙赋能人机交互的理论方法。创建的教育环境，改变了传统的人机互动方式，加入了多通道多身份等复杂因素，因此需要分析教育环境下学习者的动态认知过程、情感态度变化等，并提出新的方法探索多种因素协同工作的交互机制。

虚拟现实和区块链的技术融合。在教学场景中，虚拟现实设备采集学习者的过程数据，其中包含学习者的隐私信息，区块链能够进行这些数据的隐私保护，但是如何让它们协作来保障数据的完整可信，仍然有一系列的关键问题需要解决。

教育资源共享是解决当前教育资源鸿沟的有效手段，元宇宙为资源共享提供了一个新的突破口，但是如何创建公平合理的资源共享机制还有许多问题需要解决。

●结语

笔者总结了元宇宙技术赋能新工科教育的技术优势，展示了其应用架构，提供了满足企业需求的人才培养模式，这是一个崭新视角的探索，具有重要的意义。笔者希望它可以帮助研究人员以元宇宙技术创建可靠、公平和可信的新工科教育平台，但由于目前元宇宙赋能新工科教育仍处在探索阶段，有很多问题尚待进一步研究。