元宇宙视野下数字化学习社区的建设路径与策略研究*

许仲生

(集美大学诚毅学院,福建 厦门 361000)

在我国大力推进教育数字化的背景下,数字化学习社区可突破传统教育存在的局限和不足,为学生提供更为平等高效的学习平台,更加充分体现教育追求的普惠性和公平性。此外,数字信息技术、场景化技术和人工智能等技术日新月异的发展给数字化学习社区开辟了新的发展思路和途径。

目前,元宇宙研究已成为我国一个新的热点,但是对元宇宙在教育领域应用和融合的研究才刚刚起步,元宇宙在数字化学习社区的应用研究仍较为薄弱。本文对元宇宙在数字化学习社区的影响、实施路径和实施策略等方面进行探讨,并结合技术发展和教育理论进一步丰富元宇宙教育的内涵,以期推进在线教育和终身教育形态的创新发展。

一、理论综述

(一)元宇宙概述

元宇宙(Metaverse)一词最初见于1992年美国科幻小说《雪崩》(Snow Crash)。从字面意思理解,元宇宙指的是超越现实宇宙的存在,即超现实宇宙。2021年在Roblox上市及Facebook更名等事件的带动下,元宇宙成为业界和学界关注的热点。2021年被称为元宇宙元年。目前对于元宇宙概念的界定尚不成熟。元宇宙是人类生存维度和感官维度的拓展,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,基于扩展现实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,在经济系统、社交系统、身份系统上将虚拟世界与现实世界密切融合,并允许用户进行内容生产和世界编辑[1]。元宇宙融合了网络及运算、物联网、人机交互、电子游戏、人工智能、区块链和数字孪生等多种先进技术[2]1-26,在与游戏、社交、旅游、会展、电商交易、影视、体育、教育等行业结合过程中,有望创造新价值。

元宇宙在教育领域的应用,可通过创设虚实结合的教学场景,强化沉浸式教学体验,让学习者在获得良好学习体验的同时,提高学习兴趣,提升理解问题和建构知识能力,从而高效地完成学习目标[3]73-82。有学者提出教育元宇宙的概念,认为教育元宇宙是由扩展现实、数字孪生、人工智能、区块链、5G等新兴技术架设的虚实融合的教育环境,是具有虚实交织、人机协同、全面交互等特征的智能交互空间,通过嵌入教育教学环境、资源、模式、活动等内容,创新学习、教学和管理等活动,进而推动教育的未来变革与生态重塑[4]54-66。

(二)数字化学习

数字化学习是以互联网为依托,利用现代信息技术所形成的、具有全新沟通机制和丰富资源的一种全新学习方式[5]1-5。数字化学习包括数字化学习环境、数字化学习资源和数字化学习方式三大要素[6]3-8。基于网络通信和多媒体等数字化技术,将学习资源进行数字化转变和多样化呈现,打造优质海量的学习资源,并基于互联网进行传播,可更好地克服传统教育存在的时空限制,让学习成为泛在的终身学习过程。更重要的是,数字化学习凸显了学习者的主体地位,一方面为学习者提供了信息知识检索工具和沟通互动机制等自主性学习条件,另一方面,以学习者为中心,为学习者培养积极的学习认知,满足持续学习需求,提供个性学习资源,生成实时学习反馈,达到终身学习效果。

随着数字化技术的不断发展,数字化学习的工具、场景、课程建设、学习策略等各方面在不断演变。从互联网、移动互联网、数据库、多媒体音视频、计算机模拟软件、在线互动,到VR/AR/MR、慕课、社交媒体、大数据、人工智能,各类技术为数字化学习构建了更为系统全面的学习平台、教学平台、学习资源等新型基础设施,数字化学习的多场景交互融合、数字化工具的聚合成为下一阶段的研究热点[7]52-60。

(三)数字化学习社区

数字化学习社区源于2006年教育部启动的《数字化学习港与终身学习社会建设与示范》项目。数字化学习社区是指应用现代化教学手段,通过构建数字化学习平台,提供数字化学习资源、学习支持服务及组织管理的新一代教育服务系统,可以满足任何人群、任何时间、任何地点的学习需求[8]67-69。数字化学习社区是数字化学习的应用发展,面向特定的用户群体,创建数字化学习环境,提供数字化学习资源,满足个性化、自主化、交互化和实时性的学习需求,实现数字化的学习和服务管理[9]35-37。

二、元宇宙下数字化学习社区的运行方式

(一)虚实融生

传统教学存在现实教学过程较单一、教学内容较单薄、教学形式较单调等问题。数字化学习社区的发展,虽然解决了传统教学存在的部分问题,但仍存有网络教学过程冷漠化、教学内容碎片化、教学形式平面化问题,且容易因缺乏实际互动导致师生关系疏离、因缺乏监管导致学生学习状态懒散等。此外,传统教学与数字化学习社区的线上教学均存在各自的短板,一方面传统教学受现实条件限制无法进行复杂原理展示和提供复杂过程的操作条件,另一方面线上教学受网络和计算机软硬件条件制约,在进行操作性、运动性技能教学和德育、美育养成教育过程中仍存有缺陷。

基于VR、AR、MR和DT等技术,数字化学习社区可根据数字化学习的需求搭建现实环境、虚拟环境、现实与虚拟融合环境等多样化的场景,取长补短,赋能传统线下和线上教学(见表1),并通过空间扩展,弥补现实教学环境的不足,通过强化交互,解决网络教学环境的缺陷。

表1 元宇宙下教学场景的构建类型

基于元宇宙构建的数字化学习社区,实现现实空间与虚拟空间的融合和数据双向流通,学习者可以在现实空间和虚拟空间拥有唯一的学习身份,学习进度和学习状态实时更新,学习内容无缝衔接。

(二)感知融合

基于认知心理学理论,传统数字化学习社区更侧重通过给予学习者视觉和听觉等感官刺激的方式进行描述性知识的输入,这些描述性知识经过加工、编码后储存于学习者的短时或长时记忆(见图1)。这个过程中,刺激的方式和强度、编码的运行过程对学习的效率有着至关重要的影响。

图1 感知融合的学习过程

数字化学习社区基于元宇宙三维建模技术和实时渲染构建虚实融合空间,能够充分激活学习者的视觉、听觉、触觉,使其更加全面地接受各类信息;基于动作、姿势、语音、语义等人机交互技术构建的沉浸式交互能够激发学习者的知、情、意、行,使其更加高效地进行知识编码,顺利实现预期学习效果。未来随着脑机接口技术的发展,数字化学习社区不仅能够实现更为全面的信息输入,避免外界干扰,而且可以实时识别学习状态、实时分析认知过程,及时反馈调整教学信息的刺激方式和刺激水平,真正实现个性化教学。

(三)数据集成与互通

传统数字化学习社区是基于课程进行知识排列,不同的课程知识可能存在重复。学习者因学习过程不连贯或注意力缺失可能出现知识碎片。此外,传统数字化学习社区更侧重于教学结果的评价,忽视对教学过程中产生的大量结构化和非结构化数据的挖掘利用。

云计算技术对元宇宙的支撑作用不仅体现在数据存储无限扩容方面,更在于提供强大的数据处理能力。云计算技术一方面可以满足数字化学习社区在高可靠性和高可用性方面的需求,另一方面可以实现对课程知识的梳理,基于学习目标生成合理的课程学习计划。

区块链技术作为一个去中心化的可信技术,可将学习者的学习过程及学习结果记录于区块中,客观反映学习者的学习状态。区块链技术可实现跨平台操作,推动不同数字化学习社区学习成果的互通互认。

大数据技术可实现对学习过程的全要素、全方位和全流程的监控,通过数据检索、清洗、处理、挖掘等流程对数字化学习社区的大量结构化和非结构化数据进行深度分析,为学习者提供精准的学习资源、制定个性化的学习过程。大数据技术还可以为数字化学习社区的管理者和教学人员跟踪监测学习过程和学习状态、更加及时地发现问题并做出调整。

(四)人机协同

人工智能技术作为元宇宙的核心技术,可扭转数字化学习社区人工智能欠缺的现状。数字人技术可将数字化学习社区中教师与学生的虚拟身份进行可视化映射,真实反映现实身份的身心状态和知识状态,结合学习场景和学习过程进行智慧交互,达到更好的学习效果。学习者可以与虚拟教师进行实时互动,解决数字化学习社区存在的离线互动为主、在线互动为辅的不足。学习者还可以跳出本身,检视虚拟自我的认知过程,提升逻辑思维和推理能力,将学习重点从多元化表征知识学习转向大规模协同学习和高阶思维训练。

三、元宇宙下数字化学习社区的建设路径

数字化学习社区运行的底层逻辑是学习环境、学习资源、学习方式、学习服务与管理等核心要素基于数字化的协同。元宇宙下将VR、AR、MR、DT、人工智能及区块链等技术应用于数字化学习社区,能进一步促进数字化技术与学习社区运行流程的有效整合,更好地实现要素协同,提升数字化学习社区的运行效率和效果。

(一)学习环境

阿里巴巴认为元宇宙的实现包括4个层级,依次是全息构建、全息仿真、虚实融合和虚实联动[10]。借鉴上述思路,本文认为元宇宙下数字化学习环境的建设路径可从以下四个步骤依次推进(见表2)。

表2 元宇宙下学习环境的建设阶段

表3 元宇宙下学习资源的建设方式

(二)学习资源

1.显性学习资源建设

显性学习资源是指陈述性等表象化的信息和知识。如前所述,元宇宙可强化显性学习资源的沉浸感,加大力度推进学校等组织机构在元宇宙背景下系统化、标准化的显性学习资源建设,还要通过机制创新鼓励个体在显性学习资源建设、特别是在碎片化学习资源建设方面发挥更大作用。

随着人工智能技术的发展,人工智能生成内容(artificial intelligence generate content,AIGC)以其高效强大的内容生产能力、个性化的信息聚合与内容呈现更好地满足了学习者个性化的学习需求,且目前AIGC技术所具有多模态和大规模模型的特点,其生成内容不仅形式多样、质量上也在不断进步[11]。

2.隐性学习资源建设

隐性学习资源指程序性或者蕴藏于操作过程中的信息和知识。在元宇宙场景建设过程中还应做好原理性、逻辑性等隐性知识的嵌入。结合元宇宙的特征,动态生成(过程性)学习内容是其中十分重要的隐性学习资源。动态生成学习内容指在教学过程中的学习记录或由学习者或师生协同创建的资源,能够反映学习者的思考过程,更易加深学习者对知识的理解、迁移及运用[12]22-28。

(三)学习方式

学习是一个集动脑与动手、认知与情感、实践与体验为一体的综合性过程,这个过程培养学习者的知识、技术、态度、方法和习惯[13]71-78。借助元宇宙技术强化学习过程中的交互,是提升数字化学习效果的重要途径。学习过程中的交互包括了学习者与学习内容的交互、学习者与教师的交互、学习者之间的交互以及学习者与场景的交互。学习者与学习内容的交互,除了利用传统的课件、文字影视音频资料、三维信息资料等,还有前述AIGC技术的应用,可以实现以学习者为中心的主动式学习内容生成与更新迭代。学习者与教师的交互包括讨论、答疑等方式,也包括教师的演示与指导等。学习者之间的交互指在日常场景中借助元宇宙的技术便利,学习者增加学习过程及学习之余的多渠道联系,构建学习社群,提升学习氛围。学习者与场景的交互方面,学习者可以基于元宇宙技术进行验证性、探索性的重复操作,实现知识与应用的更好结合。

从‘索邦’中筛选出肌动蛋白基因Actin和网格蛋白基因Clathrin,分别作为qRT-PCR测定基因相对表达量的内参基因。以花被片各样品的 cDNA 为模板，利用Primer 3软件设计荧光定量引物(表1)。根据SYBR© Premix Ex Taq TM Ⅱ(TaKaRa)试剂盒说明书，使用CFX Connect Real-Time PCR System(Bio-Rad)进行扩增，反应体系为20 μL，扩增程序为：95℃变性30 s，60℃退火和延伸 30 s，共39个循环，95℃变性5 s，60℃退火和延伸30 s。每份样品重复3次。

(四)学习支持服务

元宇宙下数字化学习社区需要对学习者的学习状态、学习进度、交互情况进行准确、实时的记录存档,保证学习者在暂停一段时间后,可以重新延续之前的学习进程。元宇宙下的数字化学习社区还应能够根据学习者在学习过程中的表现,实时调整学习方式和提供相应的学习资源,灵活规划学习成长路径。

元宇宙下的数字化学习评价应引入社会性评价,加大过程性评价和应用性评价的权重,降低结果性评价权重。学习的社会性体现在学习是对话、交流和实践的活动[14]35-39。元宇宙下学习者在知识学习过程中的交互与协作应成为评估的重点,一方面通过评估学习过程的交互状态了解学习者对知识技能的理解和掌握程度,另一方面通过评估应用实施过程来跟踪学习者对技能的掌握程度。

(五)学习成果认证

基于区块链的区块记录学习过程和学习成果,利用加密技术和数字摘要技术保证学习过程和学习成果的不可篡改。各个数字化学习社区可作为区块链网络的联盟节点,学习者的学习过程和学习成果经过计算、打包形成区块后,在网络节点中公布后形成分布式账本。此外,不同的学习社区和学习机构可事先设定学习成果的评价和转化机制,并以智能合约的形式发布。学习者在不同学习社区的学习成果可自动转化,生成学习者统一且标准的学习档案。相关学习记录和学习档案具有可查询、可溯源等特点,方便个人、社会和企事业单位了解学习者的学习情况。

四、元宇宙下数字化学习社区的建设策略

在元宇宙下数字化学习社区的建设过程中,可能会面临学习环境场景失真、学习资源更新失速、学习方式失当、学习支持服务失效及学习认证失实等问题,导致数字化学习社区因要素不协同出现发展失衡现象。为此,元宇宙下建设数字化学习社区须做好以下几方面工作。

(一)升华在场感,构建空间、场景和文化深度融合的数字化学习环境

元宇宙背景下,利用场景扫描技术对现实空间和实体进行高效智能采集,采用三维网格技术和渲染技术构建能真实且精细重现现实场景的虚拟空间和虚拟实体,结合多平面显示和全息投影技术有效提升元宇宙下数字化学习社区场景的体验感。声音、动作、表情等智能感知技术与物联网技术的应用,能实现虚拟空间与现实空间数据双向实时采集与传递,为学习者提供更多元化的感知体验和互动体验,保证场景动态变化的低延迟,强化数字化学习社区场景的沉浸感。大数据与人工智能技术通过精准判定学习者的个人特性及学习状态,一方面能避免因场景中断或跳跃导致学习中断和学习效果下降,另一方面能营造个性化和多元化的学习场景,在满足不同学习者的学习需求和场景偏好基础上,提升数字化学习社区场景的共情传播能力。

罗伯特·斯考伯认为,网络场景是由移动设备、社交媒体、大数据、感应器和定位系统五种技术力量构成和营造的一种在场感[15]11。考虑元宇宙下的场景应具有沉浸感、低延迟、多元化和随时随地等特征,故本文认为,元宇宙场景是由移动设备、人工智能、大数据、物联网和XR技术等构建和营造的一种在场感。元宇宙下学习环境的构建应关注以下问题。一是空间构建。如前所述,元宇宙下的学习环境是一个虚实融生空间。在建设过程中,首先要理顺虚拟空间与现实空间之间的关系,在发展过程中由映射关系逐渐转变为平行关系。其次要强化空间互补性,在虚拟空间中呈现现实空间所无法呈现的,在现实空间中感受虚拟空间所无法感受的。还要提升空间的开放性,满足数字化学习社区发展过程中不断扩展的空间需求。二是场景营造。在尊重教育规律的前提下,以提升沉浸感为目的进行数字化学习社区的场景营造。以可见即可感知、可想即可深化为营造方向,为用户提供一个具身交互、有助于抽象思维表象化、满足深度宏观认知和微观体察的虚实深度融合场景[16]12-22。三是文化嵌入。将教育目标、知识要求、技能要求、价值观培养等教育维度要素嵌入元宇宙下数字化学习社区的各类场景和操作中,让学习者在观察和体验过程中得到充分且潜移默化的浸润,更好地达到育人目的。

(二)以人工智能技术驱动自我进化,实现数字化学习资源的实时更新迭代

元宇宙加快了知识的更新迭代,给传统数字化学习社区相对固定的知识体系带来巨大冲击。为此,数字化学习社区应该充分利用人工智能技术,特别是深度学习技术进行知识的更新迭代。首先,数字化学习社区可引入知识图谱技术对现有学习知识体系中的知识点进行语义表述和规则化关联,实现知识点及关联关系的结构化存储,构建基于知识图谱的知识库。其次,应用卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)或深度置信网络(deep belief network,DBN)等深度学习算法构建知识识别模块,对网络和现实中新出现的文字、语音或图像等信息进行识别检测,并将检测结果提交知识库推理判定,进行知识融合和扩充。随着深度学习训练和实际应用的推进,持续完善的知识库可更加精准和高效地调用知识识别模块,而高效的知识识别过程又会进一步丰富知识库,形成双向正向反馈机制,加速数字化学习社区的知识更新迭代。

后续数字化学习社区可接入以ChatGPT等为代表的多模态大模型,为学习者提供实时学习答疑。此外,教师也可以充分利用多模态大模型技术进行课程和知识库的升级改造,利用人工智能技术弥补知识体系的不足及可能存在的与社会现实的脱节,构建更加完善的知识结构图谱。数字化学习社区还可以通过收集学习者常见和关注的问题,进行热门知识点开发,不断完善数字化学习社区的知识服务能力。

(三)在团队组建与行为规范中打造文明社区,维护良好的数字化学习方式和学习秩序

元宇宙下数字化学习社区的流畅运转要求教师除了具有高度的数据信息素养外,还需具备必要的情境创设能力、资源整合能力、技术应用能力、数据挖掘能力、共情回应能力等[17]122-127。为此,首先,教师应不断提升信息意识和信息思维,了解元宇宙给教学环境、教学资源和教学方式带来的变化,熟悉元宇宙下的虚实融合及交互的本质核心特征。其次,教师要积极掌握元宇宙下情境创设、数据挖掘、人工智能等各项技术和工具,将其与教学内容有机融合,创造性地解决融合过程中面临的各类问题,构建多元化、个性化的教学过程。再次,教师应强化元宇宙责任意识,以负责任的态度进行信息资源的整合和创造,尊重保护知识产权,在元宇宙中维护好教师人格,在遵循平等、真诚、包容原则的基础上进行师生交流,协助学习者更好成长。

元宇宙强调共创、共享、共治的价值观,鼓励所有参与者协同创造新事物,建立新生态[18]3-11。然而,在此过程中也会出现内容侵权、人权侵犯、秩序侵扰等现象,影响数字化学习社区的正常运行。为此,元宇宙下数字化学习社区应完善相应的元宇宙数据生成、传输、存储和开发利用的标准,建立健全相关的数据风险检测预警体系和应急处置方案。要加快制定元宇宙各种关键技术标准和技术伦理规范体系,为数字化学习社区奠定安全保障,并强化元宇宙下数字化学习社区的治理逻辑,理顺数字化学习社区的教学流程规范和权责机制,营造健康的在线教育环境。同时,还要加强对个人的尊重保护,一方面要以学习者为中心进行数字化学习社区的重造,另一方面也要考虑到元宇宙可能给个人带来的沉溺、心理依赖、逃避真实等问题,做好对学习者个人的引导和身心保护。

(四)缔造经济系统和激发内容生产,打造数字化学习社区的长久运行机制

如何激发参与者的创造力和积极性,是数字化社区高效长久运转的关键。非同质化代币(non-fungible token,NFT)的应用,让数字化社区运转中产生的内容具有知识权益证明,能在知识流转和使用过程中进行溯源和收益分配,从而更好地实现知识产权保护和利用。NFT的应用有助于激发数字化学习社区参与者的创造力和积极性,让参与者将学习过程与知识创造过程融为一体,加速知识内容的生产和流通。

元宇宙下NFT可分为所有权型、服务型和授权型等类型[19]106-115。所有权型NFT可明确知识内容的所有权归属,可更方便地将知识内容通证化并进行所有权的转让或交易。数字化学习社区中生成的独创性较强的知识内容(如科学或艺术类知识创作内容),可以以所有权型NFT进行流通,实现知识内容的变现。服务型NFT可证实知识内容及属性的真实性。数字化学习社区中生成的具有代表性的知识内容,可以以服务型NFT进行传播,让创作者享受声誉方面的收益或成就感。授权型NFT明确了知识内容的使用范畴。 数字化学习社区中应用性较强的知识内容,可以以授权型NFT方式鼓励其他人在授权范围内使用或继续完善该内容,实现知识的同享共创和价值最大化。

(五)完善认证机制,保障学习效果与学习成果的可信度

元宇宙中的学习者可能存在多重虚拟身份和数字化身,加强虚拟身份和数字化身的认证和管理,一方面可以减少可能存在的各种违规行为,另一方面可以更加准确地对个人的学习过程和学习成果进行确认。

元宇宙下数字化学习社区应做好学习者真实主体身份的确认。学习者创建的虚拟身份和数字化身应由学习者进行数字签名,并根据学习社区的规章制度限定活动范围和内容。虚拟身份和数字化身的行动可视为学习者的主观意志和授权行为。区块链技术的应用有助于对学习者及其虚拟身份和数字化身的学习轨迹、学习表现进行记录,保证相关数据匿名化和不可篡改。数字化学习社区可根据数字签名进行身份确认和数据归集,更加准确地把握学习者的状态并在必要的时候进行约束和追责。

五、结 语

元宇宙对数字化学习和数字化学习社区带来根本性影响,成为未来变革发展的新方向。数据、算法和算力已成为元宇宙快速发展的基础设施。数字化学习社区须提升对数据的重视和利用程度,加强算法的研究和应用,加大算力投资。元宇宙进一步丰富了数字化学习的本质,拓宽了数字化学习社区的教学时空边界。未来数字化学习社区还需要加强元宇宙下数字化学习生态体系的研究和应用,推进数字化学习社区的高质量发展,以满足未来更加多元化和智能化的学习模式。