元宇宙赋能教育的应用领域与技术基础

●杨俊生 李月玲

1992年，美国作家尼尔·斯蒂芬森在其科幻小说《雪崩》中首次提出“元宇宙”的概念。在此书中，作者将“元宇宙”描述为“电脑将这片天地描绘在他的目镜上，将声音送入他的耳机中”[1]的一种虚拟世界。自此，“元宇宙”概念进入人们的视野。2021年，Facebook(脸书)将公司改为Meta(元宇宙，Metaverse的简写)，并对元宇宙部门增加投资达百亿美元。Mate公司的这一行为引起计算机网络行业的轰动，使“元宇宙”成为新世纪计算机科学的一个热门课题。学术界以Facebook这个标志性事件为起点将2021年确定为“元宇宙”元年。于是，“元宇宙”真正进入学术研究视野，成为不同学科的研究热点。

虚拟现实技术的发展使得元宇宙的构建开始落地。元宇宙是一个充满未知和挑战的领域，也是一个充满机遇和想象的领域。只有不断探索、创新、发展，才能够让元宇宙真正成为人类社会的一部分，为人们带来更多福利和价值。元宇宙的出现给人们带来更加丰富的虚拟体验，特别是对教育发展将产生深远影响。

一、元宇宙的本质

要想探讨元宇宙对教育的影响，必须从不同学科对元宇宙进行深入分析，才能从多维视角反映出元宇宙的真实面貌，才能把握元宇宙的本质。

(一)哲学视角——元宇宙的思想之源

哲学对元宇宙的研究主要是对其本质的追问。杨爱华认为，元宇宙的哲学思想之源泉是“远古神话中的理想世界”“古希腊哲学中的理想世界”“普特南的‘钵中之脑’”[2]。安维复从“元宇宙”概念入手，得出“元宇宙是现实世界的镜像，这种镜像世界是对现实世界的反映或仿真，这就要求我们正确处理现实世界与它的镜像世界的本原与派生的关系，本真与仿真的关系，‘原本’和 ‘摹本’的关系”[3]。张曦认为，当前的元宇宙是一种“工业元宇宙”，是“一个遥远的科技愿景，是高速通信、超级计算、脑机链接、区块链、仿真生物学等多门类新兴科学知识在未来得到极大发展后才可能出现的一个工业技术现象”[4]。

平行宇宙是元宇宙建构的底层逻辑。在真实世界的基础上构建一种虚拟世界，二者之间建立一种极度相似的环境，并可达到某些真实世界的替代功能。平行世界在先秦哲学中已经以寓言神话的形式出现，庄子在《逍遥游》中以超乎现实的想象构建一种对现实世界的映射，显现出元宇宙的雏形。柏拉图的“洞穴隐喻”展现出来的现实世界与影子世界，处于影子世界的囚徒最终不相信真实世界的存在，认为影子世界才是真实世界。柏拉图对现实世界与影子世界的“洞穴隐喻”是西方哲学对元宇宙思考的源头。马克思对物质与意识进行科学分析，形成物质世界与意识世界的辩证统一的观点。马克思主义提出物质第一性，意识第二性，物质决定意识，意识的能动性又会对物质产生反作用的观点。从本质上而言，物质世界与意识世界二者之间是本体与映射的关系，为元宇宙奠定了坚实的哲学基础。宇宙哲学的研究在逐步突破人们对现有宇宙的认知，特别是对平行宇宙的探讨，对人类生存宇宙之外的宇宙进行思辨性分析，从三维空间到多维空间，认为人类生存的宇宙不过是多重平行宇宙其中之一。[5]宇宙哲学对平行宇宙的阐释为元宇宙提供了更为开阔的探索视界。

(二)技术科学视角——元宇宙的技术之基

在技术科学视角下，元宇宙是一个分布式的虚拟空间，它可以让用户在一个虚拟环境中进行虚拟交流和创作。其核心技术是基于区块链的分布式账本技术，能够记录和存储各种虚拟资产，并且可以让用户在空间中创造自己的虚拟世界。元宇宙是一个虚拟空间，它结合了虚拟现实、游戏、社交媒体和商业等技术，为用户提供一个可以自由创造、交流和互动的空间。元宇宙允许用户在虚拟世界中创造出自己的角色，并与其他用户进行交流。

元宇宙是以现代科学发展为基础，以人的意识世界为依托，在现实世界与虚拟世界之间建立起来的虚实结合的世界。郑刚认为，元宇宙以“区块链技术、交互技术、电子游戏技术、人工智能技术、智能网络技术、物联网技术”[6]为其重点技术支撑。马化腾认为，元宇宙本质是全真互联网，在元宇宙内用户将实现更为真实的体验。[7]阿里巴巴的谭平认为，元宇宙的本质是新一代互联网，其基本的技术支撑为虚拟现实技术(VR)与增强现实技术(AR)。[8]宁焕生认为，元宇宙是一种更为广义的网络，是在物联网与各空间进行深度融合之上而构建起的网络与网络能为空间的统一。[9]总体来看，元宇宙在技术的本质上就是一种网络，在此范畴下将网络功能最大化、最优化、人性化，网络技术科学的突破程度决定元宇宙发展的高度。

(三)社会学视角——元宇宙的应用之域

元宇宙由许多虚拟世界组成，是一种分布式的虚拟空间，虚拟空间之间可以互相连接。这种虚拟空间的出现，将改变人们的社会形态，并给社会带来许多新的可能性。

从社会学的角度看，元宇宙可以被视为一个新的社会空间，它将改变人们的社会交往形式以及人们对社会的认知。元宇宙能够改变人们的社会角色，使人们拥有更多自由，拥有更多虚实结合的社会身份，从而更好地发挥自身的潜力。元宇宙还可以改变社会结构，使社会更加开放、灵活，从而促进社会的发展。

1962年，梅棹忠夫在《信息产业论》中提出“情报(信息)社会”的概念，在此著作中梅棹忠夫预见了信息技术的发展对现实社会结构、功能、运行规则的改变。[10]元宇宙是基于信息产业高度发展所建构的，必然会对社会关系产生深刻影响。喻国明等人认为，元宇宙的发展对整个社会形态的影响，表现在对社会形态的再组织化。[11]但是，元宇宙建构的虚拟空间与现实世界之间就如函数曲线与数轴之间的关系，是一种无限接近但永远不可能完全重合的关系。因此，元宇宙在现有技术条件下，最大限度地做到对现实世界的虚拟拓展，是对现实身份的数字符号化，但尚不能达到对现实世界的完整克隆化。

Roblox公司提出元宇宙八大基本特征是身份、社交、沉浸感、低延迟、多元化、随时随地、经济系统和文明。元宇宙在技术上的可实现性，对社会生活的影响不仅停留在对生产力的改变，而且是在生产力改变基础上形成的生产关系的改变。元宇宙对生产关系的改变，不仅影响人们生活与生产层面，而且触及人的精神层面。元宇宙是通过虚实结合建构起的社会关系，在此社会关系中必然存在一整套社会运行系统与运行规则，甚至这种规则会强有力的反作用于整个与之相联系的现实社会。“毋庸置疑，元宇宙对传统‘虚拟现实’的升级或新的‘现实增强’将对教育、娱乐、医疗、军事、社交等领域具有积极作用。”[12]

二、元宇宙赋能教育的应用领域

元宇宙赋能教育的意义在于打破了传统教育的时空限制。传统教育学生必须亲自到学校上课，教育者只能在特定教室中进行教学，师生之间必须在传统教室场域内进行互动。随着现代信息技术的发展，元宇宙可以为教育者与受教育者提供一个虚拟的学习环境，使得他们可以在任何时间、任何地点进行学习。元宇宙对教育赋能大大提高了教育的灵活性、拟真实性与教学效率。从应用范畴而言，元宇宙赋能教育的五大领域是虚拟课堂的建构、增强教育现实、虚拟实验、分布式学习与游戏化学习。

(一)虚拟课堂的建构

虚拟课堂在元宇宙中是一种全新的教育方式，它利用虚拟现实技术，让学生可以在任何时间、任何地点进行学习。虚拟课堂的优势在于可以提供多种虚拟学习体验，如虚拟演示、虚拟实验室、虚拟实训等，让学生更好地理解课程内容。此外，虚拟课堂也支持多人协作，让学生在虚拟环境中交流和学习，有助于增强学生的团队合作能力和沟通技巧。虚拟课堂的应用范围非常广泛，可以应用于各种教育领域，包括学校教育、职业培训、企业培训等。虚拟课堂的出现，不仅提供了更加便利的学习方式，而且为教育行业带来更多机遇和挑战。

虚拟课堂可以让学生在虚拟空间中体验课堂，而不用担心距离或者其他问题。教师设计一个虚拟课堂，确定学生和教师在其中的角色，使用元宇宙中的3D建筑和空间布局来创建一个真实的课堂环境。为了更好地管理虚拟课堂，教师利用元宇宙中的权限管理系统，对学生用户和教师用户进行角色分配，以实现安全性和可控性。在元宇宙中，创建一个教师用户，该用户管理虚拟课堂的内容，如教学计划、作业、测验等。学生用户加入虚拟课堂，参与课堂活动，如讨论和小组活动等。在元宇宙中，教师还可以利用聊天室、虚拟白板、视频会议等工具，为虚拟课堂提供更多的互动功能。

(二)增强教育现实

AR通过将虚拟内容与现实世界相结合，创造出更加丰富和沉浸式的体验。AR通过智能设备，如智能手机、平板电脑、智能眼镜等，将虚拟图像、声音、视频等信息叠加到现实场景中，使用户通过感觉通道接受场景中的信息，并使自己与虚拟内容互动。这种技术可以应用于多个领域，如教育、娱乐、医疗、建筑等，为用户提供更加生动、直观和实用的体验。AR的不断发展和创新，为未来的数字化世界带来更加广阔的发展空间和无限可能性。

元宇宙是一种虚拟现实环境，它可以让用户在其中创建和参与虚拟现实体验。将元宇宙与AR结合，能为教育提供更多可能性，为学生提供一个更加接近真实的学习环境，在此场域下，学生能更好地理解知识，提高学习效率。在元宇宙建构的虚实结合的教学环境中，元宇宙与AR可以应用于教学的重要环节与关键方面。如，元宇宙可以建立虚拟实验室，学生们在虚拟实验室中进行拟真性实验，而无需真实的实验室。AR让学生在实验中更好地理解现象，并能够更深入地探索实验结果。除加强实验之外，元宇宙与AR还可以建构增强课堂、增强实习以及增强导师功能。其基本原理与加强实验基本相似，即元宇宙形成一种与教学高度吻合、并不受现实条件局限的虚拟环境，学生可以在此环境中进行相应知识、技能的学习与训练，AR有利于学生更好地把握需要掌握的内容。

(三)虚拟实验

元宇宙用于教育中的虚拟实验，能为学生提供一个多维度的学习环境。元宇宙可以提供多种现实中不存在的虚拟实验工具，学生可以在近似于真实环境的虚拟实验中反复模拟实验的过程，特别是对一些危险性高、实验环境要求苛刻、实验损耗极大的实验而言，元宇宙建构的虚拟实验完全可以克服真实实验存在的一切弊端。更难能可贵的是，元宇宙虚拟实验可以反复进行实验，直到达到最理想的结果。学生可根据虚拟实验结果进行分析与推理，使其更好地理解实验内容，学生体验到实验的过程而不用担心实验可能带来的危险与损耗，使其更加轻松地掌握知识。

另外，元宇宙可以按照实验进程进行分析提供虚拟实验报告，使学生依据虚拟实验结果所提供的实验报告更好地理解实验内容，从而为进一步优化实验提供参考。元宇宙还可以提供虚拟实验演示，把虚拟实验的结果用动画的形式展示出来，使学生更好地理解实验的内容。

(四)分布式学习

分布式学习是一种机器学习技术，它将学习任务分散到多个机器上，并利用多台机器中的全部计算资源优化学习过程。元宇宙将分布式学习进一步优化，使用全部学习资源并将其精华加以整理归纳提供给学习者，让学生跨越时空的限制，更加便捷地参与到学习中，更好地利用资源。

元宇宙使用分布式学习和分布式部署过程支持大规模机器学习任务，其基本过程是：先将任务训练数据分割成若干个块，然后将每个块分别发送到不同的机器上进行处理，最后将结果归入一个机器上，用于最终计算结果的汇总。这个过程允许机器间相互通信，共享结果，以尽可能有效地实现更大规模的数据处理。首先，元宇宙通过异步分布式架构，在元宇宙中的运算单元之间传递增量数据和参数更新，使用Map—Reduce算法(一种用于大规模数据集的并行运算编程模型)并行处理数据，实现分布式参数优化。其次，元宇宙通过消息传递的架构，在元宇宙中的多个运算单元使用点对点的消息传递方式，进行参数传输和交换，协作计算。最后，元宇宙采用边界条件协议在元宇宙中设定边界条件，使多个远端计算节点可以以一致的方式进行分布式学习，并使用优化算法训练，实现分布式学习的效果。

(五)游戏化学习

游戏化学习是一种建立在元宇宙技术基础之上，以游戏元素为媒介的学习方法。它将实时3D环境和游戏元素相结合，实现一种全景化的学习方式。游戏化学习可以将学习内容联系实际，更容易引起学习者的兴趣，从而促进他们深入学习。游戏化学习可以让学生更轻松地掌握知识，提高学习效果。

元宇宙的游戏化学习可以大致分为四个方面：其一，开发虚拟世界，设计规则、角色和任务，让学生在游戏的角色扮演中完成学习任务，提升学习乐趣。其二，以游戏驱动任务动机，利用虚拟社交网络、竞争及优化任务组织形式，让所学内容变得生动有趣。其三，虚拟空间的沉浸式学习，通过改变虚拟世界的元素，避免单调情境引起的学习疲劳，激发学生的学习意识和学习兴趣。其四，在游戏中进行学习总结，元宇宙定期对学生游戏学习过程中的成就、技能、知识、态度等进行跟踪和总结，为学生提供系统性反馈，并通过学习总结让游戏乐趣与学习内容结合的更为紧密。

三、元宇宙赋能教育的技术基础

元宇宙构建的虚实结合的系统为教育提供了坚实的技术支持，能够使教育的时空最大限度的拓展。元宇宙赋能教育可以打造“一站式”的互联网教育生态，实现教育资源的有效整合与优化，全面提升教育资源的利用效率，扩展教育服务的覆盖范围，实现教育服务的智慧化和普惠化，真正实现教育资源的共享和利用。元宇宙是一个基于区块链技术的虚拟世界，旨在为教师与学生提供一个安全、可信赖的虚拟空间，可以使教师与学生安全地进行自我情境创设、社交活动。杨爱华认为：“元宇宙的技术支撑是以脑机接口技术、人工智能技术为基石，数字孪生技术、电子游戏技术、区块链技术等为核心的诸多相关技术共同组成的技术群建构起来的。”[13]元宇宙赋能教育是以建构完整的技术支撑为基础，以特定的技术逻辑加以运行。

(一)智能合约

智能合约是一种可以实现自动执行的计算机程序，能在不受任何第三方影响的情况下实现自动执行。元宇宙是一个去中心化的数字资产及身份管理平台，旨在构建一个可以实现数字资产、身份及数字合同的去中心化的虚实结合的空间。元宇宙智能合约是一种可以实现自动执行的智能合约，满足多方需要，实现多方协议的自动执行，帮助用户安全地进行财务交易和社交活动。元宇宙智能合约的技术基础是由智能合约基础架构、智能合约编程语言、智能合约编译器、智能合约部署器以及智能合约监视器构成。智能合约采用 Solidity 语言(一种智能合约高级语言)进行编程，通过Truffle(针对基于以太坊的Solidity语言的一套开发框架) 编译器将程序编译为可以在元宇宙区块链上运行的代码，智能合约部署器将编译后的智能合约部署到元宇宙区块链上，以实现多方协议的自动执行。智能合约监视器实时监视智能合约的运行情况，可以实时发现智能合约的异常情况，并进行及时处理。

元宇宙智能合约赋能教育，在师生之间可以以代币形式加以运行，从而激励学生的学习行为。在虚实结合的元宇宙教育环境下，智能合约可以应用于创建学生证书和成绩记录、构建虚拟教室和学习资源、形成教育评估和反馈、提升学生管理和安全等方面。

(二)数字身份

数字身份是一种可以让用户在元宇宙中安全地进行财务交易和社交活动的机制，帮助用户确保自己的财务和社交活动的安全性。数字身份进一步拓展虚拟世界的功能，实现社会资本的转移，实现新的经济模式。元宇宙提供一种全新的虚拟经济系统，允许用户使用数字货币进行交易，并可创建和发行数字资产。它依靠安全的、契约性的智能合约系统建立起复杂的、基于区块链的社会关系，进而实现社会资本的转移。元宇宙的数字身份还可以提供一种全新的应用程序开发平台，让开发者创建和发布自己的应用程序以及提供一种新的数据存储机制，实现大规模的数据存储和管理。元宇宙将用户的数字身份和虚拟资产连接起来，支持多种虚拟货币交易以及多种虚拟货币的跨链交易。

元宇宙数字身份在教育中发挥重要作用，学生身份认证、学生档案管理、虚拟教学与实验以及师生、生生交流都可以应用。如，教师在虚拟课堂中使用元宇宙数字身份进行学生身份认证，确保只有合法的学生可以进入教室参加课程。

(三)资产桥接

资产桥接是一种让用户在元宇宙中安全地进行财务交易和社交活动的机制，它可以帮助用户将实体资产转换为数字资产。桥接技术使用智能合约技术、多链技术与可信赖的桥接技术，使元宇宙与其他区块链之间创建起可信赖的桥梁，用户能够在不同区块链网络之间进行资产转移，而无需担心资产被篡改或者被其他人盗取，确保用户在不同区块链网络之间进行资产转移时的安全性和可靠性。

元宇宙资产桥接在教育中发挥重要作用，可以为学生提供更加互动和有趣的学习体验。如，学生可以使用元宇宙中的资产模拟实验室设备和实验试剂，并通过使用虚拟现实技术模拟实验室环境；可以通过元宇宙中的资产桥接参观世界各地的博物馆、历史遗迹和其他文化场所，让学生更深入地了解不同文化和历史。此外，元宇宙资产桥接还可以为教育提供更加丰富、有趣的互动学习体验，帮助学生更好地理解课程内容，并将其应用到实际情境中。

(四)公证机构

元宇宙是一个开源的公共区块链，它为社会组织实现了一个公共公证系统和一个自治的治理模型。公证机构是一种可在元宇宙上实现安全认证的机制，可以帮助用户安全地进行财务交易和社交活动，旨在为用户提供一种安全、高效、低成本的方式注册和转移数字资产，并创建和交易数字身份以及自主治理的社会组织模式，允许用户在区块链上注册数字资产、数字身份和智能合同。元宇宙的自治治理模型允许用户创建和管理自己的社会组织，在智能合约和数字身份的帮助下建立一个安全、透明和高效的公证机构。元宇宙还为元资产提供了一个分散化的交换工具，允许用户在不需要第三方中介的情况下安全地交易数字资产。

在教育中，元宇宙的公证机构可以建立以代币形式的教学平台，师生能在虚拟环境中参加课程，并以代币对学生学习进行奖励或处罚。元宇宙公证机构作为一个可信的平台可用于学历认证，其方法是学生将学历证书上传到元宇宙，通过公证机构验证其真实性。在学生学习结束之后，用人单位可以通过网络确定学生的学业资格，查寻公证机构出具的学生相关技能与知识的学习证明。

(五)智能资产

智能资产是一种可以实现安全认证的机制，帮助用户安全地进行财务交易和社交活动，也可以帮助用户实现资产的自动管理和自动交易。元宇宙智能资产是一种基于区块链技术的虚拟资产，它可用于衡量虚拟世界中的财富，这些财富可以用于交换物品或服务。元宇宙采用加密技术和双重认证系统，防止非法访问和滥用以确保资产的安全性和可靠性；采用可追溯的区块链技术，以便能够追踪资产的流动情况，帮助用户更好地了解资产的来源和流向；采用定期检查和更新系统，以确保资产的可信任性。因此，元宇宙使用可靠的区块链技术，使其资产具有安全性、可靠性、可追溯性与可信任性。

从资本角度来审视元宇宙智能资产在教育中的作用，元宇宙可以构建虚拟的教学环境，如虚拟实验室、虚拟实景教学、虚拟实习等，既可以接近真实要求，又可以最大限度控制教学成本。同时，在教学中教师以智能资产对教学效果进行奖惩，提高学生的学习效率。

四、结语

元宇宙是一种虚拟宇宙，它是一个由计算机网络构建的虚拟空间，其中可以容纳用户虚拟角色以及他们的虚拟物品，可以让用户在其中进行社交活动、分享信息、娱乐、学习和创造。从哲学的视角来看，元宇宙是一种新的认知空间，它可以让用户在其中自由地表达自我，自由地探索自己，自由地创造自我，从而获得新的认知体验。从技术科学的视角来看，元宇宙是一个复杂的技术系统，它需要各种各样的技术才能构建出来，如计算机网络技术、虚拟现实技术、增强现实技术、图形处理技术以及其他各种技术。从社会学的视角来看，元宇宙可以让用户在其中发展新的社会角色进行社会活动、社交交流、分享信息，形成新的社会关系，从而影响社会发展。

元宇宙基于区块链技术的身份识别，可以让学生和教师在虚拟世界中进行身份认证，从而确保教育信息的安全性和完整性；利用多媒体和虚拟现实技术让学生和教师在虚拟世界中进行互动；利用智能合约技术，实现对学生成绩的收集和管理，以及对学习过程的记录和管理；通过数据分析技术，收集学生的学习数据，有效地指导学生的学习进程，辅助教师进行教学管理。元宇宙是一个虚拟的网络空间，可以为教育提供更加全面、有效的学习环境，使教育获得更多可能性，如跨越时空的虚拟实践、社交学习等。只有对元宇宙在哲学、技术科学以及社会学上的全面认知，才能从根本上分析清楚元宇宙赋能教育的技术逻辑。

总之，从元宇宙的运行现实而言，元宇宙是系统性的整体。元宇宙赋能教育有一整套完整的技术，并遵循不同于现实教育的技术逻辑，元宇宙对教育的作用是以整体系统的形式加以赋能。