教育数字人理论与实践探研*

2022-08-25吴永和

现代教育技术 2022年8期

奚骏吴永和

教育数字人理论与实践探研*

奚骏1吴永和2

（1．上海市复兴高级中学，上海 200434；2．华东师范大学教育信息技术学系，上海 200062）

在教育数字化转型的背景下，作为新兴信息技术代表的数字人应如何融合创新基础教育已成为研究者关注的焦点。基于此，文章首先对数字人的概念、特征、实现技术、应用现状进行了概述，之后引入教育数字人概念，阐述了教育数字人的基本内涵与六大特征；接着，文章提出了数字人信息模型，并在此基础上构建了教育数字人信息模型，阐释了教育数字人的关键技术；然后，文章分析了上海市复兴高级中学在信息技术学科中四个教育数字人具体应用场景的实践案例；最后，文章就教育数字人的未来发展提出建议，以期为教育数字化转型提供新技术和新场景。

数字人；教育数字人；信息技术学科；教育数字化转型；应用场景

引言

目前，我国正处于教育数字化转型的重要阶段，《教育部2022年工作要点》提出“实施教育数字化战略行动”，明确要求“指导推进教育信息化新领域新模式试点示范，深化信息技术与教育教学融合创新”[1]。教育部等六部门印发《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，指出要通过教育信息化新基建聚焦信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用、可信安全六个重点方向，构建六位一体的高质量教育支撑体系[2]。作为全国首个数字化转型示范区，上海市教委在《上海市教育数字化转型实施方案（2021-2023）》中提出要形成一批高质量、可复制、可推广的教育数字化转型经验和示范场景，基于增强现实和虚拟现实等技术实施沉浸式、体验式教学[3]。国家及地方相关政策的推出和实施加速了教育数字化转型的进程，同时也促进了新型技术的发展，其中数字人技术受到广泛关注。

数字人技术是教育的数字孪生，能够实现对教育的沉浸式模拟，通过对教育关系的精准映射、师生间的虚实交互，实现智慧教育，从而提升教育质量[4]。2001年，“中国数字人”项目开启，创造了中国首个数字人数据集[5]，自此，国内逐步对数字人技术及其在教育领域的应用开展了相关研究，但仍然存在一定的局限性。基于此，本研究从理论与实践两个方面对教育数字人的概念、特征、模型、技术、案例及建议进行探索研究，通过将数字人技术融合、创新基础教育，以期为教育数字化转型提供新技术和新场景。

一数字人概述

1 数字人的概念

数字人研究起源于1989年美国国立医学图书馆建立的“可视人体计划”（Visible Human Project），其原理是基于磁共振的数据，通过计算机图像技术建造虚拟人体[6]，主要应用于医学、生物仿真、基因的研究[7]。数字人也被称为“虚拟人”或“数字虚拟人”，通常是指具有拟人的形象且能通过语言进行表达、互动的高度拟人化的虚拟人物。严格来说，“数字人”含有三种不同的定义，但它们在实际应用中常被复合使用，本研究不做特别区分：①Digital Human，是真人的一种“数字孪生”，将真人与其生活进行1:1的数字化再现[8]；其典型应用是作为真人在虚拟世界的“数字替身”“虚拟分身”（Avatar），此应用与当下热门的“元宇宙”关系紧密，目标是使人类通过虚拟分身在虚拟世界与真实世界开展无缝衔接的生活[9]。②Virtual Human，是通过虚拟形象较真实地显示人体的生理状态与变化，并不强调与真实世界的关联。③Metahuman，是以AI为驱动，自动化完成与用户的互动，通常承担聊天、智能问答等工作[10]。

2 数字人的特征

数字人具有“有形象、会表达、能互动”三大普遍特征[11]，具体表现为：①数字人拥有拟人的外形，形象可以多元化，如二次元形象、3D卡通形象等，甚至可以是超写实真人形象，故突破了感知真实性[12]。数字人的形象需要通过屏幕、AR/VR等设备观看，不具有机器人的物理外形。②数字人具备语言、体态、情绪等方面的表达能力，说话时可以匹配口型、微表情、身体动作等，以实现高度拟人的“真情实感”。③数字人能够通过真人扮演或AI驱动来实现与用户的互动，以AI技术驱动的互动是目前研究的主要方向。

3 数字人的实现技术

数字人是通过技术集群实现的，其呈现过程通常是：形象设计→建模→动作捕捉→合成→渲染→实时交互。在实时交互阶段，数字人实现了与计算机动画（Computer Graphics，CG）的形态分割。帮助数字人实现高度拟人的实时互动技术主要包括：以边缘计算为代表的高算力技术，满足了实时视频数据处理的需要[13]；动态光场建模技术，是通过摄像机列阵将结构光、动态、重光照技术一次性集成，提升了建模的效率[14]；以空间信息及光流信息分流为代表的计算机视觉技术，实现了人体动作识别[15]，降低了内容制作成本；音频驱动神经辐射场技术，实现了通过语音信号生成口唇、微表情合成，取代了需要人工参与的光学捕捉设备[16]；以可微分渲染[17]、神经渲染[18]为代表的实时渲染技术，实现了高质量、高速度、低延迟的图像生成需求；多模态人机交互技术，支持数字人实现对师生与知识的精准刻画，具有自驱的“思考”与交流能力[19]。

4 数字人的应用现状

目前，技术的飞跃实现了数字人外貌精度从仿真到超现实仿真、应用难度从影像专业级到消费级、交互方式从人工到全自动的三方面演进。数字人的应用主要有四种类型：①“虚拟偶像型”，是具有明确人设的虚拟形象，相较于真人偶像更趋近于理想模型，是IP运营的个性化养成形态[20]，如清华大学推出的能唱会弹的虚拟学生华智冰；②“服务助手型”，是指数字人代替真人向真实用户提供服务，一般通过高仿真的人物造型结合职能场景，实现个性化服务工作，如浦发银行的虚拟客服小浦、多模态智能问答机器人、新华社的虚拟记者[21]；③“创作载体型”，是指将数字人作为内容进行开发，主要形式为社区创作与IP的结合，如关于早期虚拟歌手初音未来、洛天依的社区创作十分活跃[22]；④“数字替身型”，是指为真人打造虚拟形象作为替身，呈现虚实叠化[23]，目前主要应用于社交、娱乐等领域，如冬奥备战期间，谷爱凌通过数字分身参与了冬奥演播室的录制活动。2021年，国家广播电视总局印发《广播电视和网络视听“十四五”科技发展规划》[24]，提出要加快推进AI无障碍播报、虚拟主播等制播体系技术升级，表明“数字替身型”应用将会得到快速发展。

二教育数字人及其特征

1 教育领域的发展需求

数字人技术在商业领域涌现了大量的应用案例，建立了成熟的商业模式，但是该技术在教育领域的应用较为少见。究其原因，主要在于教育领域具有千差万别的用户需求，包括个性化教师、个性化学生、知识本体、学科特征、学段特征等，相较于商业场景只服务单一需求的用户而言显得尤为复杂且多样[25]。

当前，教育数字化改革的核心目标是提升教学质量，其实现的关键是对传统的教学过程进行高质量提升，其中包含三个方面：①沉浸式交互，能提供知识的感性表达途径，降低学生的理解难度，从而提升教学质量；②去中心化生产，能形成丰富的教学资源及形态，帮助学生扩展对知识的理解途径，从而提升教学质量；③个性化、智能化教学，能通过因材施教的教学方法，为学生提供符合其发展目标的、可以自主自由学习的服务，从而提升教学质量。

为此，本研究将对数字人技术进行一定的适应性改造，力求发挥其高度拟人化优势，并通过与教育数据、人工智能技术等的结合，构建出教育数字人的应用模型，服务于教学质量提升的核心目标。

2 数字人在教育领域中的内涵

在教育领域，数字人可以发挥拟人化的能力，实现对师生的模仿，从而创造新的师生交流形态，推动教学与学习的形式变革。此外，数字人在参与教育教学的过程中，还可以打破传统PPT板书、教具模型、平面网页形态软件的主要形式，对知识的教学形式、教学资源形式实现再造，为师生乃至管理者提供个性化、智能化服务工具，从而变身为教育专用的“教育数字人”。

综上，本研究认为教育数字人的基本内涵是以虚拟形象作为师生的表象，同时以“代理人”的身份，为知识传递提供更有趣、更智能的途径：①从形式上来看，教育数字人主要是对师生的形态、感知、工作方式进行智能化模拟，从而承担师生的数字替身、学科智能助教等多种形态的工作。相较于硬件机器人、平面的软件界面而言，教育数字人无论是从感官上还是从感知上都具有高度的拟人特性。②从功能上来看，教育数字人主要是作为师生与知识之间信息传达的代理人，为师生提供全新的交流互动形态、内容资源形态、信息表现形态、情感流动形态，在教育过程中满足沉浸式教学方式、去中心化内容生产、个性化教学服务、智能化教学服务等需求。

3 教育数字人的六大特征

通用型数字人具有“有形象、会表达、能互动”三大特征，在商业领域通过模仿偶像、客服实现对用户的服务。延伸至教育领域，教育数字人既以师生为模仿对象，又以师生为服务对象，扮演虚拟教师、虚拟学生、虚拟助教等多元角色，从而实现创新的知识传递形式。教育数字人是对数字人技术在教育应用中的进一步深化，本研究认为其特征主要表现为师生交互、知识情境、技术实现三个方面。

（1）师生交互方面

①多元角色。吴永和等[26]指出，数字人技术对从教师到学生的传统信息流转关系进行了全新解构，真实与虚拟的双方承担多元化职能，打破了传统界限。例如，虚拟教师作为助教，配合真实教师实现双师课堂、翻转课堂——该虚拟教师既可以由教师扮演，也可以由学生扮演。当学生扮演助教时，其本质是“优秀学生”通过使用符合学生习惯的用语，弥补教师用语的固化，从而提升课堂的教学质量。

②虚实统一。数字人所扮演的虚拟师生与真实师生是统一体，虚实角色之间是平等的。虚拟教师或虚拟学生是真实师生的载体，可以为真实师生提供完整的情感投射。数字人的虚拟形态可以完善原有的情感流动机制，放大情感交流的效能，确保真实情感在代理过程中不发生损耗与偏差。

（2）知识情境方面

①开放生态。教育数字人为知识重构、资源创新、数据供应、情境再造提供了有效的支撑，让师生都能成为教育资源的供给方，打破了自上而下的传统专业内生成的内容（Professionally Generated Content，PGC）生态，通过达成去中心化的用户生成的内容（User Generated Content，UGC）创作共识，快速提升教育资源的质量与数量。

②感性沉浸。学生更容易理解具象化的知识，教育数字人可实现对真实世界的虚拟再现，并通过虚实结合的知识传达方式，帮助师生共同打造新型的虚拟教学场景，使师生双方均获得临场感，实现与知识的共情。

（3）技术实现方面

①因材施教。教育数字人在视觉上是师生个性展示的新途径，包括审美、喜好、文化背景等。教育数字人打破了真实面貌、行为习惯所产生的认知偏差，可实现对师生个性的深度表达。在技术层面，教育数字人结合师生的学习数据、认知数据、发展目标等数据，结合智能决策系统，实现个性化的教学服务，满足学生因材施教的需求。

②自我进化。在智能化方面，教育数字人可承担智能助教、虚拟教师的职能，通过智能系统有效减轻教师负担。教育数字人通过学习专家型知识、师生交互数据等实现自我进化，令人机互动的结果更接近真实。同时，针对教育智能要素和服务对象的复杂性，教育数字人在自动化工作的过程中需实施及时警报的机制，在自动化与人工之间实现无缝协作，以避免因不够成熟的自动化行为而对师生产生负面影响。

三教育数字人的信息模型

数字人是数字化的一种新技术形态。祝智庭等[27]认为，数字化的本质是将信息转化为数据并实现处理，其过程包括信息的采集、输入、加工、输出、交互。而数字人进行的是多模态交互，因此蔡苏等[28]指出相对平面软件数字人具有视觉、听觉等综合感知。

图1 数字人信息模型

基于上述分析，本研究提出了数字人信息模型，如图1所示。其中在采集、交互两个阶段，数字人的信息表达是多模态的，表达形式包括语言、文字、图像、动作等；而在处理阶段，主要是对采集的多模态数据进行形象动态的合成，主要技术包括CG建模、边缘计算、实时渲染、语音合成、动画和成等。另外，交互阶段将合成的形象动态与知识图谱、智能决策系统等技术进行结合，实现多模态交互，其交互形式分为人工、智能两种。

以数字人信息模型为基础，为满足服务教育的需求，本研究构建了教育数字人信息模型，如图2所示。教育数字人的主要服务对象是教师与学生，通过多模态的信息处理，服务于知识传递与情境创造两个目标。

图2 教育数字人信息模型

从本质上来说，教育数字人信息模型在整体信息处理方面与数字人信息模型别无二致，但由于教育领域具有强烈的教育化特质，因此教育数字人在信息处理过程中增加了大量的师生个性化数据，这一点相较于商业应用显得复杂许多。

教育数字人信息模型首先通过计算机视觉、语义识别、动态捕捉等技术实现对师生语言、情绪、行为、身份等的多模态数据采集，使采集的数据与更多的师生个性化数据相结合，其中学生的个性化数据包括学习数据、发展目标、认知风格等，教师的个性化数据包括教学经验、教学标准等。随后，通过表情合成、边缘计算、语音合成等技术，在视觉层面实现形象处理，在数据挖掘层面实现学习者风格模型、教学推荐模型、学习成本模型等模型的构建，为智能化交互做准备。最后，通过知识图谱、情感计算、联邦学习等技术，结合个性化模型、实时数据、视觉形象等，最终实现知识的多模态传递与沉浸式的教学情境创造，从而完成师生间的信息与数据转化。

四教育数字人的关键技术

除信息模型层面外，还需要从技术层面解决教育数字人所面临的教育可用性问题：①满足沉浸式教学需求下的师生身份与信息安全；②满足去中心化生产需求下的低成本与精度平衡；③满足个性化与智能化教学需求下的数据融合，以建立师生的完整信息模型。为解决上述问题，教育数字人除了运用通用数字人技术，还需要特别关注以下关键技术：

（1）区块链技术

在多模态数据采集阶段，教育场景中的师生关系需要严密的身份认证机制，以避免因虚假身份而造成的信息不安全问题。通过区块链可追溯、不可篡改的智能合约机制，能够确保在数字化的虚拟形象背后，师生的身份、信息流转、信息存储均处于与真实对应、安全、稳定、透明的状态。由于区块链技术本身存在交易吞吐率（Transaction Per Second，TPS）的问题，因此通过终端硬件设备来实现信息采集与认证也可作为替代模式。

（2）计算机视觉的动作捕捉技术

在多模态数据采集阶段，计算机视觉的动作捕捉技术能够帮助教师个人实现低成本面部与体态的捕捉。虽然计算机视觉的动作捕捉技术与光学式、惯性式动作捕捉在精确度、稳定性方面有一定的差距，但此技术切实降低了教育应用的门槛，在性能与效能间达到了平衡，为去中心化的优质教育资源创造提供了支撑。

（3）基于AI的精细化表情合成技术

在形象处理阶段，服务与教育数字人的“虚实统一”的特征、表情的精细化再现，是虚拟师生能够完成情感投射的重要因素。马萨诸塞大学与Adobe研究院等机构共同提出将发音方式与说话人身份进行区别控制的方法，以缓解现有的口唇生硬配合的不自然问题[29]。该研究认为音频的发音方式与说话人身份无关，不管谁说“啊”都需要将嘴张开，但说话人的身份决定了面部表情的细节，不同身份的人说“啊”时嘴唇张开幅度、鼻眼与头部的动态有显著区别。该研究结果可提升数字人表情的自然性，并实现通过语音对表情进行预测。在空中课堂直播中，当高并发堵塞网络造成画面延迟时，该项技术可对师生面部表情实时自动修补，以确保师生双方的情绪与情感被完整表达出来。

（4）数据融合技术

在多模态交互阶段，要做到个性化教学与多模态交互，需要对多模态的信息（即文字、视频、图像、语音、动作等）实现处理，并打破数据边界，建立完整的师生数字模型。通过专家型学科知识库与知识图谱技术的配合，可以进行知识关系的推理与问题理解，实现“自主教学”的能力[30]；通过情感计算等技术，可以让师生的认知、心理等情感数据进入个性化建模的层面，从而保障教育智能的完整性；通过联邦学习、数据挖掘技术的配合，可以实现跨系统数据、跨模型的联合建模，避免数据孤岛问题[31]。

五教育数字人的实践案例

在教育数字人六大特征的影响下，为实现教师、学生和知识情境三方联动的优化，从而实现教育质量的提升，本研究总结了教育数字人的内部关系与作用（如图3所示）：①在多元角色、虚实统一特征的影响下，师生间的交互出现新形态，促进了教学方式的深度挖掘，如开展双师课堂、个性化智能助教、翻转课堂等，这提供了差异化教学的途径；②在开放生态、感性沉浸特征的影响下，让师生参与沉浸式教学内容的创作，可以快速创造出多样且匹配度高的教育资源形态；③在因材施教、自我进化特征的影响下，将教学过程中的师生个性化数据充分融合，可以实现对师生行为、认知、偏好等的动态理解，从而提供个性化学习路径。

图3 教育数字人的内部关系与作用

结合教育数字人的内部关系与作用，本研究以上海市复兴高级中学的四个具体应用场景实践为切入点，对教育数字人在教育质量提升方面的具体作用进行了观察。该校将教育数字人技术引入信息技术学科的教学，承担信息技术手段、学科教学内容载体两个方面的功能，从而实现该学科教学质量与智能化程度的双提升。

1 学科智能助教辅助实现个性化指导

该校通过智能助教对学生进行个性化指导，是充分利用智能交互手段，为学生提供个性化学习途径的典型案例。高中信息技术学科的知识组织具有逻辑顺序清晰、偏直线式而非螺旋式、边界相对明确的特点，可以在系统中构建校本知识库，利用知识图谱、智能决策系统来实现智能问答交互，弥补实践环节欠缺[32]。智能助教建立在云端的编程实验环境之上，通过对学生编程过程的数据监控，向学生推荐个性化学习内容或在代码过程中提供指导，为学生完成信息学科的自主学习提供支持，同时降低教师个性化教学的难度；同时在数据的累积过程中，实现系统的迭代与进化，提升系统的智能程度。

2 虚拟教师智能合成完成高效微课制作

为快速积累教学资源，以服务上海市于2021年秋季启用的新版信息技术学科教材，该校采用虚拟教师智能合成系统，实现高效的微课资源制作，是教育资源形态优化方面的典型案例。如图4所示，在指定虚拟教师形象并为其设置脚本文本、授课素材后，系统将合成形象、语音、语调、口型、动作、讲课内容，实现以虚拟教师为主讲人的授课视频。由于无须教师本人出镜、出声，因此该系统提升了资源录制、修改的便利性，降低了教师工作难度。

3 师生扮演虚拟角色丰富课堂表现

该校采用虚拟形象直播系统，实现了师生在视频流中以虚拟形象示人的功能，是差异化教学途径的典型案例。具体来说，虚拟角色有三种应用：①采用双师授课的形式。如图5所示，真实教师与虚拟教师共同实现双师课堂，这样通过多维的表达方式进一步丰富了知识传递的视角。②在线上课程中师生以虚拟形象替换视频流中的个人形象，增加了线上教学的趣味性，提升了师生的课堂参与度。③构建虚拟会场，开展虚实融合的沉浸式讲座。主讲教师与学生均以虚拟形象进入会场，并且授课资料、教室会场均融入在虚拟场景中，这样学生可以在虚拟会场中自由行走、获取资料并实现社交。虚拟会场与真实讲座现场并行，两者获得的信息需求一致，共同创造有趣的知识情境。

图4 虚拟教师合成后画面

图5 真实教师与虚拟教师共同实现双师课堂

4 以信息技术学科为核心建设跨学科课程

信息技术课程旨在全面提升学生的信息素养[33]，而为了支撑信息素养的发展，该校将数字人技术作为知识充实到学科内容之中，并挑选与学科密切相关的技术内容进行校本课程建设，以提升学科教学质量。例如，可以在信息技术学科中选取语音识别、文本挖掘等数字人相关技术，以开展专题学习；也可以将信息技术与多媒体、艺术欣赏等模块相结合，通过“信息技术+”的学科融合教学，将信息技术贯穿于更多学科的教学之中，以帮助全体师生在实践与应用的过程中实现信息技术素养的提升，如将合乎规范的数字人技术与艺术课程相结合，帮助学生实现虚拟人物的艺术创造。

六教育数字人的未来发展建议

目前，教育数字人仍然处于实验阶段。为促使教育数字人从“代理人”发展为“独立的教育智慧体”，从而助力实现教育数字化转型，本研究针对教育数字人的未来发展提出如下建议：

1 理论研究

教育数字人实现了教学体验的创变，特别是在多模态的人机交互这一环节中，但其在情感表达能力方面还需要进一步提升，以摆脱“代理人”的局限，而成为独立的教育智能体。本研究认为，可以结合认知科学、教育心理学、社会学等的相关理论开展进一步研究，在情感反馈、情感互动机制等方面实现突破并获得更广泛的教育价值。例如，小初阶段师生的年龄差距大，容易形成学生“怕”老师的局面，而通过教育数字人的恰当应用，可以缩小代际鸿沟；在校园心理干预的场景下，结合健康心理学的相关理论研究，可以实现高效的青少年心理干预，消解其面对真人辅导时的抗拒心理。

2 技术深化

教育数字人在视效方面已经具备了良好的技术基础，但其在智能化交互方面仍然需要进一步提升。本研究认为，可以通过进一步挖掘师生的个性化数据，来实现精准化的情感计算、认知计算、学习成本计算，并建立相关模型，从而确保智能化交互的精准度和个性化的匹配度。

3 应用开发

“应用为先”是教育数字化转型的核心，应该使技术适应教育场景，而非教育场景迁就技术。本研究已验证高中信息技术学科的成效，未来研究可以将经验拓展至其他学科和相关领域，如基础教育阶段的学科知识大多是螺旋上升式的，不仅要考量知识的继承关系，还需考量不同年级的知识分层；文科科目知识关系相对模糊，应关注如何建立能够量化考察的知识结构；教育数字人作为独立的教育智慧体，应具备相关学科的某些强烈特征——正如现实中的数学老师与音乐老师的教学方式完全不同，这就需要避免“一刀切”的技术应用方式。

4 政策落实

从宏观角度来说，教育数字人在教育领域的发展前景可观，而作为教育数字化建设进程中的一环，其效能建立在教育资产整体数字化建设的基础上。本研究认为，可以通过全面推进数字化转型的战略部署，使各层级的教育单位更加深入地认识和理解教育资产的数字化，从而形成有效的工作分配机制与管理机制，确保数字化技术在教育领域的应用。从上海建设备课、教学、作业辅导三大助手来看[34]，教育数字人能够实现对这三大应用场景的效能提升与体验变革，是对具有宏观性、前瞻性的政策面建设的有效落实与创新。

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Research on the Theory and Practice of Educational Digital Humans

XI Jun1WU Yong-he2

Under the context of the digital transformation of education, how the digital human as a representative of emerging information technology integrates and innovates basic education has become the focus of researchers. Based on this, this paper firstly, outlined the connotation, characteristics, implementation technology and application status of the digital human, subsequently introduced the educational digital human concept and expounded on the basic connotation and six characteristics of educational digital human. In addition, this paper proposed the information model of the digital human, established the information model of the educational digital human on this basis, and elucidated the key technologies of the educational digital human. Then, this paper analyzed the practical cases of four specific application scenarios of the educational digital human in Shanghai Fuxing Senior High School in the subject of information technology. Finally, this paper put forward suggestions for the development of the educational digital human, expecting to provide new technologies and new scenarios for the digital transformation of education.

digital human; educational digital human; the subject of information technology; educational digitalization reform; application scenarios