元宇宙：下一代学习空间

薛耀锋，朱芳清，王 坤

(1.华东师范大学 教育信息技术学系，上海 200062；2.华东师范大学 上海数字化教育装备工程技术研究中心，上海 200062)

元宇宙(Metaverse)由前缀“meta”(意指超越)与单词“universe”(意为宇宙)的组合，描述了一个与物理世界相连的假想虚拟环境。“元宇宙”一词最早出现在尼尔·斯蒂芬森1992年创作的名为《雪崩》的科幻小说中[1]，元宇宙在其中是一个与物理世界平行的巨大虚拟环境，用户通过数字化身进行交互。元宇宙为教育提供了一个虚拟的、充满无限可能的学习空间，元宇宙在教育领域的应用值得深入挖掘与分析。本文将围绕以下问题进行深入探究：元宇宙的概念是什么？元宇宙的技术框架是什么，其中有哪些核心技术？元宇宙在教育领域当中有哪些应用场景？元宇宙与教育结合的未来发展是怎样的？

一、元宇宙的概念

自元宇宙(Metaverse)被提出以来，其作为计算机生成的数字空间被定义为各种各样的概念，如生活日志[2]、虚拟中的集体空间[3]、实体互联网/空间互联网[4]、镜像世界[5]等等。元宇宙的概念在不断发展，目前尚未有一个统一的定义。Lee等人认为元宇宙是一个融合了物理和数字的虚拟环境，由互联网和Web技术以及扩展现实(XR)的融合所促进[6]。维基百科提到“元宇宙是超越元和宇宙的复合词，是指化身从事政治、经济、社会和文化活动的三维虚拟世界，它被广泛用于基于日常生活的虚拟世界，真实与虚幻共存”[7]。

随着元宇宙的不断发展以及元宇宙在教育领域的应用不断加深，一些学者对元宇宙的教育应用进行了研究。华子雄等人从技术角度出发，认为元宇宙的教育应用可以理解为教师、学生、管理者等教育活动参与者创建数字身份，在虚拟世界中开拓正式和非正式教学场所，在虚拟教学场所进行互动[8]。刘革平等人则认为元宇宙的教育应用是利用新兴信息技术塑造的虚实融合教育环境，是虚拟与现实全面交织、人类与机器全面联结、学校与社会全面互动的智慧教育环境高阶形态[9]。总体来说，这些研究体现了元宇宙技术、理念与教育理念、情境的深度融合，是未来教育的重要发展方向。

二、元宇宙的技术框架

目前元宇宙还处于萌芽阶段，在大多数人的认知中，元宇宙仅仅只是在AR、VR等技术的基础之上构建的虚拟网络世界。但元宇宙背后所涉及的核心技术还远不止于此，主要包括交互技术、电子游戏技术、人工智能技术、数字孪生技术、网络与运算技术、区块链技术和物联网技术[10]。在这些技术相辅相成的基础之上，才构建出一个现实与虚拟相互联结的世界。元宇宙的技术框架大致可分为三层，分别是用户感知层、智能服务层与基础设施层。首先，位于顶端的用户感知层主要包括交互技术与电子游戏技术。其中的虚拟现实、增强现实和混合现实等技术为用户提供了进入元宇宙的入口，游戏引擎、3D建模和实时渲染等技术可用于元宇宙中数字内容的制作与呈现，以及用户在其中各种交互行为的技术实现。其次，位于中部的智能服务层主要包括人工智能技术与数字孪生技术。以计算机视觉、机器学习、自然语言处理与智能语音等为代表的人工智能技术为元宇宙中各种服务与场景应用提供技术支撑，数字孪生技术则可以在元宇宙中建立现实物体的虚拟映射，连接现实与虚拟，实现虚实共生。最后，位于底层的是基础设施层，其主要为整个元宇宙的建立提供最基本的硬件与技术保障。比如，5G、边缘计算和云计算等网络与运算技术为元宇宙提供高带宽网络环境与高算力基础，区块链技术用于支持在元宇宙中实现更加安全、公开的去中心化虚拟经济体系，物联网技术作为底层技术使构建更加精确映射的数字孪生与多元化交互方式成为可能。由这6大技术所组成的元宇宙技术框架见图1。

(一)交互技术

交互技术向用户提供了进入元宇宙的接口，以提高用户沉浸感为目标。虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)等人机交互技术将成为未来用户接入元宇宙的主要方式。 VR技术向用户展现的是一个独立于现实世界的、完全虚拟的世界，玩家通过头戴VR设备，完全沉浸于虚拟环境。在这种虚拟环境中，多个用户可共同从事某种活动。如果说VR是完全脱离现实的虚拟世界，那么AR与MR就是现实与虚拟的融合。AR技术是在现实世界的物体上叠加虚拟对象，MR通常被认为是AR的进一步演化，AR仅仅是物理环境上叠加虚拟信息，而不考虑交互性，MR技术则是通过对现实环境的三维计算，重新构建一个与现实结构一致的环境，并与虚拟实体融合，让用户获得在真实环境中与虚拟对象进行交互的体验，让用户在现实中的处理虚拟内容，而不必完全进入虚拟环境，实现现实与虚拟的无缝连接。

(二)电子游戏技术

电子游戏将会是元宇宙最直接的呈现形式，也是元宇宙首要的发展方向。电影《头号玩家》中描绘的游戏——“绿洲”，就向我们初步展现了一个元宇宙的雏形。电子游戏技术主要包括游戏引擎、3D建模技术与实时渲染技术。游戏引擎可用于快速搭建元宇宙平台，以及元宇宙中各种数字内容呈现与交互的底层逻辑的实现。3D建模技术为元宇宙提供各种优质的数字实体资源，如场景、化身、NPC等。实时渲染技术可向用户展现逼真的、高质量的各种虚拟场景与对象。而且，电子游戏技术与交互技术共同运作，这才保障了元宇宙体验的高度沉浸感。

(三)人工智能技术

人工智能(AI)是指让机器从经验中进行学习并执行各种任务的理论与技术，它能让机器获得类似于人一样的智能。机器学习是目前应用最为广泛的一项人工智能技术，随着机器学习的发展，目前机器已经可以具备基本的感知和学习的能力。这些年来，AI在各种场景中都有广泛的应用，并生成了许多不同的分支，如自然语言处理、计算机视觉，情感计算、推荐系统等。在如今的现实世界中，已然充斥着大量的数据，人工智能也正是在这种大数据环境中大放异彩，为现实世界提供各种智能化服务。元宇宙作为一个平行于现实的虚拟世界，其中必然也会产生各种数据与人工智能应用场景。除了数据处理以外，将人工智能用于自动化数字内容生成，将成其在元宇宙中的核心功能[11]。用户以化身的形式存在于元宇宙中，并与其他玩家或虚拟对象进行交互。人工智能算法可以自动创建化身，解决在目前一些类似游戏中玩家角色形象过度相似的问题。在元宇宙中除了有由真实用户控制的化身，还会存在许多由AI驱动的虚拟角色，也就是非玩家角色(NPC)。这些角色的行为看起来和人类用户无异，并为人类用户在元宇宙中提供引导、监控、答疑等辅助服务。

(四)数字孪生技术

数字孪生是指针对物理实体或系统具有高度完整性的数字化克隆，简而言之是在虚拟世界中构建出现实中物理对象的数字表示形式，它能以数字化的方式实时模拟物理实体当前的行为和状态等。借助数字孪生技术，可在元宇宙中构建现实中人或物的数字映射，加之物联网技术提供的多设备互联互通与交互技术带来的高沉浸交互方式，可让用户在元宇宙这一虚拟空间中查看物理实体当前的行为状态，以及与之直接进行交互。比如，可以在虚拟空间中直接实时地查看在现实中你所拥有的各种智能设备的运行情况并可对其进行操作，甚至是查看家人的各项身体指标。另外，在元宇宙的某些场景应用中，还可以使用数字孪生技术在虚拟环境中动态预测现实物体在真实环境中的未来状态，以便及时做出决策或制定干预措施。

(五)网络及运算技术

5G网络、云计算、边缘计算等技术将成为元宇宙的基础设施，让用户能够享受到高带宽、低延时的元宇宙体验。5G为元宇宙提供最基本的高带宽网络环境，在元宇宙中，必须要保证用户有身临其境的沉浸感，而影响用户沉浸体验的关键因素就是延迟，庞大的用户接入数量与海量的数据传输，必然要求元宇宙拥有超高的网络通信速率。其次，元宇宙中庞大的数据量使其对算力的要求比现实中更高，而手机、电脑等个人终端设备远不能满足元宇宙中的算力要求，云计算、边缘计算等技术便成为了元宇宙中解决延时、网络堵塞与高负荷数据运算等问题的核心技术选择。以超高的网络带宽与算力为前提，才能带来实时，沉浸、流畅的交互体验与场景应用。

(六)区块链技术

理想的元宇宙是能够连接一切的，无论是现实世界的还是虚拟世界，因此在其中会产生不可估计的数据量，使用传统的云服务器来存储如此巨大的数据是不可能的。而且在元宇宙中，用户的一切行为都将被记录并储存为数据，用户的隐私安全就也不能得到保障。而区块链(Blockchain)技术所具备的去中心化、开放性、安全性、可追溯性等特点确保了元宇宙中数据的安全与完整性。区块链技术也是构成元宇宙经济体系最为关键的技术，它能够确保元宇宙中产生的每一笔交易都是公开、透明的，同时保障元宇宙用户的虚拟资产、虚拟身份与经济体系中各种数据传输与验证的安全。

(七)物联网技术

物联网借助各种传感器设备，将各种设备与互联网建立连接，它是在互联网基础上进行扩展的网络，实现物与物、人与物的互联互通[12]。随着互联网与芯片技术的发展，物联网技术得到了迅速的普及与应用。“万物互联”在现阶段已初见雏形，智能家居、智能交通都是物联网的典型应用。物联网技术为在元宇宙中实现跨越现实与虚拟的“万物互联、虚实共生”奠定了坚实的技术基础。与此同时，交互技术的发展使得人机交互形式越来越多样化，物联网也可以将AR、VR、MR等交互技术相结合，构成多模态交互系统，为用户带来更佳的用户体验。

三、元宇宙的教育应用

教育是元宇宙的主要应用场景[13]，这深刻体现了未来教育与技术融合的发展前景，以及技术创新是一种可以用来加强教育过程的方式。元宇宙中的技术早已渗透教育领域，作为一种新的教育环境与学习空间，目前元宇宙主要作用在利用拓展现实技术构建虚拟环境，以此展现多样化的学习内容，提供高度沉浸感与学习新体验；同时构建新的社会交流空间，进一步促进了学习者之间的交流协作。元宇宙也促进了在线学习的发展，进一步突破了教育的时空限制，优化在线学习体验。

(一)创设沉浸式学习情境

沉浸式学习情境的创设依赖于拓展现实技术(XR)，目前其中最常用的是虚拟现实技术(VR)与增强现实技术(AR)。拓展现实技术可以创设多样化的虚拟场景，这些用于教学的虚拟场景构成了沉浸式学习情境，可以将其分为三大类。

一是用于演练或练习较为危险的学习活动所创设的情境，如驾驶飞机、进行外科手术等。这类学习活动的失败风险非常高且后果很严重，不能轻易进行教学实践，但在这类操作性较强的学习中，实践又是至关重要的。虚拟现实中的模拟体验为学习者提供了应用理论知识、实验设备、练习复杂程序和行为技能的机会，并从错误中学习，而不会受到现实世界中严重的后果或错误的影响。例如，韩国首尔国立大学盆唐医院通过智能手术室进行肺癌手术培训(见图2)[14]。智能手术室包括多个全方位360°拍摄相机，将采集到的图像通过扩展现实技术处理后提供给佩戴3D头盔的学习者。学习者可以通过实时语音交流、全方位的观察和模拟操作，进行比直接观察更精确的学习。

二是用于模拟构建学生无法到达的场景或地点，例如进行考古挖掘、进行热带雨林气候调研、游览历史古都等等。学生无法实际到达这些场景中，在过去只能通过观看视频等方式完成这些学习任务，缺乏亲身体验。元宇宙技术的使用能够扩大探索由于空间、时间或成本障碍而在课堂上无法进入的环境的机会，为学生带来沉浸式学习体验，也有利于教师组织学生开展多样化的学习活动，如探究式学习、项目式学习、游戏化学习等，大大提升了学习效果。例如，Getchell等人利用虚拟世界平台Second Life构建了一个基于考古学习的虚拟世界遗址挖掘的案例[15]，组织游戏化学习(见图3)。研究证实了这种沉浸式情境的创设与应用对学生的学习体验与学习积极性有促进和提升效果。

图2 学生沉浸式观看手术场景[14]

图3 学生虚拟世界考古挖掘成果[15]

三是用于展现现实中难以直接观测的物体或现象，例如人体细胞内部结构的观察、太阳系结构的观测、原子与分子结构的探索等。这类情境的构建往往与理科知识挂钩，学生只能通过精密仪器来直接观察到这些物体或现象。而由于经费、仪器、课时等的限制，这些物体或现象多以图片和视频的形式展现给学生，教学效果受到影响。依托于VR/AR技术创建的虚拟实验室可以很好地解决这些问题，学生能够更直观地接触到这些较为抽象的知识。已有研究表明依托于VR/AR技术的虚拟实验室可以提高学生的表现和分析能力、动机和参与水平[16]。Chen等人利用AR技术，构建了一个可以直接观察到化学元素的化学虚拟实验室(见图4)[17]。学生可以通过操作(指引元素碰撞)观察到化学反应，也可以通过触摸符号选项并查看新产物的形成来获得视觉和听觉反馈，得到沉浸式与趣味性的学习体验。

(二)构建虚拟协作学习空间

元宇宙中的虚拟世界具有社会交互性。虚拟世界中的多个用户群体，即元空间的一个子集，可以接收其他用户看到的相同信息，并且可以以一致和实时的方式进行交互。在虚拟世界中，除了使用的文本和图形进行交流之外，还可以通过语音、手势和对象更有效地与群体进行交流和互动。虚拟世界由一个身临其境的环境组成，它提供一种存在感并减少了学生社交中的距离限制。虚拟世界中的存在通过化身的外观来显示，这是用户在物理世界中的表示，化身可以根据用户的创造力更改为不同类型的形象。一些研究表明，虚拟世界可用于教育，因为它提供了社交互动和角色扮演，可以激发用户的存在感[18]。这最终会提升学习者之间的信任水平。这种虚拟环境可以复制现实世界的环境，因此它为学生提供了在不参加实体课程的情况下亲身参与学习过程的机会。协作学习被认为是虚拟学习环境的重要组成部分[19]，现有的虚拟环境通常被视为一个协作学习空间，在这个空间中，学习者们可以在不同的主题下共同完成一些虚拟任务。

图4 “Elements 4D”AR化学虚拟实验室[17]

虚拟学习空间在促进在时间和空间上分散的成员之间的沟通和协作方面发挥着核心作用。Bambury考虑到虚拟现实的社会层面，将虚拟现实中的教学实施划分为四个阶段，这四个阶段层层递进，最后达成高度自由的协作学习的最高目标[20]。第一阶段是使用VR进行感知或刺激，教育者指导学习者进行多模态体验，而学习者则处于被动状态。在第二阶段，学习者可以与虚拟世界进行基本的互动，从而影响内容的流动。在第三阶段，学习者实现自治，具有高度的自主性，并通过自己的决定指导学习过程。最终阶段是虚实空间的融合，通过社交虚拟现实平台上的人与人之间的互动和协作，让学习者真正感受到置身于一个全新空间，这种集体虚拟学习空间使得以学习者为中心的教学设计策略，如基于问题的学习、项目式学习和游戏化学习得到了更广泛的应用。虚拟空间也打破了协作学习的时空限制，无论是线下教学还是远程学习，虚拟空间都能为协作学习提供足够便捷的环境。教师设置了一个规划建筑相关的任务，并要求学习者在利用Second Life构建的虚拟空间中进行交流与协作学习(见图5)[21]。

图5 在虚拟学习空间中进行协作学习[21]

(三)优化在线学习体验

在线学习越来越成为主流，其主要包含两种类型：异步和同步的在线学习[22]。这两种类型都依赖于二维数字环境中的软件或网络应用程序，它们跨越平面内的数字窗口，具有宽度和高度，但没有任何深度。标准的异步在线学习工具包括学习管理系统(如Moodle、LMS)、协作网络应用程序等，教育者、学生和内容之间随时随地的交流和交互。同步的电子学习系统使教育者和学生能够在一个数字的、虚拟的空间同时进行在线会议。同步在线学习通过网络会议平台(如Zoom、腾讯会议)实现。然而，在2D、基于web的环境中运行的应用程序有较大的局限性，且运行效率低下。同步在线平台的日常延伸使用导致了学习疲劳等现象。异步平台经常受到情感隔离的困扰。因此，在线课程都存在较高的辍学率[23]。造成这种问题的主要原因有以下几点。①不在场：由于学习者未处在物理教室，在线课堂常被视为视频电话，而不是虚拟的集体授课场所。参加长时间不在场学习的人往往会注意力分散。②粗糙的情感表达：用户通过表情符号表达情感的选择非常有限。③低社交：2D平台提供的参与者互动方式有限。除非教师主动发起学习活动，否则学生只能被动地参与，很少有机会主动参与课堂。④低自我感知：用户在2D环境中对自我的感知非常有限，只能通过照片或实时网络摄像头的头部特写，以无实体的形式呈现。

元宇宙作为克服现有基于2D的在线和远程教育的局限性的一种替代方案，正受到人们的关注。由于各种技术，如交互技术、人工智能等技术的使用，元宇宙可以提供与当前互联网时代不同的体验价值。上述所有的限制都可以通过3D、沉浸式空间环境来解决，元宇宙驱动的在线远程教育的新模式出现，打破2D平台的限制，可以构建在线3D虚拟教室(见图6)[24]，为学习者带来无限趋于现实而又超越现实的丰富学习环境，提升自我感知、丰富交流方式、细化情感表达，优化混合的正式学习与非正式学习的在线学习体验。在这里，学生是虚拟空间的共同所有者，也是流动的、个性化课程的共同创造者。此外，元宇宙使设计一种超越时间和空间的新体验成为可能，元世界中的在线学习将能够打破社会联系和非正式学习的最后边界，身体出现在教室将不再是一种特权教育经验。肢体语言和面部表情的保真将使虚拟的学习参与同样有效。此外，元宇宙中的社会混合现实可以实现混合式的主动教学法，从而培养更深入持久的知识[25]。更重要的是，它可以成为教育民主化的一个因素，使全世界在平等的基础上参与教育，不受地域限制的限制。总的来说，基于元宇宙的在线学习可以利用无限的空间和数据，并拥有着能够达到与面对面教学同样的交流效果。

图6 元宇宙在线教室的实现[24]

四、总结与展望

元宇宙有着丰富的教育应用场景，且仍在不断发展之中，是未来教育的重要发展方向。目前元宇宙的教育应用主要集中在通过拓展现实技术构建虚拟学习环境，以保证沉浸式以及协作学习体验，并进一步推动在线学习的发展。但由于元宇宙相关技术发展尚未成熟，并且缺乏将教育理念、教学应用于元宇宙的深度结合分析，元宇宙与教育的结合仍处于初级阶段，距离发展完善还有很长的路要走。

(一)通过关键技术发展进一步促进元宇宙在教育中的应用

元宇宙底层支撑技术仍在漫长的发展过程中，有很多问题亟待解决，如人机交互不够自然，虚拟环境真实度与美观性不足，操作延迟过高等等。这些都对学习者的学习体验有负面影响，同时也会影响学习效果。随着扩展现实、人机交互、计算机视觉等技术的进一步发展，学习者在虚拟世界中的交互体验将无限趋近于现实世界中的交互体验，学习者之间的交流协作将不存在任何界限。同时，未来的技术要保证用户与数字实体之间无缝的、轻量级的交互。现有的技术需要用户通过佩戴实体输入设备与虚拟世界进行交互，这可能会破坏用户的学习体验，同时实体设备高昂的价格与复杂的操作进一步增加了相关技术在教育中的应用难度。未来将进一步发展交互技术，用户可以直接通过手势来选择和处理虚拟内容，简化学习操作，进一步增加沉浸感，提升元宇宙在教育中的应用普及速度。

(二)加强教育理论与元宇宙的深度融合

目前，在教学中对于元宇宙的应用多处在教师演示以及学生较为简单的交互层次上，元宇宙更像是一种辅助教育教学的工具，教育者根据教学需求构建相应的虚拟场景来辅助教学。这主要归咎于研究者未将教育理论与元宇宙进行深层次的分析和结合，导致元宇宙在教育方向的发展还是处在表层应用的阶段。同时，利用元宇宙技术开发的教学产品多以技术为导向，缺乏教育理论对产品设计与开发的系统支持。想要真正实现元宇宙在教育领域的发展，必须要将元宇宙与教育教学设计理念结合，教育者需要正确地理解每种类型的元空间的技术特征和相关课程设计原则，以便学生能够协作和创造性地解决问题或执行项目。同时要注意不能只简单地将真实教学环境完全复制到虚拟环境中，要经过严谨地教学设计，明白虚拟世界是现实世界的补充，而不是替代[26]。

(三)实现对学习者全方位全时空的数字化模拟和分析

在已有的学习科学的研究中，学习者的教育神经原理和深层次的认知心理状态分析一直是困扰学界的难题。通过先进的数字孪生技术将学习者外在的学习行为和内在的心理活动进行全状态随时随地的数字化模拟，并且与现实世界中的真实学习者完全同步。通过对数字孪生进行分析，可以得到学习者认知状态、心理状态的确切数据，学习者的思维过程将不再是难以深入的“黑匣子”。因此，利用元宇宙中的数字孪生，教育研究者可以深刻详尽地研究人类学习过程的各种客观规律和学习者的个性化特征，并以此来映射和指导现实世界中真实学习者的学习活动，从而实现学习效率与学习效果质的飞跃。同时，数字孪生可以进行二十四小时不间断模拟学习，通过学习结果为学习者提供效果最佳的下一阶段学习方案，实现真正的个性化学习。

《中国教育现代化2035》提出要“加快信息化时代教育变革”[27]，“十四五”教育规划中提到要“探索‘互联网+教育’发展新模式，大力发展智慧教育，全面提升师生信息素养，为加快推荐教育现代化，建设教育强国营造良好的技术环境”[28]。元宇宙的到来可以有力促进我国教育信息化的发展，也为未来教育提供了坚实的技术基础与新的发展机遇。元宇宙是教育数字化转型的一种未来新生态，也是教育现代化的一类有机的组成业态。元宇宙将成为人类自我创建的崭新时空，并成为教育领域全新的、具有划时代意义的下一代学习空间。