开放大学教育元宇宙建设技术分析

梅州开放大学 熊子东

为提高开放大学学员培养模式的智能化与个性化，建设一个全场景教学场所及空间具有重要意义。本文探讨了开放大学教育元宇宙的应用场景及建设教育元宇宙的关键技术，对低延迟高带宽网络、XR拓展技术、图形学与AI算力、区块链技术、数字孪生与UGC体素在教育元宇宙中的应用进行了分析，结果证实，元宇宙这一数智应用集群能为开放大学终身学习新样态赋能。

在目前5G/6G技术、AI技术、AR技术、VR技术等集中涌现的背景下，极大改变着人类的生活与学习方式，同时也为开放大学搭建更加完善的在线虚拟学习平台提供了可能。元宇宙通过沉浸式的体验，极大提升了开放大学“互联网+”教育的体验感与参与度。教育元宇宙有效解决了教育资源分布不均的问题，在助力开放大学远程教育方面比传统的视频、音频教学具有更为丰富、生动和沉浸式的体验，明显提升了学员的互动性，利于为开放大学终身学习新样态赋能。本文对教育元宇宙进行了概述，介绍了其在开放大学的应用场景及意义，并分析了其关键技术。

1 教育元宇宙概述

教育元宇宙即基于5G/6G技术、AI技术、AR技术、VR技术打造虚拟现实互通的创新教学平台，进一步丰富教学场景，教师利用元宇宙创设更加真实、友好的学习场景，引领学习者在沉浸式体验中完成知识的自主构建。教育元宇宙可通过传感技术和脑机接口技术打破现实世界的桎梏，学习者可完全自由、自主地与虚拟现实事物互动[1]。教育元宇宙可引领新一代“互联网+教育”模式的变革，带动学习者向数字教育智慧平台迁徙。

2 教育元宇宙应用场景

2.1 情境化教学

开放大学通过教育元宇宙可突破时空等客观因素的限制，建立与学习内容高度相关的虚拟情境，实现情境化教学与沉浸式学习。开放大学 教育元宇宙的情景化教学特征表现为：教学情境更加真实客观、可深入地开展教学互动、教学情境更为感性。开放大学主要是依托互联网办学，重点在于拥有虚拟办学空间及教育资源，在互联网上开展招生、管理、教育等一系列活动，因此，要提高开放大学的教学效率，必须要跨越区域、突破时空限制的情景化教学[2]。

2.2 个性化学习

教育元宇宙可助力学员从被动学习转变为主动学习，使学员同时充当学习资源与服务的使用者、更新者、创造者及审核者。教育元宇宙可为开放大学提供更加个性化的学习支持，能为学员提供更加新颖的学习资源；可根据学员的发展特征、兴趣及自身需求，自主选择适合自身的学习进度、学习方式与学习内容；可与其他学员及学习情境交互，利于学员的知识建构和提高学员素养。

2.3 游戏化学习

教育元宇宙表现出了一定程度的游戏化学习，是一种借助5G/6G技术、AI技术、AR技术、VR技术、脑机接口技术等，以学习为目标，寓教于乐的一种学习方式。开放大学教育元宇宙下的游戏化教学表现为可即时反馈学习效果；具有较高的沉浸式体验；交互性强；学习具有自主创造性。在游戏化学习中，可调动学员的身体感官，通过语音、动作等方式达到学习目标，有利于提高学员的真实性和愉悦感[3]。

3 教育元宇宙意义

现如今，科技迭代频繁，社会变革深入，知识更新短程，人们要想不落后于时代的唯一途径就是终身学习。终身学习、永不间断的学习和充电是开放大学的主题。教育元宇宙是在虚拟空间中形成的“第二世界”，与真实世界有所补充，能整合现实中割裂的教育元素及形态，为全民学习和终身学习提供可能。

3.1 打破教育壁垒

教育元宇宙 可将现实世界的教育资源和教育机构迁移到开放大学中，为学员提供更加丰富的教育场景，进一步提高了开放大学教学方式的灵活性，拓展了终身学习的空间。贯通虚拟现实，融合线上线下，打破教育壁垒，实现各类教育元素之间的纵横衔接，整合各类教育资源，以满足学员个性化、多样化的终身学习需求。

3.2 实现学习成果转换

在开放大学教育体系中，学习成果的积累和转换是无法回避的。近年来，区块链技术的发展解决了开放大学中的学分信用问题。区块链技术以其公开透明、可溯源、全程留痕的特征，极大保障了开放大学学习成果和学分认证的公平透明，有利于解决开放大学面临的正规与非正规、正式与非正式学习成果之间的转换难题，实现了不同类型学习成果之间的融通，维护了教育公平[4]。

3.3 拓宽社会学习系统

开放大学依托“元宇宙”可建设更加开放的终身学习系统，进一步丰富了学习场所和学习内容，提高了学习制度的灵活性，极大支持了各种学习型社会、学习型组织、成人教育、老年教育、社区教育的发展与建设。另外，教育元宇宙可开展诸如虚拟读书会、公开论坛、成人职业教育项目等极具意义的学习活动，为学员提供更多的学习机会，使社会学习系统更为宽泛。

4 教育元宇宙技术分析

开放大学教育元宇宙技术主要包括了网络环境、虚实界面、教育资源处理、教学成果认证、教学内容等。在网络环境方面，需配置满足沉浸感的XR设备，分辨率在4k及以上，刷新率在120Hz及以上为宜。要求网络延迟极低，鉴于5G/6G技术符合低延迟、高带宽要求，为实现教育元宇宙提供了通信基础；在虚实界面方面，VR技术、AR技术、MR技术、交互技术实现了教育元宇宙的沉浸感和拓展性；在教育资源处理方面，AI智能技术与“元宇宙”生成了海量的学习内容，云计算可实时渲染图形；在教学成果认证方面，区块链技术中的去中心化网络可实现教育元宇宙中的价值归属和流通变现；在教学内容生成方面，数字孪生体系可为教育元宇宙提供真实的模拟虚实环境。

4.1 低延迟高带宽网络

基于AR/VR技术对宽带的要求，可划分为初级沉浸(El)、部分沉浸（PI）、深度沉浸(DI)与完全沉浸(FI)[5]。4G网络的时延和带宽仅能满足初级沉浸(El)和部分沉浸（PI），5G/6G网络可完全满足深度沉浸(DI)和完全沉浸(FI）。目前，我国5G/6G技术蓬勃发展，为教育元宇宙的VR/AR奠定了网络基础。近年来，伴随千兆光网等基础设施的大力发展，用户体验感持续向好，AR/VR技术、超高清视频等渐趋融入开放大学，如上海开放大学，以现有智慧学习中心为依托，利用AR/VR技术，为师生营造虚拟现实相融合的全场景教学空间，高带宽应用开始融入教育领域。VR业务中引入VR云化，即将云计算和云渲染技术引入，利用5G/6G网络的低延迟高带宽特征，实现教育资源数据的云端处理，教育资源通过云端强大的数据处理后，输出音频视频，经压缩编码后传输到学员的终端设备，最终呈现在VR上，满足开放大学学员的沉浸式学习，在云端渲染，降低了VR终端的渲染计算能力，无需使用高档设备。

4.2 XR拓展技术

VR技术、AR技术和MR技术是XR的主流技术，尤其是VR技术和AR技术，是公认的“元宇宙”进入生活场景的载体。与VR技术、AR技术和MR技术相比，XR拓展技术更加注重虚拟现实世界的弥合，以及缩小人与信息、体验之间的壁垒。XR技术所具备的感知代入、情境体验、交互性等特征应用于教育领域充满了人本性、生态性、智能化和交互性特征。将XR拓展技术应用于开放大学能为学员提供智能教育产品；有利于开展游戏化教学；可创设智能学习平台；可优化开放教育体系。XR拓展技术在开放大学的应用体现了互联网教学与新技术相融合的发展趋向，基于各类智能技术，注重学员体验感，无缝对接边缘计算和跨空间，支持终身学习和全纳教育[6]。XR拓展技术是仿真技术、计算机图形、AI智能、物联网等技术在教育领域综合应用的表现，其自然交互属性、智慧教育感知能更好地支持和服务于开放教育。开放大学教育元宇宙的XR拓展技术支持如表1所示。

表1 开放大学的XR拓展技术Tab.1 XR expansion technology of open university

4.3 区块链技术

区块链基于时间戳、分布式存储、密码学、共享机制等技术集成应用，具有不可篡改、高度透明、可溯源、可自动执行等优点，能有效解决教育改革中的隐私与开放、信任与自治等冲突，为建设高度开放的教育体系和学习型社会提供了更加可靠的记录载体。教育元宇宙是“去中心化”的教育，是智能化教育不属于教育游戏，没有提前定制剧本和台词。教育元宇宙可让开放大学所有学员以虚拟人的身份参与学习，并共同创建学习内容，构成一个更加开放的学习系统。教育元宇宙中的“去中心化”代表着所有学员均可在系统中学习和探索，均可生成自己的内容。从本质上看，区块链属于一个信任机器，因此，可利用区块链技术的低成本建立教育元宇宙的信任机制。联盟链、公有链等区块链中的常规分法，实质上就是将区块链技术用在不同领域，如追本溯源、防篡改、存证、身份管理等信息领域的应用和数字权益、数字资产等价值领域的应用，这些都是教育元宇宙系统中不可或缺的部分。可见，区块链技术为教育元宇宙奠定了技术基础。

4.4 数字孪生与UGC体素

数字孪生即现实中的对象构建在虚拟空间中的数字模型，这一模型利用传感器获取真实数据，并与之一同演变、成长和衰退。UGC体素可生成教学内容，是教育元宇宙内容的主要生成方式。当前广泛使用的三维建模难以满足教育元宇宙中学习内容的易用性需求。虽然三维建模能构建出逼真的模型，但仅是在二维视觉上模拟三维效果而已，且不可分割。正是如此，使其不适用于教育元宇宙的构建。另外，三维建模较高的创作技术要求和成本无法让普通学员作为工具来创作学习内容。UGC体素建模可构建趋近于真实世界的教育元宇宙。UGC体素建模中的最小单位是方块，可将统一属性的方块视为FT，不同属性及数量在不同排列方式下形成NFT，不同的NFT可相互嵌套，生成新的NFT。FT与NFT之间为对立统一的关系，就如同生物都是由外表不同却结构类似的细胞构成一样。这一特点使UGC体素建模能模拟出真实的教育元宇宙法则，每一个FT均可单独发生改变，均可因突发事件或时间变化而改变。现阶段，虽然体素建模的视觉呈现不佳，但通过提升FT的分辨率，可使视觉效果更加立体、真实。与像素一样，当FT体积缩小，代表同等模型的FT数量增加后，可提高画面精度。数字孪生与UGC体素连接了虚拟现实世界，教育元宇宙需要生成海量的教学内容，目前开放大学的PGC、UGC使用效率不高，数字孪生利用数字化技术建模及物联网技术实现虚拟现实世界的数据转换，借助AR技术、VR技术、MR技术、GIS技术等将现实世界复刻至数字世界。利用开放大学现有智能教育平台中的历史数据、实时数据，辅之以云计算、人工智能，模拟现实世界，最终赋能开放教育体系。

5 结语

元宇宙是一种集成多种新技术的互联网形态，其与教育融合极具发展潜力。教育元宇宙中的沉浸式、可交互性三维场景实质上早已存在于教育领域。疫情防控期间，美国就建立了 “虚拟校园”。这一虚拟校园保留了真实校园的课堂文化及实践体验，能让学生利用互联网就获得如同现实校园一样的真实感，这在实质上就属于教育元宇宙。开放大学教育元宇宙就是构建持久的、虚拟现实的教育场景，以辅助达成教学目标。可以预见，教育元宇宙将引发全新的教育教学变革，培育新的教学方式及手段，使开放教育更加开放。

引用

[1]傅文晓,赵文龙,黄海舵.教育元宇宙场域的具身学习效能实证研究[J].开放教育研究,2022,28(2):85-95.

[2]翟雪松,楚肖燕,王敏娟,等.教育元宇宙:新一代互联网教育形态的创新与挑战[J].开放教育研究,2022,28(1):34-42.

[3]兰国帅,魏家财,黄春雨,等.学习元宇宙赋能教育:构筑“智能+”教育应用的新样态[J].远程教育杂志,2022,40(2):35-44.

[4]王亚文,闫莉,王长元,等.教育元宇宙场域下的实验教学探讨[J].高等工程教育研究,2022(4):96-101.

[5]郭亚军,袁一鸣,张腾飞.元宇宙场域下用户信息交互生态机制研究[J].农业图书情报学报,2022,34(6):4-13.

[6]罗志平,毕蕾.面向元宇宙的XR技术——咪咕冬奥前沿应用解密[J].视听界,2022(3):27-31.