教育元宇宙概念界定、优势特征及技术实现

摘要：本文对当前的教育元宇宙相关研究文献资料进行了比较分析，提炼出教育元宇宙的关键特征，同时结合信息化工作实践经验在理论层面对教育元宇宙进行了概念界定，归纳出教育元宇宙的五项优势特征。以此为基础，以服务教学为目标，综合当前的技术现状，规划了教育元宇宙三层基础平台和五项集成应用，完成了教育元宇宙技术实现的总体框架设计。

关键词：教育元宇宙；概念界定；技术实现；云计算；AI技术

1. 教育元宇宙的概念界定和优势特征

教育元宇宙是基于当前阶段信息技术发展状况，以及未来发展趋势的设想，针对教育领域潜在的赋能作用而衍生出的新概念。教育元宇宙研究的关键是对其概念的界定。刘革平等（2021）[1]认为，教育元宇宙是利用VR／AR／MR、数字孪生、5G、人工智能、区块链等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。华子荀和黄慕雄（2021）[2]认为，教育元宇宙可以理解为元宇宙的教育应用，为教师、学生、管理者等相关者创建数字身份，在虚拟世界中开拓正式与非正式的教学场所，并允许师生在虚拟的教学场所进行互动。钟正和王俊（2022）[3]认为，教育元宇宙可以实现虚拟世界与真实教学环境的无缝对接和有机融合。教师、学生、管理人员作为教学活动的参与者或组织者，通过虚拟化身沉浸于教育元宇宙中，自主地创建、参与教学活动，自然地响应虚实世界的教学行为，突破教学过程中物理规律和地理空间的束缚，实现信息在虚实世界的双向传递。

综上，抛开技术的因素，我们可以提炼出这样一些有关教育元宇宙定义的核心要素：

（1）教育元宇宙是一个虚实无缝融合，服务教育教学的空间环境；

（2）教育元宇宙是以全面的數字化联通现实与虚拟世界；

（3）教育元宇宙能够超越现实，实现多维度教学时空的变换。

因此，本文将教育元宇宙定义为：教育元宇宙是以学习者和教育者为主要活动主体，以全面的数字化联通现实与虚拟世界，同时能够超越现实，达到多维度教学时空变换的虚实无缝融合的教育教学空间。围绕此概念，结合教育的本质和目标，本文进一步归纳出教育元宇宙的五个优势特征。

1.1 资源海量

教育元宇宙并不是一个虚无的教育教学空间，而是汇聚了类别齐全、形式多样的各种教育资源。这些资源是自教育信息化早期就开始积累的数字教学资源，及至元宇宙时期多模态的教育资源。这些人类创造的宝贵的教育资源，经由人工智能整理归类，并动态管理，结合教育元宇宙相关的管理规定，最终分享给每一位学习者。这些学习者的知识、经验和技能，又将形成新的教育资源，被智能化评价、归类、存储、分享，不断汇入教育元宇宙海量资源库中。

1.2 时空多维

因为教育元宇宙虚实融合的特性，传统教学方式中固定场地、指定时间的需求将成为历史。教育元宇宙能将现实中的教育者、学习者、学习场景无差别映射至虚拟空间，并在保证授课内容的前提下，进行适度拆解和组合，以方便任意学习者在任意时刻加入。而在授课过程当中，学习者也能够根据自身需要，在不同的授课场景中穿越，随时补全缺失的知识。理论上，教育元宇宙为每位学习者创造了一个多维度的学习时空。

1.3 方式多元

教育元宇宙的超时空和超现实性为学习者提供了多元的学习方式。首先，学习者获取知识的途径将不再局限于听和看，还增加了感。教育元宇宙为学习者创造了特殊的学习环境，这种特殊的学习环境能够调动学习者所有的感官，感悟知识的本源，使知识的获取更加全面立体和稳固。其次，学习者能够以多种方式参与学习，如个体、群体、异地、异时等，教育元宇宙实现了不同学习者个性化的学习空间和学习模式。再次，对于不同种类知识的学习，如陈述性知识、程序性知识、策略性知识，教育元宇宙能够灵活安排学习者以多种方式加入学习，并根据学习者的实际学习情况智能调整学习进度和学习方案。最后，教育元宇宙实现了教育的终身化，教育元宇宙中的每一位加入者都是终身学习者。

1.4 智能引领

智能引领是教育元宇宙最核心的驱动引擎。从教育者和学习者步入教育元宇宙开始，他们的每一次教育活动、每一次成长变化，甚至每一句话、每一个动作、每一个表情都为空间所记录，并最终形成立体的个人画像。

1.5 评价精准

教育元宇宙以全面的数字化为基础，以全程的智能化为驱动，对每一位学习者每一天的学习辅以客观的评价和判断，同时结合其在元宇宙空间的个性活动，逐步形成针对个人完整的评价模型，并以精准量化的方式告知学习者，包括更加合理的学习建议。

2. 教育元宇宙的技术实现

基于上文的理论分析，可以看到教育元宇宙本质上是教育信息化超越智慧校园环境的更高阶形态，是现代化教育信息技术的组合聚能[4]。要实现并发挥出教育元宇宙的优势作用，必须依托元宇宙中的技术平台，围绕教育教学目标，分别从数字学习空间构建、数字学习资源构建、学习者数字形象构建、教育者数字形象构建、智能教学评价构建、空间环境认证等多个维度各自引入相关的技术进行集成应用[5]，共同构成教育元宇宙空间。其技术实现的总体框架图如图1所示。

教育元宇宙技术实现总体框架包括三个层次十五项技术。具体分析如下：

2.1  基础技术层

基础技术层是元宇宙构建之源，主要由五部分组成，分别是计算技术、存储技术、网络技术、AI技术和安全技术。

2.1.1 计算技术

数字世界是靠强大的算力来维持的，可以说算力就是元宇宙的能量之源。而强大的算力则来自先进的计算技术，在单体计算机硬件设备有质的突破之前，可以预想元宇宙所能依赖的主要算力支撑就是云计算。元宇宙将呈现多样的计算特征，如计算平台的多样、计算数据的多样、计算方式的多样、计算位置的多样等。当前，只有云计算技术能够较好适应元宇宙多样的计算特征。

2.1.2 存储技术

一切数字的存在都离不开存储，所以存储技术是元宇宙的根藏之源。分布式云存储保证了数字的安全存在，然而这还远远不够。在元宇宙和教育元宇宙中部分数字资源已经成为一种资产，对于数字资产而言，其要求已不仅仅是一种简单的存储，而是需要某种程度的“保管”，其属性中包含了“拥有权”和“使用权”。显然普通的云存储已无法满足数字资产类的存储，新兴的区块链存储技术将承担此重任。

2.1.3 网络技术

元宇宙内万物互联，毫无疑问，网络是元宇宙联通一切的基础，是其传输之源。无论是元宇宙数字内容的分享体验，还是元宇宙数字人之间的互动交流，或者是元宇宙内时空场域的变换，都对网络技术提出了较高的要求。作为元宇宙传输支撑，网络技术必须能够提供泛在的、稳定的、持久的实时连接，同时满足具有高带宽、低时延、高稳定性等特点的数据传输要求。目前逐步部署中的5G，以及未来的6G、Wi-Fi7等移动通信技术是元宇宙网络技术的主流。

2.1.4 AI技术

元宇宙的构建和发展是真实世界与虚拟世界的持续互动过程，这个过程包括了三个方面，分别是由实化虚、虚实交融、由虚返实。对于其中的每一个方面，AI都是最关键的驱动力量之一。AI已经成为元宇宙事实上的成长之源。

2.1.5 安全技术

由数字、由网络、由计算机构成的世界从来都是不安全的，无论计算机和互联网技术发展到何种程度，安全问题始终存在，安全技术也是计算机专家们不可忽略的重点。元宇宙、教育元宇宙要正常运行必须同步提升相关的安全技术水平。安全技术是元宇宙的健康之源。因为元宇宙的全域一体化，及多终端的互动，传统安全技术中基于边界防护的防火墙、入侵检测、病毒查杀系统将失去作用，可信计算、拟态防御等新兴安全技术未来将发挥一定的作用。

2.2 核心支柱层

核心支柱层包括终端互动技术、身份创建技术、数字资源技术、数字资产技术、空间治理技术五部分。这五部分支撑起元宇宙核心空间，并随着自身的升级发展，正逐步扩展空间的规模。

2.2.1 终端互动技术

元宇宙是人类自己创造的数字虚拟空间，如同现实生活中一样，空间中的每一个数字人共同组成了庞大的数字社会，并推动其运转。除了极少数空间自建的原生数字人之外，绝大部分数字人都有现实中的实体，而这些人类实体要进入元宇宙并正常地生活、学习、工作，所依赖的就是成熟方便的终端互动技术，如目前处在不断发展中的VR/AR/MR技术，以及正在研究中的脑机接口技术等。

2.2.2 身份创建技术

每一个数字人在元宇宙中都拥有唯一合法的注册身份，而在不同的元宇宙空间中数字人又可以随意变换喜欢的角色身份，身份创建技术就是对数字人不同身份的统一、安全地管理。此外，每一个数字人在元宇宙空间任意的活动，也需要身份创建技术参与权限授予、通行认证。目前通过基于区块链技术的密钥衍生、多重签名、环签名、零知识证明等多种手段，可以完成数字人身份到各个元宇宙空间的映射[6]。

2.2.3 数字资源技术

这里的数字资源技术主要是指元宇宙空间数字环境资源的生成技术，目前包括两大块：数字孪生技术、数字原生技术。数字孪生就是物理世界中的物体映射于数字世界里的镜像，其核心技术包括数字建模、数字仿真与模拟、物联网、大数据AI、云计算与边缘计算等。数字原生即基于虚拟数字空间通过想象构建出来的场景、物体、人等资源，其关键技术包括深度强化学习、生成式对抗神经网络、多模态学习等。

2.2.4 数字资产技术

数字从资源到资产不是一个简单的名称变换，而是一个质的变化。数据资产也属于数字资源，因此，它的基础是数字资源生成技术。与数字资源的区别之处在于数字资产具有两个特殊的属性，即权力属性、交易属性。当数字资源具备上述两个属性时，也就成为数字资产。

2.2.5 空间治理技术

元宇宙空间治理是一系列连续、复杂、系统的工作，包括空间数字治理、空间秩序治理、空间能耗治理、空间法规治理等。

2.3 集成应用层

集成应用技术层具体划分了元宇宙在不同业务领域的服务空间。于教育领域而言，以数字学习空间构建、数字学习资源构建、教育元宇宙数字人构建、教育元宇宙教学智能评价、教育元宇宙空间认证为典型的集成应用，是教育元宇宙技术构成的核心关键。

2.3.1 数字學习空间构建

数字学习空间是元宇宙赋能教育的主要载体，是教育元宇宙“场域”的重要组成部分。数字学习空间融合了数字资源技术、数字资产技术、终端互动技术，构建物理空间—信息空间—社会空间无缝融合的教育生态系统，为数字人创造出联通、开放、个性的生态化学习环境。

2.3.2 数字学习资源构建

数字学习资源是数字学习空间的重要组成部分，是教育元宇宙空间知识的存储和积累。教育元宇宙中的数字学习资源构建以数字资源技术为核心，融合了VR/AR/MR技术以及AI技术，突破传统课本以及简单数字化和多媒体化的限制，从多方位感知以及实践体验的角度为学习者提供更科学合理的知识学习方法。

2.3.3 教育元宇宙数字人构建

教育元宇宙数字人是教育元宇宙空间的主体所在。主要包括三类数字人：第一类是教育元宇宙空间治理者；第二类是教育元宇宙空间教学方案的主要规划者和实施者；第三类是学习者。学习者可以是教育元宇宙空间的任何数字人。教育元宇宙数字人的构建融合了身份创建技术、终端互动技术和AI技术。

2.3.4 教育元宇宙教学智能评价

教育元宇宙教学智能评价贯穿空间教学全程，以AI技术、大数据分析技术跟踪评价每位学习者的学习状态和学习效果，并结合数据资产技术形成相关的评价结论。教育元宇宙教学智能评价是以提升学习效果为目的，随时对教育者和学习者予以提醒，保证高效完成学习任务。

2.3.5 教育元宇宙空间认证

教育元宇宙空间必然是一个开放包容的空间，包括各色的教育者、学习者以及各类丰富多样的学习资源，只有这样才能保证教育元宇宙的持续扩展。在开放包容的同时，教育元宇宙空间也必须有一定的访问和使用限制，这就需要用到教育元宇宙空间认证技术。未来的教育元宇宙空间认证技术主要依赖于身份认证技术、数字资产技术和空间治理技术的融合发展。

结语

教育元宇宙是基于元宇宙空间的存在，是元宇宙赋能教育的一种表现形态。同时，教育元宇宙也是先进教育理念融合前沿信息技术后的产物。目前，关于教育元宇宙的研究还处在早期阶段，未来的研究空间还很广阔。本文在前辈学者的研究基础之上，定义了教育元宇宙概念，分析了教育元宇宙的优势特征，并从技术实现角度进行了整体框架层次的设计，为进一步深入探讨教育元宇宙的教学实践提供了参考。

参考文献：

[1]刘革平，王星，高楠，等.从虚拟现实到元宇宙：在线教育的新方向[J].现代远程教育研究，2021，33（6）：12-22.

[2]华子荀，黄慕雄.教育元宇宙的教学场域架构、关键技术与实验研究[J].现代远程教育研究，2021，33（6）：23-31.

[3]钟正，王俊.教育元宇宙的应用潜力与典型场景探析[J].开放教育研究，2022，28（1）：11-13.

[4]王文喜，周芳，万月亮，等.元宇宙技术综述[J].工程科学学报，2022，44（4）：744-756.

[5]全国十二所重点师范大学联合编写.教育学基础：第3版[M].北京：教育科学出版社，2014：5-98.

[6]叶毓睿，李安民.元宇宙十大技术[M].北京：中国出版集团中译出版社，2022：3-364.

作者简介：聂明辉，硕士，高级工程师，研究方向：教育信息化应用。

基金项目：2022年江苏省教育厅“公安院校面向实战教学‘教育元宇宙环境构建、教学设计及策略制定研究”项目（编号：2022SJYB0480）。