编者按
元宇宙是依托互联网存在的平行于现实的数字世界。2021 年被称为“元宇宙元年”，增强/虚拟现实、人工智能、云计算、区块链、5G 等众多技术高速发展，也为新冠疫情下的在线教学模式提供了从数字化到智能化的全新转型思路。随着元宇宙逐渐从概念演变为现实，如何推进元宇宙相关技术的教育教学以及利用元宇宙的特点促进教育方式变革成为人们关心的问题。本期特开辟“元宇宙教学”专题，邀请多位该领域专家深入探讨元宇宙相关技术与计算机领域教育教学融合的可行性。
元宇宙｜面向虚拟孪生的跨学科教学设计与科教融合实践
1 元宇宙与在线教学发展
1.1 元宇宙教学的时代背景
随着互联网和计算机技术不断渗透入现代生活，社会生产逐渐实现信息化、数字化转型，这也驱动传统教学生态系统迭代升级。远程在线教学依托传播迅速、内容开放、资源共享等优势构建起现代教育体系的前沿板块。2020 年以来，新冠疫情造成的空间物理阻隔导致线下教育停滞，但同时也加速推动了网络在线教学模式的普及。元宇宙（Metaverse）概念整合人工智能（AI）、扩展现实（XR）、区块链、物联网、云计算、 5G等尖端技术构筑起下一代互联网新形态，也为在线教学模式提供从数字化到智能化的全新转型思路。
元宇宙赋能在线教育是未来教育的发展趋势，我国也充分重视科技在教育现代化改革进程中的先导作用。早在 2017 年国务院便提出“智能教育”的口号；2018 年教育部印发的《教育信息化 2.0 行动计划》也明确指出要充分利用互联网 +、新一代人工智能、大数据等前沿技术加快教育智能化、现代化改革，建构科技化教育生态，实现“互联网 + 教育”平台的普及。
2021 年 Meta 公司发布的《Metaverse》宣传片中畅想了元宇宙时代的教育场景，展现了在VR 设备和交互技术支持下沉浸式、互动式、全感官调动的全新学习形态，学习者通过元宇宙平台图像可视化、数据可视化、知识可视化等优势身临其境学习天文、历史、生物等学科知识，增强了学科认知的沉浸感与参与度。同时，用户还可在元宇宙所搭建的数字孪生、虚实融生场域空间，利用虚拟“智能体”（agent）进行人机交互演练，完成医学、机械等领域的实际操作模拟训练，有效规避实践风险、降低试错成本，展现了元宇宙时代的教学优势。
1.2 在线教学的现状积弊
信息时代依托计算机、互联网技术搭建了第一代数字化知识体系和在线教学平台，提高了教学的灵活性和自由度。相较于工业时代静态固化、文本载体导向的传统知识形态，互联网平台提供的开放式窗口使知识体系生成及更新频率指数剧增，极大提升了学科知识整合及传递的时效；精英主导的知识话语权力彻底瓦解，知识体系向大众化、多元化、民主化发展。这一阶段的远程在线教学通过新媒体平台实现教学可视化，打破了传统线下教学空间封闭、时间单一线性的缺陷，多渠道的网络课程平台也为优质教学资源提供了丰富的传播途径。
但网络线上教学也造成了学习时空割裂、学习沉浸感缺乏、学习孤独感倍增等弊病。平面单调的网页教学缺乏互动性，线上教学监管系统不完善等缺陷致使学生“辍课率”高、参与度低、学习积极性不强，学习效果难以及时反馈。在线学习更强调学生的自觉性，教学的碎片化、去中心化、缺乏强制性等问题短时间难以解决。此外，开放式网络教学平台缺乏筛选和监管机制，致使海量教学资源鱼龙混杂，质量参差不齐，对学生造成较强误导性。
元宇宙时代教育体系对技术与媒介的整合提出更高要求，综合运用人工智能、扩展现实、大数据、云计算、 5G 等技术打造沉浸式、具身性、高参与度的教学环境，构建数据化、智能化的教学筛选、教学管理、教学评估体系，有效弥补信息时代在线教育的弊端。“智能教学”则是基于当下信息时代网络在线教育提出的下一阶段目标，也是元宇宙赋能教育的基础教学形态设想。
1.3 具身认知的教学瓶颈
传统的认知学习理论排斥身体体验对学习认知的重要性，强调身心分离、扬心抑身。而元宇宙时代的教育理念则颠覆传统，强调身心一体、心智统一。认知主义二元论奠定了传统教育观中身心分离的基础，无论是中国古代的“头悬梁，锥刺股”，还是西方的“我思故我在”，都推崇“身心二元论”，割裂身体与认知。自古希腊时期开始，身体在柏拉图理论中便被视作精神与知识的阻碍，中世纪宗教教育的“身体原罪论”将身体置于贬抑地位，笛卡尔的理性主义观念更是崇尚理性、轻视身体。直至当下，我国的传统教育模式也依赖先验概念知识和教师的单向输出，忽视学生的主体感悟与体验。学生对于抽象知识概念难以内化理解，更缺乏身体力行的实践经验。
现代教育观念逐渐接受“身心一元论”和第二代认知科学的具身认知理论，开始重视身体体验在学习接受过程中的重要作用。具身学习强调心智的具身性，认为认知、身体、环境具有一体性，教师通过营造和再现教学情境以唤起学生的身体参与和个体体验。互联网时代的线上和线下教学在实现具身教学感知方面各具优势：线上教学可通过图像视频再现、文字语言描述、引导学生想象等方式营造可知可感的学习环境，将抽象知识具象化，但缺乏学生动手实践的真实环境；线下教学能够通过实物展示、表演模仿、实地考察等方式引导学生亲身经历，但受环境、地域、空间的限制较大。现阶段技术条件、教学环境无法满足线上与线下具身教学的一体化，两者始终处于分离和割裂的状态，也造成了具身学习现阶段的发展瓶颈。
2 元宇宙教育的技术优势
2.1 虚实融合——沉浸交互式学习
目前在线教育通过信息网络平台对教学内容进行数字化编码，已经实现平面用户端的虚拟化，能够通过交互及建模技术实现基础的可视化与简单的互动性，但仍然存在沉浸感低、现实与网络教学无法较好融合等问题。数字孪生作为元宇宙教学的重要技术形态，以其虚实融合共生、相互映射的优势特性彻底弥合虚拟与现实割裂的现状，营造虚拟仿真、实时交互、深度沉浸的教学环境，完美解决了线上线下教学具身体验分裂的桎梏。
在技术实现方面，虚拟现实、增强现实、混合现实、全息投影等扩展现实技术为元宇宙教学营造了仿真沉浸式的教学空间环境；5G、 6G 等新一代网络技术以高速率、低延迟的优势提升交互质量，保证了大规模虚拟网络空间运作的流畅体验；体感技术、可穿戴设备、脑机接口等技术设备则为具身参与提供了多感官、全方位的交互体验，实现知识传导的超文本、可视化、可感化。
数字孪生在虚拟空间构建与现实高度镜像的数字模型生态，实现教学环境和个体身份的双重虚拟化：一方面，虚拟空间真实还原教学环境和场景，为具身认知创造了环境要素；另一方面，虚拟身份能够替代学习者实现具身体验，通过交互及传感技术进行实时反馈，为具身认知提供了实践主体。元宇宙的数字孪生学习空间在虚拟实体与孪生对象的镜像构建和双向对流过程中，可使身体积极参与学习过程，学习者从传统单一的大脑认知转向身心融合的具身认知，并实现实感具身、实境具身和离线具身等不同具身方式的兼容。在教学模式方面，知识的传递也从单向流动转向互动分享、共同参与的双向汇通。
2.2 数智融合——智能个性化教学
随着大数据、分布式计算与人工智能、机器学习技术的深度融合，数据智能感知、智能推算、智能决策为在线教育提供数据化的教学分析平台。信息化时代在线教学过程中会产生大量的数据资源，基于大数据的智能化网络学习平台是现阶段在线教育最前沿的应用形态。下一阶段，整合性、个性化、高阶性、智能化的“数智融合”技术优势将成为元宇宙教育领域的发展方向。
在教学准备前期，通过数据挖掘、机器学习、智能分析可精准把握学生的能力动机、喜好倾向等基础画像，从而精准定位教学目标，智能匹配个性化的教学方案。通过大数据引擎在海量开放、零散碎片化的线上教育知识体系中进行智能索引、搜索筛选，选取并构建整合性的在线教学内容体系。
在教学过程中，充分利用智能识别技术扩展知识获取和传递途径，利用知识图谱构建体系化的知识框架，并利用机器学习、数据分析技术对学生成绩测评、考勤状态等学习数据可视化，实时跟进学生的学习进度、对知识的接受及掌握程度、优势及特长、知识盲区及缺陷等，教师根据反馈对于教学进度、教学内容、教学重点作出及时调整，对重难点进行查漏补缺。
在教学评估阶段，通过数据密集型评价方法对于教学成果进行数据化、智能化评价，考核系统从狭隘单一逐渐转向开放式、多元化、可视化，考核频率从传统的定时定向考核转向实时反馈，从单向指标考核转变为多角度全方位评价，教学成果展示立体化，教学追踪及时化，教学管理也从经验驱动转向数据驱动，从教学前期、教学过程、教学评估及管理各阶段实现深度分析、实时互动、智能决策。
2.3 人机融合——开放共享式教学
元宇宙时期，传统的单向流动教学模式被彻底颠覆，沉浸式线上教学平台以开放模式共建共享参与教学全程。随着人机融合进一步深化，数字人、虚拟人在教学活动中比重逐渐增大，教学辅助和教学替身成为人机融合教学实践的重要组成部分。一方面，教育机器人、 AI 教学辅助工具等虚拟人借助人工智能技术参与教学，以数字化教学管理模式减轻教师的工作负担；另一方面，师生通过体感交互、脑机接口等技术实现虚拟身份的转化，实现具身认知。
智能教学系统（ITS） [1] 以虚拟教师形式辅助元宇宙教学，其强大全面的教学功能可实现多维度的学生数据管理与教学评估，针对学生的基础水平、熟练程度进行分类，自动生成学生个性化定制的培养方案。智能教师对于基础性的知识点讲解能够形成自动化答疑体系，利用图像识别、语音语义识别技术对学生疑难知识点进行实时追踪记录。教育智能体系（Pedagogical Agent，PA）[2] 以教学代理的身份负责理论型知识的输出，与教师各司其职共同完成教学任务。
3 元宇宙时代的教学实践
3.1 混合式教学模式
随着网络信息时代线上教学的兴起，混合式教学模式（blended learning）已经初见端倪。尽管信息时代的混合式教学首次突破了单一线下教学封闭、时空固定的授课方式，整合多渠道、多平台资源优势形成较为多维立体的现代化教学模式，但仍然无法摆脱线上与线下教学割裂、远程在线教育缺乏完善监管体系、学生参与度和自觉性低等问题。
元宇宙对当下在线教学混合式教学模式实现迭代升级，以其沉浸式优势重新整合海量线上和线下教学资源，为教学个性化提供内容保障。相较平面网络教学，元宇宙时期混合式教学一方面通过数字孪生技术在虚拟空间实现线下教学的实践参与，通过虚拟身份实现具象化的课堂监督，有效规避了网络远程在线课堂缺乏实践、监管不利的弊病；另一方面，元宇宙充分发挥 5G 等网络通信优势开展线上教学活动，实现跨平台、跨媒介教学资源深度融合。
以三维游戏美术教学为例，作为计算机美术实践类课程和元宇宙世界的视觉呈现形式，该课程强调学生的主体性与创造性，更适合在元宇宙虚拟空间进行教学。前期学生可一边观看在线教学视频一边实时沉浸式模拟练习，学生和教师通过虚拟替身的方式直观参与虚拟课堂，通过头戴式设备、体感设备、虚拟现实等技术手段实现线上与线下空间的一体化。教师可通过虚拟空间可视化方式对学生进行实时指导，减少了反馈和沟通成本。
3.2 情景化教学模式
情景教学通过物理情境、心理情境、人际情境和文化情境构建起身体认知的外部环境，身体与情境的互动为体验式学习创造了条件。传统线下教学过程中，教师通过引领学生实地体验、表演模仿、描绘想象等方式人为营造教学情境，为具身体验学习创造环境。而在互联网线上教学过程中，教师通过展示
资料、声音视频等方式丰富情境教学手段。
元宇宙时代为情景化教学创造了沉浸式体验环境，丰富了情景化教学形式，更是融合实境具身、离线具身等情境教学手段为一体，充分利用扩展现实技术、脑机接口、体感控制技术与体感穿戴设备，能够完美结合线上和线下情境教学优势，实现逼真化、全方位、多角度的具身学习体验；另一方面，元宇宙空间还能营造虚拟社群化情景学习体验，这解决了传统线上远程教学空间封闭、互动性弱、孤独感强的弊病，元宇宙时期的虚拟学习社区可营造实时互动、真实沉浸的情景体验，更能培养学生的合作能力。
以三维游戏美术教学为例，该课程一方面要培养学生审美感知能力与技术实操能力，另一方面要让学生尽快与行业实践接轨，实现流水线团队分工协作。传统远程线上教学课程大多以系列教程的形式，更注重实践操作能力，对于审美的培养缺乏合理有效途径。而在元宇宙教学中，教师可引领学生具身体验不同地域特征、历史文化、明度色调、冷暖光线等气氛环境，培养学生敏锐的审美感知与创造能力。此外，虚拟社区平台能够为小组创作和分工协作提供社交空间，更能为校企合作提供分享交流平台，更利于教学定位精准化，实现人才差异化、产业化培养。
4 结 语
元宇宙赋能在线教育是当下信息时代远程教育在技术、理念、实践层面的迭代升级，以其深度沉浸感、具身社交属性、实时互动体验、数据统筹与智能算法等前沿技术优势为当下在线教育提供全新发展思路，为现代化教育基础设施建设勾勒崭新蓝图，为素质教学全面发展提供新的机遇。
参考文献：
[1] 闫志明, 付加留, 朱友良, 等. 整合人工智能技术的学科教学知识(AI-TPACK): 内涵、教学实践与未来议题[J]. 远程教育杂志, 2020, 38(5): 23-34.
[2] 郑思思, 陈卫东, 徐铷忆, 等. 数智融合: 数据驱动下教与学的演进与未来趋向——兼论图形化数据智能赋能教育的新形态[J]. 远程教育杂志, 2020, 38(4): 27-37.
基金项目：新时代中国动画艺术知识体系创新研究项目“中国动画艺术知识体系创新背景下动画专业教育模式改革研究”（20ZD20）；新文科改革与实践项目“新文科背景下动画专业交叉改造和提升改革研究与实践”。
第一作者简介：黄心渊，男，中国传媒大学教授，研究方向为三维动画设计、数字媒体艺术、虚拟现实技术等，251754096@qq.com。
引文格式：黄心渊，袁之路. 元宇宙赋能在线教学模式新形态探究[J].计算机教育,2022(10):179-182.
转自：“计算机教育”微信公众号
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