【元宇宙 教育】② 元宇宙的教育属性与关键技术

当前，大多数体现元宇宙的技术或产品主要局限在电子娱乐领域，但是简单地将元宇宙本身视作一种电子游戏，显然是比较表面化的解读 ，会让人忽略掉元宇宙对教育所能发挥的巨大潜能。

探索元宇宙的深度应用可能带来的变革契机，以及教育类元宇宙的形式及技术实现方式，将一种哲学化的数字生存与游戏化学习紧密地结合在一起，具有重要的理论与实践意义。

教育元宇宙（Edu-Metaverse）可以理解为元宇宙的教育应用，它为教师、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。

从教育哲学的角度思考元宇宙，可以发现其最突出的赋能优势是为教师与学生创设了一种沉浸式的教学互动场域。教育元宇宙的场域突破了物理世界的局限，通过网络教学空间营造了一个新的虚拟教育世界，使得教师和学生可以在物理和虚拟世界同时获得现实和虚拟教学需求的满足，两者在本质上是相互影响、相互联系、共同发展的。

但教育元宇宙中的虚拟世界并不是对物理世界的简单复制，也不是另一个物理世界的“平行宇宙”，而是对物理世界的一种再开发。它所具有的媒体赋能特点可以补充物理世界的缺憾，甚至在某些维度能超越物理世界的限制，形成一种特殊的教育元宇宙场域，赋能教育元宇宙发挥出整体的场域效应。

所谓场域就是一种场景或应用空间。教育元宇宙的架构可以理解为一个超级场域，代指可以整合所有元宇宙元素的系统平台。

有学者提出构建元宇宙需要打造其基础设施架构，应包括物理层、软件层、数据层、规则层和应用层。诚然，元宇宙依然存在诸多技术瓶颈，但通过对其架构的不断尝试改进和对其关键技术的不断融合运用，就能够利用元宇宙的相关技术与方法解决教育领域的特定问题。

笔者将基于广东第二师范学院“广东省智能教育重点实验室”的系列研究成果，提出教育元宇宙的场域架构及其关键技术解决方案，其中场域架构主要包括物理层、软件层、应用层和分析层四层。

物理层是指在物理世界构造元宇宙的设备及其基础设施环境。该层主要采用5G网络、沉浸设备、其他设备（如访问与展示类设备、生物数据采集设备）来搭建，力求实现：建设开放式、可嵌入式的基础设施环境，为未来教育元宇宙更新迭代提供空间；整合现有设备融入教育元宇宙生态中；选择利用率最高的新购置设备融入教育元宇宙生态中。

元宇宙架构物理层

结合5G网络、双千兆教育专网和5G基站，部署用于教育元宇宙的5G云网融合服务网关，支持路由、桥接、旁路等多种模式，根据元宇宙沉浸设备配备情况进行灵活部署，使得多用户元宇宙网络交互成为可能。

与以往的网络环境相比，5G环境可以实现VR图像传输即时化、图像语音传输自然、跨地互动无缝对接、大数据实时共享、元宇宙应用传输平顺。

营造教育元宇宙首先应在5G网络覆盖环境下配置硬件，部署元宇宙中央服务器，为每个学习者配备一套虚拟现实设备。

其次应配置元宇宙环境高性能计算机，操作系统必须为Windows 10或以上版本，处理器为Intel Core i5-4590同等性能及以上，显卡为NVIDIA GeForce GTX 970同等性能及以上；还应配置千兆有线网口及5G路由器，网口、路由器、电脑网线要求六类线及以上规格。

对于非沉浸用户（如以访问、参观等为使用目的），可以配置多途径设备进行访问，既可以选择智能手机、平板电脑等无线设备直接访问服务器，也可以利用高性能计算机通过网页访问，或者直接与服务器进行有线串流连接来访问元宇宙内容。

同时对于学习者的生物电分析还应配备生理分析设备，主要包括心电、脑电、皮肤电等生物采集设备，用于检测学习者沉浸在元宇宙环境时的沉浸感、专注度、心流体验等情况变化。为了不影响学习者的沉浸感，生物电采集设备并未选择专业的医疗心理分析设备，而是采用了手环、创客脑波套件、创客皮肤电套件等简易设备。

软件层是在物理层基础上构建元宇宙系统的基础设施，具体包括VR软件系统、元宇宙系统和生物数据采集系统，分别对应物理层的VR设备、元宇宙基础设施平台和生物电采集设备。

元宇宙架构软件层

在5G网络环境下，需在学习者使用的每台计算机上安装VR串流软件，实现VR画面与计算机画面的同步传输。

由于无线串流极大依赖于网络速度，并且当同步访问用户增加时，会造成网络卡顿，因此采用有线串流方式。同时在电脑中安装STEAM软件，在STEAM平台上安装STEAM VR应用，即可实现VR与计算机的串流，完成元宇宙画面的同步传输。

采用 Roblox Studios 程序进行教育元宇宙构建。该程序具有较好的空间构建模块，可以完成教育活动目标中的空间建构任务，同时支持VR设备的同步连接。在教师机上安装Roblox Studios，以构造用于学生活动的元宇宙，实现串流。

在此需特别说明的是，虽然利用VR软件系统即可创造有沉浸感的氛围，利用Unity 3D和Unreal等软件也可以自行建构个性化的元宇宙环境，但是Roblox是目前具有最完备的元宇宙属性的平台，如拥有个性化的用户化身建构系统、仿生环境构造系统、多平台访问与空间构造系统、平台交易机制、数字徽章系统等，适合用于开展元宇宙的探索性研究。

通过智能设备提供的生物数据，可以与学习者元宇宙探索活动相联系，并进行可视化的统计分析。

鉴于生理信号在反映有机体状况方面更加客观、真实，主要采用脑电采集设备、心电采集设备和皮肤电采集设备来收集学习者的生物数据。

应用层即组织学习者在教育元宇宙中开展学习活动。基于研究团队对VR动觉学习机制的研究成果  ，将教育元宇宙中的学生活动按照技术交互的特点设计为序列型指引、综合型探究和众创建构三种类型。

元宇宙架构应用层

其中，序列型指引是指学生根据环境的任务提示理解交互模块的知识，并逐步完成的交互指引。综合型探究是一种基于序列型指引并可以进行自由探索的探究学习方式。众创建构是指学生以小组为单位进行协同，其主要任务是利用环境所提供的模块建构功能完成对空间的建构，以促进其协同能力和探究能力的发展。

分析层主要用来对采集的数据进行分析，以发现教育元宇宙场域所发挥的教学效用。针对数据层采集的VR特征数据、学生感知数据、心理生理数据等，分别采用无序熵值算法、AE值、心理生理数据分析与标签分析等方法，分析教育元宇宙教学场域的教学效果。

元宇宙架构分析层

在教育元宇宙的场域中，通过各种传感器和交互设备，可以得到各种类型的多模态数据，对数据的进一步挖掘能够辅助研究者发现元宇宙的场域效应，但是其难点在于对多维数据的统一评价。

熵是用来度量系统混乱无序程度的量，对熵的测定能够对系统中的有序和无序状态进行界定，这种计算方法就是熵值法。熵值法是一种“客观赋权”的方法，对教育元宇宙设备、系统中各种数据进行熵值计算，能够帮助教学设计者发现系统特征，挖掘学习者的学习规律。

对于一些难以获得或者难以评价的数据，运用无序熵值算法虽然可以部分解决 ，但是却没有统一的评价标准，因此可采用原子经济算法进行弥补。

“原子经济”本来是一个化学概念，用以描述提高反应物转化为最终产物的效率，降低浪费或副产物的产生；在教育领域，它被用于描述投入与产出的比值。

原子经济算法可以通过对某些事件和对象进行熵值数值的换算，获得原子经济AE值，再综合 Cosine 算法可以对AE值进行进一步的预测。

以脑电（EEG）数据分析为例，主要收集δ波、θ波、α波、β波、γ波等5个波段的特征值，计算其时域统计特征量，即均值、最大值、最小值、中值、方差、标准差。

当得到丰富的脑电波数据及其时域统计特征量后，可以根据其各种特征量的综合，得到多类型的分析标签（如特征、行为、认知、成果）。

在教育领域，元宇宙还是一个新兴概念，对它开展关于教育理论与应用方面的探索具有十分重要的意义。在教育信息化促进教育现代化进程中，技术的应用依然处于十分尴尬的境地。技术本身固然十分重要，但是如何深度融入教育教学过程，依然是教育研究的重要命题。