【元宇宙 教育】② 元宇宙的教育屬性與關鍵技術

當前，大多數體現元宇宙的技術或產品主要局限在電子娛樂領域，但是簡單地將元宇宙本身視作一種電子游戲，顯然是比較表面化的解讀 ，會讓人忽略掉元宇宙對教育所能發揮的巨大潛能。

探索元宇宙的深度應用可能帶來的變革契機，以及教育類元宇宙的形式及技術實現方式，將一種哲學化的數字生存與游戲化學習緊密地結合在一起，具有重要的理論與實踐意義。

教育元宇宙（Edu-Metaverse）可以理解為元宇宙的教育應用，它為教師、學生、管理者等相關者創建數字身份，在虛擬世界中開拓正式與非正式的教學場所，并允許師生在虛擬的教學場所進行互動。

從教育哲學的角度思考元宇宙，可以發現其最突出的賦能優勢是為教師與學生創設了一種沉浸式的教學互動場域。教育元宇宙的場域突破了物理世界的局限，通過網絡教學空間營造了一個新的虛擬教育世界，使得教師和學生可以在物理和虛擬世界同時獲得現實和虛擬教學需求的滿足，兩者在本質上是相互影響、相互聯系、共同發展的。

但教育元宇宙中的虛擬世界并不是對物理世界的簡單復制，也不是另一個物理世界的“平行宇宙”，而是對物理世界的一種再開發。它所具有的媒體賦能特點可以補充物理世界的缺憾，甚至在某些維度能超越物理世界的限制，形成一種特殊的教育元宇宙場域，賦能教育元宇宙發揮出整體的場域效應。

所謂場域就是一種場景或應用空間。教育元宇宙的架構可以理解為一個超級場域，代指可以整合所有元宇宙元素的系統平臺。

有學者提出構建元宇宙需要打造其基礎設施架構，應包括物理層、軟件層、數據層、規則層和應用層。誠然，元宇宙依然存在諸多技術瓶頸，但通過對其架構的不斷嘗試改進和對其關鍵技術的不斷融合運用，就能夠利用元宇宙的相關技術與方法解決教育領域的特定問題。

筆者將基于廣東第二師范學院“廣東省智能教育重點實驗室”的系列研究成果，提出教育元宇宙的場域架構及其關鍵技術解決方案，其中場域架構主要包括物理層、軟件層、應用層和分析層四層。

物理層是指在物理世界構造元宇宙的設備及其基礎設施環境。該層主要采用5G網絡、沉浸設備、其他設備（如訪問與展示類設備、生物數據采集設備）來搭建，力求實現：建設開放式、可嵌入式的基礎設施環境，為未來教育元宇宙更新迭代提供空間；整合現有設備融入教育元宇宙生態中；選擇利用率最高的新購置設備融入教育元宇宙生態中。

元宇宙架構物理層

結合5G網絡、雙千兆教育專網和5G基站，部署用于教育元宇宙的5G云網融合服務網關，支持路由、橋接、旁路等多種模式，根據元宇宙沉浸設備配備情況進行靈活部署，使得多用戶元宇宙網絡交互成為可能。

與以往的網絡環境相比，5G環境可以實現VR圖像傳輸即時化、圖像語音傳輸自然、跨地互動無縫對接、大數據實時共享、元宇宙應用傳輸平順。

營造教育元宇宙首先應在5G網絡覆蓋環境下配置硬件，部署元宇宙中央服務器，為每個學習者配備一套虛擬現實設備。

其次應配置元宇宙環境高性能計算機，操作系統必須為Windows 10或以上版本，處理器為Intel Core i5-4590同等性能及以上，顯卡為NVIDIA GeForce GTX 970同等性能及以上；還應配置千兆有線網口及5G路由器，網口、路由器、電腦網線要求六類線及以上規格。

對于非沉浸用戶（如以訪問、參觀等為使用目的），可以配置多途徑設備進行訪問，既可以選擇智能手機、平板電腦等無線設備直接訪問服務器，也可以利用高性能計算機通過網頁訪問，或者直接與服務器進行有線串流連接來訪問元宇宙內容。

同時對于學習者的生物電分析還應配備生理分析設備，主要包括心電、腦電、皮膚電等生物采集設備，用于檢測學習者沉浸在元宇宙環境時的沉浸感、專注度、心流體驗等情況變化。為了不影響學習者的沉浸感，生物電采集設備并未選擇專業的醫療心理分析設備，而是采用了手環、創客腦波套件、創客皮膚電套件等簡易設備。

軟件層是在物理層基礎上構建元宇宙系統的基礎設施，具體包括VR軟件系統、元宇宙系統和生物數據采集系統，分別對應物理層的VR設備、元宇宙基礎設施平臺和生物電采集設備。

元宇宙架構軟件層

在5G網絡環境下，需在學習者使用的每臺計算機上安裝VR串流軟件，實現VR畫面與計算機畫面的同步傳輸。

由于無線串流極大依賴于網絡速度，并且當同步訪問用戶增加時，會造成網絡卡頓，因此采用有線串流方式。同時在電腦中安裝STEAM軟件，在STEAM平臺上安裝STEAM VR應用，即可實現VR與計算機的串流，完成元宇宙畫面的同步傳輸。

采用 Roblox Studios 程序進行教育元宇宙構建。該程序具有較好的空間構建模塊，可以完成教育活動目標中的空間建構任務，同時支持VR設備的同步連接。在教師機上安裝Roblox Studios，以構造用于學生活動的元宇宙，實現串流。

在此需特別說明的是，雖然利用VR軟件系統即可創造有沉浸感的氛圍，利用Unity 3D和Unreal等軟件也可以自行建構個性化的元宇宙環境，但是Roblox是目前具有最完備的元宇宙屬性的平臺，如擁有個性化的用戶化身建構系統、仿生環境構造系統、多平臺訪問與空間構造系統、平臺交易機制、數字徽章系統等，適合用于開展元宇宙的探索性研究。

通過智能設備提供的生物數據，可以與學習者元宇宙探索活動相聯系，并進行可視化的統計分析。

鑒于生理信號在反映有機體狀況方面更加客觀、真實，主要采用腦電采集設備、心電采集設備和皮膚電采集設備來收集學習者的生物數據。

應用層即組織學習者在教育元宇宙中開展學習活動?；谘芯繄F隊對VR動覺學習機制的研究成果  ，將教育元宇宙中的學生活動按照技術交互的特點設計為序列型指引、綜合型探究和眾創建構三種類型。

元宇宙架構應用層

其中，序列型指引是指學生根據環境的任務提示理解交互模塊的知識，并逐步完成的交互指引。綜合型探究是一種基于序列型指引并可以進行自由探索的探究學習方式。眾創建構是指學生以小組為單位進行協同，其主要任務是利用環境所提供的模塊建構功能完成對空間的建構，以促進其協同能力和探究能力的發展。

分析層主要用來對采集的數據進行分析，以發現教育元宇宙場域所發揮的教學效用。針對數據層采集的VR特征數據、學生感知數據、心理生理數據等，分別采用無序熵值算法、AE值、心理生理數據分析與標簽分析等方法，分析教育元宇宙教學場域的教學效果。

元宇宙架構分析層

在教育元宇宙的場域中，通過各種傳感器和交互設備，可以得到各種類型的多模態數據，對數據的進一步挖掘能夠輔助研究者發現元宇宙的場域效應，但是其難點在于對多維數據的統一評價。

熵是用來度量系統混亂無序程度的量，對熵的測定能夠對系統中的有序和無序狀態進行界定，這種計算方法就是熵值法。熵值法是一種“客觀賦權”的方法，對教育元宇宙設備、系統中各種數據進行熵值計算，能夠幫助教學設計者發現系統特征，挖掘學習者的學習規律。

對于一些難以獲得或者難以評價的數據，運用無序熵值算法雖然可以部分解決 ，但是卻沒有統一的評價標準，因此可采用原子經濟算法進行彌補。

“原子經濟”本來是一個化學概念，用以描述提高反應物轉化為最終產物的效率，降低浪費或副產物的產生；在教育領域，它被用于描述投入與產出的比值。

原子經濟算法可以通過對某些事件和對象進行熵值數值的換算，獲得原子經濟AE值，再綜合 Cosine 算法可以對AE值進行進一步的預測。

以腦電（EEG）數據分析為例，主要收集δ波、θ波、α波、β波、γ波等5個波段的特征值，計算其時域統計特征量，即均值、最大值、最小值、中值、方差、標準差。

當得到豐富的腦電波數據及其時域統計特征量后，可以根據其各種特征量的綜合，得到多類型的分析標簽（如特征、行為、認知、成果）。

在教育領域，元宇宙還是一個新興概念，對它開展關于教育理論與應用方面的探索具有十分重要的意義。在教育信息化促進教育現代化進程中，技術的應用依然處于十分尷尬的境地。技術本身固然十分重要，但是如何深度融入教育教學過程，依然是教育研究的重要命題。