教育数字化转型实践｜中小学教育元宇宙空间的构建及其教学应用
随着新技术的迅猛发展,元宇宙快速进入社会多个应用领域,教育元宇宙应运而生。目前,我国教育元宇宙的应用尚处于初级阶段。为推动教育元宇宙在中小学校的落地实施,文章首先厘清了“元宇宙”与“教育元宇宙”的概念,然后通过对教育元宇宙的关键技术、框架设计、场景构建、教学空间等方面进行统筹规划,构建了中小学教育元宇宙空间。最后,文章依托教育元宇宙空间,在中小学学科教学中开展了XR和“三师课堂”教学探索性实验。
“元宇宙”与“教育元宇宙”
01 元宇宙的概念
元宇宙是基于AI、Io T、XR、数字孪生、区块链、脑机控制等新技术，将现实世界与虚拟世界进行交互融合，通过自然人、智能机器人和虚拟数字人三元融合共同参与数字社会活动，由数字孪生、虚拟货币、虚拟原生、虚实共生、虚实联动构建而成的数字化生存空间。元宇宙的出现，实现了生活空间、感官体验、视角维度、思想实践、消费空间等的拓展。
02 教育元宇宙的概念
教育元宇宙是在AI、XR、Io T、区块链、数字孪生、脑机控制等技术的支撑下，集智慧育人空间、虚实教学体验、跨越时空交流、三师协同授课和多种教育资源于一体的智能教育教学应用场景，其通过人类教师、虚拟数字人教师和智能机器人教师三元一体协同授课，以“三师课堂”形式在现实空间和虚拟空间共同开展教学活动，能够实现人机交互、虚实交互、智能交互、情境交互、体感交互、脑机交互和师生交互。
中小学教育元宇宙空间的构建
本研究构建了包含基础设施层、技术平台层、智能感知层、应用展示层的中小学教育元宇宙空间，其架构设计如图1所示。
图1 中小学教育元宇宙空间的架构设计
01 基础设施层
基础设施层为教育元宇宙提供网络设施、软件平台和硬件设备支持，主要由互联网接入、物联网接入、元宇宙软件平台和元宇宙硬件设备组成。
- 互联网接入
- 物联网接入
- 元宇宙软件平台
- 元宇宙硬件设备
02 技术平台层
技术平台层是在云计算、大数据、AI、XR、Io T、区块链、数字孪生、脑机控制等技术的支持下，主要为教育元宇宙空间提供算力、算法和数据支持。
- 计算技术
- 核心算法
- 交互技术
03 智能感知层
智能感知层是教育元宇宙空间的“感觉器官”，由模式识别、感知控制两大模块组成。在AI、5G、XR、Io T等技术的支持下，人们通过眼、耳、口、鼻、脑、身实现视觉增强、听觉延伸、味觉拓展、嗅觉灵敏、意识映射和体感交互，达到智能感知、智能分析、智能判断、时空延展和人机融合的感官体验效果。
- 模式识别
- 感知控制
04 应用展示层
应用展示层是教育元宇宙的应用展示窗口和教学应用场景，能为师生提供信息发布平台与各种教育元宇宙的应用体验。
- 微信公众号/视频号
- 教育元宇宙应用资源网站
- 智能机器人应用
- 虚拟数字人应用
- XR与全息投影应用
- 体感/动捕/脑电控制应用
- 3D建模编程应用
中小学教育元宇宙空间在学科教学中的应用
01 XR在中小学学科教学中的应用
（1）VR在中小学学科教学中的应用
在教育元宇宙空间，可以使用VR设备开展中小学各学科内容的教学，如通过中央电化教育馆的“虚拟实验教学服务系统”（网址：https://vlab.eduyun.cn/）进入物理、化学、生物学、科学虚拟实验室平台，学生借助头戴式VR眼镜和操控手柄，即可在虚拟空间身临其境般地使用、操作各种实验设备，进行实时交互、观察各种实验现象。另外，通过桌面式VR一体机，学生可以使用相关设备操作各学科的VR课件资源并进行人机交互。在教学中使用三维模型、三维仿真、三维动画等可交互式操作的VR资源，进行趣味性、直观性、应用性、沉浸式的情景再现，可以实现人机交互的教学活动和实操训练，让学生获得具有真实感和沉浸感的学习体验。
（2）AR在中小学多个学科教学中的应用
教师在组织开展中小学各学科教学时，师生均可通过手机或平板电脑的摄像头观看AR素材提供的AR特效，并通过相关APP控制虚拟画面中的机器人做出相应动作。在智慧教室，通过AR+AI抠像，可将人物经由AI抠像提取后的影像放置到相应场景中进行情景还原和场景再现，真正实现虚拟影像叠加在真实场景的AR特效。
（3）MR在学科教学中的应用
利用MR组织教学，还可以通过创设虚拟情境、明确探究问题、多人协同交互、拓展延伸空间来实现教学场景设计。MR将知识体系同时朝横向、纵向方向上拓展，可以帮助学生发现更深层次的问题，并为快速解决现实问题搭建虚拟化、数字化的学习平台。
02 “三师课堂”在中小学学科教学中的应用
“三师课堂”是由人类教师、虚拟数字人教师和智能机器人教师三类教师协同开展的课堂教学，其教学模型如图2所示。
图2“三师课堂”教学模型
本研究以融合人工智能技术与虚拟现实技术开发的教学案例——“语音交互悬空体感爵士鼓的设计与制作”课程为例，来介绍“三师课堂”中三类教师的授课分工。
（1）虚拟数字人教师：负责线上线下视频授课
虚拟数字人教师是通过虚拟形象建模、文本输入、文字识别、语音合成、自然语音处理、动作捕捉、动作设计、视频生成等多个设计步骤，生成的数字化身人物形象。笔者利用智影、元娲两个平台，制作了虚拟数字人教师——“小慧”。“小慧”是帮助人类教师授课的虚拟助教，能根据PPT内容出色地完成授课任务，可以代替人类教师通过视频向学生讲解“语音交互悬空体感爵士鼓的设计与制作”课程的全部授课内容。
（2）智能机器人教师：负责知识性问题的答疑
教育元宇宙空间配置的智能机器人能够通过人脸识别技术识别学生身份，已存储了海量的各学科知识信息，能够通过智能语音交互功能进行人机交互对话，可担任人类教师的助教。
（3）人类教师：负责线下现场教学活动的指导
在教育元宇宙空间制作悬空体感爵士鼓的过程中，人类教师承担组织者、引导者、参与者、设计者、陪伴者、评价者的角色，重点培养学生的项目规划、计算思维、创意编程、综合设计、开拓创新等能力，发展其核心素养。
通过构建中小学教育元宇宙空间，让元宇宙和虚拟数字人走进中小学日常教学，中小学师生可以直观地感受教育元宇宙的各类应用场景。通过XR和“三师课堂”在中小学学科教学中的应用，本研究将教育元宇宙空间与现实场景应用相结合，实现了跨越时空的师生互动交流，既减轻了教师的工作负担，也有助于创新人才的培养。后续研究需要进一步优化教育元宇宙空间的建设，将教育元宇宙、虚拟数字人、智能机器人技术与课堂教学进行深度融合，以推动未来教育的数字化转型和智能升级；同时，顺应人工智能时代的教育发展需要，培养智慧型、创新型人才，使教育元宇宙为师生造福，实现新技术与教育的双向促进和良性发展。
参考文献
[1]王同聚.中小学教育元宇宙空间的构建及其教学应用[J].现代教育技术,2022,32(11):15-23.