工業(yè)4.0時(shí)代元宇宙賦能的智慧教育

[希臘] 斯蒂利亞諾斯·米斯塔基迪斯

摘? ?要：隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，元宇宙作為一種新興概念與前沿科技受到廣泛關(guān)注。元宇宙在教育中的應(yīng)用有望克服目前在線學(xué)習(xí)的局限性，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的自我感知度和主動(dòng)性。虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)是元宇宙與人們生活連接的載體，已在不同的教與學(xué)場景中得到應(yīng)用。元宇宙可以為當(dāng)前教育向新型的元教育模式轉(zhuǎn)型搭建橋梁;通過在線社交聯(lián)系和開展非正式學(xué)習(xí)，有望實(shí)現(xiàn)教育轉(zhuǎn)型;人們需采用積極的混合教學(xué)法促進(jìn)智慧深度學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：元宇宙 智慧STEM教育 工業(yè)4.0時(shí)代

一、元宇宙

元宇宙不是一種孤立的技術(shù)，它是生態(tài)系統(tǒng)中多種科技里的一種，如云計(jì)算、高速網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人技術(shù)、3D打印、大數(shù)據(jù)、人工智能、納米技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)。這些科技標(biāo)志著工業(yè)4.0時(shí)代的轉(zhuǎn)型，與第四次工業(yè)革命緊密相關(guān)，使自動(dòng)智能制造流程和裝置得以實(shí)現(xiàn)，從而對就業(yè)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響。新一代的學(xué)習(xí)者和教師需要具備合適的能力，現(xiàn)有勞動(dòng)力也需在終身學(xué)習(xí)框架下進(jìn)行大規(guī)模的新技能學(xué)習(xí)（Reskilling）和技能提升（Upskilling）。隨著元宇宙和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Extended Reality，XR）的應(yīng)用，工業(yè)4.0時(shí)代下的教育將被極大地強(qiáng)化。

分別以個(gè)人電腦、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備為代表的第三次計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新浪潮為互動(dòng)交流、教學(xué)與學(xué)習(xí)、商務(wù)往來等帶來了劇變，深刻改變了人們的生活。第四次浪潮帶來了許多新技術(shù)，如XR。XR是一個(gè)涵蓋性術(shù)語，它包括一系列技術(shù)，如虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)（MR）以及信息投影的電子數(shù)字環(huán)境，人們可以在完全數(shù)字化或部分?jǐn)?shù)字化的環(huán)境中觀察與行動(dòng)。人們可通過現(xiàn)實(shí)—虛擬連續(xù)體[1]（Reality-Virtuality Continuum）更好地理解上述技術(shù)。如圖1所示，圖片左側(cè)是真實(shí)的環(huán)境，向右逐漸進(jìn)入混合現(xiàn)實(shí)，人們可通過手持設(shè)備或者頭戴設(shè)備在物理環(huán)境中投影信息，最右側(cè)是完全虛擬的環(huán)境，也就是虛擬現(xiàn)實(shí)，這是一個(gè)完全獨(dú)立于物理世界的環(huán)境。

筆者曾為元宇宙提出一個(gè)學(xué)術(shù)定義：元宇宙是融合了物理現(xiàn)實(shí)和數(shù)字虛擬的可感知的社會(huì)環(huán)境[2]，它是由社交化的、網(wǎng)絡(luò)化的沉浸式環(huán)境構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，能讓用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通。如果想給非學(xué)術(shù)界人士解釋元宇宙，也可以說：元宇宙是一種后現(xiàn)實(shí)（Post Reality）或虛擬宇宙，因?yàn)樵钪娴挠⑽摹癕etaverse”由兩個(gè)單詞組成：“meta”和“universe”。“meta”是希臘語單詞，意為“后”，“universe”意為宇宙。由于它是一種三維空間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，我們也可以將元宇宙稱為三維網(wǎng)絡(luò)（3D Internet）或空間網(wǎng)絡(luò)（Internet of Place）。

元宇宙是新興的技術(shù)和平臺，但它的哲學(xué)淵源可以追溯至公元前4世紀(jì)。柏拉圖在《理想國》（The Republic）中記述的《洞穴寓言》（Allegory of the Cave）有助于理解人類思想是如何與虛擬現(xiàn)實(shí)聯(lián)系起來的?！霸钪妗边@個(gè)概念是尼爾·斯蒂芬森（Neal Stephenson）在其1992年的科幻小說《雪崩》（Snow Crash）中創(chuàng)造出來的。十幾年前，人們就開始努力將元宇宙從概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在發(fā)軔階段，通過聯(lián)通多個(gè)虛擬世界，人們可以像瀏覽不同網(wǎng)頁一樣在各虛擬空間中穿梭。正如世界經(jīng)濟(jì)論壇（World Economic Forum）提出的觀點(diǎn)，元宇宙并不是一個(gè)全新的事物，但它依然有強(qiáng)大的影響力。

世界經(jīng)濟(jì)論壇提出了關(guān)于元宇宙的七大重要主題：數(shù)字傳輸（Digital Teleportation），技術(shù)壁壘（Technological Barrier），沉浸式敘事（Immersive Storytelling），生活的游戲化（The Gamification of Life），健康福利與風(fēng)險(xiǎn)（Health Benefits and Risks），沉浸式媒體與藝術(shù)（Immersive Media and Art），制造、操作和購買的新方式（New Ways to Make， Do and Buy）。這一切對人們來說意味著什么？圖2是筆者為元宇宙制作的一個(gè)思維導(dǎo)圖[3]，下文將從已有研究和案例出發(fā)，討論元宇宙的原則、倫理挑戰(zhàn)和可供性方面的問題。

第一是原則。托尼·帕里希（Tony Parisi）的元宇宙七大法則[4]概述了元宇宙的特征：第一，元宇宙是唯一的;第二，元宇宙屬于所有人;第三，無人能控制元宇宙;第四，元宇宙是開放的;第五，元宇宙與硬件無關(guān);第六，元宇宙是一個(gè)網(wǎng)絡(luò);第七，元宇宙就是互聯(lián)網(wǎng)。元宇宙是互聯(lián)網(wǎng)的一種表現(xiàn)形式，它是網(wǎng)絡(luò)，是開放的、跨硬件的，它屬于所有人而非某個(gè)實(shí)體，它不受某個(gè)公司的控制。當(dāng)然，元宇宙內(nèi)部與互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部類似，具有可封閉性，人們可以在封閉的虛擬空間中運(yùn)營公司、進(jìn)行學(xué)術(shù)活動(dòng)或做其他事情。

第二是元宇宙面臨的道德與倫理困境，此類問題在數(shù)據(jù)分析時(shí)尤為明顯。為此，筆者提出了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)分析道德框架[5]，框架包含一個(gè)數(shù)據(jù)分析器，可對技術(shù)、教學(xué)和心理三類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該框架也提供了一些保障措施，以確保元宇宙的運(yùn)作不違背道德與倫理規(guī)范。

我們也對道德倫理問題進(jìn)行了分析，將其劃分為四大類：身體健康、心理健康、道德問題和數(shù)據(jù)隱私，每一類又包括多個(gè)子問題[6]。特別是數(shù)據(jù)隱私中的信息隱私問題，它對所有人都非常重要。進(jìn)入元宇宙后，由于在日常生活中頻繁使用VR、AR、MR等技術(shù)，人們的數(shù)字足跡將會(huì)大幅增加。這意味著系統(tǒng)將收集更多的個(gè)人數(shù)據(jù)，包括人們的感覺、心率、動(dòng)作、目光等，此類信息可被用于生物心理測量。通過對個(gè)人情感信息的攫取，系統(tǒng)將能預(yù)測個(gè)體未來的行為，同時(shí)也存在產(chǎn)生算法偏見的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)該對數(shù)據(jù)隱私安全問題開展國際合作，消除使用者的顧慮。

第三，元宇宙應(yīng)是全民可及的?？死锼雇懈ァだ程兀–hristopher Lafayette）提出了元宇宙的七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（見圖3）。元宇宙應(yīng)該將人道放在第一位，它應(yīng)是全民可及、全民平等的，并能實(shí)現(xiàn)全民教育。元宇宙也應(yīng)考慮安全、隱私和健康問題。筆者認(rèn)為這一標(biāo)準(zhǔn)整合了元宇宙中的關(guān)鍵原則。A953682E-21FC-42C9-89E1-B996E9A07BEE

二、元宇宙與教育轉(zhuǎn)型

（一）教育和元宇宙的聯(lián)系

將元宇宙應(yīng)用到教育領(lǐng)域的原因之一是當(dāng)前廣泛使用的基于web的系統(tǒng)自身具有局限性。由于它是一個(gè)二維平面，人們只能作為一個(gè)小的圖像而出現(xiàn)，因而使用時(shí)自我感知度較低，同時(shí)它也容易引發(fā)“Zoom疲勞”（Zoom Fatigue，即過度參與視頻會(huì)議而引起疲勞的現(xiàn)象）。在學(xué)習(xí)管理環(huán)境中這意味著學(xué)習(xí)者身處不同空間，其學(xué)習(xí)是被動(dòng)的，在課程的學(xué)習(xí)過程中容易出現(xiàn)分心等現(xiàn)象，也不能自由地表達(dá)情感。

圖4展示的是2021年11月的一場3D在線會(huì)議，可以看到畫面上有許多流淚的表情，這是在課程結(jié)束時(shí)學(xué)生們表達(dá)出的不舍情緒?？赡芎苌儆袑W(xué)生像這個(gè)案例中的學(xué)生一樣，因?yàn)樯险n經(jīng)歷非常愉悅以至于不希望課程結(jié)束，而這是元宇宙能帶來的影響。

（二）智慧學(xué)習(xí)的意義

智慧教育應(yīng)使人不斷獲得持久難忘的知識，進(jìn)行有意義的深度學(xué)習(xí)。有意義的深度學(xué)習(xí)包括六個(gè)階段：一是引起注意，二是引發(fā)興趣，三是激發(fā)動(dòng)機(jī)，四是引導(dǎo)參與，五是實(shí)際應(yīng)用，六是激活情感[7]。首先，教師可使用符合美學(xué)的視覺圖像和有趣的文本吸引學(xué)生的注意，激發(fā)他們的興趣;其次，教師通過展示課程對學(xué)生的意義所在，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī);最后，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己喜歡什么以及想做的事情并為學(xué)生提供可以持續(xù)參與的實(shí)踐項(xiàng)目或模擬任務(wù)。上述所有的環(huán)節(jié)都旨在喚醒學(xué)生的積極情緒，學(xué)生的深度參與有助于進(jìn)一步加深對所學(xué)知識的印象。

VR技術(shù)已開始應(yīng)用于教育領(lǐng)域。以與工業(yè)4.0時(shí)代相關(guān)的應(yīng)用為例，學(xué)生使用VR學(xué)習(xí)焊接、操作挖掘機(jī)，這些原本枯燥的工作在學(xué)生眼里可能變得奇妙有趣，這是我們不能低估VR在教育中作用的重要原因。

通過對如何在社交VR環(huán)境中實(shí)現(xiàn)有意義的深度學(xué)習(xí)這一問題進(jìn)行系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述， 我們提出了一個(gè)混合模型[8]（見圖5）。該模型有學(xué)習(xí)者、學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)施和技術(shù)三類因素。在學(xué)習(xí)者層面，可以再次看到情緒的重要性，學(xué)習(xí)者對虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的總體感受如何？他們感到無聊嗎？感到興奮嗎？這都是十分關(guān)鍵的問題。教師除了要掌握基本的教育理論與技能外，還要組織開展個(gè)人或小組的學(xué)習(xí)任務(wù)，建設(shè)學(xué)習(xí)社區(qū)。同時(shí)整個(gè)學(xué)習(xí)過程也要得到技術(shù)的支持。如果上述三方面合作得當(dāng)，那么就會(huì)產(chǎn)生有意義的深度學(xué)習(xí)。

我們還研究了沉浸式VR（Immersive Virtual Reality）在K-12和高等教育中的應(yīng)用，了解目前使用的教學(xué)設(shè)計(jì)策略和技術(shù)情況[9]。研究發(fā)現(xiàn)，體驗(yàn)式策略和模擬技術(shù)的使用最為廣泛。

VR適用于以下教與學(xué)場景中：第一，VR可以用于學(xué)習(xí)危險(xiǎn)性高的知識與技能，如學(xué)習(xí)開飛機(jī);第二，當(dāng)學(xué)習(xí)一些在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不具備可操作性的知識時(shí)可以使用VR，如查看人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、觀察細(xì)胞以及穿越時(shí)空體驗(yàn)過去的文明;第三，有些學(xué)習(xí)項(xiàng)目可能價(jià)格不菲，如讓全班同學(xué)到熱帶森林參觀，在這種情況下也宜使用VR技術(shù);第四，當(dāng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容有悖常理，如讓人們經(jīng)歷一場災(zāi)難并做出反應(yīng)，也可使用VR。

除了VR，AR技術(shù)也在教育領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。使用AR技術(shù)后，不僅教育工作者可以進(jìn)行內(nèi)容的生產(chǎn)和開發(fā)，學(xué)生也能成為生產(chǎn)者。一篇關(guān)于STEM教育中AR支持的教學(xué)方法的系統(tǒng)性綜述[10]提出了一種基于AR賦能的STEM教育分類法，該分類法可以被推廣至元宇宙賦能的教育中。其中第一層是可視化，即人們運(yùn)用AR進(jìn)行展示和觀察;第二層是在可視化的基礎(chǔ)上增加了激活（activation），相應(yīng)的教學(xué)方法是基于活動(dòng)的觀察;第三層是增加合作性活動(dòng)，使用的方法是合作的發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)和項(xiàng)目學(xué)習(xí);第四層是沉浸與體驗(yàn)，教學(xué)方法是合作模擬與體驗(yàn)式問題解決;第五層是自主生產(chǎn)，這一層中主要使用基于活動(dòng)的項(xiàng)目教學(xué)法，由學(xué)生自主創(chuàng)建項(xiàng)目。在不同層次中，學(xué)生扮演著不同的角色。從第一層開始，學(xué)生是一個(gè)被動(dòng)的內(nèi)容消費(fèi)者，接著依次成為一名演員、一個(gè)探索者、一名學(xué)徒，最終學(xué)生成為主動(dòng)的生產(chǎn)者，進(jìn)行自我指導(dǎo)的生產(chǎn)和創(chuàng)造。

（三）設(shè)計(jì)和實(shí)施元宇宙驅(qū)動(dòng)的智慧教育

人們一直在使用動(dòng)機(jī)增強(qiáng)的方法（Motivation Enhancement Methods）來設(shè)計(jì)課程，運(yùn)用趣味設(shè)計(jì)、游戲化和嚴(yán)肅游戲（Serious Game，指不以娛樂為目的而以應(yīng)用為目的的游戲）來組織和優(yōu)化元宇宙中的學(xué)習(xí)。筆者提出了一個(gè)VR支持下遠(yuǎn)程趣味性學(xué)習(xí)模型TANC[11]，該模型主要有四個(gè)維度，第一是主題，如科幻小說等;第二是具體的活動(dòng)（如選擇、交流、測試等），第三個(gè)方面與整個(gè)項(xiàng)目的敘事有關(guān)，最后技術(shù)層面的支持也必不可少。我們可以用元宇宙講故事，教育項(xiàng)目“從古代刻字牌到現(xiàn)代平板電腦”（From the Ancient to the Modern Tablets）運(yùn)用數(shù)字多媒體讓學(xué)生沉浸式體驗(yàn)書籍的歷史[12]。我們也能使用趣味設(shè)計(jì)讓課程更有趣，如筆者的一門創(chuàng)新型慕課（Massive Open Online Courses，MOOC）使用了3D虛擬世界技術(shù)，獲得了30%的慕課完成率[13]。在游戲化方面，筆者在英國一所大學(xué)中開設(shè)了一門元宇宙環(huán)境中游戲化的人工智能課程[14]，其中應(yīng)用了VR，收獲了巨大成功。在嚴(yán)肅游戲方面，筆者在一個(gè)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全的研究生課程中設(shè)計(jì)并實(shí)施了兩個(gè)迷你嚴(yán)肅游戲，提升了課程對學(xué)生的吸引力[15]。最后介紹基于VR的數(shù)字教育性密室逃脫，它能使學(xué)生圍繞主題通過完成相應(yīng)任務(wù)，破解謎題并取得學(xué)習(xí)成果。例如，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)針對生物（酶）的VR密室逃脫項(xiàng)目，學(xué)生可通過應(yīng)用相關(guān)知識在VR中進(jìn)行交互式解謎[16]。針對教育從業(yè)者，《面向K-12學(xué)校教師的VR和AR在線專業(yè)發(fā)展 》[17]指導(dǎo)K-12教育者把VR和AR應(yīng)用到課堂教學(xué)中。

三、總結(jié)

元宇宙能為當(dāng)前教育向新型的元教育（Meta-education）模式轉(zhuǎn)型搭建橋梁，并變革在線教育。這種新型的元宇宙賦能的遠(yuǎn)程教育模式可以讓人們在在線3D世界里獲得更豐富的體驗(yàn)。目前，在線學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)線下教學(xué)相比有效性較低，元宇宙則能幫助解決這個(gè)問題，通過遠(yuǎn)程呈現(xiàn)（Telepresence，一種虛擬實(shí)在，能夠使人實(shí)時(shí)地以遠(yuǎn)程的方式于某處出場）、虛擬人物的肢體動(dòng)作和面部表情等技術(shù)手段，人們能像在傳統(tǒng)課堂里一樣有效地參與學(xué)習(xí)。除此之外，元宇宙中的虛擬與現(xiàn)實(shí)的界限模糊，這將催生出多種混合教學(xué)法（Blended Active Pedagogy），幫助生成可以被長久儲存的知識，實(shí)現(xiàn)有意義的深度學(xué)習(xí)。A953682E-21FC-42C9-89E1-B996E9A07BEE

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編輯 呂伊雯? ?校對 娜迪拉·阿不拉江A953682E-21FC-42C9-89E1-B996E9A07BEE