西南大学刘革平 :元宇宙将成为教育新基建的一个重要领域!

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 以下内容根据刘革平教授的大会发言整理
元宇宙在业界现在是比较火爆的,那我们是不是在跟风响应这样的一个新技术?其实不然,从2008年开始,我所在的团队就一直在研究虚拟现实、虚拟世界在教与学当中的应用。
 

01技术演进:虚拟现实到元宇宙

 
元宇宙的前世今生为何?实际上,元宇宙经历了一个从虚拟现实到元宇宙的演进过程。
一、虚拟现实
 

对于虚拟现实的概念,大家其实都已经非常熟悉了。虚拟现实是以计算机技术为核心,生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面近似的数字化环境。它是人类在探索自然、认识自然过程中创造产生、逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然,进而更好地适应和利用自然的科学方法和技术。它具有四大特征:沉浸性、交互性、构想性,以及智能化。 
虚拟现实是继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法,而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。 
二、虚拟世界

 
虚拟世界:Second Life(第二人生)是一种基于Internet的三维虚拟现实环境,诞生于2003年。在该系统中,用户被称之为“居民”,每个居民均有一个具有某种形象的虚拟人物即“化身”。居民能搜索、会见其他的居民,形成组织,参与个人或团体的活动,创造虚拟物品,交换虚拟财产。虚拟世界的代表性作品是《第二人生》,《第二人生》开始是作为一个多人在线的三维虚拟沉浸式的游戏被推出的,很多用户加入以后,特别是一些高校,将它引进过来作为一个教育教学的应用。虚拟世界和虚拟现实之间有一些不同之处,虚拟世界的要素包括: 

 
虚拟世界有了居民的概念,每一个用户都有一个自己的化身,每个学习者和老师都有自己的化身,而且就像我们现在所看到的,实际上每一个个体之间是可以通过区域肢体语言来进行交互的。更重要的是,虚拟世界里面有了虚拟货币的概念,我们的用户可以在虚拟世界里创造作品,转变为虚拟资产,而且这个虚拟资产也可以通过一定的转化在现实世界当中使用。另外,虚拟世界把物理空间做了适当的延伸,有了一定的超越。化身除了有行走的动作以外,还可以不借助任何装置进行飞行和瞬间移动。也就是说,在指定一个坐标的基础上,可以瞬间从一个城市跳转到另外一个城市,从一个空间跳转到另外一个空间。虚拟世界所具有的这几个特性,现在基本上被元宇宙所借用。
 
三、扩展现实
扩展现实是指通过计算机技术和可穿戴设备等,产生的一个真实与虚拟融合、集多感官体验于一体的人机交互环境,其中X表示任何当前或将来的空间计算技术的变量,涵盖虚拟现实、增强现实和混合现实等。随着技术的发展,在虚拟现实的基础上,又发展出了增强现实和混合现实。这一系列的技术,包括虚拟现实、增强现实、混合现实,都被称为扩展现实。 
四、数字孪生
 

在扩展现实的基础上,人们又开发了数字孪生的技术,数字孪生实际上是对现实作品的数字化的复制,起源于航天事业航天事业。火箭是一种非常昂贵的运载工具,但是为了保证安全,需要对火箭进行一个备份,这一备份的火箭被用于实验,实验成功以后,再把相关的参数再设置到实体火箭上面,这样可以保证宇航员的安全,但实体的备份确实太贵。随着数字技术和仿真技术的进步,我们可以利用虚拟现实、扩展现实等技术把它变成一个数字化的备份,这就是数字孪生。数字孪生体实际上是一个与物理实体相对应的虚拟模型,虚拟模型的参数和现实空间的参数,包括人物和物体的运动,都是一一对应的。在虚拟世界里面有一个化身,物品在虚拟世界里面也有一个自己的化身,数字孪生体之间的互动可以用来做一些推演模拟。比如校园运维的管理,学校发生重大事故后怎样快速的疏散师生等这种场景,可以先在数字孪生体里进行。比如职业教育、创客、STEM教育,也可以在数字孪生体里进行模拟,然后再到实际的场景里面进行实操。
五、元宇宙
 

 
现在所提的元宇宙其实不是一个新的概念,只是把虚拟仿真技术、虚拟现实、数字孪生这些技术以及区块链,这一连接经济体系的技术集合在一起,于是就形成了现在的元宇宙。在《2020-2021年元宇宙发展研究报告》中,元宇宙是被这么介绍的:元宇宙是整合多种新技术而产生的新型虚实相融的互联网应用和社会形态,它基于扩展现实技术提供沉浸式体验,基于数字孪生技术生成现实世界的镜像,基于区块链技术搭建经济体系,将虚拟世界与现实世界在经济系统、社会系统、身份系统上密切融合,并且允许用户与虚拟人交互并进行内容生产和世界编辑。也就是说,我们通过数字仿真、数字孪生、虚拟世界这一系列的这个演进,再加上把虚拟世界的这个经济体系和现实世界的经济体系通过区块链关联起来,这样就形成了一个现实世界和虚拟世界完全同步,而且可以深度交互、深度融合的数字场景。在元宇宙成熟以后,人类可以通过VR设备实现和虚拟空间中的人和物进行对话,现实人和虚拟人共同生活在一个虚拟空间的未来情景中。这里面涉及到现实空间和虚拟空间融合、经济实体和虚拟经济的融合、现实社会的生活和虚拟生活的融合、现实身份和虚拟身份的融合。很显然,这是我们将来可以预期的深度体验、高沉浸性而且跟我们的现实生活紧密联系的虚实融合的场景。那么,元宇宙有哪些特征? 
第一,物理层面,元宇宙是对物理空间有选择的解放。像在前面所提到的虚拟世界中,人们可以不借助任何装置进行飞行,这是对牛顿定律的一次挑战。但是这是有选择的解放,仅限于在一定许可的范围之内,可以实现飞行和瞬间移动。 
第二,地理层面,元宇宙可以实现AI生成,用户参与。这里的地理所指的不再仅仅是地球的范围,而是一个可以由AI来复制和生产的无限空间。 
第三,心理层面,从认知到认同。在元宇宙这样一个虚实融合的空间里,人们的体验、生活、学习、工作同样经历了从最开始的不懂到逐渐认知,最后到认同的过程。 
第四,事理层面,从事物与事物之间的逻辑关联角度来看,事物虚实之间的流动、转化和关联会逐渐形成自己独特的逻辑体系。 
从虚拟现实发展到扩展现实、虚拟世界、数字孪生、元宇宙,我觉得这是一个以视觉为主的技术体系的演进,我将其总结为视觉沉浸技术。

02视觉沉浸技术+教育

元宇宙等视觉沉浸技术对教育的影响有哪些?
一、“VR+教育”的发展
早期,我们把VR和虚拟世界用学习环境的知识方面,它可以提供身临其境的感官刺激,而且交互方式灵活多样的,学习者可以在虚拟世界里获得动手创造的学习体验,也可以实现基于协作的社会学习,我们把这样的一个学习环境叫做三维虚拟学习环境。我对其所作的界定是,三维虚拟学习环境是指能够构建沉浸式三维情境、支持多种交互方式和多人协作学习、提供多种学习体验和灵活探究工具的学习环境。三维虚拟学习环境是一个沉浸式的环境,同时要支持多种交互方式,除了键盘和鼠标以外的交互,还可以使用手势语言、肢体语言等多种交互方式,比如数字手套。既可以实现多人协作,又可以实现个别化的学习体验,而且特别支持灵活探究的学术环境。 
二、“VR+教育”的领域 
事实上,以VR为代表的视觉沉浸技术在教育领域里有很多作用,用的比较多的是虚拟技能实训,同时还包括虚拟课堂教学、虚拟仿真校园、虚拟远程教学、虚拟技能实训、虚拟实验室等多个领域中。特别是人文社会科学,比如语言学习,因为语言学习需要依靠对话环境,其实我们可以利用视觉沉浸技术构造一个对话的环境。
三、“视觉沉浸技术+教育”的趋势
 
我们认为视觉沉浸技术影响教育的趋势是图中这样的,原来在网络的传播还没有那么方便的时候,可能是一种单向的交流。后来随着网络技术变成4G和宽带网络,再加上现在的AI、物联网、大数据等一系列技术不断的应用到学生的学习过程当中,那么未来一定是把学习场景、工作场景、生活场景综合在一起的虚实融合的场景,也就是教育元宇宙的时代。我们可以在这方面做一些前瞻性的研究和思考。作为教育技术的研究者和实践者,我们不在这方面进行前瞻性的思考,那么将来我们就有可能被一些发展的很快的公司牵着鼻子走。所以,我们一定要去研究和前瞻这些新技术。
 
四、元宇宙对教育的支持

元宇宙对教育的支持主要是可以提供情境,特别是可以让学生参与。比如在科学教育方面,元宇宙可以提供一个宇宙探索的情境。在元宇宙的空间里实施教育教学,需要具备四个方面的条件:

首先,允许每个学习者以三维形象进行模拟真实世界的三维交互;

其次,根据需求,学习者可以自己定制场景和互动;

再次,在多人进入虚拟场景后,需要有满足教育需要的AI板块、互动程序或互动模型等; 
第四,最大限度的适配各种智能设备,支持各种操作系统,让学习者非常方便的进行接入。
 
五、基于元宇宙的智慧学习环境建构
 

现阶段,我们的团队结合多年以来对虚拟世界和虚拟现实的探索,构建了这样的一个设想。
元宇宙所构建的环境,可以从四个方面进行分析:
 
第一,构造环境,即师生所处的感知共生场域。元宇宙构造环境既赋能现实,又超越虚拟,学习者可进行泛在、自由和富有成效的学习。 
第二,信息环境,即动态数据流通与资源服务环境。元宇宙不仅能智能供给资源,而且让学习者深处资源之中,达到资源服务与学习者认知的智能耦合。
第三,心理环境,即师生动态性与持续性的主观整体感受。元宇宙能满足学习者的整体性心理需求,为其身心创造了全新的安放之所。 
第四,文化环境,即师生共同的外在行为遵循与内在价值认同。元宇宙将重塑环境与人的关系,形成多元、和谐、开放和生成的文化场域。 
基于元宇宙的智慧学习环境构建的基础包括网络环境、资源生产、大数据处理、认证机制、交互界面这五大方面。

 

03视觉沉浸技术支持的教与学模式

在过去的几年,我们在视觉沉浸技术方面做了一些探索,经过梳理,我们觉得可以通过视觉沉浸技术提供以下几种教与学模式。
一、分布式虚拟现实教学
 

 
第一种教与学的模式是分布式虚拟现实教学。分布式虚拟现实的教学利用的是虚拟现实技术,学习者可以来自于不同的国家、不同的城市,我们只要在一个约定的时间共同进入到一个虚拟学习环境里,老师和学生之间就可以进行更深层次的互动。在这样的虚拟教学空间里,老师可以施展一对一或者、一对多或者多对多的教学组织方式,可以灵活的实施讲授式教学或者案例式教学,也可以组织学生进行探究式学习、协作式学习等不同的教育教学模式。学习者通过自己的化身,可以在虚拟场景里跟老师和同学进行互动。
 
二、虚实融合同步教学
第二种教与学模式是虚实融合同步教学。所谓虚实融合,虚是虚拟现实、虚拟世界所提供的一个虚拟情境,实是老师的实景。也就是说,我们用摄像机把老师教学的现场拍下来,通过抠像技术所展现的背景或者前景实际上虚拟现实所构造的。所以,老师就可以在虚拟现实里讲清楚一些复杂的内容,比如老师讲解一个机械的各个部件,可以通过虚拟现实拆解元器件,把内容讲得特别的清楚。
 
三、虚拟现实在线仿真实验教学
 

 
第三种教与学模式是虚拟仿真实验教学。虚拟仿真实验的特点包括模拟真实环境、多次重复实验、打破思想禁锢、培养创新精神四个方面。由虚拟现实构建的虚拟仿真实验,其实既可以是模拟实验,也可以是实证式的实验,更可以是探究性的实验。我认为虚拟仿真实验和现实实验室的实验是不能相互替代的,但是虚拟仿真实验可以作为实际实验的补充。因为虚拟仿真实验可以多次重复,不需要受实验室的时间限制,可以多次重复、多次体验,特别是可以打破思想的禁锢。我们从中学开始接触化学实验、物理实验等,老师为了避免学生身体受到伤害,就强调学生必须按照老师的规范步骤操作,长期以来学生的思想就被禁锢了,一直按照老师的步骤操作,学生的创新精神从何而来?在虚拟仿真实验的场景里,学生可以自由探索,创新精神自然也就有了培养的源泉。
 
四、探究式学习模式
 

第四种教与学模式是探究式学习模式。探究式学习在现实世界里是比较困难的,视觉呈现技术给我们提供了一个非常好的解决方案。当然,开发时还是需要把视觉沉浸技术本身的开发、环境的构建和AI的智能融合在一起,要给学生提供一些探究工具和一些引导的措施,它背后的逻辑还是需要深度研究的。
 
五、协作式学习模式
 
 
第五种教与学模式是协作式学习模式。协作式学习模式发生在在虚拟世界的环境里,因为在早期的虚拟现实里是做不到协作学习的,人们通过戴上头盔沉浸在环境里,就只能自己和环境交互,自己和机器交互。在虚拟仿真学习环境里面的协作式学习活动,可以通过设定学习任务,然后进行任务分工,每个人完成不同的任务,最终可以达成一个比较复杂任务的学习的体验。
 
六、体验式学习

第六种教与学模式是体验式学习模式。这是视觉沉浸技术的一个特色,通过这一学习模式,学生能够体验到地震、火灾等极端场景,这对于学生的安全意识教育特别有用,特别是中小学领域。

04元宇宙:教育新基建的重要领域

 
 
元宇宙可以成为教育新基建的一个重要领域。今年7月,教育部等六部门发布《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》。《意见》中指明:“教育新型基础设施是以新发展理念为引领,以信息化为主导,面向教育高质量发展需要,聚焦信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用、可信安全等方面的新型基础设施体系。教育新型基础设施建设是国家新基建的重要组成部分,是信息化时代教育变革的牵引力量,是加快推进教育现代化、建设教育强国的战略举措。”新基建其实并不是一个真正的基础设施,它是一套以信息技术为主的新型基建,它包括信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用和可信安全六大方面。对于新基建的理解,不能仅仅局限在基础设施,要把新型基础设施这六个字要作为一个整体来理解。同时,更加注重信息技术的支撑,既强调建设,也强调应用,也要强调数据的作用,实现数字转型,最终实现推动教育的高质量发展。教育新基建的目标之一是要建设物理空间和网络空间相融合的新校园,拓展教育空间。这正好实现了元宇宙虚实融合的场景。元宇宙可以应用于六大重点任务里数字资源、智慧校园和创新应用这三个方面,以建设元宇宙校园。
 

 
一、元宇宙中的数字教育资源 
二、元宇宙中的智慧校园
三、教育元宇宙的创新应用

 

参考文献:
刘革平,王星,高楠,胡翰林.从虚拟现实到元宇宙:在线教育的新方向[J/OL].现代远程教育研究:1-11[2021-11-29].
http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1580.G4.20211125.1531.010.html. 
注:刘革平,教授、博士生导师,西南大学教育学部教育技术学院院长,智慧教育重庆市高校工程研究中心主任。本文来源于第二十届教育技术国际论坛(IFET2021),本文版权归相关权利人所有,转载此文是出于传递更多信息之目的,如涉版权,请联系我们。

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