摘要：元宇宙代表了视觉沉浸技术发展的最新阶段，其本质是一个平行于现实世界的在线数字空间，正在成为人类社会创新发展的实践场域。视觉沉浸技术的演进经历了桌面式虚拟现实、沉浸式虚拟现实、扩展现实以及元宇宙等四个阶段。元宇宙超越了时空分离的阻碍，将重新塑造在线教育时空“共在”的新形态，生成元宇宙智能在线学习环境。该智能在线学习环境在技术架构上涉及5G/6G网络环境、资源生产、大数据处理、认证机制和交互界面，在系统结构上包括构造环境、信息环境、心理环境和文化环境，在培养目标上强调促进学习者深知生慧。未来元宇宙将成为人工智能时代在线教育转段升级的创新奇点，因此要超前布局元宇宙在线教育，加快推进新基建以构筑其发展基础，建构研究新框架以形成其发展动能，探索伦理新观念以厘清其发展逻辑。

关键词：元宇宙 虚拟现实 在线教育 智能学习环境

0引言

在线教育是未来教育变革的大趋势，2020年以来的新冠疫情更是加快了这一变革进程。根据联合国教科文组织的数据显示，在新冠疫情造成教育停滞期间，绝大多数国家和地区选择在线教育来保障教育的稳定与连续，在线教育已经成为现代教育体系的重要组成部分。但围绕在线教育的争议一直存在，不少学者认为当前在线教育存在以下问题：平面网页枯燥单调，难以调动学习积极性；人机交互方式简单，学生参与感不强；学习数据记录不全，难以评价学习成效；缺乏技能培养环境，实践环节欠缺。究其原因不难发现，当前基于Web2.0技术的在线教育已然步入发展的瓶颈期，二维网络技术难以支撑起学生对沉浸性学习环境、自然人机交互方式和“面对面”社会性交互的需求，因此寻找下一个创新突变奇点推动在线教育转段升级成为占领未来教育制高点的关键。近年来，以虚拟现实、扩展现实、虚拟世界、数字孪生等为代表的视觉沉浸技术，正不断从学习资源、教学组织和系统平台等方面重塑在线教育。元宇宙作为虚拟现实的高阶发展产物，集VR/AR/MR、5G、云计算、人工智能、数字孪生等新兴信息技术于一体，将成为下一代互联网的最新形态，届时人类社会将进入一个崭新的网络时代[1]。

众多媒体都将2021年称为“元宇宙元年”。尽管元宇宙还处于发展的雏形阶段，但其已展现出巨大的发展潜力。本文将首先概述元宇宙的特征及其技术演进脉络，其次分析元宇宙应用的理论基础，并探究基于元宇宙的智能教育环境构建，最后就元宇宙应用于在线教育的新方向提出参考建议。

1元宇宙的特征及其技术演进脉络

1.1元宇宙的特征

元宇宙主要有以下四个方面的特征，一是虚拟与现实的深度融合。从元宇宙的存在形式来看，虚拟与现实的深度融合是元宇宙最基本的特征。元宇宙是利用成熟的数字技术来构建的既基于又独立于现实世界的“数字孪生”世界，既包括现实世界的数字化复制品，又含有虚拟世界的自主创造物。元宇宙通过视觉、听觉、触觉以及全身感官体验的穿戴设备，以及低延迟感与高拟真感的交互技术让用户产生在场的感官刺激，有助于提高元宇宙中的在线互动与交流质量，实现元宇宙中用户的沉浸式体验。因此，通过“数字孪生”世界的搭建与沉浸式的体验来促进虚拟与现实的深度融合，能够让用户在元宇宙中产生仿真现实又超越现实的沉浸感受[2]。

二是智能数字化技术的集合。元宇宙是一个极致开放、自由、复杂与巨大的综合系统，其涵盖了整个网络空间、终端设备以及现实条件，是由不同类型建设者共同构建的超大型数字应用生态，而各种智能数字技术则是其根基。元宇宙的组建依托于MR、区块链、通信技术、云计算、物联网与人工智能等数字技术的集合，如通过MR、脑机接口、物联网与可穿戴设备等交互技术进入虚拟世界，进行沉浸式体验与交互；通过区块

链、人工智能技术来监管和维护元宇宙的运转体系，确保元宇宙持续稳定、符合标准与高效健康地运转；通过5G、云计算技术来支撑大规模用户的同时在线交互活动，保障交互的流畅性与低延迟。

    三是线上和线下一体化关系。基于虚拟与现实深度融合的特征，元宇宙中虚拟与现实的界限将不再清晰，用户可以依据个性化需求在虚拟与现实世界中任意转换不同的社会形式。元宇宙中每个用户都将拥有唯一的元宇宙身份标识，并且能够通过该身份标识在元宇宙中产生具有现实感的真实社会交往关系。同时，基于该身份标识，用户可以随时随地通过相应数字设备进入到元宇宙来，进行学习、工作、生活等社会活动。在此过程中，用户的虚拟身份或集体角色会在线上与线下的转换过程中保持全面与完整。因此，元宇宙将深刻冲击当前社会的组织形态与运作形式，进而形成线上与线下全面一体化的新型社会关系。

加深用户思维的表象化。元宇宙为用户提供了一个沉浸体验、具身交互的虚拟现实深度融合系统，能够让用户利用海量资源和技术工具实现“可见即可感知”“可想即可尝试”等抽象思维表象化的过程。首先，用户在元宇宙中是“自由”与“全能”的，能够通过相应操作将自己的思维即时转化为具体有形的产品，使抽象复杂思维有效地实现清晰化与具体化，易于自身理解与分享交流。其次，思维的表象化能够让用户专注与沉浸于自身的思考过程中，规避因多媒体技术为代表呈现的“中介”信息而造成用户专注度、反思能力与逻辑能力弱化的问题。

1.2 元宇宙的技术演进脉络

元宇宙代表了视觉沉浸技术的最新阶段，其本质是一个平行于现实世界的在线数字空间，其核心是由虚拟现实技术所构建的虚拟世界。依照此类技术的发展和应用普及状况，可将视觉沉浸技术的演化过程划分为四个阶段。

第一阶段，以桌面式虚拟现实为主。在这一阶段，用户只能通过计算机屏幕观察虚拟世界，受限于交互设备和立体视觉、三维建模等技术，其产生的沉浸感较低。

第二阶段，以沉浸式虚拟现实为主。借助沉浸式技术和人机交互技术，沉浸式虚拟现实实现了由“平面式、被动式、单向型”向“立体式、主动式、互动型”的突破。尤其是从2016年之后，以Oculus和HTC Vive 为代表的VR终端设备得以迅速发展，用户在虚拟世界中产生的感官刺激（视觉听觉、触觉）都可以通过VR装置和体感设备转化

为现实世界真实的感官体验，而不再受传统物理条件的限制和约束，其沉浸感大大增强。

第三阶段，以扩展现实和数字孪生为主。随着5G、云计算、人工智能等新一代信息技术与VR技术的深度融合，更为成熟的元宇宙技术体系得以逐渐成型。其中，5G的高速率、低时延、大规模设备连接等特性能够将地理上分布的多个用户或多个虚拟世界相连，使每个用户能够同时加入到同一个虚拟世界中，共同体验虚拟经历。基于VR/AR/MR的扩展现实技术实现了从现实空间到虚拟空间再到虚实融合空间之间的跨越；数字孪生技术是虚拟现实应用的深化发展，将实物对象空间与虚拟对象空间联通，实现真实世界与虚拟世界之间的无缝融合和有机联通。大数据、云计算和人工智能为元宇宙提供了强大的算力基础和智能化支撑，有助于推动元宇宙更高质量发展。

第四阶段，元宇宙初现端倪。借助脑机接口将彻底打破现实与虚拟之间的壁垒，用户可使用意念自由控制虚拟身体各个部位，随心所欲地与虚拟世界进行交互。同时脑机接口的双向传输功能，可以将多种感官的反馈通过脑信号传递给用户，获得与现实世界相同的感官体验，实现人与虚拟世界的融合。区块链技术是元宇宙实现升维的关键技术，借助区块链技术既可建立现实空间与虚拟空间的经济联系，又能实现虚拟价值和真实价值的统一。元宇宙将实现人与虚拟世界、现实世界与虚拟世界的融合。

2 元宇宙应用于在线教育的理论基础

元宇宙塑造了视觉沉浸的在线教育立体空间场域，支撑其科学发展的相关理论将为元宇宙在教育中的应用提供了理论启示。

一是具身认知理论的核心在于强调身体参与认知过程、身体与环境的具身交互等，因而在认知形成过程中要注重置身情境、身体感知与动态交互过程。元宇宙支持与赋能的在线教育能够让学习者置身于更为广阔的社会文化情境中，充分调动身体感觉运动系统与环境世界进行具身交互，以更好地促进学习者认知的形成[3]。

二是分布式认知是一种认知活动，是对个体内部表征与环境外部表征进行信息加工的过程。分布式认知理论对基于元宇宙开展在线教育具有两方面的启示，一是为元宇宙环境中学习资源、学习工具以及学习活动的选择与设计提供了指导；二是要注重学习者个体间的交往互动。

三是沉浸理论描述的是学习者参与活动的“沉浸”状态，能够为元宇宙支持下在线教育的学习活动、学习任务以及探究项目设计提供参考与方向，以提升在线教育中学习者的参与感和学习动机。

3基于元宇宙的智能在线学习环境构建

从技术架构、系统结构、培养目标方面尝试构建基于元宇宙的智能在线学习环境。

3.1技术架构

元宇宙主要依托的底层技术涵盖：一是5G/6G网络环境，元宇宙将借助5G/6G打造新一代通讯网络，彻底突破智能技术融合赋能的通信屏障；二是资源生产。元宇宙将借助人工智能技术，形成资源生态发展场域：首先，持续智能产生海量的挖掘内容，实现元宇宙资源的动态生长。其次，按需智能生成个性化学习资源，实现元宇宙资源的智适应动态推送。最后是资源智能审查全覆盖，实现元宇宙资源的安全与合法；三是大数据处理。元宇宙将深入推进计算系统的智能化，架构符合Web3.0资源聚合配置的服务体系；四是认证机制。区块链具有去中心化、可追溯、不可篡改和去信任化等显著特征，将推动元宇宙世界生产关系的变革，从信息网络转向价值网络，形成同智能在线学习环境相匹配的认证生态系统；五是交互界面。元宇宙将超越图形界面交互阶段，真正转向基 于现实的人机交互新阶段[4]。

3.2系统结构

潘云鹤院士提出，人类生存空间已经扩展到三维空间，即物理空间、社会空间与信息空间。第一，构造环境，即师生所处的感知共生场域。其组成部分包括：真实镜像，即将现实物理学习环境进行三维全景采集，根据需要融入元宇宙环境中作为背景，实现真实再造；虚拟造物，即满足学习者的认知需求，塑造甚至创造学习对象，实现对学习对像的深度宏观认知与微观体察；穿戴设备，即有助于增强学习者在元宇宙环境中的感知体验，实现沉浸学习，设备形态将变得更加智能、灵活与贴合。第二是信息环境，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。第三是心理环境，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。第四是文化环境，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。

3.3培养目标

元宇宙智能在线学习环境消除了传统网络在线教学时空分离的障碍，实现了时空再融合，产生了超越时空距离的新型“共在”形式。同时，它又打破了传统课堂教学时空禁锢的藩篱，扭转了课堂师生地位天然“失衡”的状态。这将从根本上变革传统的教学结构，形成优于传统网络教学课堂教学的新型教学组织形式。因此，元宇宙在线教学不

仅能达成传统的教学目标，而且能深入挖掘学习者的潜能，促进学习者的智慧生成，从而适应新时代对于智慧型人才的新需求。

4基于元宇宙的在线教育未来布局

元宇宙聚合了人类外化智能的各个技术领域，代表了视觉沉浸发展的高阶形态。元宇宙对在线教育的重塑是突破性的，将成为智能时代教育转段升级的创新奇点。基于元宇宙的在线教育发展具有前瞻性和紧迫性。

4.1加快推进新基建：构筑元宇宙在线教育的发展基础

新基建是新一代信息技术发挥效能的基础和关键，我国教育新基建的主要目标是“到2025年，基本形成结构优化、集约高效、安全可靠的教育新型基础设施体系”。基于元宇宙的在线教育新基建需要进行顶层设计和科学布局：首先，示范引领，优先在智慧教育示范区进行试点建设，并且进行典型案例实践示范，形成引领发展的建设效应。其次，研发推进，充分发挥产、学、研的协同效能，集中高校工程中心及企业研发优势，打造多元的元宇宙在线教育产品。第三，政策保障，制定推动教育新基建发展的系列政策文件，并引导在在线教育领域先试先行。

4.2探索伦理新观念：厘清元宇宙在线教育的发展逻辑

元宇宙中的人以多元表征的形式存在，既可以是全息影像，也可以是化身，还可以是具有外化特征的智能“虚拟人”，因此要做到数据采集全面、透明，数据存储安全、可控，数据应用确权、科学；同时关于算法伦理问题，人工智能需要科学介入、准确介入和有效介入[5]。

参考文献

[1] 蔡连玉, 刘家玲, 周跃良. 人机协同化与学生发展核心素养——基于社会智能三维模型的分析[J]. 开放教育研究, 2021, 27(01):24-31.

[2] 潘云鹤. 人工智能2.0与教育的发展[J] .中国远程教育, 2018, 5:5-8.

[3] 王辞晓. 具身认知的理论落地:技术支持下的情境交互[J]. 电化教育研究, 2018, 39(7):20-26.

[4] 杨鑫, 解月光, 苟睿等. 智慧课堂模型构建的实证研究[J].  中国电化教育, 2020, (9):50-57.

[5] 祝智庭, 许秋璇, 吴永. 教育信息化新基建标准需求与行动建议[J].中国远程教育, 2021, (10):1-11,76.