郑州西亚斯学院教育元宇宙探索与实践
郑州西亚斯学院
一、工作背景
元宇宙正逐渐发展成为驱动全球数字经济发展、数字技术创新的重要赛道。无论是海外Meta、微软、英伟达，还是国内阿里、腾讯、百度等都纷纷进军元宇宙。2022年，广州市、上海市、河南省发布了元宇宙相关政策或行动计划。2021年6月清华大学推出虚拟学生华智冰，11月推出虚拟校园水木非凡镜。2022年中国传媒大学推出虚拟中传校园，南京信息工程大学、南开大学、香港理工大学、美国宾夕法尼亚大学、东京大学纷纷推出元宇宙院系、课程或学位。
多项国内外研究成果证明：教育元宇宙的具身学习特性能够产生积极的学习效果，最突出的优势是为教师和学习者提供一种沉浸式的教学互动场域。而MR/VR、全息影像、传感、数字孪生等技术可实现虚拟情境与现实情境的深度融合，为知识的“情境化—去情境化—情境化”的良性循环提供了路径，为揭示深层次的学习发生机制提供了新的研究方法。
教育数字化是“数字中国”战略重要组成部分，党的二十大报告首次提出“推进教育数字化”极具战略意义。西亚斯深刻把握二十大的新思想、新观点、新论断，把握新时代对教育提出的新使命新任务，更新教育观念，积极开展教育元宇宙的技术研究和应用探索。
二、工作举措
学校以面向新时代人才培养需求为目标，围绕构建教育新生态和教学新方式，深入开展元宇宙与教育教学融合的研究，在教育元宇宙架构设计、建设模式创新和技术应用等方面开展积极的探索和实践，循序渐进推进教育元宇宙“落地”，践行教育数字化转型战略。
（一）加强架构设计，推进教育元宇宙可持续发展
元宇宙的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视觉沉浸与人工智能无缝交融的理想空间形态，实现人的认识世界与虚实共生的感知世界的再融合。要实现教育元宇宙，需要厘清技术方案、建设路径和实现目标，需要进行顶层设计和科学布局。西亚斯从高校视角出发，以虚实融合的学习教育场景为目标，探索利用成熟的技术及装备，开展元宇宙教育场景构建和应用实践，在此基础上，总结研究出学校教育元宇宙的三层实现路径和发展架构（如下图）。
（二）创新建设模式，构建协同推进的建设运行体系
1.加强工作平台建设
2021年学校成立未来教育技术中心，强力推进智能教育新模式建设；2022年建成未来智慧教育体验中心，师生可身临其境体验各种新技术的应用；同年，完成3D资源创作室和数字人平台建设，并开展数字人研究与制作。目前，平台有专业技术人员30余人，研究生以上学历占比76%，为元宇宙教育场景建设提供强有力的人才保障。
图2：3D资源创作室
图3：未来智慧教育体验中心
2.建立校内外协同推进机制
（1）2021年，成立智慧教学领导小组，制定智慧教学三年行动计划。创办人陈肖纯理事长担任名誉组长，学校党委书记、校长任组长，建立党政齐抓共管、统筹推进机制，形成以教务处为核心、未来教育技术中心引领、信息化处支撑、多部门协同推进的工作体系。
（2）利用学科优势，组织建筑、艺术设计、电子信息等专业学院开展BIM建模、3D资源开发、沉浸式教育场景建设等工作。
（3）建立校企协同推进机制，与银行、基础电信运营企业、科技公司战略合作，开展教育元宇宙共研共建。学校引进社会资金7200万元，为教育元宇宙可持续发展提供资金保障。目前，元宇宙教育场景建设已落地3000余万（见下表）。
3.强化宣传和应用培训
通过线上线下专题培训、新媒体宣传、一对一指导等多种形式，对校领导、中层干部、一线教师、课题组等进行多场次的教育元宇宙宣传和培训，2022年共计培训超过1万人次。同时，加大先进模式、成熟经验应用推广和工作典型的宣传表彰，发挥示范引领辐射效应，狠抓应用效果。
图4：新媒体宣传和教师培训
图5：制作元宇宙科普学习视频
（三）强化技术创新与实践，推进教育元宇宙场景建设
研究物联网、区块链、人工智能、MR/VR、全息交互技术及数字孪生等元宇宙底层技术，开展教育元宇宙场景建设和应用实践，在新式办学空间建设和高校数字化转型方面积累了丰富的经验。
1.远程全息教室建设
2022年学校在新郑校区和郑州产业学院校区建成2套全息教室。利用光的干涉原理和衍射原理，将身处异地的教师1:1"分身"到多个校区同时上课。教师可结合课堂教学内容调取3D课件资源在课堂中演示，通过对3D资源旋转、放大、缩小、移动等交互操作，帮助学生理解复杂的空间结构、操作工序等。
图6：新郑校区全息教室
图7： 全息课堂教师与资源交互
2.MR/VR互动教学空间建设
MR/VR互动教学空间通过人机交互、外部视频追踪等技术，使现实环境和虚拟环境中的对象进行互动，形成视觉、听觉、触觉等多模态的交互反馈，实现裸眼3D、场随人动的感知效果。2022年，学校建成全沉浸式MR互动教学空间。空间由五面覆盖的22路一体机、360°影片/3D内容制作、互动操控方案、深度相机矩阵、专业图像渲染工作站构成。该空间已用于相关课程的实习实训。
图8： MR/VR互动教学空间实际应用场景
3.区块链技术应用
采用蚂蚁链区块链平台，构建学校区块链底层支撑平台。以数字信息的确权、用权、监管为基础，已实现人脸、门禁、宿舍三类业务数据上链，链上区块总数超过 1000 万，链上交易总数达到 48 万笔。学校正在尝试使用蚂蚁链 IP 商业平台用于3D 教育资源知识产权保护，进一步带动学校信任体系构建。
图9： 区块链运行监控大屏
4.人工智能技术应用
将 AI 技术全面融合到智慧教学过程，通过精准语音识别、OCR文字识别以及优化特征提取模型，实现对资源的智能多语种翻译、语音转写、知识打点和切片，将非结构化课程资源转换为结构化、碎片化的知识点，形成新形态的数字资源，支持学生个性化学习。已广泛应用于课堂视频资源回看。
图10： 课堂视频资源存储.发布.调用
5.数字孪生校园建设
数字孪生技术作为元宇宙底层技术可生成现实世界的镜像。2022年学校对物理校园进行建模，将物联中台传感器数据和数据中台业务数据采集到数字孪生平台中，实现对学校人、事、物的全面感知和精准管理，向前溯源某一事件发生的经过和起因，向后预测某一件事可能造成的后果。数字孪生校园由“教学、人员、书院、安防、公房、能耗、网络、综合”8个态势感知模块组成。
图11： 智慧校园大脑大屏
6.数字人制作
2022年开展3D虚拟数字人制作，并通过面部捕捉、半身动作捕捉、全身动作捕捉等多种动捕方案，将真人驱动的数字虚拟人呈现到全息空间，实现数字人与MR互动教学空间和全息教学空间进行互动。
三、工作成效
西亚斯在教育元宇宙场景建设与应用方面取得了显著成效，解决了当前教育面临的共性问题，产生了很好的规模效应。
（一）实际应用效果
1.跨国沉浸式教学
为消减疫情防控对线下教学活动影响，提高教学质量，富特海斯州立大学教师利用全息教室为国内学生进行了多次授课，实现了国内学生通过全息远程交互功能与美国教师互动沟通。双方院校已有300多名师生在远程全息教室中开展了教学任务，堪萨斯国际学院正在制定全息教学的课程建设计划。师生均表现出了很高的使用热情，学生普遍感慨“太震撼了，科技感十足，没想到国外的老师这么真实的在眼前”“这种类似在游戏虚拟空间的场景在真实的空间里体验了，我很好奇是用什么技术实现的”。
2.跨校沉浸式教学
疫情期间，利用两个校区全息教室实现远程师资协同、教学协同、课程资源协同及学术交流。目前，马克思主义学院、艺术设计学院、新闻传播学院的跨校沉浸式互动教学已广泛用于公共课、会议和教学研讨，受惠师生800余人。
图13：跨国、跨校全息教室授课场景实拍
3.MR互动教学空间应用
通过5G技术，学校将海尔的生产车间、实习基地样板房等场景接入MR互动教学空间，实现远程实景互动教学，使得学生在不穿戴任何设备的情况下就可以身临其境，并通过定点触发、外设控制、肢体和与语音识别等方式完成各类互动。已组织超过300名师生在该空间实习和体验，师生反应场景沉浸感非常强，期待可以在更多的教学场景中应用。目前，艺术设计学院学生和老师已经在利用该平台制作3D资源和课程。
图14：MR互动教学空间实景图
4.数字孪生校园应用
学校将数字孪生技术应用于日常管理和师生服务。如：可视化招生宣传、迎新导览；利用智慧教室各种传感器数据，在教学态势中可看到本学期开设课程、教室利用率，课堂实时考勤及智慧教室的实时画面；利用闸机、摄像头、无线网络数据，在人员态势中可统计出学生经常去哪些楼宇、实时分布在哪些楼宇、系统中失联学生名单、学生晚归未归人数、空闲宿舍数等；利用公共区域安防摄像头和车辆测速数据，在安防态势中看到安防摄像头的实时画面、异常人员的行为轨迹等；利用BIM模型和各楼智能水电表数据，在能耗态势中监控这些楼宇各楼层的用水用电情况。数字孪生校园的应用为学校安防、资产和节能管理提供了技术支持，应用情况见图。
图15：可视化招生宣传导览
图16：新生报道可视化智能引导
图17：室内外定位+AR实景导航
图18：数字孪生校园服务管理截图
数字孪生校园建设为建筑学院和电子信息工程学院学生参与真实项目提供了机会。目前，建筑学院的学生参与了学校6栋楼宇的BIM建模，电子信息工程学院学生参与了物联网数据采集工作。
图19：部分BIM建模效果图
5.应用情况列表
6.解决的主要问题
（1）构建中美两国三校远程沉浸式教育生态，突破后疫情时代教与学时空边界，解决远程交互实时性差、线上教学质量不高等问题。
（2）将高难度、难操作的实习实训数字孪生进校园，推进校内外教育教学场景互联、虚实学习空间的融合共享，降低了办学成本。
（3）新型的教育模式激发了师生的兴趣和探知欲，有利于创新人才培养，加快了教学模式创新。
（三）效益与成果
学校元宇宙教育场景建成以来，吸引了省内外40多所高校来校参观和经验交流、IT企业的合作青睐和投资，引领了其它行业探索应用沉浸式场景，扩大了全息、MR、数字孪生等技术在各行各业数字化转型中的应用。教育厅领导在调研时表示: 看到了最新的信息技术在教学中的应用，看到了教育未来革命性的变革。安徽大学党委书记蔡敬民、云南财经大学课程中心主任石福荣，对我校沉浸式教育教学给于高度评价。学校依托元宇宙教育场景的研究和探索，取得了多项成果。
图20：兄弟院校参观交流
四、工作经验
（一）经验与反思
1.全局谋划和系统性布局，做到有点、有面、有平台。
学校将数字化转型作为内涵发展的战略目标进行系统性布局，全面展开10项现代化治理工程建设，物联网、区块链、AI、全息等技术已广泛应用于教育教学的各个场景。建立数字产业学院，采用工读结合模式培养适应社会发展的创新型人才。充分利用建筑、艺术设计等学科优势，构建了教育元宇宙的共建共享机制，按照先行先试原则开展应用实践，做到有点、有面、有平台。
2.先进教育理念和灵活决策机制，使得各项工作效率高、见效快。
学校弘扬国际化先进办学理念，并在理事长主导下持续得到贯彻执行。学校特有的灵活决策和KPI考核机制，使得各项工作效率高、见效快。
3.勇于创新精神和务实工作作风，提高了管理水平和服务效能。
学习先进、少走弯路，融合多方资源的专家团队，高标准、高起点开展建设。通过现代化治理，已形成闭环管理和用数据说话的务实作风，大大提高了管理水平和服务效能。
4.开放共享、筑巢引凤，形成良性发展生态。
构建了学校与社会、企业的新型关系，形成了开放共享、互惠互利、共同发展的良性生态。目前已经与山东大学、中关村元宇宙教育实验室等省内外大学和机构开展合作，探索全息高校联盟和元宇宙更多教育场景落地，促进教育资源共建共享及教育文化的交流传播。
（二）下一步努力方向
1.持续推进试点示范，构筑元宇宙在线教育的发展基础。
利用现有条件，持续推进医学、建筑、艺术等学科方向的试点建设，并进行典型案例实践示范，形成引领发展的建设效应。
加强优势学科MR/VR资源建设和虚拟教授数字人制作，在元宇宙空间建设虚拟课堂、开设网络前沿大师课等，不断加强教育元宇宙与课程、与教育场景的结合，同时，加强伦理新观念研究，厘清教育元宇宙发展逻辑。
推进联盟单位教学资源与师资互通，实现名师助学和多师协同教学；推进课程资源IP化、学分互认和跨校组班，把校与校之间的合作从教师层延申到学生层，促进文化交融和校际联合办学。
