当今世界，数字化技术的快速发展正在为教育领域带来巨大的变革和机遇。随着元宇宙相关技术的不断迭代和升级，越来越多的教育场景正在被数字化改造，从传统的教育方式向更加智能化、个性化的教育模式转型。虚拟仿真、VR 教学、智慧教学等多类型场景，正成为教育元宇宙应用场景的初级形态。这些场景以虚拟世界或现实环境为基础，利用数字化技术为手段，将教育资源进行整合和优化，提升教学效果和学习质量，实现了教育的全方位、高效率、多元化和个性化的教育范式。通过前期大量线上和线下调研，多角度对教育元宇宙场景进行了充分挖掘，对硬件设备进行了收集和分析，同时对比传统场景基础设施和智慧场景的新型数字化设备，有利于提升教育相关研究人员对各类数字化装备、数字化资源、智慧管理平台的全面了解。
1. 教育元宇宙视域下的教学应用场景
教育元宇宙视域下的教学应用场景（以下简称为场景）指利用元宇宙理论和技术来支持和建设数字化教育过程的各种场景和应用。主要包含虚拟仿真场景、XR 教学场景、智慧教学场景和管理平台四大类。
虚拟仿真场景是指通过计算机生成的虚拟环境，用于创造新的虚拟世界情境或是模拟真实世界的场景。在虚拟仿真场景中，学习者可以通过笔记本电脑、平板或者手机访问虚拟教学场景，在搭建的虚拟环境和资源中学习。虚拟仿真场景很重要的一个特点是能够提供实时的反馈和评估机制，帮助用户了解其行动和决策的结果。用户可以通过观察虚拟环境中的反馈，了解其行为的影响，从而改进和优化自己的学习和实践。虚拟仿真场景主要包含虚拟教室、虚拟实验室和虚拟校园等应用场景。
XR 教学场景是指利用扩展现实（XR）技术构建的教学环境，通过沉浸式的虚拟体验来支持和增强教学过程。XR 教学场景主要采用 VR 终端、AR 终端、MR 终端、动捕等通用沉浸式交互设备和后端支持设备构成，学校提供专用的房间。在 XR 教学场景中，学生可以通过人机交互设备，进入三维的虚拟世界与环境进行互动，获得更加身临其境的学习体验。XR 教学场景能够提供高度沉浸和真实感的学习体验。学生可以完全沉浸在虚拟环境中，与虚拟对象、场景和情境进行互动，从而加深对学习内容的理解和记忆。通过 XR 教学场景，学生可以进行虚拟实践和模拟操作，尤其是在一些实际操作困难、昂贵或危险的领域。例如，学生可以在虚拟实验室中进行化学实验、在虚拟手术室中进行手术模拟等。XR 教学场景主要包含 XR 教室、XR 实验室和 XR实训室等应用场景。
2. 虚拟仿真场景
自 2013 年教育部启动虚拟仿真实验教学中心建设以来，虚拟仿真场景已经在各级各类学校应用，本科院校无论是技术还是实践均走在学校虚拟仿真建设的前列。
2.1 虚拟教室
虚拟教室是模拟现场教室的在线空间。课程通常与教育者同步，所有学习者都出现在在线空间中以进行实时互动。根据教育者或学习者的需求，虚拟教室将搭建成类似现实世界的多类型教室，可以灵活地适应所有用户的风格和需求。
目前基于虚拟世界构建技术建立的虚拟教室还比较少。由于绝大部分学生没有 VR 设备，因此具有沉浸感的三维虚拟教室还处于研发阶段。虚拟教室较为常用的一种形式为基于二维视频的线上会议教室，如腾讯会议、钉钉直播课堂、学习通课堂等，这些线上虚拟教室工具可以通过直播、录播和多人在线交流的形式，使教师和学生可以在不同的地理位置上进行教学和学习。这非常适合远程教育和在线学习，可以消除地域限制，方便学生在家中或其他地方接受实时性的教育。此类虚拟教室在新冠疫情爆发期间为我国各级学校继续开展教学发挥了无可替代的作用。
虚拟教室通常提供一系列的教学管理功能，包括课程安排、作业布置、考试管理等。教师可以通过这些工具轻松地管理课程内容和学生信息，布置作业并进行线上作业批改，进行在线考试并基于学习者学习过程数据，评估学生的学习成果。此外，虚拟教室通常支持课程录制和回放功能，教师可以录制教学过程，学生可以在需要的时候回放课程内容，方便复习。总的来说，腾讯会议、钉钉直播课堂、学习通课堂等线上虚拟教室工具在远程教育、在线学习和教学管理方面发挥了重要作用，为学生和教师提供了方便、灵活和高效的教学环境。
在疫情期间，许多国家因全面停课力推远程教学。除了上述的线上虚拟教室工具，美国密西根州达文波特大学通过 VR 软件设计并开发出三维虚拟教室（如图 4-1 所示），教师通过系统入口在平台上直接提供研究生与本科课程，学习者通过学习账号进入三维虚拟教室，选择不同的学习环境风格，该平台的开发又一次升级了传统在线授课的方式，使得虚拟教室迎来新的方向。
图 1 虚拟教室场景
本报告梳理了虚拟教室提供的解决方案，挖掘虚拟教室场景应用的方案，具体如下所示：
（1） 文本交流
虚拟教室应该提供实时文本传输功能，以便学员和教师之间进行交流。这可以通过聊天室或类似的界面实现，学员和教师可以在其中发送消息、提问、回答问题等。同时，可以考虑支持私聊功能，使学员和教师之间进行一对一的沟通。
（2） 语音聊天
虚拟教室应该支持实时语音聊天功能，使学员和教师可以通过麦克风进行语音交流。这对于讨论复杂的主题、解答问题以及提供实时反馈非常有用。语音聊天应该提供高质量的音频传输，并具备噪音抑制和回声消除等功能，以提供清晰的声音。
（3） 视频对话
虚拟教室还应该支持视频对话功能，使学员和教师能够面对面进行交流。视频对话可以增强互动性，帮助教师更好地理解学员的需求，并提供更具个性化的教学体验。视频对话还可以通过共享摄像头，让学员展示实物或解答问题。
（4） 界面共享
为了支持教师进行演示、展示教材或软件操作，虚拟教室应该提供界面共享功能。教师可以将他们的屏幕内容共享给学员，使学员可以实时观看教师的演示，并跟随操作步骤。界面共享应该具备流畅的传输和低延迟，以确保学员能够获得良好的体验。
（5） 文件传递
虚拟教室应该允许学员和教师之间进行文件传递。这样，教师可以分享教学资料、课件、作业等文件给学员，并且学员可以提交作业或分享相关材料给教师。文件传递应该支持各种文件格式，并具备快速、安全的传输机制。
（6） 录制和回放
为了方便学员复习和回顾课程内容，虚拟教室可以提供录制和回放功能。教师可以录制课程，并将录像提供给学员以便后续查看。这样，学员可以在需要的时候随时回放教学内容，强化学习效果。
（7） 互动工具
为了增强学员参与感和互动性，虚拟教室可以提供互动工具，如投票功能、问答环节、小组讨论等。这些工具可以帮助教师与学员进行更深入的互动，促进学习效果的提升。
（8） 安全和隐私保护
在虚拟教室中，安全和隐私保护非常重要。确保通信和数据传输的安全性，采用加密技术保护用户的个人信息，以及建立权限控制机制，确保只有授权人员可以访问教室和相关资源。
综上所述，虚拟教室应该提供文本交流、语音聊天、视频对话、界面共享、文件传递等功能，同时支持录制和回放、互动工具，并重视安全和隐私保护。这些功能将帮助搭建一个高效、互动和安全的虚拟教室，以满足教育需求。
2.2 虚拟实验室
虚拟实验室是一种基于计算机和模拟技术的教学环境，用于模拟实验室的实验过程和实验环境。通过虚拟仿真技术提供了一种虚拟的、安全的、交互式的实验平台，使学生能够进行实验操作、数据收集和分析，以及实验结果的验证和评估。
本报告通过多家企业调研，挖掘虚拟实验室场景应用，具体特点如下所示：
（1） 模拟真实实验环境
虚拟实验室通过高度逼真的图形和声音效果，以及模拟真实物理和化学过程的算法，创造出接近现实环境的模拟场景。学生可以在虚拟环境中进行实验操作，感受到与真实实验室相似的体验。
（2） 安全性和可控性
虚拟实验室提供了一个安全的学习环境，避免了真实实验可能存在的安全风险和事故。同时，虚拟实验室可以控制实验条件和参数，使学生能够更好地理解和掌握实验过程中的关键要素，加深对实验原理和概念的理解。
（3） 交互性和个性化学习
虚拟实验室通过交互式界面和操作，使学生能够主动参与实验过程，并根据自己的学习需求进行个性化学习。学生可以根据自己的兴趣和学习进度，在虚拟实验室中自主选择实验项目，并根据实验结果进行反思和探索。
（4） 数据记录和分析
虚拟实验室可以自动记录学生进行实验的数据和结果，并提供数据分析和可视化工具，帮助学生进行实验数据的处理和解读。这样，学生可以更好地理解实验原理和科学方法，并进行实验结果的验证和评估。
（5） 时间和空间灵活性
虚拟实验室可以随时随地进行，不受时间和地点的限制。学生可以在任何时间、任何地点通过计算机或其他设备进行虚拟实验，方便学习和实践。截至 2023 年 5 月，在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台-实验空间（ilab-x.com）上共发布了 3481 个实验项目。用户用个人电脑通过网络可以做各种虚拟仿真实验。以下列举了部分虚拟仿真实验类型：
1) 物理实验：
光学实验：如光的折射、反射和干涉等实验。
电路实验：如电路组装、测量电阻、电流和电压等实验。
力学实验：如摆动实验、运动轨迹模拟等实验。
2) 化学实验：
反应实验：如酸碱中和反应、氧化还原反应等实验。
溶液实验：如浓度测定、溶解度实验等实验。
分析实验：如质量分析、离子反应等实验。
3) 生物实验：
细胞实验：如细胞观察、细胞分裂模拟等实验。
遗传实验：如基因组分析、遗传交叉等实验。
生态实验：如生态系统模拟、物种数量统计等实验。
4) 计算机科学实验：
编程实验：如编写程序、调试和运行代码等实验。
网络实验：如网络配置、数据传输和安全性测试等实验。
数据库实验：如数据库设计、查询和优化等实验。
5) 工程实验：
电子实验：如电路设计、电子元件测试等实验。
材料实验：如材料性质测试、材料加工模拟等实验。
控制实验：如控制系统设计、传感器测试等实验。
6) 医学实验：
解剖实验：如人体器官结构模拟、解剖学图像浏览等实验。
病例研究：如病例分析、诊断决策等实验。
药理实验：如药物作用模拟、剂量测定等实验。
3. XR 教学场景
随着工业和信息化部、教育部等五部门联合印发《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026 年）》，XR 教学场景的建设进入快速发展阶段。
3.1 XR 教室
XR 教室是一种主要的 XR 教学场景。XR 教室主要采用 VR/AR/MR 终端等通用交互设备和后台服务设备构成，学校提供专用的房间。在 XR 教室中，学生可以通过穿戴 XR 设备，进入三维的虚拟世界与环境进行互动，获得更加身临其境的学习体验。XR 教室可供所有专业的学生使用，教学内容涉及各类学科内容。学生通过与具体形象的虚拟对象、场景和情境互动，加深对学习内容的理解和记忆。XR 教室能够扩大学生的视野、提高教学效率，也可采用虚拟场景下的考试作为教学效果的评价场所。XR 教室主要采用桌面式虚拟现实设备、头戴式虚拟现实设备、裸眼三维式教学设备、VR 黑板类教学设备和触感反馈类教学设备。
桌面式虚拟现实设备是属于XR 教室最常见的一种设备，可为每一位学习者提供独立系统进行操作，如图 4-2 所示。
图 2 桌面式虚拟现实设备构建的XR 教室
头戴式虚拟现实设备是属于XR 教室较为核心的设备之一，主要包含 VR 头盔、AR 眼镜、MR 眼镜等相关虚拟现实产品，开展相关数字化教学，如图 4-3 所示。
图 3 头戴式虚拟现实设备构建的XR 教室
裸眼三维式教学设备是近年来 XR 教室新型设备之一，基于裸眼 3D 显示技术可呈现更立体的视觉效果，增强学习者对知识的认知，如图 4-4 所示。
图 4 裸眼三维立体教学设备
VR 黑板类教学设备是 VR 教室新型设备之一，具有触摸书写功能、立体显示功能，佩戴偏振立体眼镜，无需充电使用方便，具有高亮度、色彩绚丽的特点，方便老师使用VR 资源进行教学。如图 4-5 所示。
图 5 VR 黑板教学设备
触感反馈类教学设备是属于XR 教室较为特殊的设备之一，目前该产品应用到教育教学的案例较少。如图 4-6 所示。
图 6 触感反馈类教学设备
XR 教室配备 VR 终端、MR 终端、控制设备和后台服务设备等相关设备，对教室四面环境进行整体数字化赋能。教师在授课区主屏指导，XR 教学资源在触控显示屏上支持普通/立体一键切换，立体状态下，学生佩戴免充电偏振眼镜呈现 3D 影院效果。学生学习区可分组协作，打造互动型、沉浸性、探究式学习空间。利用多媒体教学、光能板书、XR 立体展示、触控交互操作等功能，满足教学需要。此外，支持 VR 云渲染平台运行，满足线上线下讲授资源便捷获取；同时配备特色课程练习的 AR 版虚拟仿真课程练习指导书，支持学生利用手机等移动终端进行课程练习前预习、课程练习中自我指导、课程练习后复习。XR 教室让使用者从视觉、听觉、触觉高度沉浸在虚拟环境中，通过在三维虚拟环境进行操作交互来模拟、还原真实操作。通过大尺寸三维立体屏幕显示设备提供资源展示，可以提升实验中心的整体形象，激发使用者的学习兴趣。
3.2 XR 实验室
XR 实验室是一种主要的 XR 教学场景。XR 实验室主要采用 VR 终端、AR 终端、MR 终端、后端设备和专业实验设备构成，学校提供专用的房间。学生在 XR 实验室操作分两种情况，一种是在 XR 设备上操作，实验在真实的设备上同步发生。另一种是学生在真实设备上操作，一些环境等变化通过 XR 设备显示。因此 XR 实验室需要建立虚拟世界虚拟设备和环境与现实世界实验设备和环境的连接。在 XR 实验室中，学生可以通过穿戴 XR 人机交互设备，操纵三维的虚拟界面，最终操控真实的实验设备。反过来，实验结果也可以通过 XR 终端显示出来。XR 实验室与 XR 教室的区别是其实验过程或实验操作是在真实设备上进行的。XR 设备为远程学生操作实验提供了可能。通过 XR 实验室，学生可以远离危险的实验装置，可以避免学生人身的危害。XR实验室的实现技术复杂，建设成本非常高。
XR 实验室应用硬件系列产品整合了虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）、扩展现实（XR）、物联网（IOT）、大数据（DB）、人工智能（AI）、互联网+等行业尖端技术，采用音视频处理、仿真交互、图形图像处理等配套硬件设备，提供全方位的、服务于实践教学、科学研究与形象展示立体化虚拟现实教育应用解决方案。
XR 实验室硬件设备分类较为复杂，本报告仅列举个别案例进行说明。医学专业 XR 实验室是专门为医学专业学生设计的扩展现实（XR）教学环境。它结合了医学知识和虚拟现实技术，提供了一种沉浸式、交互性强的学习体验。医学专业 XR 实验室可以模拟真实的医疗场景，如手术室、急诊室、病房等。学生可以身临其境地体验这些场景，并进行各种操作和任务，如手术操作、急救处理、病人护理等。这种模拟真实场景的特点使学生能够更加贴近实际工作环境，提高实践技能和应对复杂情况的能力。此外，医学 XR 实验室可以提供一个安全的环境供学生进行练习，学生可以在虚拟环境中进行手术操作、注射、插管等操作，减少对真实患者的风险。同时，教师和指导员可以实时监控学生的操作，提供指导和反馈，帮助他们改进技术和流程。随着技术的发展，医学 XR 实验室可以利用多模态交互技术提供多种感官刺激和反馈。学生可以通过触觉反馈设备感受手术刀具的触感、听到患者的声音和心跳声、观察逼真的图像和场景等。这些多模态的交互与反馈有助于提高学生的参与感和学习效果。根据调研情况显示，某公司提供医学 VR实验室建设方案和硬件设备，包含 VSP-100 虚拟标准化病人教学系统、VMC-100 医学虚拟仿真实验教学系统等。如图 4-7 所示。
图 7 医学 VR 实验室部分设备
3.3 XR 实训室
XR 实训室是一种主要的 XR 教学场景。XR 实训室主要采用 VR 终端、AR 终端、MR 终端、后端设备和专业实训设备构成，学校提供专用的房间。学生在 XR 实训室操作分两种情况，一种是在 XR 设备上操作，结果在真实的设备上同步发生。另一种是学生在真实设备上操作，一些环境等变化通过 XR 设备显示。因此 XR 实训室需要建立虚拟世界虚拟设备和环境与现实世界实验设备和环境的连接。在 XR 实训室中，学生可以通过穿戴 VR 人机交互设备，操纵三维的虚拟界面，同步操控实训设备。反过来，学生操作真实设备，实训效果也可以通过 XR 终端显示出来。 XR 实训室与 XR 实验室类似，它们与 XR 教室的区别是其实训过程是在真实设备上进行的。XR设备为远程学生培训提供了可能。通过 XR 实训室，学生可以远离现场，一方面可以避免学生人身的危害，另一方面也为跨地域教学和异地实习实训提供了一种解决方案，打破时空限制，为学生提供更加广泛的学习和实践机会。XR 实训室的实现技术复杂，建设成本非常高。
XR 实训室更多面向职业教育方向。需要注意的是，目前部分企业或学校研发的涵盖高等职业教育专业设置中的虚拟仿真资源，用以解决实训教学过程中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”痛点和难点；对传统实训教学模式进行创新再造，实现实训教学的生动性、趣味性、互动性和自主性；支持学生技能训练中的认识观摩、教学演示、互动操作、考核评价，降低职业技能训练的成本，应该说对教育教学具有很高的应用价值。但是这些资源如不能与真实设备结合，给学生提供真实的触觉、嗅觉等感觉，则不属于 XR 实训室的关键设备。仅仅拥有 XR 资源和 XR 设备的场景属于 XR 教室，不属于 XR 实训室。
XR 实训室通过软硬件资源协调使用，能够发挥实训实践和数字化教学的双重优势。可以促进职业教育教学模式、教学内容和教学方法改革，提高职业教育信息化教育教学整体水平，提升技能型人才培养质量和职业院校办学效益，加快构建现代职业教育体系。
结合虚拟现实行业尖端技术和设备，可根据学校专业课程设置和实训教学需求，通过实操设备与 XR 技术的融合来满足学校教学需求，基于开放性设计，可适用于目前各类主流虚拟现实开发平台软件资源。
本文摘编自教育部学校规划建设发展中心教育数字化产学融合组织、元宇宙教育实验室和北邮-润尼尔虚拟现实创新技术与应用联合实验室发布的《2023教育元宇宙发展研究报告》，全文下载：
2023教育元宇宙发展研究报告
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