基于元宇宙概念的AI数字人云课堂论文.pdf
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元宇宙与教育
作者简介：覃祖军，博士，高级教师。北京市数字教育中心(北京电化教育馆)，100035
冯建刚，博士，研究员。天津中科物联网技术研究所元宇宙产业技术研究中心，300380
郑兰梅，硕士，教育总监。北京科教创新信息科学研究院，100085
基金项目：中国教育技术协会“十四五”规划重点课题《元宇宙技术顶层设计与中国教育范式研究》(编号：教技协研
〔2021〕Q023号)。
基于元宇宙概念的AI数字人云课堂
覃祖军 冯建刚 郑兰梅
摘 要：介绍了元宇宙概念的由来，分析了其与教育场景融合应用的价值，并基于元宇宙概念及其多种技术融合特
点进行了 AI 数字人云课堂的教育应用需求分析与系统设计。
关键词：元宇宙；AI 数字人；云课堂；教育应用；需求分析；系统设计
一、元宇宙的构想
1.元宇宙概念的由来
元宇宙(metaverse)概念最早出现在1992年尼尔•
斯蒂芬森(Neal Stephenson)的科幻小说《雪崩》(
Snow
Crash
)中，特指一个平行于现实世界的虚拟数字世界。
每个人通过控制虚拟世界里代表自己的虚拟分身来参
与相关社交活动。
清华大学沈阳教授团队2022年1月发布的《元宇
宙发展研究报告2.0版》
[1]
中把元宇宙描述成整合了多
种新技术的互联网新生态，能为使用者提供沉浸式体
验，通过数字孪生技术、区块链技术生成虚拟世界的
经济系统、社交系统、身份系统，并且允许使用者进
行内容生产和编辑。
在新型冠状病毒肺炎疫情(简称疫情)防控期间，
人们使用互联网的时长大幅增长，加速了社会虚拟化
进程。人类生活中的许多体验也开始向虚拟世界迁移
或者进入虚实跨界状态。对于学生而言，线上学习由
原先短时的偶然状态变为常态。因此有人以宇宙大爆
炸奇点理论类比提出：2020年是人类社会虚拟化的临
界点，2021年是元宇宙元年。但是2022年是否能形成
奇点，还有待观察。
张世城等的《智慧教室3D模型的设计与实现》
[2]
一文指出：随着信息时代的到来，以及物联网和3D
模型技术的兴起，各学校开始进行信息化、可视化
智慧教室建设，提出在实现物联网硬件的基础上，
使用ThingJS3D模型可视化技术，给出智慧教室的整
体策略和体系架构，围绕智慧教室的硬件布局、网
络通信和教室系统的平面构造、3D模型等方面进行
设计与实现。
美国哈佛大学教育学博士郑燕祥教授在《教育范
式转变：效能保证》
[3]
一书中指出：教育的理念要有
根本性、系统性的范式转变，才能有突破性的进展，
以应对全球化、高科技和社会发展的挑战。
2.元宇宙推动教学模式创新
为贯彻落实教育事业发展“十四五”规划的有关
部署，教育部办公厅发文
[4]
要求开展虚拟教研室的建
设与应用探索。笔者团队根据课题研究对元宇宙云课
堂环境进行了研究，阐述了基于元宇宙的AI数字人云
课堂的教育应用需求分析与系统设计。
元宇宙是下一代互联网生态，是虚拟时空，是全
真互联网，即通过各类智能设备和系统提供人性化、
智能化、独特的数字互动世界。狭义的元宇宙指把线
下的世界映射到数字世界里面去；广义的元宇宙则指
建立在数字世界里的纯粹虚拟时空。
元宇宙与教育的融合应用涉及两方面的问题：一
是技术顶层设计，即运用系统论的方法，从全局的角
度对该项技术的各方面、各层次、各要素统筹规划，
以提升工作效益，高效快捷地实现目标。元宇宙技术
元宇宙与教育
顶层设计指为实现任何时间、任何地点、任何角色都
可以在互动空间中生活和工作而进行的方案研究。二
是教育范式研究，即通过创新教学模式，使课堂教学
真正促进学生知识、能力、情感等的发展，培养学生
的创新精神和实践能力。在“双减”政策及教育部门
提出的校园防疫工作“五管”(管好人员流动、管好
校门、管好场所、管好活动、管好应急处置)要求下开
展高质量教学工作，是摆在教育工作者面前的挑战。
常规教学模式已经不能适应新时期社会教育发展的需
要，亟须教育范式变革。
虚拟数字人作为一种人工智能(简称AI)产物，本
文称为AI数字人，是元宇宙的关键要素。将元宇宙云
课堂与AI数字人相结合，有利于打造AI新生态下融合
多种技术的教育应用新场景。
二、基于元宇宙的AI数字人云课堂需求分析
1.AI数字人云课堂的需求分析
(1)总体需求分析
第一，元宇宙系统要能在局域网环境下独立运
行，进行AI数字人培训任务和云课堂交互教学工作；
第二，留有云端接口，方便随时接入云服务器集群进
行高算力业务处理。
(2)分项需求分析
分项需求包括：实体人的跨界数字身份系统(含
实体人档案库以及AI数字人档案库)、AI数字人云课
堂、AI数字人可使用的魔法装备。
2.实体人的跨界数字身份系统
为便于将来再生医学的发展，实体人的跨界数字
身份系统应能实现实体人的肌体再生功能，实体人档
案库除了常规档案基本信息外，还应预留以下选项与
大数据健康档案库对接：包括干细胞库编码、精子库
编码、虹膜库编码、指纹库编码等。
AI数字人档案库应具备的功能包括：能完成真
人的AI数字人建档、形象打造(含照片合成脸部和
捏脸修改)、行为学习训练、语音拟合、思维反应
训练(支持自动回答问题的AI知识库)、信息检索、
模型提取、输出档案表(打印表格或者输出其他格
式的文件)等。
3.AI数字人云课堂的构建
构建的目标：打造虚实融合的“双师”课堂以及
16个数字人互动对象，方便进行小组合作学习和班级
授课模式的切换。
(1)可自主互动的虚拟对象
AI虚拟教师2人：授课教师、班主任。AI虚拟教
师与实体人教师组合可打造“多师”课堂教学模式。
虚拟学伴4人：春同学、夏同学、秋同学、冬同
学。心理学家认为，人的气质类型一般可分为胆汁
质、多血质、黏液质和抑郁质四种。虚拟学伴4人分
别对应这四种气质类型，以多样化的面貌辅助师生开
展学习和训练。
同时设置10个可供实体人操控进行互动学习
的数字身份账号：甲同学、乙同学、丙同学、丁同
学、戊同学、己同学、庚同学、辛同学、壬同学、
癸同学。
(2)提供虚实对象间的一对多、多对多互动
根据教学活动的需要，可以开展多元互动，提高
学生的学习兴趣和协同学习活动的效率。
4.AI数字人可使用的魔法装备
在元宇宙云课堂中，为AI数字人赋能的魔法装备
就是一些特殊的系统工具，使用装备功能，能够使AI
数字人具有强大的“变身”能力。以《西游记》中的
孙悟空作为类比，AI数字人的“变身”功能包括以下
方面。
第一，重身术。在元宇宙云课堂中，AI数字人具
有“一变多”分身功能，能同时进行多元任务实施。
第二，变身术。AI数字人具有“改头换面”的
变身功能，可以按照使用者意愿改变AI数字人外观
形象。
第三，隐身术/现身术。AI数字人能隐藏数字分
身或者再次现身。
第四，变音术。AI数字人具有声音变化的功能，
可以按照意愿改变音质音色。
第五，劫身术。AI数字人具有赋能某个分身强制
接管另一个AI数字人账号的功能。
第六，再身术。AI数字人具有赋能某个分身进行
形象重塑和行为举止重新训练的功能。
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