元宇宙视域下教学实验室建设路径

摘  要：将元宇宙与教育相结合可能会成为新时代教育信息化的典型特征，以元宇宙视域下研究教学实验室建设，是推动实验室教育及管理智慧化、信息化发展的重要途径，其应用场景包括理工科学科教育、非正式学习情景、实验室安全教育和创新实践空间等。建设元宇宙实验室也存在技术复杂性、成本高昂、安全与隐私问题、道德伦理与法律问题等难点，需要借助校内资源、校企共建、制定详尽的管理办法等建设路径。建设元宇宙教学实验室是一项具有复杂性和挑战性的任务，既有挑战也有应用前景。

关键词：教育元宇宙；理工科实验室；教学实验室建设；非正式学习情景；实验室安全教育

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）S1-0019-05

Abstract： Combining the metaverse with education has the potential to become a typical characteristic of the new era of educational informationization. Exploring the construction of teaching laboratories from the perspective of the metaverse can serve as an important approach to promote the smart and informationized development of laboratory education and management. The application scenarios of such an approach include science and engineering education， informal learning contexts， laboratory safety education， and innovative practice spaces. However， building metaverse laboratories faces difficulties such as technical complexity， high costs， safety and privacy issues， as well as moral， ethical， and legal issues. To overcome these obstacles， the construction path may rely on utilizing on-campus resources， joint construction with enterprises， and the formulation of detailed management methods. The construction of metaverse teaching laboratories is a complex and challenging task， yet it also holds promising prospects for both challenges and applications.

Keywords： educational metaverse; science and engineering laboratory; construction of teaching laboratories; informal learning situation; laboratory safety education

2021年是元宇宙的元年，人们在现实生活中的活动大范围地向虚拟世界迸发，为元宇宙发展带来契机。教育行业涌出各类在线课堂、在线学习办公软件，元宇宙与教育的结合将成为新时代教育信息化的典型特征，而部分研究学者认为元宇宙在教育领域尚没有系统规划，缺乏系统的教学理论支撑，元宇宙底层支撑技术尚有难点，且需警惕资本炒作和绑架教育行业[1]。目前，我国已有部分院校建立元宇宙实验室，大多为艺术类、文旅与传播等学科方向的实验室，如清华大学与中文在线集团共建元宇宙文化实验室，北京邮电大学与北京中科深智科技有限公司联合建立主攻元宇宙相关技术落地的元宇宙联合实验室，香港科技大学推出首个数字双子校园综合平台。然而，工科及实验室管理方向的元宇宙实验室暂未发现具体使用场景。立足时代发展变化，以元宇宙视域下研究实验室管理建设路径，通过调研元宇宙相关内涵及其底层技术逻辑，结合高校实验室管理特点，分析建设元宇宙实验室可能性路径，从而推动实验室教育及管理智慧化、信息化发展。

一  理工科元宇宙实验室概述

元宇宙的这个词是将现实与虚拟的融合，在虚拟空间中，用户可以进行现实世界中的各种活动[2]。元宇宙不宜称为新技术，而是IT新技术的综合运用。技术的进步与发展，将为元宇宙的实现和应用奠定坚实的基础，同时元宇宙的发展也会促进现有技术的迭代升级。

实验室在高等教育院校中广泛应用于实践教学，元宇宙实验室基础元素包含底层技术、操作系统平台、硬件设备以及教研实验知识库，可将元宇宙实验室看作一个综合性系统平台。元宇宙与教育在实验室场景下结合在部分教学实验中具有强力前景，有可能增加合作机会，降低建设成本，提升创新创造能力，并改善获取资源和专业知识的途径，还可以为学生提供更具吸引力和互动性的学习体验，从而提高学生的成绩与教学效果。

二  理工科元宇宙实验室应用场景

高校目前由于建设发展的需求往往具有跨校区建设需求，对于部分具有学科交叉需求的实验室会受制于空间距离与时间分配。处于粤港澳大湾区的高校，如深圳大学正筹划在香港设置分校区以促进粤港澳大湾区高等教育合作，未来在深港两地校区进行行政办公、教育等方面发展会受跨校区地理距离的影响，而建设元宇宙校园则在一定程度上加强校区联系，紧密促进师生之间的交流，提升行政管理效率。若高校的分校区有跨省、市的情形，建设元宇宙实验室并在实验教学、实验活动与合作等方面先行进行有益探索，则可为未来奠定建设元宇宙校园的基石。

（一）  理工科学科教育

在学科教育方面，高校的分校区之间已通过“智慧教室”进行课程实时同步的链接。在理工科领域，部分实验所需仪器设备价格高昂，或者使用的化学药品和气体危险性大，建设元宇宙实验室可代替购买价格昂贵的实验仪器设备，借助轻便的技术设备即可到达虚拟实验室，使学生身临其境观察复杂实验中的过程，并进行实验操作与之互动。在涉及到危险化学品实验时，可使学生近距离观察复杂化学反应的实验过程，利用VR硬件设备进行实验的体验性操作，既避免了初学者可能遇到的危险，又能以第一视角沉浸式体验涉及危化品的实验过程。高校建设元宇宙实验室可提供全新的学习体验，帮助学生们更好地理解和掌握课程内容，缓解课堂焦虑，提高沟通能力，丰富学生的想象力和提升学生的创造力[3]。

（二）  非正式学习情景

建设跨越时间与空间距离的无障碍元宇宙实验室，使用虚拟人物形象进入空间，让师生可进行学术交流与沟通。教师在课余时间保持一定时间的上线率，当学生遇到问题时可上线与教师进行互动。在需要小组讨论时，可进入元宇宙实验室环境自由组建分组讨论区，无人数限制，并在一个完全沉浸式的虚拟环境中进行小组项目协作，也解决实际空间容纳不足的问题。这对于由于距离或其他因素而无法实际到场的学生尤其有用。此外，与传统的在线学习平台相比，元宇宙实验室可以提供更多的互动和有趣的学习体验，有可能提高学生的学习效果[4]。

（三）  理工科实验室安全教育

目前，高校实验室安全常见培训方式有课程、讲座培训、安全知识竞赛等。元宇宙实验室安全培训可分为虚拟阶段、增强现实阶段、混合现实阶段。虚拟阶段则是通过渲染动画配合软件可在移动设备、电脑端进行实验室安全知识学习、动画场景学习，此阶段具有空间与时间不受限的特点，但难以具有动手操作的沉浸感；增强现实阶段则可借助AR技术手持移动设备在实验室环境下进行模拟安全事故应急培训，此方式具有时间不受限及真实场景还原的特点，但难以有沉浸感和动手操作的体验感；混合现实阶段则可将元宇宙技术手段配合硬件设施可模拟大型火灾应对措施、危险化学品泄漏应对措施等需要大量人力物料的环节，与实操真实危险化学品泄漏应急训练对比，此阶段不受场地与时间限制，任何时间段均可进行培训学习，且避免了对人体有害的环节，可以在虚拟实验室中自由、安全地操作实验设备。

（四）  创新实践空间

高校元宇宙实验室为学生们提供了接触最新技术的机会，从而有助于提高其技术水平。元宇宙背景下的虚拟实验室、3D建模工具、多媒体教材等教育资源可以提高学生的数字技能和创造力。还能通过与其他同学或专业人士共同协作完成任务，提高团队合作、与他人沟通、协调与解决问题的能力。通过元宇宙实验室建设过程与实践，鼓励学生开发和测试新技术和应用，使其学到更多的技能和知识，增强自己的创新思维和解决问题的能力，并将其应用于实践，从而更好地适应未来的职业发展。

（五）  校企共建实验室平台

从学校外部来看，近年来高校各学院、各学科与外部企业联合建立各类平台，其中平台之一为联合实验室，但校企联合共建实验室常见问题为场地不足、线下联系紧密度不够、采购设备周期长、建设经费高昂和实验室利用率低的问题。在传播、视觉传媒、文旅学科领域均有元宇宙实验室校企共建的先例，但在工科与理科领域，如物理、化学、生物学和工科学科等，建设传统实验室需要采购昂贵或专业的科研设备，通过校企共同建设元宇宙实验室有可能降低建设与维护成本，制作或采购虚拟数字化产品。另外，学生与研究人员可以在世界各地进行科研合作，不受场地与空间的限制，对于无法进入实体实验室或者需要远程工作的科研人员来说，元宇宙实验室可带来显著的合作。在实验室管理方面，共建实验室的项目成员用虚拟化身替代，部分虚拟技术配合现实技术在内外部进行展示或使用，可使校企信息共享和行政办公更为便捷。

三  元宇宙实验室建设路径构想

（一）  难点辨析

1  技术复杂

在元宇宙中创建虚拟实验室具有高度的技术复杂性，建设元宇宙实验室需要大量的技术支持和资源。实验过程需要精心设计，需要深入了解实验室涉及到的实验过程以及创建虚拟环境所需的软件和硬件，才能确保实验可以准确进行并且结果有效。元宇宙实验室的虚拟环境还需要能够扩展和适应不同类型的实验和研究项目。另外，虚拟世界建模的工作量巨大，以高校校园规模量建立1∶1的虚拟场景所需耗费的时间长、精力大。

2  成本高昂

在元宇宙中创建实验室成本可能很昂贵，尤其是需要开发定制软件和硬件，以及长期项目研究背景下持续的维护和升级成本。此外，为需要申请进入元宇宙实验室学生或科研人员提供访问权限也会产生一定费用。元宇宙实验室需要高水平的技术团队和运营团队，包括工程师、设计师、策划师等，这些人才需要具备多项技能，如虚拟现实技术、人工智能、区块链和互联网运营等。目前，这些人才的市场供应还不足，需要更高的薪资和福利待遇吸引和留住人才，因此，人力成本也高昂。

3  安全与隐私

与任何虚拟环境一样，元宇宙实验室也会存在重大的安全和隐私风险。元宇宙实验室需要保证用户数据和交易的安全，要防止黑客攻击、数据泄露等安全问题。学生与研究人员在使用系统过程中进行的实验可能需要保护敏感或机密数据，因此，需要采取强有力的安全措施来确保数据不会受到损害，包括加密、访问控制和监控等措施以检测和响应安全威胁[5]。当进入元宇宙中的所有人物的感知、情绪和行为均被数字化记录与监控时，一定程度上可能会侵犯到人的隐私权。

4  道德伦理和法律风险

在元宇宙实验室中进行研究需考虑道德伦理和法律风险。由于元宇宙实验室中大多为虚拟资产，研究人员使用数字资产需要获得参与者知情同意、明确数据所有权和知识产权管理办法，进入元宇宙实验室的人员若沿用现有的实验室管理办法，则约束程度较高，违背了元宇宙实验室让师生可以自由地探索的初衷。若管理办法不严谨，以数字身份进入元宇宙实验室，则社交关系会产生的系列问题，仅靠自身道德水平约束个人行为和维护公共秩序。对于涉及国际合作的实验室，还需要考虑文化和社会因素。