段茂君，郑鸿颖
教育元宇宙：教育复杂系统的混合物理模型
段茂君，郑鸿颖
（四川师范大学 教育科学学院，四川省 成都 610066）
元宇宙作为前沿理念聚焦与信息技术融合的载体，可为教育科学体系变革提供支撑。在梳理教育元宇宙现有研究成果的基础上，透过复杂性科学视野审视教育元宇宙。研究认为：教育元宇宙可理解为教育复杂系统的混合物理模型，利用教育复杂系统表征“教育”可以统括教育涉及的一切特性，是认识论层面的升华；
通过混合物理模型刻画“元宇宙”能够深刻把握“链上虚拟世界”的本质，是方法论层面的落地。教育元宇宙的架构主要包括教育复杂系统框架和混合物理模型框架：前者的建立涉及复杂系统的结构、功能及机制，其功能维度的需求决定结构维度的设计，通过逻辑推演形成理论层面的概念模型；
后者涵盖主观、客观及现实三部分，借助信息技术整合为实践层面的数值模型，其结构维度的计算引发功能维度的演化。教育元宇宙除在深度沉浸、具身交互、时空跨越、虚实融生等方面的教育赋能外，其深层应用在于探明教育复杂系统演化的规律、发展优化和调控教育系统的方法以及建立可解释的教育评价体系。
教育元宇宙；
复杂性科学；
教育复杂系统；
混合物理模型
元宇宙（Metaverse）一词首次出现在美国作家Stephenson的《雪崩》（），[1]指“由计算机模拟、与真实世界平行的虚拟空间”。在沉寂近30年后，随着Facebook更名为Meta，元宇宙概念迅速风靡全球，微软、腾讯、百度等国内外科技巨擘相继布局，2021年更是被称作“元宇宙元年”。教育研究者也敏锐意识到元宇宙在教育领域的潜在价值，围绕教育元宇宙展开了一系列研究，取得了诸多进展。然而，这些文献侧重论述基于IT技术（如AI、VR、5G、数字孪生、区块链等）在深度沉浸、具身交互、时空跨越、虚实融生等方面的教育赋能，在理论和应用层面仍有继续提升的空间。为此，在梳理成果的基础上，笔者尝试基于复杂性科学重新审视教育元宇宙的内涵、架构及应用，以期为教育元宇宙研究提供参考。
（一）元宇宙
元宇宙并非一个革命性的新概念，而是各类信息技术融合的载体，其核心技术主要包括七方面：
第一，基于5G/6G、边缘计算、云计算等以实现信息高效传输和强力计算的网络及运算技术；
第二，基于RFID、传感网、M2M等链接物理世界的物联网技术；
第三，基于机器学习以实现视觉、语音、手势、情感等大数据智能识别和处理的AI技术；
第四，基于VR/AR/XR/XR以实现多维感官体验的交互技术；
第五，基于物理模型、传感器更新、运行历史等数据实现现实物理系统在虚拟空间迭代映射的数字孪生技术；
第六，基于分布式账本、非对称加密、共识机制、智能合约等以实现去中心化、分布式、可追溯性、高信任度的区块链技术；
第七，基于3D建模、实时渲染、游戏引擎的电子游戏技术。[2]鉴于元宇宙可能创新科学范式、推动传统人文科学体系的突破，[3]教育研究者尝试将上述技术引入教育以期建立教育元宇宙。
（二）教育元宇宙研究进展
目前，教育元宇宙研究的内容主要体现在内涵、架构及应用等三个方面。明晰内涵是教育元宇宙研究的逻辑起点，代表性观点包括：
第一，师生通过数字身份进行沉浸式教学互动的虚拟场域；
[4]第二，以元宇宙为基础创建的具有特殊教育目的的智慧学习空间；
[5]第三，利用新兴信息技术塑造虚实融合的高阶形态智慧教育环境；
[6]第四，基于VR/AR将现实世界映射到具有一定智能的虚拟学习环境。[7]教育元宇宙架构是在其内涵范畴内，整合元宇宙相关要素的超级场域，如通过物理层、软件层、应用层、分析层以及若干关键设备和技术加以搭建，[4]或从模式、环境、资源、活动及评价等方面给予描述，[6]还可以依托技术支持、交互业态和规则设计等构成。[8]
教育元宇宙的应用则是其内涵、架构的实践憧憬，主要基于两个视角：第一是侧重场景，如图书馆、校园、教室，[4]或学习平台、沉浸课程、虚拟学校、孪生校园、开放大学等；
[9]第二是聚焦个体，如智慧学习范式、体验性学习过程、跨时协作空学习等，[5]或素质教育、全纳教育、职业教育及终身教育，[6]或学科教育、非正式学习、职业培训等，[7]或情景化教学、个性化学习、游戏化学习和教学研训。[10]
（三）不足与应对之策
上述研究为学术界理解教育元宇宙提供了翔实参考，初步构思教育元宇宙的顶层理念和底层逻辑。然而，以下三点仍值得研究者继续探究：
第一，教育元宇宙概念描述纷繁，且将教育等同教学（或学习）、将元宇宙视作场域、空间、环境等，教育元宇宙内涵的覆盖面和深刻性有待提升；
第二，研究者虽然从技术、要素、环节层面提出了架构，但因内涵的分野，教育元宇宙仍未建立统一架构，不利于推广和实践，教育元宇宙架构的理论性和普适性有待加强；
第三，教育元宇宙已有应用侧重相关信息技术在深度沉浸、具身交互、时空跨越、虚实融生等方面对场景或个体的教育赋能，严格来讲，这是IT技术固有属性，教育元宇宙应用的独特性和优越性有待展示。教育元宇宙的内涵、架构及应用构成了教育元宇宙研究的三个基本问题，三者在逻辑层面层层递进。
以上问题是本研究的重点，其改善有利于推动元宇宙真正融入教育、促进教育科学体系变革。已有学者意识到教育元宇宙不是教育的应用场景或技术手段，是一种新的生态系统。[7]基于复杂性科学视角审视教育元宇宙将是不错尝试。
复杂性科学是研究复杂系统行为与性质的科学，有三个发展阶段：
第一，复杂性科学主要成就是一般系统论、控制论和AI，一般系统论的思维方式和科学方法论催生了复杂性科学；
第二，演化研究聚焦系统从无序到有序或不同有序的演变，研究方法是物理实验/模型、数学模型、计算机模拟，等；
第三，综合研究打破了以往的学科界限，主要研究演化，研究方法是基于计算机的数值模型、基于隐喻类比的概念模型。[11]这些研究的积累和酝酿形成了关于认识系统自身复杂性、探明系统演化机制和规律以及优化和调控复杂系统的知识体系的复杂性科学，[12]具体包括复杂系统表征及其演化的原理、机制、条件、过程及标度等。[13]1透过复杂性科学视野审视教育元宇宙即借鉴复杂性科学的知识体系重构教育元宇宙的内涵、架构及应用，从而发展更理性的模型、减少理论工作的重复、促进教育元宇宙在顶层理论和底层逻辑的统一。[14]215
欲界定教育元宇宙，首先可将其拆解为“教育”和“元宇宙”两个子概念，研究将基于复杂性科学视角逐一阐释“教育”“元宇宙”及“教育元宇宙”的内涵。
（一）教育的本质：教育复杂系统
“教育”一词应用极为广泛，但“教育究竟是什么？”却很难回答。《现代汉语词典》的解释是“按一定要求培养人的工作，主要指学校培养人的工作”，的解释是“教学、训练和学习的过程，尤指在学校、学院或大学中，以提高知识和发展技能”。可见，现有教育元宇宙中的“教育”是主要指向词源释义，但并未触及教育的本质。教育的本质，应该逻辑地具有统括教育现象的一切方面、一切环节、一切要素之总和的特性；
正确认识教育本质是理解教育理论中一系列概念、范畴、原理和规律的基础，把握教育的本质才能在从事教育活动中取得更大的自由。[15]基于不同的历史阶段、社会文化、个体认知等将得到不同的教育定义。认识教育的本质是一个复杂过程，如叶澜所言，教育可能是人世间复杂问题之最；
鉴于教育的复杂性，我们无须罗列其在历史沿革中的诸多权威界定，转而直接将教育视为一种人类社会所特有的更新性再生系统——教育复杂系统。[16]
承认教育的复杂性并将教育看作一个复杂系统，至少有四层意蕴：
第一，复杂性是教育的本然存在特性和基本存在样态，是教育的客观属性，[17]可高度概括已有或潜在的教育内涵演变特性；
第二，教育现象的一切方面、一切环节、一切要素均可内置于教育复杂系统，相比将教育限制于某个特定的先验定义具有更大的自由；
第三，透过复杂性或复杂系统视阈反观教育理论和教育实践，可促进教育相关概念、范畴、原理和规律等趋于真实和理性；
第四，运用复杂性科学的认识论和方法论可以拓展教育研究的思维和范式。因此，将“教育”视为一个复杂系统是本研究的切入点之一。
（二）元宇宙的本质：混合物理模型
既有元宇宙定义多通过叙事性描述呈现界定者想要突出的主题。为探寻元宇宙的本质，可从其演变历程中汲取灵感[9]：“三维虚拟世界”阶段典型案例是《动态世界》（）；
“在线虚拟世界”阶段代表案例是游戏《第二人生》（）、《罗布乐思》（Roblox）及《我的世界》（）；
“链上虚拟世界”阶段旨在形成基于区块链的数字新生态。[18]三类“虚拟世界”虽在复杂程度上悬殊，但参考复杂性科学的研究方法，三者均可看作“物理模型（physical model）”。物理模型通常指研究物理学问题时把握主要因素建立的概念模型，也指模拟物理对象的较小或更大的复制品，以再现客观事物的某些功能和性质。适当引申，物理模型可理解为按一定原则、规则将现实物理世界或对象以某种形式重构的模型，以复刻或超越现实世界或对象的功能和性质。例如：“三维虚拟世界”是将现实场景或人物基于几何相似在计算机中建立的数值模型，以突破物理世界中成本、时间或场所等限制。“在线虚拟世界”在几何相似基础上，用户通过“简单虚拟化身”可置身3D环境实时在线交流、创作和交易等。
“链上虚拟世界”则是非常复杂的物理模型，其复杂主要体现在：
第一，相似原则不再限于几何，还包括人际、经济、资产、制度、规则等在计算机中的建模和优化；
第二，“虚拟化身”不再是简单人物建模、用户单向指令操作，而是通过VR/AR/XR/XR等实现用户“复杂虚拟化身”与客观事物、他者的深度具身交互和综合感官沉浸；
第三，整个模型不再受限于计算机虚拟空间，还可以通过物联网和数字孪生等技术关联现实物理世界万物、基于平行世界变化在线实时迭代、渲染、更新虚拟世界。基于此，“链上虚拟世界”也是“混合模型（hybrid model）”，指几种不同模型组合而成的一种模型，也可指真实子结构与虚拟整体结构组合的模型[19]或固定效应和随机效应组成的模型[20]。显然，几何、人际、经济、资产、制度、资源等是不同维度和尺度的子模型，有限的现实世界可成为无限的虚拟世界的子结构，而子模型数量的增加、用户的深度参与、虚实空间的联结会大大加剧整体模型的随机效应。作为“链上虚拟世界”的最终演化样态，元宇宙包含了诸多子模型、客观与主观、虚拟与现实，综合了“物理模型”和“混合模型”的特性，本质上是一个“混合物理模型”。因此，将“元宇宙”视作一个“混合物理模型”是本研究的切入点之二。
（三）教育复杂系统的混合物理模型
将上述“教育”和“元宇宙”两个概念叠加，复杂性科学视角下的“教育元宇宙”便可直观界定为“教育复杂系统的混合物理模型”，虽字面简洁，但意蕴深刻。利用“教育复杂系统”表征狭义“教育”，在拓展和丰富教育内涵的同时，能够以简洁的形式包容教育理应涉及的一切特性，因此是教育元宇宙在认识论层面的升华；
通过“混合物理模型”表征“元宇宙”，“模型”是复杂性科学研究的主要手段，因此是教育元宇宙在方法论层面的落地。教育复杂系统是混合物理模型建立的基础，而混合物理模型是教育复杂系统研究的手段，由此可以克服以往教育复杂性和教育元宇宙研究的遗憾。
一方面，国内外已有大量复杂性科学用于教育领域的文献，但这些成果多利用复杂性科学的概念、特征、原理定性探讨和阐释复杂教育现象，反思既有教育思想和理论，面向“复杂性科学”视角中的“复杂性”；
然而定量是教育趋向科学的重要指标，因任何一个教育事实都不可避免地与价值追求和选择相关，[14]200传统方法难以定量认识教育的复杂性和教育的发展规律，而“混合物理模型”则有望实现该目的，弥补“复杂性科学”视角中的“科学”，从而兼顾教育的人文属性和科学属性。
另一方面，关于各类信息技术对教育的赋能已有丰富文献，教育元宇宙研究主要将其看作封装这些成果的容器；
然而，这些研究很大程度上忽视了“教育”的复杂性并对“元宇宙”进行了降维，而“教育复杂系统”蕴含了“教育”的复杂性、赋予了“元宇宙”教育的人文关怀，“混合物理模型”体现了“元宇宙”的多维性、预示了元宇宙“教育”的实践途径。
综上，将“教育元宇宙”重新概念化为“教育复杂系统的混合物理模型”，加深了其内涵、拓展了其外延，覆盖面和深刻性得到有效提升。
基于教育元宇宙的重构内涵，教育元宇宙的架构主要包括教育复杂系统框架和混合物理模型框架两大板块（如图1所示）。
（一）教育复杂系统框架
教育作为一个复杂系统，难以直接作为研究对象，往往需在把握系统本质的基础上进行合理的简化。复杂系统框架可以恰当地描述和解释非线性和因果关联的教育复杂系统中的行为。[21]复杂系统框架的核心是复杂系统的概念模型，即通过理论层面的逻辑推演对现实世界复杂系统本质的一种形式化、抽象化描述。概念模型作为现实教育复杂系统的第一层抽象（概念化），是后续建立其数值模型的基础和依据，主要涉及教育复杂系统的结构、功能及机制。
教育系统结构和功能的剖析可采用层次化原理，从宏观、中观、微观不同层次展开研究并认识三个层面教育活动的异同、关系和转化。[14]198从“时空”来看，系统本身所处层次为中观，如学生和教师是教育系统的主体，教学和学习便是典型的教育中观系统；
系统中观层次之上为宏观教育系统，多为系统的环境或演化背景，如“核心素养”“双减”“双一流”等教育政策背景；
系统中观层次之下为微观教育系统，体现为学习者和教师的具体行为，如“深度学习”“思维发展”“教师观念”等。在此意义上，现有教育元宇宙侧重对教育中观系统的描述，但教育元宇宙也可延及其他教育子系统。
随着系统逐级完善，系统层次的划分往往对应着“分工”的必要，让系统功能得到分化，包括对系统结构与行为进行调整而形成的“核心层”（如学习子系统）、对系统提供动力的“动力层”（如教学子系统）、支持系统结构的“骨架层”（课堂子系统）等，这些子功能的非线性叠加便是教育系统的宏观育人功能。层次增加会使系统结构日趋复杂，但又会使系统在功能上得到简化，[13]262如教育子系统出现让教育系统层次增加，但也使得教育研究更加简化、提升效率、趋向优化。
上述教育子系统可细化为亚子系统或更小子系统，同样按“时空”或“分工”更加针对性、具体地设计相关的层次和要素，实现教育系统的结构和功能的进一步细化。需指出的是，人为的教育系统的结构和功能联系密切，一般地，教育系统的子结构往往对应着教育系统的子功能，且大多时候是根据功能设计其结构。[14]200
在确定教育系统的结构和功能后，还需知晓结构和功能如何演化（机制），系统演化的机制可从条件和作用两方面得以审视。任何复杂系统都存在边界，表现为系统和环境的依存关系对其动态行为的影响，系统开放是复杂系统演化的边界条件。而教育系统显然均满足该条件，杜威曾言，教育即生活，教育与生活、课堂与社会没有严格的界定，两者不断进行着信息的交换。满足边界条件后，远离平衡才能推动系统演化，让系统可能进入更高的组织结构形式，这是复杂系统演化的必要条件。例如，在教学过程中需不断设置阶梯型和螺旋性问题情境使学习者的认知处于非平衡状态，继而才可能诱发深层动机、持续建构知识的意义；
若已处于认知平衡状态，无论是置于传统课堂情境还是元宇宙情境，对比所得结论将不具备严格的教育意义，无法凸显教育元宇宙的效用。边界条件和必要条件引发系统向前演化，但演化可能导致混乱，复杂系统演化的充分条件的意义在于确保系统演化并产生有序结果、进入更高阶形式的必然性和绝对性，[13]144个体的主观意志通常是教育系统朝积极、正面方向演进的充分条件。[22]
明晰系统演化的条件后，还要厘清其间的作用方式和原理，主要包括非线性相干、临界与分岔、反馈与自稳定、涌现、选择与评价等五种作用。[13]170-204对教育系统，边界、必要和充分三大条件是系统演化的起点，系统演化过程中则充斥着各种作用，这要结合具体教育系统进行理性和细致的分析。
需注意的是，教育不存在纯粹的客观事实，教育复杂系统的结构、功能及机制均蕴含着一定程度的主观。因此，基于复杂教育现象在大脑中逻辑推演所得的教育系统概念模型也因人而异，这恰是教育研究充满活力的主因，但概念模型的合理性仍需论证和完善，以此趋于理性和统一。
（二）混合物理模型框架
对于自然复杂系统，结构、功能、机制都是相对客观的，不需要通过大脑逻辑推演建立概念模型，而是通过科学手段直接探明其结构、功能、机制，随后依托高性能计算机建立“物理模型”，从而代替原系统完成功能。[12]但人为的教育系统是设计者按自身意愿、为实现教育意向而构建起来的系统，其结构是按照教育功能的要求设计的，并在实践中接受检验、修正，从而与功能匹配、实现优化。[14]198而混合物理模型框架则是论证教育系统概念模型的手段，指向数值模型的建立，是教育复杂系统的第二层抽象（数字化），其建立依赖教育复杂系统框架中的概念模型，主要包括主观、客观及现实三个部分。
混合物理模型框架的主观部分指计算机无法完全数值离散的用户（即教育复杂系统概念模型中的主体），涉及两个方面：其一是化身的建模，借助电子游戏或动漫制作技术可制定满足用户需求的虚拟角色化身，也可以是基于本人三维扫描的虚拟自我化身，从性质上与“三维虚拟世界”和“在线虚拟世界”阶段的化身一致；
其二是化身的行为，用户的主观意志在“虚拟世界”前两个阶段很大程度上取决于操作指令，但元宇宙时代不限于指令，还可以通过VR/AR/XR/XR实现多维感官体验和操作。混合物理模型框架的客观部分是完全通过计算机三维建模和渲染的内容（即教育复杂系统概念模型中的客体），同样涉及两个方面：其一是基于相似原理对原事物的复刻或原事件的再现，如教学情境、学习场景、学习内容等，这些在近年教育信息化进程中已基本实现2D可视化，3D可视化仍待完善；
其二是人际、经济、资产、制度、规则等非直观可视化部分的建模，而这恰是当前元宇宙建模的重点和难点，需结合区块链、数字孪生、人工智能等硬核技术攻克。混合物理模型框架的现实部分是与虚拟相对的真实教育系统，物联网技术和数字孪生技术可以实现对现实物理世界的感知并及时在线实时迭代和更新映射。
根据图1可厘清主观、客观及现实三个部分的联系：现实世界与虚拟世界因物联网技术、数字孪生技术而实现时空跨越和虚实融合，用户利用交互技术及5G/6G借助虚化角色化身或虚拟自我化身的身份进入虚拟空间、现实空间或虚实融合空间以多维感官具身交互和深度沉浸，如VR可以感受无穷无尽的虚拟场景和事物，AR将虚拟元素投射到现实物理世界以增强现实，MR确保了虚拟世界的灵活性和真实世界的丰富性，XR让用户置身一个现实与虚拟场景结合、人机交互的环境。
图1 复杂性科学视角下的教育元宇宙架构
（三）教育元宇宙架构的建立
将教育复杂系统框架与混合物理模型框架拼接便构成教育元宇宙的基本架构，下面给出教育元宇宙架构建立的一般步骤：
第一，从教育现象出发，依据目标和需求选取适切的教育系统，这种系统最初表现为一个普通概念（如深度学习）。
第二，通过某教育系统的功能设计系统结构的层次和要素，结合教育实践理性推演其机制，结构、功能及机制的确立便可将对应的普通概念延伸为一个概念模型（例如，广义深度学习[22]），此时，教育复杂系统框架的核心得以形成。
第三，基于教育系统概念模型完成主观部分的建模，如参与学生、教师及其他人员的数量，明确虚化化身的类型及拟采用的接入设备，厘清时间和空间上的跨度，做好相关技术使用上的培训和训练。
第四，基于教育系统概念模型完成客观部分建模，主要包括教学情境和课程内容，如人文学科中的文本意境、社交场景、历史事件、地理环境等，自然学科中的立体几何、电磁现象、简谐振动、化学反应、细胞构造等，课外活动的场馆、设施、场景等。
第五，借助前文所述的教育元宇宙相关技术实现（AI、VR、5G、数字孪生、区块链、物联网等）主观、客观及现实三部分的融会贯通，形成能够反映现实教育复杂系统功能并因技术的赋能而超越现实功能的（混合）数值模型，并调试硬件设备和软件系统，确保混合物理模型正常运行。
第六，基于复杂系统框架（概念模型）初步构建的混合物理模型（数值模型）往往会与现实教育系统存在一定的差异，因此需要通过大量的历史记录和实验数据对“概念模型”或“数值模型”进行检验、修正、优化和完善，直至满足分析需求。
历经上述步骤的反复，便可以得到合理教育复杂系统（概念模型）的一个较准确的混合物理模型（数值模型），由此建立教育元宇宙的基本架构，依托该架构可以像自然系统“物理模型”那样定量探究教育系统的复杂演化。该方法将教育系统的主观部分（人）剥离，从而将精力集中于客观部分建模（如教学场景、课程资源等）。现有教育元宇宙研究所提的模型架构、[4]应用场景、[5, 6]案例分析[7]实际上均是“教育元宇宙”的特例。
教育元宇宙拥有与原系统接近的结构和功能，但可以根据需求呈现更为丰富的情境和资源，实现对原有教育复杂系统的再现和改进。在教育元宇宙的架构内，混合物理模型的演化行为可看作一个主体、主体适应、主体交互以及虚拟环境在时间轴上的演绎计算，在每个时间点，主体均通过计算进行感知、评价、选择和执行，此过程改变主体、他者及环境的状态，推进系统进入下一个时间点，实现局部结构改变，沿着时间箭头不断循环，最终引发教育元宇宙的宏观功能演化。
综上所述，教育复杂系统框架以概念模型为核心，主要涵盖结构、功能及机制，功能维度的需求决定结构维度的建模；
而混合物理模型框架以数值模型为指向，结构维度的演绎计算引发功能维度的演化。显然，考虑的层次和要素越多，概念模型和数值模型更接近原系统，结构和功能更精细，但也意味着系统复杂、非线性增加、计算效率降低，减少层次和要素虽易于分析、耦合程度降低，但很可能缺失重要信息，因此需结合现实教育复杂系统的需求和计算机设备的算力选取最佳性能点。
引入复杂性科学在“综合研究”阶段的概念模型和数值模型建立教育元宇宙的基本架构，一方面可以很好地继承教育复杂系统相关的研究成果，另一方面能够兼容教育元宇宙研究已有框架，承载元宇宙相关的各类IT技术，因此，教育元宇宙架构具有较好的理论性和普适性。
教育元宇宙并非是教育的“理想国”或数字“乌托邦”，[23]教育元宇宙应用需面向当下教育领域关切的实然问题。叶澜在21世纪初提到，发展中国社会主义特色的教育体系和教育理论，复杂思维方式是必要。[16]这个观点在21世纪首个10年里国内掀起了教育复杂性研究的热潮，从定性层面阐释复杂教育现象、反思教育思想理论，但随后传统手段难以继续推进该研究。但是，元宇宙可将教育复杂性研究拓展至定量维度。参考复杂性科学的核心任务和根本目的[12]，教育元宇宙的深层价值可用于探明教育系统演化的规律、发展优化和调控系统的方法以及建立可解释的教育评价体系。
（一）探明教育复杂系统演化的规律
对于复杂系统而言，演化的规律是客观存在的，是系统演化机制的外在体现。目前，研究系统演化规律主要有三种手段：
第一是基于观测数据，其基本思路是通过大量实测数据和现象记录的积累归纳，得到唯象“理论”，如孔子的“学而时习之”、苏格拉底的“助产术”，但难以触及系统演化本质。第二是基于实验模型，其基本思路是通过控制变量逐次厘清影响因素，建立数学模型或半理论半经验模型，如西方现代实验取向的教育理论及当下量化研究，但教育理论无法到具体系统，量化研究多为简化情境、有限样本。第三是基于“物理模型”，其基本思路是厘清原系统结构，利用计算机建立数值模型代替完成原系统功能，已在自然科学领域广泛应用。
元宇宙使得教育系统也可采用方法三揭示系统演化规律，只不过是“混合物理模型”，其基本步骤为：
第一，参照教育经典理论和最新理论成果把握教育系统的本质，确保模型功能的权威性；
第二，根据系统功能需求呈现教学情境、学习场域、课程资源、成员数量等，尽可能再现完整和真实的教育系统，确保模型结构的合理性；
第三，利用历史记录或实验数据修改和校对，确保模型构成的准确性；
第四，利用计算机记录系统演化数据、自动分析和报告智能生成，确保模型分析的高效性。通过教育元宇宙，能够较为全面、系统的揭示教育复杂系统演化规律。
此外，教育复杂系统演化规律也是剖析演化机制的重要手段，可以论证和优化通过逻辑推演所得教育复杂系统演化的预设机制。
（二）发展优化和调控教育系统的方法
马克思主义哲学认为，“认识世界的目的在于改造世界”[24]。“四方上下谓之宇，古往今来谓之宙”，教育元宇宙自成一界，因此认识教育系统发展规律的目的在于优化和调控系统以更好地趋达教育目标。事实上，教育领域一直在对相关教育系统进行优化和调节，如“双减政策”“双一流高校建设”[25]等指向宏观系统，项目化学习、线上教学等指向中观系统，“五育融合”“深度学习”等指向微观系统。但这些优化和调控方法以定性和线性量化为主，是否可行、成效如何、能否更优等仍是亟待明晰、细化和解决的问题，而元宇宙则是成为解决上述问题的有效途径。这是因为，教育元宇宙的建立一方面可以预测教育系统的演化规律，在此基础上，关于优化和调控该系统的方法可以直接在“混合物理模型（数值模型）”中实施，以提升优化和调控教育系统的准确性、便捷性和高效性。例如，在混合物理模型中，可以不断变化教育系统的尺度、维度，增加测试样本的数量，空间的大规模跨越、时间压缩和拉伸能够大幅降低验证的经济和时间成本；
AI、深度神经网络等机器学习方法能够提升数据分析和处理的智能化，为论证这些方法和策略的可行性、有效性及普适性提供高效工具。
（三）建立可解释的教育评价体系
对复杂系统演化进程的标度是复杂性科学研究的重要内容，与此同时，教育评价也是教育研究中的重要组成。以往的教育评价多是结果性评价（如考试分数），少数过程性评价也是定性的，这使得仅知晓教育评价结果，过程如同是一个“黑箱”。这与当前人工智能的各种机器算法一样，仅仅知道输入和输出，却不知晓其间的过程。为解决机器学习的“黑箱”问题，一类可解释机器学习（SHAP）方法被提出，通过计算每一个特征加入到模型时的贡献对模型解释，由此实现了“黑箱”的可解释性。[26]
类比之，基于混合物理模型可以建立可解释的教育评价体系。这是因为，混合物理模型（数值模型）是对教育复杂系统（概念模型）的混合建模，该模型具有与实际教育系统相近的要素，在计算机中表现为一系列的特征量。此时，可以将相关教育评价理论内嵌于计算机模型中，以描述教师、学生在教育活动中的各项指标，实现全周期数据、指标与用户行为的映射，从而为优化教育系统提供动态、精准、立体的发展性评价。基于发展性评价，才能围绕教育复杂系统框架中的各项要素进行针对性的调整和优化，根据学习者不同的知识水平、发展需求等制定适切的课程内容、教学策略等，促进学习者的自主学习和个性化发展。
上述应用元宇宙中任一IT技术单独难以实现，而是各种信息技术在元宇宙中集成后所涌现的新质（未曾有过的结构或子系统都不具备的功能），[13]192由此体现了教育元宇宙应用的独特性和优越性。
“科学的进步与发展在某种程度上体现为一些关键性的科学概念与范畴的提出。”[27]现有研究已细致探讨了VR、AI、5G、云、物联网、数字孪生、区块链等技术在元宇宙中的角色并示例若干教育应用场景，为理解教育元宇宙提供了丰富参考。然而，在深入论述技术赋能教育的同时，只有在元宇宙理论层面提出创新性、超前性的科学概念和范畴才能有望实质性地推动教育理论和实践体系的真正变革。为此，文章引入复杂性科学，将教育元宇宙的内涵延伸为“教育复杂系统的混合物理模型”；
基于该内涵，融合教育复杂系统框架和混合物理模型框架搭建了教育元宇宙的架构；
在该架构下，探明教育系统演化的规律、发展优化和调控教育系统的方法及建立可解释的教育评价体系成为教育元宇宙涌现的深层应用。“混合物理模型”并非新鲜事物，但引入教育研究仍是一次新的尝试，成为理解教育元宇宙的另一种思维范式，以期为今后教育元宇宙研究提供新视野。
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Education Metaverse: A Hybrid Physical Model of Educational Complex System
DUAN Mao-jun, ZHENG Hong-ying
( School of Educational Science, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, China )
The metaverse, an integration of frontier ideology and information technology, can provide support for the reform of the educational science system. This research reviewed the literature on metaverse to explore the educational metaverse from the perspective of complexity science. It showed that the educational metaverse can be understood as a hybrid physical model of educational complex system that represents education encompassing all the characteristics involved, which is the sublimation at the epistemological level to depict the metaverse through the hybrid physical model to grasp the essence of the virtual world on the chain, the landing at the methodological level. It indicated that the framework of educational metaverse mainly includes the frame of educational complex system and the frame of hybrid physical model, the former of which involves the structure, function and mechanism of the complex system with its function to determine the design of the structure, and the conceptual model at the theoretical level to be formed through logical deduction, while the latter covering the subjective, objective and realistic elements. It also suggested that the metaverse, supported by information technology, can be integrated into a numerical model at the practical level with its structural calculation resulting in functional evolution. In addition to the educational empowerment of the educational metaverse in terms of deep immersion, embodied interaction, time and space leap, and real and virtual integration, its deep application lies in exploring the evolutionary law of educational complex system, developing the methods of optimizing and regulating educational system, and establishing an explicable educational evaluation system.
educational metaverse; complexity science; educational complex system; hybrid physical model
G434
A
1008-0627（2023）01-0059-10
教育部人文社会科学研究规划基金西部和边疆地区项目“思维可视化视角下高中英语教学模式研究”（17XJA8800009）
段茂君（1995-），女，四川自贡人，博士研究生，研究方向：复杂性科学与教育信息化。E-mail：duan_mjun@163.com
（责任编辑 赵 蔚）
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