虚实无界：空间计算技术及其教育应用前瞻-兼论空间重塑下的未来教育新模式

/虚实无界：空间计算技术及其教育应用前瞻——兼论空间重塑下的未来教育新模式【摘要】作为教育技术革新的前沿，空间计算技术正以其独特的三维交互特性，推动教育领域向沉浸式场景化体验转型。该技术通过整合三维重构、空间感知、用户感知、空间数据管理以及5G/云网等关键要素，为教育提供了一种全新的交互模式，极大地丰富了学习者的空间体验。空间计算技术在教育应用中的潜力与挑战，聚焦于如何通过提供直观的显示方式、实现虚拟与现实的融合，达到虚实无界以及创建深层次的连接，来增强学习效率和认知发展。其在教育中的优势包括促进知识的深度理解、加强学习者的空间思维能力，以及通过沉浸化学习提升学习动机等。基于空间计算技术构建的未来教育生态圈，体现以“人”为中心、“技”术加成和“场”域构建，通过“人”“技”“场”虚实交融，构建空间重塑下的未来教育新模式。【关键词】空间计算技术；沉浸式体验；教育模式创新；三维交互；个性化学习

一、引言 在信息技术的持续演进中，我们正经历着从移动计算向空间计算时代的跨越，其中VisionPro的问世标志着这一变革的实质性进展。空间计算技术(以下简称空间计算)以其创新的交互模式，预示着教育领域将迎来一场革命。正如奥布林格(Obringer)所言，空间的多维性“无论是物理存在、虚拟体验还是心理感知”都将对学习过程产生深刻的影响。 空间计算的核心优势在于其三维交互的自然化处理，这使得人机交互能够回归于更符合人类本能的三维空间中。这种回归不仅契合了元宇宙的多维思维方式，还为学习者提供了更直观、更沉浸的学习体验。在三维空间中，知识的呈现和探索变得更加动态和立体，极大地提升了信息的可理解性和记忆的持久性。 此外，空间计算通过整合多种感官输入——如手势、语音和视觉——实现了人与人、人与机器之间更为自然和直观的交流。这种交互方式的革新，为教育提供了更为丰富和灵活的教学工具，有助于激发学习者的兴趣和参与度。空间计算打破了物理世界与数字世界之间的界限，使得虚拟信息能够无缝地融入现实环境，为教育应用提供了更为广阔的场景。这不仅为有特殊教育需求的学习者提供了定制化的学习方案，也为智能教育和协作学习提供了新的可能。 虽然空间计算在教育领域具有显著的潜力，但其应用仍处于初期阶段，面临着诸多挑战，如技术成本、操作复杂性、信息安全以及隐私保护等问题，仍需要教育研究者、技术开发者和政策制定者共同努力，以确保技术的合理应用以及学习者的最大利益。 二、空间计算的发展与实现技术 (一)空间计算的发展 1.计算技术的发展 19世纪，英国科学家巴贝奇(CharlesBabbage)发明了解析机，人类由此进入了机械计算时代。20世纪初，美国发明家德福雷斯特(DeForestLee)发明了电子管，标志着电子工业革命的开端。此后，随着新型电子元件的不断迭代，计算机技术在短短半个世纪内历经四代变革发展。进入21世纪，随着基于并行处理和人工智能的第五代计算机系统的兴起，更加高效计算方式不断涌现，如移动计算、云计算、量子计算等。 空间计算的发展可追溯至20世纪末人类对虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的初步探索。随着技术进步，这些概念逐渐从科幻变为现实，深刻改变了我们与数字世界交互方式。其发展历程可以分为五个阶段，如图1所示。随着元宇宙概念的提出以及苹果VisionProAR眼镜的问世，空间计算再次走进人们视野(郭全中，等，2023)。 图1空间计算时间发展历程 2.空间计算概念 空间计算一词最初由西蒙·格林沃尔德(Greenwold，2003)提出，“空间计算是指人类在空间环境中理解物理世界并与之交互，并由机器保留并操纵真实物体和真实空间参照物。可以说，空间计算使机器在我们的工作和娱乐中成为更充分的合作伙伴。” 学者穆罕默德(Mohamed，2023)认为空间计算是一个广泛的概念，包括增强现实(AR)和虚拟现实(VR)，但又超越了它们。空间计算结合了现实世界和虚拟世界，允许用户在其物理环境中感知数字内容并与之交互。它涉及计算机视觉、传感器、跟踪系统和空间映射等多种技术，以实现数字和物理元素的无缝集成。2023年，库克(TimothyDonaldCook)在Apple全球开发者大会上提出，空间计算是元宇宙的基础技术之一，借助扩展现实(XR)、3D、计算机图形学、机器视觉、物联网、传感、体感、生成式人工智能等前沿技术，实现虚拟与现实的深度融合。用户可以利用头戴式显示器、眼镜等可穿戴设备以及全新空间操作系统，与数字内容、空间环境进行互动，以数字分身实现身临其境，以沉浸投入达成身心在场(詹新惠，2023)。国内对于空间计算的研究起步较晚，詹新惠(2023)指出，空间计算可以简单理解为“人类与机器的交互”，但这种交互不再是互联网早期的二维空间线性交互，而是基于算法的三维空间、3D全息式交互。 可见，空间计算是一种不断发展的、以3D为核心的计算方式，其关键在于结合人工智能、计算机视觉和扩展现实技术，将真实体验与虚拟三维世界融合，秉承以人为本的理念，实现虚拟世界与现实世界的连接和融合。虚实交融的空间计算，不仅正在重塑人与数字化世界的关联，更在重新定义工作模式、学习方式和娱乐方式，引领人们进入一个充满创新和机遇的新纪元。 (二)空间计算的特性 1.联通虚拟与现实的边界 空间计算的核心特性之一在于能够实现物理空间和虚拟空间无缝融合，利用VR/AR/XR、语音与手势识别、空间映射、数字孪生等技术，模拟真实环境的光与声场，让两个世界可以相互感知和理解，达成融合的数智化、全息化、无屏化的“新视界”(詹新惠，2023)。基于智能设备载体，空间计算能让用户获得全新的跨越智能空间和现实空间的体验。例如，这种技术能让用户在有限的物理设备上体验到无限的虚拟空间，模糊物理世界与现实世界的边界，提供更加沉浸和丰富的体验。虚实交融将构成未来人类生存和发展的新方式(周甄武，2006)。 2.打造多模交互的超现实体验 空间计算促使用户将三维空间作为交互界面，激活隐藏在其潜意识深处的习惯，身临其境地与数字内容和空间环境进行交互，对虚拟空间的数字可供性进行主观诠释(周逵，2022)。通过空间计算，用户能够以更符合直觉的方式与数字世界进行交互，这种直观的显示方式使用户能够更清晰地理解信息。自然多模交互方式包括手势识别与追踪，用户可通过挥手、指点或捏合手指等手势来与虚拟环境互动。这些自然交互方式丰富了用户体验，使用户能够更轻松地与计算系统进行沟通，充分调动全身感官，增强了交互的自然性和便捷性(张艳丽，等，2020)。 3.创建更深层次的连接 空间计算结合了独特的交互方式和三维空间特性，不仅表现在用户与技术之间的交互上，也延伸到用户之间的交流和合作中。通过搭建场景，将用户思维转化为场景思维。场景思维要求平台能够深度感知用户状态，洞察用户，而需求的多维、多元定位有赖于终端技术设备的支持(喻国明，等，2022)。平台基于用户可穿戴设备等对数据全方位分析解读，能够在场景中更加了解用户，更精准智能地定位用户需求。在空间计算下构建的场景涵盖了基于互联网的虚拟场景与基于物联网的现实场景，这意味着人们的行为和环境信息会被实时收集、分析和利用，以优化用户体验和个性化服务，从而创建更深层次的连接。 (三)空间计算的实现路径 空间计算作为信息技术的前沿领域，其实现路径涉及多项核心技术。本研究采用“输入-计算-输出”的计算机核心分析框架，旨在探讨空间计算的具体实现路径及其核心要素，以期为未来的技术发展和教育应用提供理论和实践指导。空间计算的实现主要经过数据采集、处理、交互、显示四个步骤，具体阐述如图2所示。 图2空间计算的实现路径 1.空间数据采集 空间计算的第一个阶段是“输入”，涉及空间数据采集。这一过程的实现需要通过传感器获取空间数据，并对数据进行清洗、转换和预处理，以保证数据质量和可用性。主要硬件设备包括多种类型的传感器，如接触式与非接触式传感器。真实环境的三维重建主要通过传感器获得环境信息，然后通过信息处理实现三维重建(天风证券，2023)。通过这些传感器获取的数据，经过处理和算法，即可生成准确的三维模型。三维重构将真实世界中的物体或场景转换为数字化三维模型，为数字化世界提供了基础数据。这使得现实世界中的物体和环境能够在计算机中进行模拟、分析和可视化。 2.空间数据处理 实现空间计算的第二个阶段是“计算”，涉及空间数据的处理。这一过程的实现需要依靠强大的芯片硬件，同时还需要通讯云网为空间计算提供高速的网络与庞大的存储支持，并在此基础上进行空间数据处理。空间数据处理是实现空间计算的核心要素，其中空间数据管理与空间感知技术的相互协作至关重要。 3.空间数据交互与显示 空间计算的第三个阶段是“输出”，涉及空间数据的交互与显示。空间计算的关键要素在于理解用户的环境信息和意图(天风证券，2023)，其中，理解用户环境信息则是通过上述空间数据分析完成的，而理解用户意图涉及空间数据交互，需采用用户感知技术。首先，用户感知技术通过追踪用户的视线、手势、身体语言等行为，实现与计算系统的自然交互，从而提高了用户体验的质量和效率。其次，用户感知技术实现了个性化用户服务和智能决策，通过感知用户的行为偏好，来理解用户需求和意图，从而为用户提供个性化、智能化的服务。最后，在空间数据显示方面，借助显示器、光学器件与服务终端的硬件加持，用户感知技术可为用户提供与虚拟环境交互的平台，增强用户对空间数据的感知和理解。 三、空间计算教育价值探析 空间计算将物理与数字世界融合，能有效改变教育方式，并从智能可视化、感知无界化、交互多样化、认知多元化的角度赋能教育，彰显其价值。探索空间计算在教育中的潜力，有助于挖掘空间计算对未来教育发展的重要意义。 (一)提供智能可视化教育系统 空间计算能够通过连接虚拟与现实世界为教育带来全新体验，使抽象概念变得直观可见，进而提高学习效率和理解深度。未来教育需要建立在智能技术泛在化的基础之上，创造出具有主动智能特征的新型教育环境(余胜泉，2023)。在教育教学过程中，运用空间计算可重构三维教学空间，例如，在虚拟空间模拟真实教学场景以及在现实世界叠加数字教学内容。利用空间计算可将抽象数字概念可视化地实时覆盖现实世界，生动阐释艰深晦涩的专业概念。例如在解剖教学中，学生通过3D形式可视化探索人体结构，能够从改进学习系统中的交互方式，以全息多维视角，观察和理解人体器官的复杂关系。在新型智慧教育环境中，教育工作者可借助大数据、学习分析、神经语言处理等技术实现可视化的智能评价。通过对学习者的学习行为进行多模态化采集、分析，实现个性化智能学习支持、动态学习服务，以改进交互方式，优化教育过程。 (二)重塑感知无界化学习空间 传统学校作为实体空间存在，有固定的场地、教学制度、教学材料等，然而，工业革命以来形成的流程化、封闭化和僵化的教育模式使传统学校教育形态饱受诟病(孙元涛，2022)。为推进未来教育体系发展，构建未来学校，我们需要对空间进行重构，以充分利用技术赋能教育教学，来真正满足人的个性化发展需求。未来的教育将助力于打破现有的教与学，追求无边界学习理念，实现学校、家庭、社会多种空间的有效联结。学习空间不再是孤立的，而是呈现线上与线下多维融合的状态。这种空间重塑消解了物理空间与虚拟空间、正式与非正式学习之间的界限。而感知空间研究强调不同认知主体对同一客观认知空间认识的多样化(孙中伟，等，2014)。学生进入虚实元界的新型教育环境中，能够获得沉浸且丰富的学习体验，并形成丰富多彩的学习体验。空间计算能够搭建虚拟空间以及展示实体难以呈现的内容，如微观粒子、生命系统等，同时提供虚拟的学习资源与外界客体进行交互(孙志伟，等，2019)。这种无界化的学习不仅拓展了学习空间的物理边界，也拓宽了学生的认知视野。虚实无界让学生能够在更广阔的知识领域中自由探索和学习。 (三)创造交互多样化学习体验 空间计算利用可视化呈现效果和多模交互体验形式，使学生能够积极参与学习过程，成为学习的主导者。将被动学习体验转变为交互式旅程。在传统教学模式中，学生通常被动接受知识，参与感和沉浸感不足。由于手势识别技术、3D交互技术、语音和声音交互技术、触觉反馈技术、眼动跟踪技术、笔式交互和生理计算技术的广泛应用(黄进，等，2016)，学生能够利用不同交互通道与交互设备的优势增强交互体验，结合听、讲、实操等多方面，增强学习的互动性和沉浸感。例如，通过眼动追踪技术，系统可以识别学生的视线方向，进行相应的内容调整和交互反馈；通过体感设备，学生可以通过身体动作与虚拟环境互动，在虚拟空间中行走、跳跃或做其他动作；通过手势识别技术，学生可以用手势与虚拟对象互动，操作虚拟设备或进行虚拟实验。此外，VR平台可以分析并适应个体的不同学习风格，为用户提供个性化体验与沉浸式学习环境。这种自适应学习方法确保学习者在最需要的时候可获得有针对性地指导和支持，并最大化学习成果。 (四)拓展认知多元化空间思维 平面计算向空间计算过渡、升维，是更契合元宇宙发展的一种思维方式。以三维信息作为载体给人们带来更接近真实的体验，一定程度上避免了直接、间接知识传播过程中的曲解与遗失。空间思维是指理解、处理和操作三维空间中物体及其相互关系的能力。它包括在大脑中构建和操作物体的形态、位置、方向和运动，并从不同的视角进行想象和推理的能力。空间思维涵盖了从简单的几何理解到复杂的空间推理，是解决实际问题和进行创造性设计的基础。例如，学生读中国山脉分布图想象并概括出山脉分布的网格状格局，需要在脑海中构建出山脉的空间关系和空间格局，而空间计算则可以通过三维方式构建山脉模型，从而培养学生从景观图中提取和分析问题的能力(袁孝亭，2009)。在数学教学中，空间计算通过模拟复杂的几何图形和函数图像，使学生能够在三维空间中直观地理解数学概念和原理。这种直观的三维可视化不仅提高了学生对数学知识的理解和记忆，也培养了学生的空间想象能力和创新思维能力。 (五)空间计算赋能教育数字化转型与教育公平 当今时代的技术驱动，不仅推动着数字化变革，也使得数据化、数智化发展成为社会的总趋势(高盛楠，等，2021)。在此背景下，空间计算在教育中的运用极大地推动了教育教学的数据化、智能化。它能够在教育过程中实现数据的收集、分析与运用，以提高教学效果、优化教育资源分配、实现个性化学习。从学生角度而言，空间计算通过三维场景、数据模拟、虚拟实验等方式让学生对抽象的数字有了更加立体与直观的感受。对教师而言，空间计算提供了强大的可视化和交互式学习教具，为教师提供了数字化教学手段。同时，空间计算能一定程度上弥补传统教育资源分配的不均，提供平等的学习机会，提升教育质量和效果。对学生而言，空间计算提供了开放式学习环境，不同年级、学历、学科的学生都可以进入访问并学习，提升学习的开放性和自由度，为学生打造公平无差别的学习环境。对教师而言，空间计算提供的资源开放也有助于教师与学生、教师与教师之间的相互学习，在师生平等交流的同时提升教师的平均水平，减轻由于教师水平差异而产生的教育不公平现象。 四、空间计算教育应用实践框架 (一)空间计算在教育应用的理论基础 空间计算在教育领域的应用并非孤立的技术革新，而是建立在一系列教育学习理论基础之上的。这些理论为空间计算的教育应用提供了理论支持和指导，帮助我们更好地理解和设计空间计算教学活动。以下是空间计算在教育应用中的四个重要理论基础。 1.情景学习理论 情景学习理论(Situatedlearning)是一种能提供有意义学习并促进知识向真实生活情景转化的重要学习理论。该理论认为学习是在某种特定情境中发生的，学习的实质是个体参与实践，继而与他人在情境中相互协助、解决问题的过程(周竺，等，2020)。情景学习的关键在于学习者对情景的整体认知，心理学认为情景对人有直接的刺激作用，良好的情景必然有利于个体的学习(殷玉新，2014)。 空间计算可搭建虚拟、仿真的学习环境，为学生提供了丰富的情景学习体验。在虚拟学习环境中，学生具身参与到模拟实践活动中，如模拟实验、模拟手术、再现历史事件等。学生在情景中学习和体验能够更好地理解与掌握知识，培养解决问题的能力。 2.沉浸理论 沉浸理论是描述人们在进行某种活动时注意力高度集中，完全投入到特定情境中，过滤掉所有不相关信息的一种状态。沉浸理论特别强调学生的主体体验，在沉浸状态下，沉浸感成为学习的引擎或发动机，使学习者处于极度亢奋的状态，“屏蔽”了一切与学习无关的感知，而高度聚焦于学习目标(陶侃，2009)。有效应用沉浸理论，对于提高教学效果以及提升学生发展大有裨益，它能更有效地使课程内容转化为学生的认知结构、个性品质、社会行为等。 而空间计算的发展，提供了高度互动和沉浸式的虚实学习环境。学生的五感在虚拟环境中被充分调动，极大地提高了学生的学习效果。因此将沉浸理论应用于教学实践可以使学生充分发挥认知的主观能动性，达到最佳的教学效果。 3.多模态学习理论 多模态主要包括视觉模态、听觉模态、触觉模态、嗅觉模态和味觉模态，分别对应人的五种感知通道(俞秀红，2021)。多模态学习理论则强调了学习的多元性，认为学习者可以通过不同的感官和表达方式来构建知识架构。借助空间计算，可以满足学生多模态的学习需求。某些学生可能更喜欢通过视觉材料学习，而另一些学生可能更喜欢通过动手操作或听觉输入来学习。空间计算可以根据学生的偏好提供定制化的学习路径，使每个学生都能以最适合自己的方式学习。 4.建构主义学习理论 建构主义学习理论强调以学生为中心的教学方式，突出学生在学习过程中的主动性和参与性(胡云波，等，2023)。该理论认为，知识并非被动接受，而是个人基于自身经验主观建构的结果。空间计算构建沉浸式场景，将学生带入多感官、多维度的学习空间。在这种沉浸式学习环境中，学生可以自由探索、实验和创造，与虚拟对象互动，主动建构自己的知识体系，加深对知识的理解，并增强学习的自主感。 (二)虚实无界：空间计算支持下的教育实践框架构建 为进一步推动空间计算在教育领域的应用，基于空间计算的支持，构建虚实无界的教育实践框架包括教育辅助、教育实施和教育愿景三大部分，如下页图3所示。 图3空间计算支持下的教育实践框架构建 1.教育辅助——打好实践地基 从政策方面而言，国家的政策导向与资金支持为教育行业的发展潜力与改革方向提供引导。坚持科教融合理念是全面提高中国高等教育质量的必由之路，是建设高等教育强国的现实选择(周光礼，等，2012)。在推动科学教育这一进程时，将空间计算融入教育领域不失为一种良策，空间计算可以打破以往的教学空间和时间限制，建立同步评估反馈机制，为提升教学质量提供保障。 从教育环境而言，随着数字技术的发展，越来越多的数字基础设施嵌入教育场景，实体空间教育活动加速向虚拟教育空间全面渗透，打破了教育教学时空的局限(王兴宇，2023)。利用空间计算抽象物理实体，构建具有高交互性和高保真的数字教学环境，营造出物理与虚拟充分结合的校园空间。同时，空间计算能够收集分析学生在校园内的行动数据，关注学生动向、班级动向等，实时分析总结，合理规划校园环境。数字校园的构建为学生提供除课堂外更好的学习空间。 在教育环境数字化转型中，智能技术参与物理空间塑造虚拟空间升级，教育实践活动随着空间场景的变化发生结构性转变(王兴宇，2023)。在空间计算赋能下，校园不再局限于传统的教室和教材，而是会演化为提供泛在的、自由探索的、知识建构、交流协作的智慧生态环境(余胜泉，2023)，使学习不再局限于四面墙内，加之空间计算的加持、虚拟资源的构建，使学生可以在教室之外，甚至校园的每一个角落，进行自主探索和知识建构。原本以教师为主导的课堂环境演变为“去中心化”的动态学习共同体，师生之间的互动和学习不受限于固定的空间布局，通过空间计算，学生能够随时接入课堂内容，进行协作讨论和资源共享，形成一个动态的、灵活的课堂学习环境。 我国正处于教育数字化转型的初期，空间计算技术在教育领域的应用无疑对教育者和学习者的数字素养提出了更高的要求。教育部于2022年首次制定并颁布了《教师数字素养》，该文件主要围绕教师的数字化意识、数字技术知识与技能、数字化应用、社会责任和专业发展五个方面，对教师的数字素养作出了详尽的规定(中华人民共和国教育部，2022)。同时学校也要确保所有学生都能享有平等接受数字化教育、获得数字技能培训和使用数字工具的机会，缩小数字鸿沟，让学生在数字化环境中全面成长。 2.教育实施——合理创新应用 (1)从学生视角而言，空间计算在教育实施中的运用主要分为六个模块，根据布鲁姆教育目标分类法可分为三大领域：认知领域、情感领域和动作技能领域。从认知角度而言，利用空间计算创造多元化教育和可视化教学，可以帮助学生提高认知能力、扩宽视野。一方面，空间计算为教育提供了更加多元化的可能。多元化开放式教育，是一种以人本主义教育思想为基础，使人才培养适应市场经济社会需要的现代教育(王志明，2016)。而空间计算作为现代科技的前沿技术，是构建多元化教育，实现学生全面发展、开阔视野和认知能力的重要元素。另一方面，空间计算通过其构建的二维、三维信息，充分展现可视化教学理念。在教育中利用可视化技术为学生构造学习环境，可以及时唤起学习者的学习兴趣与动力，使学习者易于完成知识建构与能力转化(岑健林，2022)。空间计算构建的虚拟空间可以帮助学生走出教室感受多元化空间，增强空间认知及感知能力。 (2)从技能角度而言，空间计算正日益展现出其在构建虚拟实验环境、实现沉浸式技能教学以及模拟操作训练等方面的巨大潜力。空间计算打造的三维场景能够在帮助学生提高眼界的同时进行实操技术的学习与训练。首先，空间计算通过其构建的虚拟实验室让学生能够在虚拟环境中进行实验和模拟。他们可以操纵虚拟物体、进行科学实验，并探索传统课堂环境中可能不切实际或不安全的场景(Mille，2023)。其次，空间计算结合虚拟现实设备，为学生带来了沉浸式的技能教学体验。利用空间计算，可以将历史场景重现，让学生亲身体验历史事件和文化，促进历史教育的生动性和学生的深入理解。最后，空间计算还能够模拟各种复杂的操作场景，为学生提供模拟操作训练的机会，不断提升了实验的安全性和可靠性，让学生在无风险的环境中练习和磨炼技能。 (3)从情感角度而言，空间计算打造的三维空间可以帮助学生开展沉浸式学习，增强其同理心和社交能力。首先，沉浸式学习作为未来教学的重要方向，沉浸式技术所构建的沉浸式学习场景/空间，成为智能+教学环境的重要形式之一，为5G时代的教与学带来体验性、具身性、融合性、创造性与智慧性等特征(徐铷忆，等，2021)。沉浸式学习不仅打破了传统教育中材料、环境、时间的限制，为学生提供更全面、更沉浸的课堂体验，还为学生的自主性学习提供更多可能，增强学生情感的全面发展。其次，在虚拟空间内打破时空的限制，营造与不同地区、年龄、国家学者交流学习的场域，能够在增强同理心的同时提升个人协助能力与社交能力，达到个性化学习的效果。最后，空间计算中数据共享对具体教学过程具有重要意义，能够提供更加个性化和高效的学习体验。从教学过程产生的大数据中获取更多、更准确的学生信息将是今后素质教育研究的方向。通过提取人脸表情和体态特征，再进行数据解读和分析，能够实现对学生的有效关注(郑怡文，等，2016)。学生可以通过虚拟社交空间基于数据分析比对，寻找自己的兴趣之处，并结交志同道合的朋友，开展基于社群的学习。在此过程中，学生是不断追寻本我、发展社群、建立关联，而人社传播是基于“自我”重新整合编码的过程，并以此核心来编织虚拟空间的社群关系网(张依，2019)。空间计算基于数据共享的前提，为学生建立这样一个理想中的虚拟空间提供了技术支持，实现学生心理健康与学业成绩的共同发展，确保学生在身心健康的基础上取得优异的学业成绩。 (4)从教师角度而言，在现代教学理念中教师的角色已经从传统的知识传授者、灌输者转变为教学过程的组织者、指导者；学生学习的帮助者和促进者。在此背景下，教师可以运用空间计算开展教学，在教与学实施过程中积极影响学生。首先，空间计算使教学效果得到改善，空间计算构建的互动性和沉浸式学习提高学生参与度。其次，空间计算使教师能力得到提升，通过先进工具丰富教学方法，进而加强教学环境监管，实时确保教学秩序和安全。最后，通过数据共享，空间计算可提升教育透明度和协作效率。未来的教育将从单向知识传授转向培养学生的核心素养，包括创造能力、思维能力、沟通能力与协作能力等，以帮助他们在快速变化的社会和工作环境中具备必要的知识、技能和态度。 将空间计算融入教育，将为教育行业带来一场数字革命。空间计算将教学推向更为智能、自然、沉浸式和个性化的方向，教学资源得以充分利用其提供的特有数字化特性和表现形式，得到了极大的丰富和创新。例如知识图谱实现计算机基于知识库的规则、基于各种情景模板和情景素材自动生成各类教材与试题(余胜泉，2018)。通过空间计算创建沉浸式虚拟学习环境，如虚拟实验室、虚拟考察等，无须实际到达现场，可消除地理距离的限制，使学习者能够身临其境地学习，拓展符号知识的想象的局限。可视化教具通过将抽象概念和信息转化为直观的视觉形式，帮助学生更好地理解和掌握知识。空间计算能够帮助教学资源超越束缚，实现人人平等享有优质教育资源(杨现民，等，2017)。 空间计算同样能够提升教师的多种专业能力，包括教学设计与实施能力、学科专业知识能力、教学技术应用能力、学生互动与课堂管理能力，以及教学反思与改进能力。例如，通过虚拟教研平台，教师可以与同行进行交流和合作，分享经验和最佳实践，提升教学水平。利用XR平台参加虚拟教研会议，与全球同行进行交流和合作，分享教学经验和研究成果，实现多方教学协作与沟通。 在教育治理方面，空间计算有助于教师在教学监管和教学引导过程中获取优势，不断提升教学质量和学生学习效果。例如教师可利用空间计算可视化特性，实时分析学生生理数据以及情绪波动数据；基于空间计算的统一数据平台，能够整合学生的学术数据、行为数据、健康数据和地理位置信息，供教育管理者、教师、家长和学生访问和使用；教师基于空间计算实时采集学生在校园内的行为数据和学习数据，并确保数据的时效性和准确性，可同步跟进学生在不同学习阶段的发展情况。此外，空间计算在数据共享方面的深入应用，为教育行业带来新的可能性，也为教师实现因材施教提供了重要契机。例如，通过分析学生的学习数据和行为轨迹，教师可以为不同学生定制个性化的学习路径，推荐适合的学习资源和活动。通过虚拟课堂和在线平台，教师可以实时向学生提供反馈，帮助他们及时改进学习方法和理解难点，实现更加个性、高效和互动的教学模式，以满足不同学生的学习需求。 3.教育愿景——助力教育发展 在科技变革教育的热潮下，空间计算推进人机深度融合，构成了虚实共生的当代人类生存的基本方式。从技术发展和技术运用的维度来审视教育的发展，强调在教育发展的进程中不断引入新技术，将其作为推动教育发展的关键因素(朱德全，等，2019)。未来教育，将在无边界学习、数字化教学、教育公平等领域寻求新的突破，实现教育创新。 无边界学习将学习空间扩展到泛在、灵活、智能的虚拟学习空间中，重塑未来教育形态，并在同一时间维度上实现线上与线下教学活动的并行，形成以实体带动虚拟的无边界新型学习样态(刘会，2024)。教育资源边界被模糊化，有限的实体资源被虚拟化从而无限拓展，形成无边界的学习空间。新技术与未来教育的整合，为学习者打造个性化学习方式，构建自主学习空间，促进学习者的自由发展、全面发展、理性发展，优化教育成效。 将数字内容叠加到现实空间中，学生在课堂中可以以有形和直观的方式与信息互动，重新理解晦涩难懂的学科知识，具身在沉浸式、互动式、个性化的学习体验中，“身临其境”地学习复杂的实验、历史事件或地理环境等。通过合理应用这些技术，教育工作者可以创建更加生动和有效的教学环境，不断优化教育教学模式。 为实现教育公平，塑造无界化、开放、灵活、可访问的教育资源，教师可以通过互联网和空间计算等前沿技术，向全球学习者开放，以支持自主学习、终身学习和个性化学习，平衡不同区域之间因地域环境、文化习俗、经济发展等原因造成的资源不均等情况。而随着全纳教育被赋予更广泛的含义，其不仅仅是针对残疾人和有学习困难的人，已与广泛的社会政治、经济的变革相联系(黄志成，2001)。全纳教育所倡导的，恰恰与空间计算能够呈现的效果不谋而合，在虚拟空间中，许多本应被束缚的条件被轻易化解，特殊人群不再受限于生理条件，政治经济因素不再影响个人追求，形成理想的教育形态。引导学习者将关注点从关注知识转移到关注合作上，共同构建学习型社会。 (三)空间计算教育应用策略与场景 1.空间感知设计 空间计算继承了混合现实、人工智能和全球定位系统等技术，在物理和虚拟空间中实现沉浸式、自然和智能的多模态交互，打破虚实界限。在传统交互模式中，交互在物理空间中进行，与屏幕中数字渲染出的内容进行交互。如传统教学中运用到的智慧教室、多媒体课堂等。而空间计算支持进行新的交互与空间体验，教室本身就是教学资源展示的平台，学生能够直接通过穿戴硬件设备与之直接交互。故而，将空间计算运用于课堂的设计与使用中，首先，应保证教学过程中生生、师生以及真实物体之间的安全距离，根据物理空间中的真实距离调整虚拟资源的空间关系。其次，可通过高精度的传感器和先进算法，实时捕捉学生的动作和位置，同时动态调整虚拟内容的位置和状态，进行教学模拟。 2.三维重建知识 空间计算是在三维基础上，以人为本，连通及融合虚拟世界与现实世界的一个全新的计算范式(安信证券，2023)。立体三维是空间计算的基础，空间计算将人机交互由2D升维到3D，即不需要先将空间从三维平面降至二维平面，即可开展人机交互。空间计算所显现的三维可视化教育知识能够帮助学生增强空间思维能力与空间记忆能力。其中，空间记忆在教育的各个方面都发挥着至关重要的作用，例如理解地图、解决几何问题和理解复杂概念(Mille，2023)。3D数字化教学资源为学习者提供立体、逼真、直观的学习内容，不仅带给学习者前所未有的视觉体验，而且使学习者在学习过程中能够更加沉浸、更加深度地参与，有助于启发学习者的创新思维(王洪梅，2017)。总之，通过三维重建技术实现虚拟与现实的融合，提升学习沉浸感，可增强教学资源的互动性和直观性，帮助学习者更深度地理解学习内容。 3.沉浸模拟体验 空间计算的一个决定性特征是用户界面不局限于计算机屏幕的二维限制。空间计算可以利用VR、AR、MR和全息计算等技术在教育中提供许多优势。它可用于开发身临其境的学习环境，其中最佳使用沉浸式虚拟教学的特征主要有以下几类：罕见、不可遇、危险、昂贵(Pangilinan，etal.，2020)。拥有这类特性的事件与操作在现实中难以复刻，更多的是依靠视频资料或者文字等内容进行学习与参考。但利用空间计算可以复制逼真的虚拟环境，使学生能够在模拟环境中进行近乎真实的练习，反复提取和反思。这些沉浸式模拟可以提供难以获得的实践经验，提升技能操作能力。 4.资源优化升级 当空间计算投入使用后，可以根据空间计算的实际使用场景或方向再进行复盘与优化。观察空间计算的教学内容是否被学生真正地理解与运用，在此过程中教师也需灵活使用新技术，引导学生从学知识到用知识的转变，也需关注学生的状态，看学生是否能够更好地达成学习目标，完成学习任务。如有一定的问题和困难，则要对空间计算系统以及教学资源进行升级、迭代。例如，空间计算在教学中交互操作复杂化，则需要更为自然化简洁、符合人体本身逻辑性的操作手势与动作，降低师生之间的沟通难度和学习难度，以及知识点的细节程度不够，导致学生未能理解等问题都需要及时进行优化与改进，保证给予学生更优的学习体验。 5.教育应用场景 空间计算因其特性，对正式学习和非正式学习均有一定帮助。对于正式学习中的实践操作类课程有着重要的用途。在技术与硬件的支持下，能够在课堂上构建新型教学空间，通过虚实结合的技术手段以及交互方式，广泛运用于各个学科学习，丰富课堂体验。在非正式学习中空间计算可以应用在博物馆、纪念馆、艺术馆等公开场所，营造简洁易懂的沉浸参观体验。其次可以运用在教育培训等领域，辅助学生多方发展，丰富民众学习途径，有助于营造数字化社会学习、全民学习、终身学习的氛围。空间计算的教育应用场景如表1所示。 五、空间重塑下的未来教育新模式 空间计算提供的超强虚实融合功能为打造无边界学习空间、实现新型高质量教育模式创造了更多的机遇。其深度沉浸体验、具身社交网络、群体自由创造、社会生态文明以及虚实融生共在等特征为构建虚实融生的未来教育形态提供了新可能。 未来教育学习趋势下，教育教学强调通过多样化、深度和互动的教学方法，为学习者提供丰富的学习体验，从而提升他们的学习效果与兴趣。富体验教育目标不仅使学习者获得知识，还能培养学习者的批判性思维、创造力和实际应用能力。在技术的赋能下，通过“人”“技”“场”三方融合发展为未来教育生态圈——这一空间重塑下的未来教育新模式，构成新型教育空间(参见图4)。而未来教育生态圈应是一个综合性的教育环境，围绕教育数字化，利用多种技术与教学方法创造一个沉浸式、互动性强的学习空间，以保障教育高质量发展，促进学习者的认知、情感和技能发展。 图4未来教育生态圈 (一)以人为本 教育作为使人成为人的活动，应遵循“成为人”的基本规律。以课堂中的“人”为中心，是教学设计的出发点和归宿点。将数字文化基因嵌入到教学设计过程中，课堂中的“人”成为数字化转型的受益主体(吕立杰，等，2024)。在此模式中，“人”主要分为：学习者与助学者。 对于学习者而言，未来教学模式应该注重学习者的学习体验，同时注重学生的参与度，增加课堂师生之间的交互。教育4.0时代合格公民应具备四个维度的能力，包括创新创造、技能技术、人际交往和全球公民意识，未来学校要转变教学模式以培养以上四个维度的能力(王永固，等，2020)。未来教育生态模式应鼓励学习者自主进行学习探索，突破固有的教育思维，引导学习者主动发现并提出问题，提升学习者的技能水平与创新、批判思维。情感、心理、人际社交等也应成为学习者培养的重点部分，关注学习者作为人的多元需求，合理规划教学时间，教育规章制度等，给予学习者充分尊重与空间。从助学者出发，助学者是一大类群体，其中包括但不限于：教师、家长、校外专家、社区工作者、虚拟学伴等。作为助学者同样也应该充分利用技术，掌握教学目标与教学内容进行新型教学设计，通过空间计算精准把握教学进度和每个学习者的学习状况，实现课堂的个性化教学和定制化服务。此外，助学者应当充分做好教育之中的引导者，未来教学不仅仅是单方向的资源输出，而要通过空间计算打造双向交流的个性化路径，以提升学习者的学习体验。 (二)技术加成 人的学习环境圈，展现了一个技术构建的学习环境，技术带来了学习环境的巨大变化，使学习者在课堂环境中获得的资源更加丰富，也带来更丰富的学习体验(叶新东，等，2012)。空间计算的出现是技术的突破与发展。它将不同领域的知识整合在一起，促进跨学科学习，以培养学习者的综合素质和创新能力。空间计算与扩展现实等技术的结合为沉浸式学习以及教育教学突破传统二维界面提供了技术支持，打破原有物理空间边界，联动线上线下教学，建立在线或现场的协作学习平台，促进学习者之间的交流和合作。基于数据信息搭建虚拟空间，在虚拟空间内针对自身薄弱部分选择适合学习方式，设定学习目标并利用空间计算监控自身进展，确保学习目标的实现。如VR系统可通过头盔显示装置精确地向用户呈现各种视觉和听觉刺激并记录被试作出的反应(郑怡文，等，2016)。 随着人工智能的逐步完善，其对于教育教学也起到至关重要的作用。对于教学来说，在人工智能影响下，教育系统功能与形态得以重塑，学校、班级、学科等边界也随之淡化甚至消解，学校教育扩展、教育外包、无边界学习等未来图景也跃然而出。对于学习者而言，人工智能提供了一个新的学习渠道。生成式人工智能在设定后能够进行课前预习准备，在课后为学习者提供解答，充分发挥每一个学习者的主观能动性和主体构建性。在人工智能赋能教学的过程中，教育交互周期大幅缩短，虚拟教学环境与现实教学环境之间的边界逐渐模糊，师生通过数字身份在不同的教学环境之间自由转换，本我、自我和超我之间实施互动，教育资源的优化配置也被增强(喻国明，等，2024)。国内幻霄科技基于空间计算和AIGC技术开发了一款虚拟仿真教学实训平台，该平台提供了无代码和低代码编辑方式，使用户能够轻松制作高质量的虚拟课件，为传统教学实训带来了新的突破(幻霄科技，2023)。 未来，空间计算与人工智能的进一步结合，为学习者提供更为智能的虚拟仿真教育平台以及助学服务。不过，“技”在为教育赋能时，不能喧宾夺主，追求炫技，而是在合适的地方合理使用，保证技术与教育结合发挥最大效用。 (三)场域构建 场域空间在技术的作用下逐渐扩大，突破物理边界，教育空间突破学校传统空间形态，连接虚拟与现实。未来教育生态场域包含了无数种可能性，场域内嵌套更多不同小场域，其中但不限于互动体验场、探索发现场、知识共享场、创新场、文化场等，在不同场域共同作用下推动学习者的全面发展。 互动体验场为学习者以及助学者提供更多的交互方式与学习体验。通过空间计算，将虚拟世界与现实环境相融合，创造出无缝衔接的学习体验。全新场域为学习者提供跨越时空的学习机会。例如，沉浸探索场域则能够给予学习者独立思考探索的空间，构建数字孪生校园，为学习者提供更加沉浸的学习体验和更加丰富的学习维度；在知识共享场域，通过互联网和空间计算构建无界化、开放、灵活、可访问的教育资源，可向全球学习者开放，支持自主学习、终身学习和个性化学习；在评估场域，伴随着新技术向教与学渗透，教育评估方式也需转变，教育评价应从“单一分数”转向“综合素质”，不单单以“知识为导向”，同时也要考查学习者的能力、