元宇宙技術應用于高中化學教學的路徑研究*

◆李晶晶 蘇木雅 徐玲

0 引言

2018 年，教育部頒布《教育信息化2.0 行動計劃》，提出推進“互聯網+教育”進程發展，標志著信息技術將在教育領域開啟一個技術與教育創新融合的新時代。隨著我國經濟迅猛發展，教育順應時代發展需求，建設高質量教育體系，成為新時代我國高質量發展的戰略性目標。教育的高質量發展離不開教育信息技術的支持，隨著信息技術不斷成熟，元宇宙概念應運而生。

元宇宙并不是一種顛覆性的新技術，它是集虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）、增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）、混合現實（Mixed Reality，簡稱MR）、5G、云計算、人工智能、數字孿生等新興技術于一體的虛擬現實的高階發展產物[1]。元宇宙技術是將各種單項信息新技術所描述的線或面組裝成一個立體的、1+1 ＞2 的未來信息世界的技術，綜合了眾多信息技術以達到統合綜效的目的[2]。將元宇宙技術應用于教育將產生巨大的發展潛力，“元宇宙+教育”成為教育信息化發展的藍圖。

1 元宇宙技術應用于高中化學教學的技術支撐

元宇宙賦能高中化學教學的技術支撐主要有交互技術、電子游戲技術、人工智能技術、區塊鏈技術等幾個方面[3]。

1.1 交互技術

交互技術包括輸入、輸出及腦機接口等復合交互技術，該技術可以將神經信息傳輸等各種電信號轉換于人體感官，給學生帶來很大的沉浸感。就目前發展來說，交互技術以VR 技術、AR 技術為主要代表[3]。VR 技術可以在計算機上生成交互式三維虛擬世界，最大的特點是提供全息式的沉浸感。AR技術是一種將虛擬與現實巧妙融合的技術，將計算機上生成的虛擬信息進行仿真并應用到現實，以達到對現實世界的“增強”。

元宇宙的交互技術兼容姿態識別、手勢識別甚至腦機接口等多通道，融合VR/AR 技術打通綜合感官通道[4]，實現虛實空間的相互映射與動態交互[5]，讓學生學習化學時能有沉浸式體驗，促進學生深度學習，在虛擬現實的平行世界中感受化學的微妙。

1.2 電子游戲技術

運用電子游戲技術可以為化學教學提供極度豐富的活動內容，進行游戲化學習、課堂互動、作業提交等，增強化學學習的趣味性。

1.3 人工智能技術

運用人工智能技術進行虛擬場景的AI 建設，開展個性化學習，通過學習行為數據挖掘，更精準地進行學情分析和課后評價、多模態情感計算，更能了解學生學習心理，并根據智能技術對學生進行個性化疏導，在更關注學生情感體驗、人工智能技術支持下，化學教學的教學目標更為精準，化學學習效率更加高效。

1.4 區塊鏈技術

區塊鏈技術具有“去中心化”“信息不可篡改”“ 可靠數據庫”等特征[6]。“去中心化”特征為化學教學提供了多成員參與機會。游戲《我的世界》，在元宇宙世界中每個人都能創造一個元宇宙。與之相似，化學課堂上，在基于原則（化學原理）的前提下，每個學生可以更自由、平等地參與游戲（學習），師生之間、生生之間更為平等。根據區塊鏈技術“信息不可篡改”的特征，改革化學考試模式，課堂測試更客觀反映學生的真實水平，避免學生作弊行為。“全程留痕”為化學教學評價提供更為客觀、精準的學生學習行為數據庫，每個人都可參與數據庫記錄。

2 元宇宙技術在高中化學教學中的應用路徑

2.1 跨時空邊界的教學場景設置

根據不同課型運用元宇宙技術創設豐富、形象化、適宜的教學場景，有效引導學生調動高階思維解決問題。

2.1.1 實驗探究課 根據一定的教學需要將現實實驗室與虛擬仿真實驗室相結合進行實驗探究，學生可以根據學習需要進行虛擬與現實實驗室的切換。在進行有毒有害物質性質探究時，師生佩戴相應的設備進入虛擬實驗室，對物質的顏色、狀態、氣味、性質等進行深入探究，這在一定程度上既可以避免實驗風險，又能夠解決因為實驗室建設不足、實驗室專職人員缺少、儀器和藥品配備不齊全等教學資源不足而造成實驗效果不良的問題，通過虛、實實驗室交互運用以達到最好的實驗效果。

2.1.2 概念原理課 概念原理類知識比較枯燥，高中學生思維發展水平還不是很高，可借助形象化的教學場景設置來幫助學生對概念、原理的理解。例如：進行晶體主題教學時，將教學場景設置為具體的晶體模型，師生在具體的晶體構型的虛擬教室中進行探究，可以形象地感受具體晶體的微觀構造，觀察晶體中微粒之間的關系，從而更輕松地區分分子晶體、原子晶體、金屬晶體之間概念的本質區別，同時可以調動學生學習的熱情；對概念發展史教學，創設虛擬世界，讓學生進入化學家時代，以“第三者”身份與化學家進行古今對話，感受化學家是如何促進化學概念發展的，既可以更深入地理解概念，又能夠促進化學學科核心素養的發展。

2.1.3 復習課 復習課上，設置以知識體系為線索的思維導圖式教學場景，學生可以隨時隨地調取自己所需的知識，根據不同的復習主題，調整思維導圖知識結構，形成新的個性化思維導圖。

2.2 多渠道的知識建構

在元宇宙的游戲技術支持下，打破知識建構以文本、圖像、音頻、視頻等形態為載體的限制，學生獲取知識的方式不再是被動的口頭傳授或是文本復述方式，而是通過任務驅動下的游戲闖關模式建構知識系統。教師在客戶端發布一定的具有故事情節的游戲（學習任務），讓學生基于化學知識系統進行闖關，在闖關中可以組隊合作，根據任務共同解決問題（知識建構）。而這種知識的建構不受時空限制，學生學習更自由、更主動，在沉浸式、交互式的環境中體驗學習。

高中化學知識分為“物質性質”主題、“反應原理”主題和“物質結構”主題三大主題[7]。

在進行“物質性質”主題教學時，通過游戲闖關形式建構結構化的化學核心知識，以“拯救XX”為故事主線的任務情節，讓學生基于一定規則（課標要求）進行組隊闖關，去探索物質性質，在探索過程中可以培養社會責任感，鍛煉協作能力。

在進行“反應原理”主題教學時，以“拯救XX 經營XX 工廠”為主題教學，與地區工廠企業形成教育聯盟，讓學生進行實地調研、考察，通過查閱資料、收集證據，結合所學“反應原理”主題知識開展師生合作，在平行于現實世界的虛擬世界經營一家工廠，每個學生以不同身份在企業中擔任不同職位，共同經營工廠并使工廠盈利，從而培養學生運用化學反應原理解決生產中與化學相關的實際問題。

進行“物質結構”主題教學時，通過開展辯論賽活動進行該主題的認知模型建構。該主題中的“原子結構”板塊是掌握該主題知識的關鍵基礎，該板塊中有兩大核心概念，即原子的結構模型和原子的構造模型。學生通過查閱文獻資料等方式，對結構模型和構造模型進行猜想驗證，并根據對課本和文獻資料的理解表達自己的觀點，思維能力在該過程中實現進階式發展。

2.3 跨身份邊界的課堂互動

元宇宙技術支持下的課堂互動是非主觀意志的交互過程，化學教師在課堂上提出一個問題，所有學生均能自由表達自己的觀點，避免因教師主觀偏好而導致“一人多答”的事實發生。腦機接口技術可以讓存在語言障礙的學生自由表達自己的觀點，課堂上真正做到人人平等、全員參與，課堂互動形式更加多元化。師生可以通過建立聊天室等方式進行討論交流，互動交流的載體突破僅僅依托語言的限制，可以是符號、代碼等，教師課堂反饋通過虛擬代幣形式。

如在進行“甲烷的空間結構”主題教學時，教師可以創立“大家都來猜一猜”聊天室，讓學生結合所學化學鍵知識查找相關資料表達自己的猜想和判斷依據。教師發放一定的金幣作為學生合理化猜想的反饋，學生可以用所獲得的金幣在元宇宙世界購買更多資料或知識，從而進一步向深層次探究；也可以用金幣購買更多裝備或娛樂產品。作為課堂獎勵的一種形式，金幣獎勵效果比分數或者口頭夸獎更能讓學生具有學習動力。

2.4 多元化的教學評價

作業是反饋教學效果的最直接的方式。根據元宇宙隨時隨地的特點，學生可以在任何時間、任何地點提交作業。根據元宇宙的多用戶終端特點，學生也可以自己設置作業或向教師發起作業。這樣可以增加師生互動的頻率，留作業成為有趣的學習，學生在學習的過程中會更主動地學習，師生關系也發生本質性的變化，讓低效能感的學生更容易被調動起來。與此同時，作業形式也不再是單純的文本問答形式，可以是游戲、演講、商務談判等形式。

考試是教學評價的另一種形式。區塊鏈技術支持下的考試方式和形式也發生改變，同時可以避免考試作弊的情況。

元宇宙技術支持下的化學教學評價方式不只局限于作業和考試，還可以實行智能化反饋評價，多模態的數據評價應涵蓋創新思維、生理感知、情感態度、協作交流、學業表現等維度。教學評價內容也不僅關注知識和能力，更加關注學生德、智、體、美、勞等綜合素質表現，將立德樹人作為評價的主線。當學生在虛擬化學課堂教學場景中進行游戲化學習時，教師通過區塊鏈技術提供的“可靠數據庫”，精準地判斷學生學習化學的特點與風格，形成個性化的評價報告，根據提供的反饋，精準評價學生的學業表現。

3 元宇宙的未來展望與挑戰

元宇宙技術支持下的化學課堂的模式、師生關系都將發生革命性的變化，教學形態發生轉變，虛實融合的教學模式與探究式學習將成為常態，學生的批判性思維和創造力將得到極大發展，跨國界交流也將成為可能，學生甚至可以實現“在家留學”。

然而，在機遇面前往往存在一定的挑戰。

1）學校層面，元宇宙技術需要學校具備完備的配套設施來適應該技術的應用，這必將需要大量的教育投資。

2）家庭層面，未必每個家庭都能確保為學生配備足夠的學習設備，這必將使元宇宙創造的教育公平難以實現。

3）教師層面，元宇宙技術操作需要授課教師掌握操作該技術的專業技能，而從目前教師信息化素養發展水平來說，還有很長的路要走，這必將對元宇宙技術應用造成一定阻礙。同時，元宇宙技術支撐下的教學需要創新教學形態、更新教育理念，教師觀念更新速度是否能適應元宇宙教育的需求？

由此可見，需要認真審視元宇宙技術應用所面臨的挑戰。

4 結束語

隨著現代信息技術的發展，教育正在經歷一場信息化革命，技術與教學的深度融合，將會豐富教學內容，重構教學模式，培養學生的批判性思維，突出以學生為中心的教學理念，引導學生個性發展，形成元宇宙時代的教育新形態、新模式、新業態。元宇宙對教育系統革命的到來不會太遙遠，就像電腦從實驗室走進千家萬戶，普及到生活的每個角落；就像電話的發展和革新一樣，從最開始的有線傳輸到現在的無線4G、5G，信息產業產品的發展到現在如此的高度。在經濟高速發展的中國，元宇宙的技術革命會很快到來，屆時將再一次體驗到科技對生活的改變。而這種改變無論是對學習還是工作，都是一種新的變革，相信這種變革相比之前任何一次都會顛覆人們的認知。