淺談元宇宙概念應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)

張程浩 賈義晶 劉存芳

摘要：教育元宇宙為未來中學(xué)化學(xué)課堂提供了無限可能，其中虛擬實驗室、交互技術(shù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)具有廣闊的教學(xué)應(yīng)用前景。介紹了元宇宙的相關(guān)概念，綜述了支持中學(xué)化學(xué)課堂的元宇宙技術(shù)統(tǒng)攝，構(gòu)想了元宇宙教育在理論性知識和技能性知識的應(yīng)用，旨在為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)涵育思路，為中學(xué)化學(xué)教師教學(xué)和教研提供參考。

關(guān)鍵詞：元宇宙；中學(xué)化學(xué)；化學(xué)教學(xué)

文章編號：10056629（2023）06003104中圖分類號：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 引言

在科技迅速發(fā)展，信息技術(shù)快速更新的時代，元宇宙教育被眾多學(xué)者提出，這是web 2.0到web 3.0的過渡期，是中國教育信息化發(fā)展從1.0邁向2.0的過程，是科技與教育融合觀念轉(zhuǎn)變的過程，是現(xiàn)實與虛擬結(jié)合的過程。我國近幾年也快速發(fā)展教育信息化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化等，如黨的二十大報告里面提出“推進(jìn)教育數(shù)字化，建設(shè)全民終身學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)型社會、學(xué)習(xí)型大國”，且明確指出到2035年基本實現(xiàn)信息化^［1］；2018年《教育信息化2.0行動計劃》的頒布標(biāo)志著我國教育信息化建設(shè)進(jìn)入新階段等。聯(lián)合國教科文組織也頒布了很多政策，如《教育政策和總體規(guī)劃中的信息通信技術(shù)指南》《一起重新構(gòu)想我們的未來：為教育打造新的社會契約》《教育的未來簡報》等，以此鼓勵元宇宙在教育領(lǐng)域的發(fā)展。

元宇宙教育可以幫助中學(xué)教師更好地設(shè)計開放型課堂，特別像理科實驗室；可以方便教師管理與評價學(xué)生，更快地形成“教、學(xué)、評、管”一體化；可以實現(xiàn)教育全球化，類似于大學(xué)中所推廣的慕課、學(xué)習(xí)通等；可以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的多樣化等。元宇宙教育的最終實現(xiàn)可以有效切實地幫助學(xué)校、教師、學(xué)生、家庭、社會之間的聯(lián)系，使教育走向全國，乃至全球，達(dá)到教育終身化、社會化、全球化。

通過綜述國內(nèi)外元宇宙教育文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)關(guān)于元宇宙教育走進(jìn)課堂已有一些成功案例，如華東師范大學(xué)云展廳策展課程、中國傳媒大學(xué)2020屆云畢業(yè)典禮、2022年清華大學(xué)首屆元宇宙招聘雙選會、職業(yè)教育中武漢燃?xì)鉄崃W(xué)校的燃?xì)廨斉鋵嵱?xùn)虛擬仿真系統(tǒng)、中學(xué)“VR/AR+教育”實驗室、玩學(xué)世界、萌科科技VR智慧教室等。國外的教育實踐也如過江之鯽，如Gather.town助力韓國教育+元宇宙、蒙特雷理工學(xué)院創(chuàng)新地建立了虛擬校園等。由此可見，不管是在大學(xué)的就業(yè)或?qū)W習(xí)情況，普通中學(xué)的實驗室教學(xué)或職業(yè)教育的實踐教學(xué)，還是國外中高等學(xué)校的教育，都已經(jīng)有元宇宙的身影，國外的教育實踐相對于國內(nèi)更成熟一些，這些只是元宇宙教育實踐的小部分，其還有很大的發(fā)展空間，使學(xué)生和教師擁有更好的教育體驗，更有利于學(xué)校和社會的發(fā)展與創(chuàng)新。

2 相關(guān)概念介紹

2.1 元宇宙

元宇宙，英文名是Metaverse，最初是出自于美國著名科幻作家丹尼·史蒂芬在1992年創(chuàng)作發(fā)表的科幻小說《雪崩》，最初的譯本中“Metaverse”是“超元域”的意思，在之后因習(xí)慣譯法，翻譯成“元宇宙”^［2］，自此元宇宙誕生，這本書中對虛擬世界和未來科技社會的構(gòu)想給人們提供了巨大的想象力空間。

自2021年元宇宙元年誕生，何為元宇宙，眾說紛紜，如根據(jù)字面意思，“Meat”是“元”的意思，即“超越”，“Universe”是“宇宙”的意思，即“無限空間、無限時間”^［3］，合在一起就是元宇宙的字面意思，即在超越現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，通過無限的時間和空間，達(dá)到更高維度的世界。在百度百科中，元宇宙是人類運(yùn)用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建的，由現(xiàn)實世界映射或超越現(xiàn)實世界，可與現(xiàn)實世界交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數(shù)字生活空間。也有相關(guān)學(xué)者提出了元宇宙的概念，如張夏恒認(rèn)為元宇宙是指依托互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、數(shù)字技術(shù)等構(gòu)成的一種沉浸式體驗的互聯(lián)網(wǎng)要素融合形態(tài)^［4］。在商業(yè)領(lǐng)域，易歡歡將元宇宙分為三個階段，即：第一階段，隨著數(shù)字化技術(shù)的改善，它會形成一個無比巨大的虛擬世界；第二階段，隨著參與主體的增多，會出現(xiàn)大量除了物理人之外的虛擬人、數(shù)字人；第三階段，隨著虛擬社會進(jìn)一步進(jìn)入到實體社會，將形成一個虛實共生的世界^［5］。

簡單地理解什么是元宇宙，是指現(xiàn)實人利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在虛擬世界中得到數(shù)字孿生，從而構(gòu)建出超越時間和空間的虛擬世界，現(xiàn)實人可以在虛擬世界和現(xiàn)實世界中任意切換，打破現(xiàn)實世界中的一些壁壘，模糊虛擬與現(xiàn)實的邊界，最終達(dá)到虛實共生的虛擬現(xiàn)實世界。

元宇宙在科幻電影或游戲中已經(jīng)有所體現(xiàn)，如《電子世界爭霸戰(zhàn)》《黑客帝國》《頭號玩家》《創(chuàng)戰(zhàn)紀(jì)》《我的世界》《第二銀河》等^［6］；在軍事層面有模擬戰(zhàn)場等；在社交中每個玩家可以根據(jù)自己的喜好創(chuàng)建一個角色，并在社交平臺中利用虛擬角色，打破時間和空間的局限，進(jìn)行更廣泛的社交活動等；在商業(yè)中如淘寶、天貓、京東等，但是元宇宙在教育領(lǐng)域的影響相對其他領(lǐng)域來說微乎其微，這也使美國蘋果手機(jī)創(chuàng)始人喬布斯提出了疑問：“為什么計算機(jī)改變了幾乎所有的領(lǐng)域，卻唯獨對教育領(lǐng)域的影響小得令人吃驚？^［7］”相信通過眾多國內(nèi)外學(xué)者在元宇宙的不斷探討與摸索，在不遠(yuǎn)的將來可以解決喬布斯之問。

2.2 元宇宙教育

據(jù)對元宇宙概念的解釋，就會得到元宇宙教育的概念，英文是“Meducation”或“Edu-Metaverse”，其英文構(gòu)造是由“Metaverse”和“Education”組合而來^［8］，是在元宇宙中實施教育，即教育依托網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、人工智能技術(shù)等元宇宙相關(guān)技術(shù)^［9］，在教育教學(xué)活動中幫助教師授課和教研，方便學(xué)生的沉浸式情境與建模學(xué)習(xí)。我國在2021年12月14日由中國教育三十人論壇、中譯出版社和中關(guān)村互聯(lián)網(wǎng)教育創(chuàng)新中心聯(lián)合發(fā)起了“元宇宙教育實驗室”，旨在通過對元宇宙的探索，拓寬元宇宙在各個領(lǐng)域的滲透與使用，特別是在教育領(lǐng)域。本文將以中學(xué)化學(xué)教學(xué)為例，對理論性知識與技能性知識進(jìn)行教學(xué)構(gòu)想。

3 基于元宇宙的中學(xué)化學(xué)教學(xué)構(gòu)建

中學(xué)化學(xué)教學(xué)中既包括了中學(xué)化學(xué)教學(xué)發(fā)生的空間，也包括教師、學(xué)生、教育環(huán)境、教學(xué)策略、教學(xué)載體、教學(xué)方法等各要素之間存在的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。在當(dāng)今科技高速發(fā)展的時期，科技對教育造成了一定的影響，已有微課、錄課、學(xué)習(xí)通、希沃、云課堂等跨越時間和空間的化學(xué)學(xué)習(xí)課程，但學(xué)生還是僅限于面對電子產(chǎn)品學(xué)習(xí)，而缺少沉浸式體驗與交互式學(xué)習(xí)。元宇宙的出現(xiàn)，使化學(xué)教學(xué)從線下轉(zhuǎn)向線上、有限轉(zhuǎn)向無限、單向轉(zhuǎn)向雙向、平面轉(zhuǎn)向立體、被動轉(zhuǎn)向主動、現(xiàn)實課堂轉(zhuǎn)向虛實結(jié)合課堂，使教師在教授化學(xué)知識時所創(chuàng)設(shè)的沉浸式情境更為真實有效，使學(xué)生可以從虛實世界中得到無限的學(xué)習(xí)資源與發(fā)展空間，更高效地培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

盡管已經(jīng)有一定的科技進(jìn)入到了實際課堂中，但由于教師不能夠熟練應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)而導(dǎo)致依舊以現(xiàn)實課堂為主，以講授和演示為主，主要形式是板書和多媒體相互配合，學(xué)生進(jìn)入實驗室的機(jī)會少之又少，致使了課堂效率有時不高、課堂容量有時不足或過飽和等。但在元宇宙中，這些都會變得具有沉浸感，有更強(qiáng)的交互性和更高的學(xué)習(xí)效率。

3.1 技術(shù)統(tǒng)攝

元宇宙教育課堂不論是理論性知識還是技能性知識都具備了一定的技術(shù)統(tǒng)攝^［10］，如5G/6G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以實現(xiàn)沉浸式云擴(kuò)展現(xiàn)實、全息通信、感官互聯(lián)、智慧交互實踐的實時控制，為教師教學(xué)提供網(wǎng)絡(luò)保障；資源生產(chǎn)，元宇宙教育平臺可借助5G/6G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供給學(xué)生基礎(chǔ)的自學(xué)知識資源，教師可借助元宇宙教育平臺給予學(xué)生沉浸式情境教學(xué)資源或個性化教學(xué)資源，全球?qū)W校可借助此平臺相互交換中學(xué)化學(xué)教師教授資源與學(xué)生學(xué)習(xí)資源，基于以上三種資源來源還需具有資源審查與安全，從而形成全球化學(xué)教學(xué)資源一體化、共分享；大數(shù)據(jù)處理，元宇宙依靠人工智能、云計算等對教育數(shù)據(jù)，從備課階段到課后服務(wù)階段無縫銜接處理，確保教師、學(xué)校在第一時間可以得到課堂與教學(xué)的反饋；認(rèn)證機(jī)制，該機(jī)制可依托于區(qū)塊鏈技術(shù)，在學(xué)生學(xué)習(xí)的過程與結(jié)果中，通過區(qū)塊鏈技術(shù)可對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況認(rèn)證、學(xué)習(xí)成果認(rèn)證、學(xué)分認(rèn)證與能力素養(yǎng)認(rèn)證等，既高效、統(tǒng)一地實現(xiàn)了教師管理，也使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程與結(jié)果變得安全和可視化；交互界面，由機(jī)腦雙向信息交互，使學(xué)生的線上學(xué)習(xí)沉浸感更強(qiáng)，從二維到三維的轉(zhuǎn)換，例如在進(jìn)行技能型知識學(xué)習(xí)時，學(xué)生可通過觸覺、聽覺、嗅覺、視覺等多方面、多角度參與和感受，實現(xiàn)學(xué)生的自然交互，使教師在備課階段通過創(chuàng)造，可將現(xiàn)實世界存在或不存在的具象化，如電子云模型、電子結(jié)構(gòu)模型、基礎(chǔ)有機(jī)、物質(zhì)的量、無機(jī)金屬與非金屬情境教學(xué)等，便于學(xué)生理解并掌握抽象知識。

3.2 理論性知識的教學(xué)構(gòu)想

選自高中人教版必修第一冊第四章第二節(jié)“原子結(jié)構(gòu)與元素周期表”，教師在備課環(huán)節(jié)，利用化學(xué)教研組提前搜集原子結(jié)構(gòu)與元素周期表相關(guān)教學(xué)資源，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教育目的形成教學(xué)大綱，各教師對所帶班級實際情況因材施教、有的放矢，提前將本節(jié)課需要講授的普遍學(xué)習(xí)資源與個性化學(xué)習(xí)資源上傳至元宇宙課堂。

教師可通過原子結(jié)構(gòu)的化學(xué)史來進(jìn)行教學(xué)設(shè)計^{［11，12］}，在課中利用元宇宙教育平臺，帶領(lǐng)學(xué)生在虛擬世界中實現(xiàn)時空穿越，營造沉浸式情境，從科學(xué)家的角度去觀察他們是怎么發(fā)現(xiàn)元素的？怎么排元素周期表、發(fā)現(xiàn)元素周期律的？怎么構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)模型的？教師在此過程中可充當(dāng)導(dǎo)游身份，向?qū)W生講解，比如在觀摩原子結(jié)構(gòu)模型時，按教學(xué)要求學(xué)習(xí)道爾頓原子模型、湯姆生原子模型、盧瑟福原子模型、玻爾原子模型、電子云模型等，學(xué)生可以通過元宇宙的具象化，詳細(xì)地看到科學(xué)家們是怎么推理得到原子結(jié)構(gòu)模型的，教師在此過程中可以實時看到學(xué)生的疑難點與學(xué)習(xí)情況，并隨時提出課堂問題供學(xué)生回答，增強(qiáng)師生互動。針對學(xué)困生可因材施教，由學(xué)困生的個性與習(xí)慣設(shè)置符合他們的虛實課程。在參觀完之后，教師通過交互技術(shù)、智能建模技術(shù)等對原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展進(jìn)行總結(jié)，使學(xué)生可以橫向與縱向全面認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)。在原子結(jié)構(gòu)模型認(rèn)知后，學(xué)生的復(fù)習(xí)鞏固相對于線下復(fù)習(xí)更具有開放性、可行性和有意義性。通過觀摩、搜集、學(xué)習(xí)其他學(xué)?；驀业慕虒W(xué)資源，多角度、多元化、可視化地完善原子結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)，提高學(xué)生自己的認(rèn)知水平，形成自己的科學(xué)推理和思維模型，涵育自己的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，利于學(xué)生形成證據(jù)推理與模型認(rèn)知、宏觀辨識與微觀探析的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

理論性知識較為抽象難懂，通常需要教師講解后多次加工方可理解，而元宇宙教育使學(xué)習(xí)者通過虛擬現(xiàn)實設(shè)備親身進(jìn)入抽象或微觀世界進(jìn)行體驗，以第一人稱視角參與其中，伴隨著直觀的場景、具有挑戰(zhàn)性的過程、可量化的目標(biāo)和及時的反饋，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成“心流”狀態(tài)，產(chǎn)生“最優(yōu)體驗”，在高度沉浸中自主完成學(xué)習(xí)，實現(xiàn)“習(xí)得”抽象概念的目標(biāo)^［13］。

3.3 實驗技能性知識的教學(xué)構(gòu)想

選自高中人教版必修第二冊第五章《實驗活動4用化學(xué)沉淀法去除粗鹽中的雜質(zhì)離子》，教師在備課環(huán)節(jié)模擬場域建模，重現(xiàn)古法制鹽與恢復(fù)工業(yè)制鹽的場域和方法，讓學(xué)生切實感受到中國文化博大精深，也可培養(yǎng)學(xué)生的文化自信，學(xué)生在此情境中對比古法與工業(yè)制法的異同點，再根據(jù)學(xué)生自身已有的初中制鹽心智模型，小組合作進(jìn)行探究、推理、歸納、總結(jié)、優(yōu)化，最終得到小組實驗室制鹽方法。教師準(zhǔn)備虛擬實驗室，向?qū)W生介紹實驗室安全，囑托學(xué)生穿上虛擬實驗服才可以進(jìn)入實驗室，學(xué)生通過感官與心理真實地沉浸在制鹽過程中，每個實驗臺上都有學(xué)生自己設(shè)計的實驗方案及實驗過程的注意事項，學(xué)生可根據(jù)自己設(shè)計的實驗方案進(jìn)行實驗，教師通過實時監(jiān)控可掌握學(xué)生做實驗的進(jìn)程與難點。

在實驗結(jié)束后學(xué)生可通過觀察實驗回放，對自己的實驗過程、實驗結(jié)論進(jìn)行元認(rèn)知，對他人實驗過程進(jìn)行觀摩與學(xué)習(xí)，從而多角度地創(chuàng)新或改進(jìn)實驗室制鹽方法，最終將改進(jìn)方法上傳至學(xué)生平臺，教師可以統(tǒng)一管理、評價、反饋。在實驗過程中，學(xué)生進(jìn)行實驗，可真實地感受到儀器觸碰、反應(yīng)現(xiàn)象，更全面地培養(yǎng)學(xué)生的小組合作能力、互動能力、策劃協(xié)調(diào)能力、動手能力、實驗探究能力等多元化能力。

在實驗技能型知識的教學(xué)中，教師可設(shè)置數(shù)字助理教師，協(xié)助自己完成實驗教學(xué)。在“粗鹽的提純”實驗課上，教師可在每三個學(xué)生組成的實驗組設(shè)置一名數(shù)字助理教師，方便自己實時、全面地觀察到每位學(xué)生的操作過程，比如學(xué)生在進(jìn)行粗鹽濁液的過濾操作、玻璃棒引流操作、除雜液滴入順序、蒸餾水加入量、濃縮時氯化鈉溶液狀態(tài)等，這幾步都是學(xué)生容易出錯且會引起實驗誤差的地方，當(dāng)有了數(shù)字助理教師，就可以在學(xué)生即將出錯時及時糾正，避免因錯誤操作引起實驗室安全問題。教師隨后只需將每位數(shù)字助理教師的數(shù)據(jù)匯總導(dǎo)出即可，在第一時間得到學(xué)生實驗反饋，方便教學(xué)反思與后續(xù)教學(xué)，以便教師在之后的化學(xué)實驗教學(xué)關(guān)注學(xué)生易操作失誤的地方，有針對性地設(shè)計實驗課堂，使學(xué)生的實驗操作能力得到全方位的提升，培養(yǎng)學(xué)生變化觀念與平衡思想、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，使學(xué)生得以全面發(fā)展。

高中化學(xué)實驗存在成本高、操作復(fù)雜、環(huán)境污染、實驗室安全等問題，而元宇宙虛擬實驗室使學(xué)生通過交互技術(shù)親身進(jìn)入實驗室進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，從宏觀與微觀、靜態(tài)與動態(tài)多角度、多身份參與其中，使學(xué)生真實感受實驗、探索實驗，完善實驗思維模型。元宇宙虛擬實驗室可以將教師導(dǎo)入新課所創(chuàng)設(shè)的現(xiàn)實平面式情境或語義描述式情境轉(zhuǎn)化為學(xué)生可以沉浸的虛擬立體式情境，變抽象為具象，學(xué)生可形成“心流”狀態(tài)，達(dá)到實驗技能型知識的教學(xué)目標(biāo)。

4 總結(jié)與展望

元宇宙教育可以幫助中學(xué)化學(xué)教學(xué)打破現(xiàn)實與虛擬、線上與線下、時間與空間、環(huán)境與情境、理論與實驗、教師與學(xué)生之間的壁壘，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)沉浸感、參與感、互動感，有利于教師設(shè)計在線課堂、個性化課堂、創(chuàng)新課堂、游戲課堂、情境課堂等多樣化課堂，使學(xué)生和教師易于進(jìn)入“心流”狀態(tài)。

信息數(shù)字化教育是現(xiàn)今科技和教育發(fā)展的必然趨勢，在我國部分發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)建成了化學(xué)虛擬實驗室，這些雖是我國在元宇宙教育探索中的冰山一角，但對于推動我國教育現(xiàn)代化邁出了一大步。同時需要注意的是，教師在進(jìn)行化學(xué)教學(xué)活動時不能完全依賴元宇宙，而丟棄真實課堂，只有將虛擬課堂與真實課堂有機(jī)融合，相輔相成，才能達(dá)到教學(xué)最高效。當(dāng)然，現(xiàn)在元宇宙教育還面臨著重大挑戰(zhàn)，比如數(shù)據(jù)處理、資源安全與隱私、模擬情境、虛擬實驗室建構(gòu)、外配設(shè)備、課堂容納量、虛擬真實感、教學(xué)評管系統(tǒng)、交互技術(shù)、開發(fā)環(huán)境成本、區(qū)塊鏈技術(shù)等，這些技術(shù)都需要逐步完善，以便在未來不久可以實現(xiàn)教育元宇宙對中學(xué)化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用。

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