◆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(lián)網(wǎng)+教育”進程發(fā)展，標(biāo)志著信息技術(shù)將在教育領(lǐng)域開啟一個技術(shù)與教育創(chuàng)新融合的新時代。隨著我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，教育順應(yīng)時代發(fā)展需求，建設(shè)高質(zhì)量教育體系，成為新時代我國高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略性目標(biāo)。教育的高質(zhì)量發(fā)展離不開教育信息技術(shù)的支持，隨著信息技術(shù)不斷成熟，元宇宙概念應(yīng)運而生。

元宇宙并不是一種顛覆性的新技術(shù)，它是集虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）、混合現(xiàn)實（Mixed Reality，簡稱MR）、5G、云計算、人工智能、數(shù)字孿生等新興技術(shù)于一體的虛擬現(xiàn)實的高階發(fā)展產(chǎn)物[1]。元宇宙技術(shù)是將各種單項信息新技術(shù)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(shù)，綜合了眾多信息技術(shù)以達到統(tǒng)合綜效的目的[2]。將元宇宙技術(shù)應(yīng)用于教育將產(chǎn)生巨大的發(fā)展?jié)摿?，“元宇?教育”成為教育信息化發(fā)展的藍圖。

1 元宇宙技術(shù)應(yīng)用于高中化學(xué)教學(xué)的技術(shù)支撐

元宇宙賦能高中化學(xué)教學(xué)的技術(shù)支撐主要有交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、人工智能技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)等幾個方面[3]。

1.1 交互技術(shù)

交互技術(shù)包括輸入、輸出及腦機接口等復(fù)合交互技術(shù)，該技術(shù)可以將神經(jīng)信息傳輸?shù)雀鞣N電信號轉(zhuǎn)換于人體感官，給學(xué)生帶來很大的沉浸感。就目前發(fā)展來說，交互技術(shù)以VR 技術(shù)、AR 技術(shù)為主要代表[3]。VR 技術(shù)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(shù)是一種將虛擬與現(xiàn)實巧妙融合的技術(shù)，將計算機上生成的虛擬信息進行仿真并應(yīng)用到現(xiàn)實，以達到對現(xiàn)實世界的“增強”。

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

1.2 電子游戲技術(shù)

運用電子游戲技術(shù)可以為化學(xué)教學(xué)提供極度豐富的活動內(nèi)容，進行游戲化學(xué)習(xí)、課堂互動、作業(yè)提交等，增強化學(xué)學(xué)習(xí)的趣味性。

1.3 人工智能技術(shù)

運用人工智能技術(shù)進行虛擬場景的AI 建設(shè)，開展個性化學(xué)習(xí)，通過學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)挖掘，更精準(zhǔn)地進行學(xué)情分析和課后評價、多模態(tài)情感計算，更能了解學(xué)生學(xué)習(xí)心理，并根據(jù)智能技術(shù)對學(xué)生進行個性化疏導(dǎo)，在更關(guān)注學(xué)生情感體驗、人工智能技術(shù)支持下，化學(xué)教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)更為精準(zhǔn)，化學(xué)學(xué)習(xí)效率更加高效。

1.4 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)具有“去中心化”“信息不可篡改”“ 可靠數(shù)據(jù)庫”等特征[6]?！叭ブ行幕碧卣鳛榛瘜W(xué)教學(xué)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(chuàng)造一個元宇宙。與之相似，化學(xué)課堂上，在基于原則（化學(xué)原理）的前提下，每個學(xué)生可以更自由、平等地參與游戲（學(xué)習(xí)），師生之間、生生之間更為平等。根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)“信息不可篡改”的特征，改革化學(xué)考試模式，課堂測試更客觀反映學(xué)生的真實水平，避免學(xué)生作弊行為?！叭塘艉邸睘榛瘜W(xué)教學(xué)評價提供更為客觀、精準(zhǔn)的學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)庫，每個人都可參與數(shù)據(jù)庫記錄。

2 元宇宙技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用路徑

2.1 跨時空邊界的教學(xué)場景設(shè)置

根據(jù)不同課型運用元宇宙技術(shù)創(chuàng)設(shè)豐富、形象化、適宜的教學(xué)場景，有效引導(dǎo)學(xué)生調(diào)動高階思維解決問題。

2.1.1 實驗探究課 根據(jù)一定的教學(xué)需要將現(xiàn)實實驗室與虛擬仿真實驗室相結(jié)合進行實驗探究，學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)需要進行虛擬與現(xiàn)實實驗室的切換。在進行有毒有害物質(zhì)性質(zhì)探究時，師生佩戴相應(yīng)的設(shè)備進入虛擬實驗室，對物質(zhì)的顏色、狀態(tài)、氣味、性質(zhì)等進行深入探究，這在一定程度上既可以避免實驗風(fēng)險，又能夠解決因為實驗室建設(shè)不足、實驗室專職人員缺少、儀器和藥品配備不齊全等教學(xué)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(xué)生思維發(fā)展水平還不是很高，可借助形象化的教學(xué)場景設(shè)置來幫助學(xué)生對概念、原理的理解。例如：進行晶體主題教學(xué)時，將教學(xué)場景設(shè)置為具體的晶體模型，師生在具體的晶體構(gòu)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(gòu)造，觀察晶體中微粒之間的關(guān)系，從而更輕松地區(qū)分分子晶體、原子晶體、金屬晶體之間概念的本質(zhì)區(qū)別，同時可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情；對概念發(fā)展史教學(xué)，創(chuàng)設(shè)虛擬世界，讓學(xué)生進入化學(xué)家時代，以“第三者”身份與化學(xué)家進行古今對話，感受化學(xué)家是如何促進化學(xué)概念發(fā)展的，既可以更深入地理解概念，又能夠促進化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2.1.3 復(fù)習(xí)課 復(fù)習(xí)課上，設(shè)置以知識體系為線索的思維導(dǎo)圖式教學(xué)場景，學(xué)生可以隨時隨地調(diào)取自己所需的知識，根據(jù)不同的復(fù)習(xí)主題，調(diào)整思維導(dǎo)圖知識結(jié)構(gòu)，形成新的個性化思維導(dǎo)圖。

2.2 多渠道的知識建構(gòu)

在元宇宙的游戲技術(shù)支持下，打破知識建構(gòu)以文本、圖像、音頻、視頻等形態(tài)為載體的限制，學(xué)生獲取知識的方式不再是被動的口頭傳授或是文本復(fù)述方式，而是通過任務(wù)驅(qū)動下的游戲闖關(guān)模式建構(gòu)知識系統(tǒng)。教師在客戶端發(fā)布一定的具有故事情節(jié)的游戲（學(xué)習(xí)任務(wù)），讓學(xué)生基于化學(xué)知識系統(tǒng)進行闖關(guān)，在闖關(guān)中可以組隊合作，根據(jù)任務(wù)共同解決問題（知識建構(gòu)）。而這種知識的建構(gòu)不受時空限制，學(xué)生學(xué)習(xí)更自由、更主動，在沉浸式、交互式的環(huán)境中體驗學(xué)習(xí)。

高中化學(xué)知識分為“物質(zhì)性質(zhì)”主題、“反應(yīng)原理”主題和“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”主題三大主題[7]。

在進行“物質(zhì)性質(zhì)”主題教學(xué)時，通過游戲闖關(guān)形式建構(gòu)結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識，以“拯救XX”為故事主線的任務(wù)情節(jié)，讓學(xué)生基于一定規(guī)則（課標(biāo)要求）進行組隊闖關(guān)，去探索物質(zhì)性質(zhì)，在探索過程中可以培養(yǎng)社會責(zé)任感，鍛煉協(xié)作能力。

在進行“反應(yīng)原理”主題教學(xué)時，以“拯救XX 經(jīng)營XX 工廠”為主題教學(xué)，與地區(qū)工廠企業(yè)形成教育聯(lián)盟，讓學(xué)生進行實地調(diào)研、考察，通過查閱資料、收集證據(jù)，結(jié)合所學(xué)“反應(yīng)原理”主題知識開展師生合作，在平行于現(xiàn)實世界的虛擬世界經(jīng)營一家工廠，每個學(xué)生以不同身份在企業(yè)中擔(dān)任不同職位，共同經(jīng)營工廠并使工廠盈利，從而培養(yǎng)學(xué)生運用化學(xué)反應(yīng)原理解決生產(chǎn)中與化學(xué)相關(guān)的實際問題。

進行“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”主題教學(xué)時，通過開展辯論賽活動進行該主題的認知模型建構(gòu)。該主題中的“原子結(jié)構(gòu)”板塊是掌握該主題知識的關(guān)鍵基礎(chǔ)，該板塊中有兩大核心概念，即原子的結(jié)構(gòu)模型和原子的構(gòu)造模型。學(xué)生通過查閱文獻資料等方式，對結(jié)構(gòu)模型和構(gòu)造模型進行猜想驗證，并根據(jù)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(xiàn)進階式發(fā)展。

2.3 跨身份邊界的課堂互動

元宇宙技術(shù)支持下的課堂互動是非主觀意志的交互過程，化學(xué)教師在課堂上提出一個問題，所有學(xué)生均能自由表達自己的觀點，避免因教師主觀偏好而導(dǎo)致“一人多答”的事實發(fā)生。腦機接口技術(shù)可以讓存在語言障礙的學(xué)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(jié)構(gòu)”主題教學(xué)時，教師可以創(chuàng)立“大家都來猜一猜”聊天室，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)化學(xué)鍵知識查找相關(guān)資料表達自己的猜想和判斷依據(jù)。教師發(fā)放一定的金幣作為學(xué)生合理化猜想的反饋，學(xué)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(chǎn)品。作為課堂獎勵的一種形式，金幣獎勵效果比分數(shù)或者口頭夸獎更能讓學(xué)生具有學(xué)習(xí)動力。

2.4 多元化的教學(xué)評價

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

考試是教學(xué)評價的另一種形式。區(qū)塊鏈技術(shù)支持下的考試方式和形式也發(fā)生改變，同時可以避免考試作弊的情況。

元宇宙技術(shù)支持下的化學(xué)教學(xué)評價方式不只局限于作業(yè)和考試，還可以實行智能化反饋評價，多模態(tài)的數(shù)據(jù)評價應(yīng)涵蓋創(chuàng)新思維、生理感知、情感態(tài)度、協(xié)作交流、學(xué)業(yè)表現(xiàn)等維度。教學(xué)評價內(nèi)容也不僅關(guān)注知識和能力，更加關(guān)注學(xué)生德、智、體、美、勞等綜合素質(zhì)表現(xiàn)，將立德樹人作為評價的主線。當(dāng)學(xué)生在虛擬化學(xué)課堂教學(xué)場景中進行游戲化學(xué)習(xí)時，教師通過區(qū)塊鏈技術(shù)提供的“可靠數(shù)據(jù)庫”，精準(zhǔn)地判斷學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的特點與風(fēng)格，形成個性化的評價報告，根據(jù)提供的反饋，精準(zhǔn)評價學(xué)生的學(xué)業(yè)表現(xiàn)。

3 元宇宙的未來展望與挑戰(zhàn)

元宇宙技術(shù)支持下的化學(xué)課堂的模式、師生關(guān)系都將發(fā)生革命性的變化，教學(xué)形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，虛實融合的教學(xué)模式與探究式學(xué)習(xí)將成為常態(tài)，學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造力將得到極大發(fā)展，跨國界交流也將成為可能，學(xué)生甚至可以實現(xiàn)“在家留學(xué)”。

然而，在機遇面前往往存在一定的挑戰(zhàn)。

1）學(xué)校層面，元宇宙技術(shù)需要學(xué)校具備完備的配套設(shè)施來適應(yīng)該技術(shù)的應(yīng)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(xué)生配備足夠的學(xué)習(xí)設(shè)備，這必將使元宇宙創(chuàng)造的教育公平難以實現(xiàn)。

3）教師層面，元宇宙技術(shù)操作需要授課教師掌握操作該技術(shù)的專業(yè)技能，而從目前教師信息化素養(yǎng)發(fā)展水平來說，還有很長的路要走，這必將對元宇宙技術(shù)應(yīng)用造成一定阻礙。同時，元宇宙技術(shù)支撐下的教學(xué)需要創(chuàng)新教學(xué)形態(tài)、更新教育理念，教師觀念更新速度是否能適應(yīng)元宇宙教育的需求？

由此可見，需要認真審視元宇宙技術(shù)應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，教育正在經(jīng)歷一場信息化革命，技術(shù)與教學(xué)的深度融合，將會豐富教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，突出以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，引導(dǎo)學(xué)生個性發(fā)展，形成元宇宙時代的教育新形態(tài)、新模式、新業(yè)態(tài)。元宇宙對教育系統(tǒng)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(fā)展和革新一樣，從最開始的有線傳輸?shù)浆F(xiàn)在的無線4G、5G，信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展到現(xiàn)在如此的高度。在經(jīng)濟高速發(fā)展的中國，元宇宙的技術(shù)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(xué)習(xí)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。