淺談元宇宙概念應用于中學化學教學

張程浩 賈義晶 劉存芳

摘要：教育元宇宙為未來中學化學課堂提供了無限可能，其中虛擬實驗室、交互技術、區塊鏈等技術具有廣闊的教學應用前景。介紹了元宇宙的相關概念，綜述了支持中學化學課堂的元宇宙技術統攝，構想了元宇宙教育在理論性知識和技能性知識的應用，旨在為學生化學學科核心素養涵育思路，為中學化學教師教學和教研提供參考。

關鍵詞：元宇宙；中學化學；化學教學

文章編號：10056629（2023）06003104中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

1 引言

在科技迅速發展，信息技術快速更新的時代，元宇宙教育被眾多學者提出，這是web 2.0到web 3.0的過渡期，是中國教育信息化發展從1.0邁向2.0的過程，是科技與教育融合觀念轉變的過程，是現實與虛擬結合的過程。我國近幾年也快速發展教育信息化、網絡化、數字化等，如黨的二十大報告里面提出“推進教育數字化，建設全民終身學習的學習型社會、學習型大國”，且明確指出到2035年基本實現信息化^［1］；2018年《教育信息化2.0行動計劃》的頒布標志著我國教育信息化建設進入新階段等。聯合國教科文組織也頒布了很多政策，如《教育政策和總體規劃中的信息通信技術指南》《一起重新構想我們的未來：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域的發展。

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

通過綜述國內外元宇宙教育文獻發現，國內關于元宇宙教育走進課堂已有一些成功案例，如華東師范大學云展廳策展課程、中國傳媒大學2020屆云畢業典禮、2022年清華大學首屆元宇宙招聘雙選會、職業教育中武漢燃氣熱力學校的燃氣輸配實訓虛擬仿真系統、中學“VR/AR+教育”實驗室、玩學世界、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、蒙特雷理工學院創新地建立了虛擬校園等。由此可見，不管是在大學的就業或學習情況，普通中學的實驗室教學或職業教育的實踐教學，還是國外中高等學校的教育，都已經有元宇宙的身影，國外的教育實踐相對于國內更成熟一些，這些只是元宇宙教育實踐的小部分，其還有很大的發展空間，使學生和教師擁有更好的教育體驗，更有利于學校和社會的發展與創新。

2 相關概念介紹

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年創作發表的科幻小說《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，即在超越現實的基礎上，通過無限的時間和空間，達到更高維度的世界。在百度百科中，元宇宙是人類運用數字技術構建的，由現實世界映射或超越現實世界，可與現實世界交互的虛擬世界，具備新型社會體系的數字生活空間。也有相關學者提出了元宇宙的概念，如張夏恒認為元宇宙是指依托互聯網、信息技術、虛擬仿真技術、數字技術等構成的一種沉浸式體驗的互聯網要素融合形態^［4］。在商業領域，易歡歡將元宇宙分為三個階段，即：第一階段，隨著數字化技術的改善，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，會出現大量除了物理人之外的虛擬人、數字人；第三階段，隨著虛擬社會進一步進入到實體社會，將形成一個虛實共生的世界^［5］。

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

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

2.2 元宇宙教育

據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，即教育依托網絡及運算技術、物聯網、區塊鏈技術、交互技術、電子游戲技術、人工智能技術等元宇宙相關技術^［9］，在教育教學活動中幫助教師授課和教研，方便學生的沉浸式情境與建模學習。我國在2021年12月14日由中國教育三十人論壇、中譯出版社和中關村互聯網教育創新中心聯合發起了“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域的滲透與使用，特別是在教育領域。本文將以中學化學教學為例，對理論性知識與技能性知識進行教學構想。

3 基于元宇宙的中學化學教學構建

中學化學教學中既包括了中學化學教學發生的空間，也包括教師、學生、教育環境、教學策略、教學載體、教學方法等各要素之間存在的關系網絡。在當今科技高速發展的時期，科技對教育造成了一定的影響，已有微課、錄課、學習通、希沃、云課堂等跨越時間和空間的化學學習課程，但學生還是僅限于面對電子產品學習，而缺少沉浸式體驗與交互式學習。元宇宙的出現，使化學教學從線下轉向線上、有限轉向無限、單向轉向雙向、平面轉向立體、被動轉向主動、現實課堂轉向虛實結合課堂，使教師在教授化學知識時所創設的沉浸式情境更為真實有效，使學生可以從虛實世界中得到無限的學習資源與發展空間，更高效地培養學生化學學科核心素養。

盡管已經有一定的科技進入到了實際課堂中，但由于教師不能夠熟練應用現代教育技術而導致依舊以現實課堂為主，以講授和演示為主，主要形式是板書和多媒體相互配合，學生進入實驗室的機會少之又少，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，有更強的交互性和更高的學習效率。

3.1 技術統攝

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統攝^［10］，如5G/6G網絡環境，可以實現沉浸式云擴展現實、全息通信、感官互聯、智慧交互實踐的實時控制，為教師教學提供網絡保障；資源生產，元宇宙教育平臺可借助5G/6G網絡環境提供給學生基礎的自學知識資源，教師可借助元宇宙教育平臺給予學生沉浸式情境教學資源或個性化教學資源，全球學?？山柚似脚_相互交換中學化學教師教授資源與學生學習資源，基于以上三種資源來源還需具有資源審查與安全，從而形成全球化學教學資源一體化、共分享；大數據處理，元宇宙依靠人工智能、云計算等對教育數據，從備課階段到課后服務階段無縫銜接處理，確保教師、學校在第一時間可以得到課堂與教學的反饋；認證機制，該機制可依托于區塊鏈技術，在學生學習的過程與結果中，通過區塊鏈技術可對學生的學習情況認證、學習成果認證、學分認證與能力素養認證等，既高效、統一地實現了教師管理，也使學生的學習過程與結果變得安全和可視化；交互界面，由機腦雙向信息交互，使學生的線上學習沉浸感更強，從二維到三維的轉換，例如在進行技能型知識學習時，學生可通過觸覺、聽覺、嗅覺、視覺等多方面、多角度參與和感受，實現學生的自然交互，使教師在備課階段通過創造，可將現實世界存在或不存在的具象化，如電子云模型、電子結構模型、基礎有機、物質的量、無機金屬與非金屬情境教學等，便于學生理解并掌握抽象知識。

3.2 理論性知識的教學構想

選自高中人教版必修第一冊第四章第二節“原子結構與元素周期表”，教師在備課環節，利用化學教研組提前搜集原子結構與元素周期表相關教學資源，根據教學目標和教育目的形成教學大綱，各教師對所帶班級實際情況因材施教、有的放矢，提前將本節課需要講授的普遍學習資源與個性化學習資源上傳至元宇宙課堂。

教師可通過原子結構的化學史來進行教學設計^{［11，12］}，在課中利用元宇宙教育平臺，帶領學生在虛擬世界中實現時空穿越，營造沉浸式情境，從科學家的角度去觀察他們是怎么發現元素的？怎么排元素周期表、發現元素周期律的？怎么構建原子結構模型的？教師在此過程中可充當導游身份，向學生講解，比如在觀摩原子結構模型時，按教學要求學習道爾頓原子模型、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，學生可以通過元宇宙的具象化，詳細地看到科學家們是怎么推理得到原子結構模型的，教師在此過程中可以實時看到學生的疑難點與學習情況，并隨時提出課堂問題供學生回答，增強師生互動。針對學困生可因材施教，由學困生的個性與習慣設置符合他們的虛實課程。在參觀完之后，教師通過交互技術、智能建模技術等對原子結構模型的發展進行總結，使學生可以橫向與縱向全面認識原子結構。在原子結構模型認知后，學生的復習鞏固相對于線下復習更具有開放性、可行性和有意義性。通過觀摩、搜集、學習其他學?；驀业慕虒W資源，多角度、多元化、可視化地完善原子結構模型的建構，提高學生自己的認知水平，形成自己的科學推理和思維模型，涵育自己的化學學科核心素養，利于學生形成證據推理與模型認知、宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養。

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，而元宇宙教育使學習者通過虛擬現實設備親身進入抽象或微觀世界進行體驗，以第一人稱視角參與其中，伴隨著直觀的場景、具有挑戰性的過程、可量化的目標和及時的反饋，讓學生在學習過程中形成“心流”狀態，產生“最優體驗”，在高度沉浸中自主完成學習，實現“習得”抽象概念的目標^［13］。

3.3 實驗技能性知識的教學構想

選自高中人教版必修第二冊第五章《實驗活動4用化學沉淀法去除粗鹽中的雜質離子》，教師在備課環節模擬場域建模，重現古法制鹽與恢復工業制鹽的場域和方法，讓學生切實感受到中國文化博大精深，也可培養學生的文化自信，學生在此情境中對比古法與工業制法的異同點，再根據學生自身已有的初中制鹽心智模型，小組合作進行探究、推理、歸納、總結、優化，最終得到小組實驗室制鹽方法。教師準備虛擬實驗室，向學生介紹實驗室安全，囑托學生穿上虛擬實驗服才可以進入實驗室，學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生自己設計的實驗方案及實驗過程的注意事項，學生可根據自己設計的實驗方案進行實驗，教師通過實時監控可掌握學生做實驗的進程與難點。

在實驗結束后學生可通過觀察實驗回放，對自己的實驗過程、實驗結論進行元認知，對他人實驗過程進行觀摩與學習，從而多角度地創新或改進實驗室制鹽方法，最終將改進方法上傳至學生平臺，教師可以統一管理、評價、反饋。在實驗過程中，學生進行實驗，可真實地感受到儀器觸碰、反應現象，更全面地培養學生的小組合作能力、互動能力、策劃協調能力、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中，教師可設置數字助理教師，協助自己完成實驗教學。在“粗鹽的提純”實驗課上，教師可在每三個學生組成的實驗組設置一名數字助理教師，方便自己實時、全面地觀察到每位學生的操作過程，比如學生在進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等，這幾步都是學生容易出錯且會引起實驗誤差的地方，當有了數字助理教師，就可以在學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字助理教師的數據匯總導出即可，在第一時間得到學生實驗反饋，方便教學反思與后續教學，以便教師在之后的化學實驗教學關注學生易操作失誤的地方，有針對性地設計實驗課堂，使學生的實驗操作能力得到全方位的提升，培養學生變化觀念與平衡思想、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任等化學學科核心素養，使學生得以全面發展。

高中化學實驗存在成本高、操作復雜、環境污染、實驗室安全等問題，而元宇宙虛擬實驗室使學生通過交互技術親身進入實驗室進行認知學習，從宏觀與微觀、靜態與動態多角度、多身份參與其中，使學生真實感受實驗、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入新課所創設的現實平面式情境或語義描述式情境轉化為學生可以沉浸的虛擬立體式情境，變抽象為具象，學生可形成“心流”狀態，達到實驗技能型知識的教學目標。

4 總結與展望

元宇宙教育可以幫助中學化學教學打破現實與虛擬、線上與線下、時間與空間、環境與情境、理論與實驗、教師與學生之間的壁壘，提高學生的學習沉浸感、參與感、互動感，有利于教師設計在線課堂、個性化課堂、創新課堂、游戲課堂、情境課堂等多樣化課堂，使學生和教師易于進入“心流”狀態。

信息數字化教育是現今科技和教育發展的必然趨勢，在我國部分發達地區已經建成了化學虛擬實驗室，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代化邁出了一大步。同時需要注意的是，教師在進行化學教學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融合，相輔相成，才能達到教學最高效。當然，現在元宇宙教育還面臨著重大挑戰，比如數據處理、資源安全與隱私、模擬情境、虛擬實驗室建構、外配設備、課堂容納量、虛擬真實感、教學評管系統、交互技術、開發環境成本、區塊鏈技術等，這些技術都需要逐步完善，以便在未來不久可以實現教育元宇宙對中學化學教學的應用。

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