◆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(dòng)計(jì)劃》，提出推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”進(jìn)程發(fā)展，標(biāo)志著信息技術(shù)將在教育領(lǐng)域開啟一個(gè)技術(shù)與教育創(chuàng)新融合的新時(shí)代。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，教育順應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求，建設(shè)高質(zhì)量教育體系，成為新時(shí)代我國(guó)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(yùn)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(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）、混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，簡(jiǎn)稱MR）、5G、云計(jì)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(shí)的高階發(fā)展產(chǎn)物[1]。元宇宙技術(shù)是將各種單項(xiàng)信息新技術(shù)所描述的線或面組裝成一個(gè)立體的、1+1 ＞2 的未來(lái)信息世界的技術(shù)，綜合了眾多信息技術(shù)以達(dá)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(lán)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(gè)方面[3]。

1.1 交互技術(shù)

交互技術(shù)包括輸入、輸出及腦機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換于人體感官，給學(xué)生帶來(lái)很大的沉浸感。就目前發(fā)展來(lái)說(shuō)，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(jì)算機(jī)上生成交互式三維虛擬世界，最大的特點(diǎn)是提供全息式的沉浸感。AR技術(shù)是一種將虛擬與現(xiàn)實(shí)巧妙融合的技術(shù)，將計(jì)算機(jī)上生成的虛擬信息進(jìn)行仿真并應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)，以達(dá)到對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的“增強(qiáng)”。

元宇宙的交互技術(shù)兼容姿態(tài)識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別甚至腦機(jī)接口等多通道，融合VR/AR 技術(shù)打通綜合感官通道[4]，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)空間的相互映射與動(dòng)態(tài)交互[5]，讓學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)時(shí)能有沉浸式體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，在虛擬現(xiàn)實(shí)的平行世界中感受化學(xué)的微妙。

1.2 電子游戲技術(shù)

運(yùn)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(dòng)內(nèi)容，進(jìn)行游戲化學(xué)習(xí)、課堂互動(dòng)、作業(yè)提交等，增強(qiáng)化學(xué)學(xué)習(xí)的趣味性。

1.3 人工智能技術(shù)

運(yùn)用人工智能技術(shù)進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的AI 建設(shè)，開展個(gè)性化學(xué)習(xí)，通過(guò)學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)挖掘，更精準(zhǔn)地進(jìn)行學(xué)情分析和課后評(píng)價(jià)、多模態(tài)情感計(jì)算，更能了解學(xué)生學(xué)習(xí)心理，并根據(jù)智能技術(shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化疏導(dǎo)，在更關(guān)注學(xué)生情感體驗(yàn)、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(kù)”等特征[6]。“去中心化”特征為化學(xué)教學(xué)提供了多成員參與機(jī)會(huì)。游戲《我的世界》，在元宇宙世界中每個(gè)人都能創(chuàng)造一個(gè)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(gè)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(cè)試更客觀反映學(xué)生的真實(shí)水平，避免學(xué)生作弊行為?！叭塘艉邸睘榛瘜W(xué)教學(xué)評(píng)價(jià)提供更為客觀、精準(zhǔn)的學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)庫(kù)，每個(gè)人都可參與數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)空邊界的教學(xué)場(chǎng)景設(shè)置

根據(jù)不同課型運(yùn)用元宇宙技術(shù)創(chuàng)設(shè)豐富、形象化、適宜的教學(xué)場(chǎng)景，有效引導(dǎo)學(xué)生調(diào)動(dòng)高階思維解決問(wèn)題。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)探究課 根據(jù)一定的教學(xué)需要將現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)需要進(jìn)行虛擬與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的切換。在進(jìn)行有毒有害物質(zhì)性質(zhì)探究時(shí)，師生佩戴相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，對(duì)物質(zhì)的顏色、狀態(tài)、氣味、性質(zhì)等進(jìn)行深入探究，這在一定程度上既可以避免實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，又能夠解決因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室建設(shè)不足、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)效果不良的問(wèn)題，通過(guò)虛、實(shí)實(shí)驗(yàn)室交互運(yùn)用以達(dá)到最好的實(shí)驗(yàn)效果。

2.1.2 概念原理課 概念原理類知識(shí)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(chǎng)景設(shè)置來(lái)幫助學(xué)生對(duì)概念、原理的理解。例如：進(jìn)行晶體主題教學(xué)時(shí)，將教學(xué)場(chǎng)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(jìn)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(shí)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情；對(duì)概念發(fā)展史教學(xué)，創(chuàng)設(shè)虛擬世界，讓學(xué)生進(jìn)入化學(xué)家時(shí)代，以“第三者”身份與化學(xué)家進(jìn)行古今對(duì)話，感受化學(xué)家是如何促進(jìn)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(jìn)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(shí)體系為線索的思維導(dǎo)圖式教學(xué)場(chǎng)景，學(xué)生可以隨時(shí)隨地調(diào)取自己所需的知識(shí)，根據(jù)不同的復(fù)習(xí)主題，調(diào)整思維導(dǎo)圖知識(shí)結(jié)構(gòu)，形成新的個(gè)性化思維導(dǎo)圖。

2.2 多渠道的知識(shí)建構(gòu)

在元宇宙的游戲技術(shù)支持下，打破知識(shí)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(shí)的方式不再是被動(dòng)的口頭傳授或是文本復(fù)述方式，而是通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的游戲闖關(guān)模式建構(gòu)知識(shí)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(shí)系統(tǒng)進(jìn)行闖關(guān)，在闖關(guān)中可以組隊(duì)合作，根據(jù)任務(wù)共同解決問(wèn)題（知識(shí)建構(gòu)）。而這種知識(shí)的建構(gòu)不受時(shí)空限制，學(xué)生學(xué)習(xí)更自由、更主動(dòng)，在沉浸式、交互式的環(huán)境中體驗(yàn)學(xué)習(xí)。

高中化學(xué)知識(shí)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(jìn)行“物質(zhì)性質(zhì)”主題教學(xué)時(shí)，通過(guò)游戲闖關(guān)形式建構(gòu)結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識(shí)，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(jìn)行組隊(duì)闖關(guān)，去探索物質(zhì)性質(zhì)，在探索過(guò)程中可以培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感，鍛煉協(xié)作能力。

在進(jìn)行“反應(yīng)原理”主題教學(xué)時(shí)，以“拯救XX 經(jīng)營(yíng)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(jìn)行實(shí)地調(diào)研、考察，通過(guò)查閱資料、收集證據(jù)，結(jié)合所學(xué)“反應(yīng)原理”主題知識(shí)開展師生合作，在平行于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬世界經(jīng)營(yíng)一家工廠，每個(gè)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(yíng)工廠并使工廠盈利，從而培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理解決生產(chǎn)中與化學(xué)相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題。

進(jìn)行“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”主題教學(xué)時(shí)，通過(guò)開展辯論賽活動(dòng)進(jìn)行該主題的認(rèn)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(shí)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(guò)查閱文獻(xiàn)資料等方式，對(duì)結(jié)構(gòu)模型和構(gòu)造模型進(jìn)行猜想驗(yàn)證，并根據(jù)對(duì)課本和文獻(xiàn)資料的理解表達(dá)自己的觀點(diǎn)，思維能力在該過(guò)程中實(shí)現(xiàn)進(jìn)階式發(fā)展。

2.3 跨身份邊界的課堂互動(dòng)

元宇宙技術(shù)支持下的課堂互動(dòng)是非主觀意志的交互過(guò)程，化學(xué)教師在課堂上提出一個(gè)問(wèn)題，所有學(xué)生均能自由表達(dá)自己的觀點(diǎn)，避免因教師主觀偏好而導(dǎo)致“一人多答”的事實(shí)發(fā)生。腦機(jī)接口技術(shù)可以讓存在語(yǔ)言障礙的學(xué)生自由表達(dá)自己的觀點(diǎn)，課堂上真正做到人人平等、全員參與，課堂互動(dòng)形式更加多元化。師生可以通過(guò)建立聊天室等方式進(jìn)行討論交流，互動(dòng)交流的載體突破僅僅依托語(yǔ)言的限制，可以是符號(hào)、代碼等，教師課堂反饋通過(guò)虛擬代幣形式。

如在進(jìn)行“甲烷的空間結(jié)構(gòu)”主題教學(xué)時(shí)，教師可以創(chuàng)立“大家都來(lái)猜一猜”聊天室，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)化學(xué)鍵知識(shí)查找相關(guān)資料表達(dá)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(gòu)買更多資料或知識(shí)，從而進(jìn)一步向深層次探究；也可以用金幣購(gòu)買更多裝備或娛樂(lè)產(chǎn)品。作為課堂獎(jiǎng)勵(lì)的一種形式，金幣獎(jiǎng)勵(lì)效果比分?jǐn)?shù)或者口頭夸獎(jiǎng)更能讓學(xué)生具有學(xué)習(xí)動(dòng)力。

2.4 多元化的教學(xué)評(píng)價(jià)

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(shí)隨地的特點(diǎn)，學(xué)生可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)提交作業(yè)。根據(jù)元宇宙的多用戶終端特點(diǎn)，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(dòng)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(guò)程中會(huì)更主動(dòng)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(dòng)起來(lái)。與此同時(shí)，作業(yè)形式也不再是單純的文本問(wèn)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(píng)價(jià)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(shí)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(píng)價(jià)方式不只局限于作業(yè)和考試，還可以實(shí)行智能化反饋評(píng)價(jià)，多模態(tài)的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)內(nèi)容也不僅關(guān)注知識(shí)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(píng)價(jià)的主線。當(dāng)學(xué)生在虛擬化學(xué)課堂教學(xué)場(chǎng)景中進(jìn)行游戲化學(xué)習(xí)時(shí)，教師通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)提供的“可靠數(shù)據(jù)庫(kù)”，精準(zhǔn)地判斷學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的特點(diǎn)與風(fēng)格，形成個(gè)性化的評(píng)價(jià)報(bào)告，根據(jù)提供的反饋，精準(zhǔn)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)業(yè)表現(xiàn)。

3 元宇宙的未來(lái)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(shí)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(guó)界交流也將成為可能，學(xué)生甚至可以實(shí)現(xiàn)“在家留學(xué)”。

然而，在機(jī)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(lái)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(gè)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(shí)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(lái)說(shuō)，還有很長(zhǎng)的路要走，這必將對(duì)元宇宙技術(shù)應(yīng)用造成一定阻礙。同時(shí)，元宇宙技術(shù)支撐下的教學(xué)需要?jiǎng)?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(rèn)真審視元宇宙技術(shù)應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，教育正在經(jīng)歷一場(chǎng)信息化革命，技術(shù)與教學(xué)的深度融合，將會(huì)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(gè)性發(fā)展，形成元宇宙時(shí)代的教育新形態(tài)、新模式、新業(yè)態(tài)。元宇宙對(duì)教育系統(tǒng)革命的到來(lái)不會(huì)太遙遠(yuǎn)，就像電腦從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)千家萬(wàn)戶，普及到生活的每個(gè)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(wú)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(jì)高速發(fā)展的中國(guó)，元宇宙的技術(shù)革命會(huì)很快到來(lái)，屆時(shí)將再一次體驗(yàn)到科技對(duì)生活的改變。而這種改變無(wú)論是對(duì)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(huì)顛覆人們的認(rèn)知。