浅谈元宇宙概念应用于中学化学教学

张程浩 贾义晶 刘存芳

摘要：教育元宇宙为未来中学化学课堂提供了无限可能，其中虚拟实验室、交互技术、区块链等技术具有广阔的教学应用前景。介绍了元宇宙的相关概念，综述了支持中学化学课堂的元宇宙技术统摄，构想了元宇宙教育在理论性知识和技能性知识的应用，旨在为学生化学学科核心素养涵育思路，为中学化学教师教学和教研提供参考。

关键词：元宇宙；中学化学；化学教学

文章编号：10056629（2023）06003104中图分类号：G633.8文献标识码：B

1 引言

在科技迅速发展，信息技术快速更新的时代，元宇宙教育被众多学者提出，这是web 2.0到web 3.0的过渡期，是中国教育信息化发展从1.0迈向2.0的过程，是科技与教育融合观念转变的过程，是现实与虚拟结合的过程。我国近几年也快速发展教育信息化、网络化、数字化等，如党的二十大报告里面提出“推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”，且明确指出到2035年基本实现信息化^［1］；2018年《教育信息化2.0行动计划》的颁布标志着我国教育信息化建设进入新阶段等。联合国教科文组织也颁布了很多政策，如《教育政策和总体规划中的信息通信技术指南》《一起重新构想我们的未来：为教育打造新的社会契约》《教育的未来简报》等，以此鼓励元宇宙在教育领域的发展。

元宇宙教育可以帮助中学教师更好地设计开放型课堂，特别像理科实验室；可以方便教师管理与评价学生，更快地形成“教、学、评、管”一体化；可以实现教育全球化，类似于大学中所推广的慕课、学习通等；可以实现虚拟现实的多样化等。元宇宙教育的最终实现可以有效切实地帮助学校、教师、学生、家庭、社会之间的联系，使教育走向全国，乃至全球，达到教育终身化、社会化、全球化。

通过综述国内外元宇宙教育文献发现，国内关于元宇宙教育走进课堂已有一些成功案例，如华东师范大学云展厅策展课程、中国传媒大学2020届云毕业典礼、2022年清华大学首届元宇宙招聘双选会、职业教育中武汉燃气热力学校的燃气输配实训虚拟仿真系统、中学“VR/AR+教育”实验室、玩学世界、萌科科技VR智慧教室等。国外的教育实践也如过江之鲫，如Gather.town助力韩国教育+元宇宙、蒙特雷理工学院创新地建立了虚拟校园等。由此可见，不管是在大学的就业或学习情况，普通中学的实验室教学或职业教育的实践教学，还是国外中高等學校的教育，都已经有元宇宙的身影，国外的教育实践相对于国内更成熟一些，这些只是元宇宙教育实践的小部分，其还有很大的发展空间，使学生和教师拥有更好的教育体验，更有利于学校和社会的发展与创新。

2 相关概念介绍

2.1 元宇宙

元宇宙，英文名是Metaverse，最初是出自于美国著名科幻作家丹尼·史蒂芬在1992年创作发表的科幻小说《雪崩》，最初的译本中“Metaverse”是“超元域”的意思，在之后因习惯译法，翻译成“元宇宙”^［2］，自此元宇宙诞生，这本书中对虚拟世界和未来科技社会的构想给人们提供了巨大的想象力空间。

自2021年元宇宙元年诞生，何为元宇宙，众说纷纭，如根据字面意思，“Meat”是“元”的意思，即“超越”，“Universe”是“宇宙”的意思，即“无限空间、无限时间”^［3］，合在一起就是元宇宙的字面意思，即在超越现实的基础上，通过无限的时间和空间，达到更高维度的世界。在百度百科中，元宇宙是人类运用数字技术构建的，由现实世界映射或超越现实世界，可与现实世界交互的虚拟世界，具备新型社会体系的数字生活空间。也有相关学者提出了元宇宙的概念，如张夏恒认为元宇宙是指依托互联网、信息技术、虚拟仿真技术、数字技术等构成的一种沉浸式体验的互联网要素融合形态^［4］。在商业领域，易欢欢将元宇宙分为三个阶段，即：第一阶段，随着数字化技术的改善，它会形成一个无比巨大的虚拟世界；第二阶段，随着参与主体的增多，会出现大量除了物理人之外的虚拟人、数字人；第三阶段，随着虚拟社会进一步进入到实体社会，将形成一个虚实共生的世界^［5］。

简单地理解什么是元宇宙，是指现实人利用网络技术，在虚拟世界中得到数字孪生，从而构建出超越时间和空间的虚拟世界，现实人可以在虚拟世界和现实世界中任意切换，打破现实世界中的一些壁垒，模糊虚拟与现实的边界，最终达到虚实共生的虚拟现实世界。

元宇宙在科幻电影或游戏中已经有所体现，如《电子世界争霸战》《黑客帝国》《头号玩家》《创战纪》《我的世界》《第二银河》等^［6］；在军事层面有模拟战场等；在社交中每个玩家可以根据自己的喜好创建一个角色，并在社交平台中利用虚拟角色，打破时间和空间的局限，进行更广泛的社交活动等；在商业中如淘宝、天猫、京东等，但是元宇宙在教育领域的影响相对其他领域来说微乎其微，这也使美国苹果手机创始人乔布斯提出了疑问：“为什么计算机改变了几乎所有的领域，却唯独对教育领域的影响小得令人吃惊？^［7］”相信通过众多国内外学者在元宇宙的不断探讨与摸索，在不远的将来可以解决乔布斯之问。

2.2 元宇宙教育

据对元宇宙概念的解释，就会得到元宇宙教育的概念，英文是“Meducation”或“Edu-Metaverse”，其英文构造是由“Metaverse”和“Education”组合而来^［8］，是在元宇宙中实施教育，即教育依托网络及运算技术、物联网、区块链技术、交互技术、电子游戏技术、人工智能技术等元宇宙相关技术^［9］，在教育教学活动中帮助教师授课和教研，方便学生的沉浸式情境与建模学习。我国在2021年12月14日由中国教育三十人论坛、中译出版社和中关村互联网教育创新中心联合发起了“元宇宙教育实验室”，旨在通过对元宇宙的探索，拓宽元宇宙在各个领域的渗透与使用，特别是在教育领域。本文将以中学化学教学为例，对理论性知识与技能性知识进行教学构想。

3 基于元宇宙的中学化学教学构建

中学化学教学中既包括了中学化学教学发生的空间，也包括教师、学生、教育环境、教学策略、教学载体、教学方法等各要素之间存在的关系网络。在当今科技高速发展的时期，科技对教育造成了一定的影响，已有微课、录课、学习通、希沃、云课堂等跨越时间和空间的化学学习课程，但学生还是仅限于面对电子产品学习，而缺少沉浸式体验与交互式学习。元宇宙的出现，使化学教学从线下转向线上、有限转向无限、单向转向双向、平面转向立体、被动转向主动、现实课堂转向虚实结合课堂，使教师在教授化学知识时所创设的沉浸式情境更为真实有效，使学生可以从虚实世界中得到无限的学习资源与发展空间，更高效地培养学生化学学科核心素养。

尽管已经有一定的科技进入到了实际课堂中，但由于教师不能够熟练应用现代教育技术而导致依旧以现实课堂为主，以讲授和演示为主，主要形式是板书和多媒体相互配合，学生进入实验室的机会少之又少，致使了课堂效率有时不高、课堂容量有时不足或过饱和等。但在元宇宙中，这些都会变得具有沉浸感，有更强的交互性和更高的学习效率。

3.1 技术统摄

元宇宙教育课堂不论是理论性知识还是技能性知识都具备了一定的技术统摄^［10］，如5G/6G网络环境，可以实现沉浸式云扩展现实、全息通信、感官互联、智慧交互实践的实时控制，为教师教学提供网络保障；资源生产，元宇宙教育平台可借助5G/6G网络环境提供给学生基础的自学知识资源，教师可借助元宇宙教育平台给予学生沉浸式情境教学资源或个性化教学资源，全球学校可借助此平台相互交换中学化学教师教授资源与学生学习资源，基于以上三种资源来源还需具有资源审查与安全，从而形成全球化学教学资源一体化、共分享；大数据处理，元宇宙依靠人工智能、云计算等对教育数据，从备课阶段到课后服务阶段无缝衔接处理，确保教师、学校在第一时间可以得到课堂与教学的反馈；认证机制，该机制可依托于区块链技术，在学生学习的过程与结果中，通过区块链技术可对学生的学习情况认证、学习成果认证、学分认证与能力素养认证等，既高效、统一地实现了教师管理，也使学生的学习过程与结果变得安全和可视化；交互界面，由机脑双向信息交互，使学生的线上学习沉浸感更强，从二维到三维的转换，例如在进行技能型知识学习时，学生可通过触觉、听觉、嗅觉、视觉等多方面、多角度参与和感受，实现学生的自然交互，使教师在备课阶段通过创造，可将现实世界存在或不存在的具象化，如电子云模型、电子结构模型、基础有机、物质的量、无机金属与非金属情境教学等，便于学生理解并掌握抽象知识。

3.2 理论性知识的教学构想

选自高中人教版必修第一册第四章第二节“原子结构与元素周期表”，教师在备课环节，利用化学教研组提前搜集原子结构与元素周期表相关教学资源，根据教学目标和教育目的形成教学大纲，各教师对所带班级实际情况因材施教、有的放矢，提前将本节课需要讲授的普遍学习资源与个性化学习资源上传至元宇宙课堂。

教师可通过原子结构的化学史来进行教学设计^{［11，12］}，在课中利用元宇宙教育平台，带领学生在虚拟世界中实现时空穿越，营造沉浸式情境，从科学家的角度去观察他们是怎么发现元素的？怎么排元素周期表、发現元素周期律的？怎么构建原子结构模型的？教师在此过程中可充当导游身份，向学生讲解，比如在观摩原子结构模型时，按教学要求学习道尔顿原子模型、汤姆生原子模型、卢瑟福原子模型、玻尔原子模型、电子云模型等，学生可以通过元宇宙的具象化，详细地看到科学家们是怎么推理得到原子结构模型的，教师在此过程中可以实时看到学生的疑难点与学习情况，并随时提出课堂问题供学生回答，增强师生互动。针对学困生可因材施教，由学困生的个性与习惯设置符合他们的虚实课程。在参观完之后，教师通过交互技术、智能建模技术等对原子结构模型的发展进行总结，使学生可以横向与纵向全面认识原子结构。在原子结构模型认知后，学生的复习巩固相对于线下复习更具有开放性、可行性和有意义性。通过观摩、搜集、学习其他学校或国家的教学资源，多角度、多元化、可视化地完善原子结构模型的建构，提高学生自己的认知水平，形成自己的科学推理和思维模型，涵育自己的化学学科核心素养，利于学生形成证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。

理论性知识较为抽象难懂，通常需要教师讲解后多次加工方可理解，而元宇宙教育使学习者通过虚拟现实设备亲身进入抽象或微观世界进行体验，以第一人称视角参与其中，伴随着直观的场景、具有挑战性的过程、可量化的目标和及时的反馈，让学生在学习过程中形成“心流”状态，产生“最优体验”，在高度沉浸中自主完成学习，实现“习得”抽象概念的目标^［13］。

3.3 实验技能性知识的教学构想

选自高中人教版必修第二册第五章《实验活动4用化学沉淀法去除粗盐中的杂质离子》，教师在备课环节模拟场域建模，重现古法制盐与恢复工业制盐的场域和方法，让学生切实感受到中国文化博大精深，也可培养学生的文化自信，学生在此情境中对比古法与工业制法的异同点，再根据学生自身已有的初中制盐心智模型，小组合作进行探究、推理、归纳、总结、优化，最终得到小组实验室制盐方法。教师准备虚拟实验室，向学生介绍实验室安全，嘱托学生穿上虚拟实验服才可以进入实验室，学生通过感官与心理真实地沉浸在制盐过程中，每个实验台上都有学生自己设计的实验方案及实验过程的注意事项，学生可根据自己设计的实验方案进行实验，教师通过实时监控可掌握学生做实验的进程与难点。

在实验结束后学生可通过观察实验回放，对自己的实验过程、实验结论进行元认知，对他人实验过程进行观摩与学习，从而多角度地创新或改进实验室制盐方法，最终将改进方法上传至学生平台，教师可以统一管理、评价、反馈。在实验过程中，学生进行实验，可真实地感受到仪器触碰、反应现象，更全面地培养学生的小组合作能力、互动能力、策划协调能力、动手能力、实验探究能力等多元化能力。

在实验技能型知识的教学中，教师可设置数字助理教师，协助自己完成实验教学。在“粗盐的提纯”实验课上，教师可在每三个学生组成的实验组设置一名数字助理教师，方便自己实时、全面地观察到每位学生的操作过程，比如学生在进行粗盐浊液的过滤操作、玻璃棒引流操作、除杂液滴入顺序、蒸馏水加入量、浓缩时氯化钠溶液状态等，这几步都是学生容易出错且会引起实验误差的地方，当有了数字助理教师，就可以在学生即将出错时及时纠正，避免因错误操作引起实验室安全问题。教师随后只需将每位数字助理教师的数据汇总导出即可，在第一时间得到学生实验反馈，方便教学反思与后续教学，以便教师在之后的化学实验教学关注学生易操作失误的地方，有针对性地设计实验课堂，使学生的实验操作能力得到全方位的提升，培养学生变化观念与平衡思想、科学探究与创新意識、科学态度与社会责任等化学学科核心素养，使学生得以全面发展。

高中化学实验存在成本高、操作复杂、环境污染、实验室安全等问题，而元宇宙虚拟实验室使学生通过交互技术亲身进入实验室进行认知学习，从宏观与微观、静态与动态多角度、多身份参与其中，使学生真实感受实验、探索实验，完善实验思维模型。元宇宙虚拟实验室可以将教师导入新课所创设的现实平面式情境或语义描述式情境转化为学生可以沉浸的虚拟立体式情境，变抽象为具象，学生可形成“心流”状态，达到实验技能型知识的教学目标。

4 总结与展望

元宇宙教育可以帮助中学化学教学打破现实与虚拟、线上与线下、时间与空间、环境与情境、理论与实验、教师与学生之间的壁垒，提高学生的学习沉浸感、参与感、互动感，有利于教师设计在线课堂、个性化课堂、创新课堂、游戏课堂、情境课堂等多样化课堂，使学生和教师易于进入“心流”状态。

信息数字化教育是现今科技和教育发展的必然趋势，在我国部分发达地区已经建成了化学虚拟实验室，这些虽是我国在元宇宙教育探索中的冰山一角，但对于推动我国教育现代化迈出了一大步。同时需要注意的是，教师在进行化学教学活动时不能完全依赖元宇宙，而丢弃真实课堂，只有将虚拟课堂与真实课堂有机融合，相辅相成，才能达到教学最高效。当然，现在元宇宙教育还面临着重大挑战，比如数据处理、资源安全与隐私、模拟情境、虚拟实验室建构、外配设备、课堂容纳量、虚拟真实感、教学评管系统、交互技术、开发环境成本、区块链技术等，这些技术都需要逐步完善，以便在未来不久可以实现教育元宇宙对中学化学教学的应用。

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