教育元宇宙赋能信息科技算法具身性学习

常国将，李宣

（贵州师范大学教育学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

21世纪是信息科技的时代，信息科技是推动社会变革和促进社会数字化转型的核心动力，发展信息科技也成为世界各国的首要战略。时代需求倒逼教育变革，建设信息科技课程是我国实施数字化转型战略的必然要求，教育部印发《2022 版义务教育课程方案》，将义务教育阶段信息技术改为信息科技并设置为国家课程，这无疑是我国信息科技教育发展进程中历史性的进步，顺应了智能时代的人才需求，《2022版义务教育阶段信息科技课程标准》对课程内容结构做了很大调整，“算法”作为六个逻辑主线之一，贯穿整个义务教育阶段的信息科技课程，其目的重在培养学生创新能力、计算思维以及其他适应人工智能时代发展的能力与素养。面对未来程序化的生活和工作模式，以算法为代表的计算思维是每个公民必须具备的思维素养，人工智能时代的计算思维如同20世纪的阅读与书写能力，是21世纪公民必备核心素养之一，因此在义务教育阶段开设面向全体学生的信息科技课程是极为必要的。

新技术的出现往往会对教育教学方式产生极大变革。教育元宇宙是一种旨在提供数字化、智能化的新型教学环境，它将真实世界和虚拟世界相融合，为学生提供更加个性化、自主化以及更多探索创新空间的学习环境，不仅能够改变传统的教学环境和方式，还将对教育目标的实现产生深远的影响。教育元宇宙依托于VR、AR 等各种虚拟环境的建构，学生通过头戴式显示器、数字手套等设备，进入一个沉浸式、强交互的学习场景中，获取知识和提升技能，并潜移默化地养成各种高阶思维素养。计算思维等高阶思维的培养仅靠教师的讲授难以达成预期学习目标，更多是使学生在具身认知环境中切身体会、体验和感悟所养成。传统的教学媒介难以胜任高度抽象的算法教学任务，因此为学生营造具身认知情境，使用元宇宙各项技术呈现算法是突破算法教学困境的有效路径。

1 信息科技课标的算法教学理念

1.1 算法及算法教学

课标设置了“身边的算法”这一独立模块作为算法学习内容，此外算法作为逻辑主线贯穿整个义务教育阶段课程，并且在高中阶段的信息技术课程中将深入学习。狭义的算法是指计算机科学中对某一问题解决过程的一种描述框架，通常包括具体操作的指令和相应数据的结构。从理论上来说，算法是以计算逻辑作为核心的一种形式化方法，可以描述复杂的计算和决策过程，并规定了一系列计算步骤和参数，以使计算机按照一定的规则执行以达到特定的目标。广义上讲，算法可以定义为用于解决特定问题或实现特定任务的一系列步骤，也称为求解问题的流程步骤。在日常生活中，我们经常使用各种算法来解决问题，如食品烹饪、制作手工艺品、组织任务等问题，这些算法可以大幅提高工作效率。

过去由于教学目标以培养知识与技能为主，我国算法教学通常以编程教育的方式进行，以计算机编程语言学习为主要内容，以记忆编程语法语句为主要学习手段，考核方式以程序编写和调试为主。算法学习与编程各自独立，基础语法占据了大量的学习时间与精力，算法思维培养欠缺，对思维能力的养成不够理想，与当前以学科核心素养为教学目标的教育理念不符。“科”与“技”并重的信息科技课程并不是原来信息技术课程的简单升级，而是课程理念、课程内容与教学方式的全新重构，算法的教学目标也发生了根本性变化，从原来重编程语法知识、重特定算法的掌握，转变成重科学素养、创新思维和问题解决，由知识和技能的学习变成核心素养的培养。

1.2 计算思维核心素养教学目标

教育的根本任务是立德树人，学科核心素养目标是立德树人根本任务的具体体现，信息科技课程目标主要体现为培养学生能够适应数字化时代的数字素养，包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新和信息社会责任，四个方面相互支持，共同促进学生数字素养与能力的提升，其中计算思维作为程序驱动时代基础且关键的核心素养，对增强信息意识和提升数字化学习与创新能力具有先导作用。信息科技核心素养的四个维度结构如图1所示。

图1 信息科技核心素养的四个维度结构图

关于计算思维概念的提出学界有两种观点，一是哥伦比亚大学计算机科学教授周以真在2006 年卡内基梅隆大学任教期间提出的，认为计算思维是利用计算机科学的基本概念进行问题求解、系统设计并且理解人类行为的思维活动[1]。其次是被誉为“儿童编程教育的鼻祖”“人工智能的四大先驱之一”以及“计算机教育之父”的西蒙·派珀特[2]，早在20世纪70年代派珀特就有预见性地提出可以利用计算机来培养孩子的思维能力和教孩子如何思考问题解决的方法，而不仅仅是学会计算机的操作技能[3]。派珀特对计算思维进行了简单的界定，指出计算思维是使用计算表征的功能表达观点，使其更加清晰、明了的过程[4]。计算机科学与电信委员会（CSTB）认为，计算思维是21 世纪学生的核心能力，将其列为与阅读、写作与算术等基本素养同等重要的位置[5]。义务教育信息科技课程标准中指出“计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等一系列的思维活动”[6]。面对人工智能时代公民适应社会的需要，计算思维是一项普适性的素养和能力，基础教育阶段学生计算思维的有效培养是使其适应社会的基础需求，也是为社会和国家培养创新型高素质人才的基础。

算法作为逻辑主线贯穿整个信息科技课程体系，是培养计算思维的主要内容，但算法教学的实施面临着众多挑战。其中，义务教育阶段学生的年龄偏低，认知能力不足以及计算机科学相关的知识储备不充足等因素，都会成为抽象的算法学习过程中所面临的困难。为此，如何让学生更好地理解算法的核心思想和逻辑原理，需要不断探索有效的算法教学方法和手段。而对于低龄儿童来说将抽象的算法以适当的方式呈现对其理解至关重要，算法教学工具和平台对算法教学效果具有很大的影响。

新课标对一线教学的实施提出了建议，推进以学生为主体的创新式“教”“学”方式，把握数字化学习特点，合理使用数字化平台、工具和资源，运用线上实验、模拟、仿真等方式引导学生自主学习。因此融合了虚拟现实、混合现实等仿真技术的元宇宙为信息科技算法学习提供了一条可行的变革之路。戴尔的经验之塔描述了人类借助感官获取的三类经验，即做的经验、观察的经验和抽象的经验[7]。正如新课标理念所描述，算法学习必须先依靠学生已有的直接经验，在做中学进而培养抽象的经验。

2 教育元宇宙构建算法具身认知情境

元宇宙由现实世界、虚拟世界和内心世界融合而成，是人类社会高度数字化和智能化以后形成的数字社会新形态。用户在虚拟世界中使用元宇宙身份从事学习、社交、娱乐、生产、经营、社会治理等活动，逐步建立一种新的数字文明[8]。元宇宙塑造了视觉沉浸的教育立体空间场域，支撑其科学发展的相关理论将从离身向具身转变[9]，教育领域元宇宙将极大变革现有的教育教学模式，教育元宇宙的众多特征对改进算法学习，提升计算思维培养效果具有不可估量的作用。

2.1 教育元宇宙及其特征

教育元宇宙是利用VR/AR/MR、数字孪生、5G、人工智能、区块链等新兴信息技术塑造的虚实融合教育环境，是虚拟与现实全面交织、人类与机器全面联结、学校与社会全面互动的智慧教育环境高阶形态[10]。教育元宇宙通过创新人才培养模式、提供多样化教育资源和无限的创作空间、构建多元化算法学习活动和学习模式、开展智能化和过程性的学习评价，给予及时且全面动态反馈，以期达成促进学习者核心素养养成的目标。

面向教育的元宇宙具有一系列独特的属性如：虚拟沉浸性、立体交互性、自主创造性、智能性等，使得教育元宇宙成为一种极具吸引力和潜力巨大的教育途径。中国工程院院士赵沁平教授提出了虚拟现实和人工智能融合的技术将是改变未来教育形态的巨大推力。虚拟现实和虚拟交互技术是元宇宙的呈现载体，而人工智能将赋予元宇内核角色，如ChatGPT等生成式人工智能的巨大突破将为虚拟智能导师的设计创造巨大可能，因此虚拟沉浸性和智能性是教育元宇宙的最主要特征。在大数据、区块链和5G 互联网的支持下，依托混合现实技术，将为使用者提供更多与数字人交互和与他人的增强现实交互等更为真实的多元交互体验。此外，教育元宇宙结合了VR、AR和3D技术等，为学生提供无限的立体创新创作空间，如科技巨头苹果公司与Unity3D合作，将二维平面的App 改造成沉浸式呈现方式，以Vision Pro 混合现实眼镜为代表的浸媒体产品将迎来爆发式发展。

当前的元宇宙的教育应用研究主要聚焦于基于元宇宙的教学改革，主要体现在利用元宇宙建构学科教学或某些专项教学场景。如语言学科、医学、红色思政教学等，通过搭建元宇宙仿真语言学习空间、创设元宇宙医用放射仪器操作场景、在元宇宙中开设户外安全课程等建构具身性的教学体验情境。

综上所述，教育元宇宙是以教育为目的而建设的新型数字化教育环境，教育元宇宙是未来教育环境的发展方向。在许多教育领域已经得到初步的应用探索，其所具备的高度沉浸性、智能化、多元交互性等特征，对建构算法教育教学模式，对于改变自工业时代以来所建立的班级授课制教育模式是一次巨大机遇。

2.2 算法具身认知情境建构

具身认知理论（Embodied Cognition Theory）是一种认知科学理论，认为人类的思维过程是与身体经验紧密相关的，即人类的身体、感觉和动作等方面的经验对于人的思维和认知具有重要的影响，具身认知强调“具身性”与“情境化”，主张真实世界的认知发生在特定的环境中，具有极为实际的目的，是高度具身化和情境化的活动[11]。身体参与的学习过程会为学习者带来更丰富的感知觉体验和动作表征，帮助学习者获得程序性知识[12]。计算思维等高阶思维的养成离不开实际问题化的教学情境，只有沉浸于具身环境中切身体会才能高效形成计算思维和培养问题解决能力。

依靠传统的教学媒体创造具身认知环境极为困难且效果不佳。虚拟现实及增强现实等沉浸式技术的发展，为具身认知环境的再造提供了可能，具身认知理论的应用领域得以延展。元宇宙所包含的混合现实技术可以为用户提供高度沉浸、仿真的数字化环境，使算法在虚拟世界中以生活化形象化的直观方式呈现，极大降低算法的抽象性和学生的认知负荷。教育元宇宙的深度沉浸性与真实多元交互性能够较为轻松地为学生创建具身认知情境，创建直观的算法学习空间，让学习者更容易投入和参与算法的学习与应用，提升计算思维水平。

3 元宇宙算法教学模式探索

元宇宙相关技术的不断迭代升级，越来越多的教育场景正在被数字化改造，从传统的教育方式向更加智能化、个性化的教育模式转型，教育元宇宙将重构算法学习模式，变革传统的以编程教育来教授算法的模式，创建具身学习情境，在多元交互情境中进行个性化的自主学习与探索创新。

3.1 沉浸式具身学习体验

利用元宇宙中的混合现实技术，可以为学生创造沉浸式的算法学习体验，让学生在虚拟场景中观察、操作和验证算法的原理。区别于传统的代码演示，教育元宇宙环境中可以选择的呈现方式多样，针对不同的学生群体及其身心发展特点，教师或教学设计师需要为学生创建符合其认知特征及喜好的呈现方式。对于义务教育阶段低年级学生而言，有必要降低算法抽象性的程度，以直观的表述呈现出来，在耳濡目染的具身学习场景下培养计算思维。如使用VR/AR 眼镜，创建真实的数字模型资源，让学生进入一个模拟的机器人工厂，通过编写和执行算法指令，控制机器人完成各种任务，与传统教学媒体所不同的是这样的情境是具身性的逼真工作场景，培养学生实际操作和解决问题的能力。

3.2 虚拟化全感官社交学习

利用元宇宙平台的空间互联属性，使得学习者可以实现真实的人与人的交互、虚拟仿真资源交互、真实世界与虚拟世界的交互。一方面教师可以创建算法学习小组，为学生提供开放便捷的算法编程交流学习环境，让学生在虚拟世界中设计、构建、分享和交流自己的作品。例如，使用Roblox 等在线游戏学习平台，学生可利用虚拟硬件、图形化或文本化的编程语言，创建自己的游戏场景和角色，强大的社区交互性使得学习者可以与其他学习者方便快捷地交流学习，极大提升小组合作学习的效率及参与感。另一方面，对比传统的互联网人机交互，元宇宙提供的交互更为生动形象，以数字人等模拟人类的形式呈现交互信息，以高度的临场感提升学习者对信息的感知度。如低年级学生在学习各种排序算法时，可以使用3D 资源来进行演示呈现排序算法的工作原理，改变传统使用代码演示的方式很大程度上降低算法的抽象性。

3.3 个性化学习智能指导

算法编程教育需要更多关注情感支持及认知过程，智能导师系统成为解决信息科技师资匮乏及满足个性化学习的最佳方案，由人类教师与虚拟智能导师合作设计算法学习策略。元宇宙教育系统集成类似于ChatGPT等大型语言处理人工智能，如图2所示，设计智能导师系统为学生提供学习过程的指导，收集学习过程性数据，并为学生推送个性化的资源和算法学习策略。人类教师唤醒学生的学习动机、在学习过程中渗透情感态度，确定学习目标及学习策略，在学完之后，使用教育元宇宙数据收集系统为学生提供学习反思建议。如在进行科创项目式学习时，导师实时跟踪学生学习情况，记录学习过程性数据及学生认知风格、能力水平等；根据已有学生数据进行适应性训练符合学生独有的学习方案。

图2 人类教师与数字智能导师合作模式

3.4 创建无限探索的科创空间

算法学习最优的方式是以科创教育的方式进行，现有的科创教育中将编程硬件资源如乐高积木、小型机器人、Arduino和Micro:bit等开源硬件平台引入算法编程课堂进行STEAM 教育和项目式教学，能够有效激发学生的探索欲望和提高实践能力。但硬件教学资源总是有限且不易管理保存，而诸如此类的3D 数字化模型资源建设可以解决此问题，数字化资源的建设没有空间限制，在教育元宇宙中进行模拟操作不仅可以提供高度逼真的学习体验，而且在经济、时间和风险等方面均具有显著优势。此外，学生能够有充足的机会进行反思、优化和解决问题，进一步深化对知识和思维模式的理解和应用。

4 结语

教育元宇宙所具有的虚拟沉浸性、交立体互性、自主创造性、智能性等特征很好地契合了新课标信息科技课程核心素养提升的需求，对于算法等抽象性高的学习内容能够较容易地创设具身性学习情境，建构身心一体的学习场景。目前关于教育元宇宙在算法学习中的运用与研究尚不多见，但这确实是提高算法教学的一条有效途径，只有创建具身认知情境，在真实地解决问题过程中学习才能真正体现算法学习的意义。未来教育元宇宙还是应面向学科核心内容、参照我国学生发展核心素养，设计开发更多的适合各科甚至专用于培养特定思维素养或能力的学习系统。