元宇宙技術(shù)應(yīng)用于高中生物學教學

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元宇宙(Metaverse)是基于虛擬現(xiàn)實、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)與云計算、5G通信、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)搭建的一個具備身份、朋友、沉浸感、低延遲等特征的，集創(chuàng)造、娛樂、展示、社交和交易等功能于一身的平行于現(xiàn)實世界的數(shù)字化綜合平臺［1］。該詞匯首次出現(xiàn)于小說《雪崩》中，近年來，由于虛擬金融、土地與藝術(shù)品交易的火熱，大量資本進駐元宇宙，助推其與各行業(yè)融合不斷加深［2］。

1元宇宙技術(shù)與教學的聯(lián)系

2007年Abeles指出，多用戶的虛擬環(huán)境以及元宇宙技術(shù)將會對教育產(chǎn)生巨大的變革［3］。2017年，國務(wù)院頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》為數(shù)字化教學發(fā)展指明了新的方向，也為元宇宙技術(shù)在教學中的應(yīng)用提供了發(fā)展契機。2020年新冠肺炎疫情推動線上教學發(fā)展，教育元宇宙因其可為教學提供新的支持，為學習提供新的場域，被視為未來教育的形態(tài)。［4，5］利用元宇宙技術(shù)直觀、沉浸、交互、可信的特點，充分融合虛實教學環(huán)境，可推動學習者對概念的理解與接受。然而，學界對元宇宙技術(shù)在教育教學中的應(yīng)用缺乏深入研究。因此，本文通過設(shè)計元宇宙技術(shù)在高中生物學教學中的應(yīng)用場景，分析其現(xiàn)存的困難與挑戰(zhàn)，展現(xiàn)元宇宙技術(shù)在生物學教學實際應(yīng)用中的潛力與價值。

2元宇宙技術(shù)在生物學課堂中的應(yīng)用場景思考

2．1虛擬現(xiàn)實技術(shù)可具象化

抽象概念虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過計算機、頭戴式顯示設(shè)備、傳感器及多種輸出設(shè)備，對參與者的視覺、聽覺乃至觸覺和嗅覺環(huán)境進行模擬，并可根據(jù)用戶的自身感覺進行操作。其多感知性、交互性和自主性的特征，使之成為現(xiàn)實世界在數(shù)字世界的延展［6］，并被用于軍事、醫(yī)學、游戲、設(shè)計和教育等領(lǐng)域［7］。高中生物學中部分抽象概念，通常需要學習者在教師講解后進行二次加工后方可理解。對學習者而言，晦澀的抽象概念可能會對意識本體的內(nèi)在信息構(gòu)成威脅，因而講解之初，學習者會形成一種內(nèi)在失序的現(xiàn)象，這將極大影響學習的興趣和欲望，降低學習能力、破壞學習狀態(tài)，形成“我不理解”與“我不想學”的惡性循環(huán)并最終放棄。虛擬現(xiàn)實輔助教學的優(yōu)勢在于，將原先需要通過教師創(chuàng)設(shè)情境方能解釋的抽象概念，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習者可高度參與的學習過程。依照MihalyCsikszentmihalyi的“心流理論”，當人在專注于某一種行為時，其表現(xiàn)出的心理狀態(tài)為更不愿被人打擾，能將精力更集中于該項活動中，最終獲得高度的興奮感和充實感。在生物學抽象概念的學習過程中，學習者通過虛擬現(xiàn)實設(shè)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(zhàn)性的過程、可量化的目標和及時的反饋，讓學習者在學習過程中構(gòu)成心流，產(chǎn)生“最優(yōu)體驗”，在高度沉浸中自主完成學習(圖1)，最終通過“條件反射”實現(xiàn)“習得”抽象概念的目標。

2．2數(shù)字孿生課堂可打破教學的時間與空間限制

數(shù)字孿生技術(shù)是在虛擬空間中利用計算機模擬技術(shù)形成的一個可充分反映物理實體全部特征的數(shù)字等同體［8］，可讓用戶在遠程狀態(tài)下對該物理實體的形成過程、應(yīng)用狀態(tài)及行為進行預(yù)測、體驗和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)因其所具有的安全、低成本、無污染、高度靈活等特征而被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)、工業(yè)制造與檢測及設(shè)備檢修與維護中。已有的數(shù)字孿生課堂是以虛擬現(xiàn)實為載體對課堂或?qū)嶒炦M行模擬，實現(xiàn)對線下教學的補充，一定程度上可提高學習者的學習興趣，但其在線上教學中的深層次應(yīng)用價值并未被真正挖掘與探討。新冠肺炎疫情使學生不得不在線學習，這使得線上教育軟件與行業(yè)迅猛發(fā)展，然而此類線上教學形式實則為短時間內(nèi)無法實現(xiàn)線下教學的無奈之舉。此類“二維化”的線上教學模式，很難讓學習者產(chǎn)生身臨課堂的體驗，因而缺乏結(jié)伴效應(yīng)和觀眾效應(yīng)。學習者因無法體會到線下教學中存在的社會化壓力，而降低了學習的壓力和內(nèi)驅(qū)力。數(shù)字孿生課堂則通過對學習者及線上同伴和場景的建模，讓學習者自由選擇學習場景和學習同伴，以滿足學習者對學習環(huán)境的個性化需求。同時通過動態(tài)表情模擬(圖2)生成學習者的數(shù)字孿生，線上教師可通過數(shù)字孿生的表情變化判斷教學內(nèi)容是否需要進行調(diào)整。生物學作為自然科學，實驗教學必不可少。然而高中生物學實驗有著高成本、操作復(fù)雜等特征，部分實驗還有一定的污染和危險性。通過采用數(shù)字孿生實驗室，則可讓學習者通過相應(yīng)設(shè)備完成線上“云”實驗，其過程可無限接近于實際操作，出現(xiàn)錯誤時還可得到及時反饋和修正，也可避免實際生物學實驗過程中的諸多弊端。

2．3區(qū)塊鏈技術(shù)可優(yōu)化動態(tài)評價過程區(qū)塊鏈

技術(shù)起源于數(shù)字虛擬貨幣，原為一種分布式的記賬系統(tǒng)，數(shù)據(jù)同步儲存于互聯(lián)網(wǎng)多個點位中，當數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，需儲存該數(shù)據(jù)的多個節(jié)點同步變更方可被接受，從而具有極高的可信度。該技術(shù)擁有去中心化、數(shù)據(jù)不可篡改、公開透明等一系列特征與優(yōu)勢。教學過程中，教學者可將日、單元或知識點作為一個區(qū)塊，通過區(qū)塊間的內(nèi)在聯(lián)系實現(xiàn)對學習者客觀、可信的動態(tài)評價。生物學概念具有連貫性高、單元跨度大等特征，如滬科版教材中細胞結(jié)構(gòu)部分核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的內(nèi)容出現(xiàn)于必修1《分子與細胞》中，而體現(xiàn)這些細胞器功能的蛋白質(zhì)合成過程，則出現(xiàn)在必修2《遺傳與進化》中。因此生物學教學的評價不應(yīng)僅針對本單元的點狀評價和單元內(nèi)的鏈狀評價，更應(yīng)為相關(guān)內(nèi)容間的網(wǎng)狀評價。區(qū)塊鏈技術(shù)可實現(xiàn)對學習者學習狀態(tài)和成果的系統(tǒng)性評價，通過線上數(shù)字孿生課堂或線下教學過程中，攝像頭對學習者面部捕捉，并利用大數(shù)據(jù)分析，推測其學習狀態(tài)與接受程度，初步形成該學習者專屬的學習狀態(tài)圖譜，同時提出針對性的復(fù)習建議。根據(jù)學習者的狀態(tài)圖譜AI可對課后任務(wù)進行調(diào)整，以適應(yīng)學習者自身需求，并通過任務(wù)完成情況同步校驗圖譜的準確性。學習者在完成一個區(qū)塊的學習后，AI可基于算法形成針對該學習者特點的反饋檢測。當學習者通過最終測試后，AI可通過分析學習者的學習能力和掌握程度給予學分，學分及測試成績共同構(gòu)成連接下一區(qū)塊的鏈條(圖3)。若在學習過程中出現(xiàn)前部知識遺忘，則可通過回滾學習加深鞏固，從而讓原本獨立的概念體系形成網(wǎng)狀，真正實現(xiàn)大單元教學與深度學習。通過以日常學分制替代單一考分制，排除命題和批閱過程中的主觀因素，實現(xiàn)了評價的去中心化。又由于每個區(qū)塊成績獨立上傳且相互關(guān)聯(lián)，因此達成了評價所需的公開透明、不可篡改的屬性。

3當下面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略

元宇宙技術(shù)實際應(yīng)用于教學還有很長的路要走，計算機模擬設(shè)備的高成本制約著終端設(shè)備的研發(fā)與推廣;硬件設(shè)備的快速更新也在一定程度上打擊了大眾用戶購買和參與的積極性，這既不利于此項技術(shù)的發(fā)展，也為元宇宙技術(shù)走進基礎(chǔ)教育課堂鑄造了過高的壁壘。通信帶寬及服務(wù)器性能不足讓學習者無法在當下的教育元宇宙中獲得良好體驗，對信息安全的擔憂和時下區(qū)塊鏈技術(shù)的不完善，也是大眾對元宇宙及相關(guān)概念產(chǎn)生“不靠譜”刻板印象的原因之一。然而當前國家對高新技術(shù)的大力扶持極大推動著元宇宙技術(shù)的進步，相信在不久的將來，隨著6G通信等新技術(shù)的發(fā)展，芯片制程的革新打破制約摩爾定律發(fā)展的瓶頸，屆時信息科技又將獲得一次快速的跨越式發(fā)展。假使未來的某一天，元宇宙教育真正來到我們身邊，我們是否能夠跟上節(jié)奏?為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，身為一線教師的我們更應(yīng)跨前一步思考，在去除設(shè)備因素的制約后，將部分元宇宙技術(shù)的思想和理念應(yīng)用于當下教學中，尋找元宇宙教育在當前教學實際應(yīng)用中的“平替”。這些早做準備的策略可讓教育者在將來更好適應(yīng)教育教學環(huán)境的變化，更能讓中國的基礎(chǔ)教育在教育理念迎來下一次重大變革時贏得先機。

作者:蔣嘉順 單位:上海理工大學附屬儲能中學