元宇宙技术应用于高中生物学教学

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元宇宙(Metaverse)是基于虚拟现实、数字孪生、大数据与云计算、5G通信、人工智能、区块链等技术搭建的一个具备身份、朋友、沉浸感、低延迟等特征的，集创造、娱乐、展示、社交和交易等功能于一身的平行于现实世界的数字化综合平台［1］。该词汇首次出现于小说《雪崩》中，近年来，由于虚拟金融、土地与艺术品交易的火热，大量资本进驻元宇宙，助推其与各行业融合不断加深［2］。

1元宇宙技术与教学的联系

2007年Abeles指出，多用户的虚拟环境以及元宇宙技术将会对教育产生巨大的变革［3］。2017年，国务院颁布的《新一代人工智能发展规划》为数字化教学发展指明了新的方向，也为元宇宙技术在教学中的应用提供了发展契机。2020年新冠肺炎疫情推动线上教学发展，教育元宇宙因其可为教学提供新的支持，为学习提供新的场域，被视为未来教育的形态。［4，5］利用元宇宙技术直观、沉浸、交互、可信的特点，充分融合虚实教学环境，可推动学习者对概念的理解与接受。然而，学界对元宇宙技术在教育教学中的应用缺乏深入研究。因此，本文通过设计元宇宙技术在高中生物学教学中的应用场景，分析其现存的困难与挑战，展现元宇宙技术在生物学教学实际应用中的潜力与价值。

2元宇宙技术在生物学课堂中的应用场景思考

2．1虚拟现实技术可具象化

抽象概念虚拟现实技术通过计算机、头戴式显示设备、传感器及多种输出设备，对参与者的视觉、听觉乃至触觉和嗅觉环境进行模拟，并可根据用户的自身感觉进行操作。其多感知性、交互性和自主性的特征，使之成为现实世界在数字世界的延展［6］，并被用于军事、医学、游戏、设计和教育等领域［7］。高中生物学中部分抽象概念，通常需要学习者在教师讲解后进行二次加工后方可理解。对学习者而言，晦涩的抽象概念可能会对意识本体的内在信息构成威胁，因而讲解之初，学习者会形成一种内在失序的现象，这将极大影响学习的兴趣和欲望，降低学习能力、破坏学习状态，形成“我不理解”与“我不想学”的恶性循环并最终放弃。虚拟现实辅助教学的优势在于，将原先需要通过教师创设情境方能解释的抽象概念，转变为学习者可高度参与的学习过程。依照MihalyCsikszentmihalyi的“心流理论”，当人在专注于某一种行为时，其表现出的心理状态为更不愿被人打扰，能将精力更集中于该项活动中，最终获得高度的兴奋感和充实感。在生物学抽象概念的学习过程中，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，让学习者在学习过程中构成心流，产生“最优体验”，在高度沉浸中自主完成学习(图1)，最终通过“条件反射”实现“习得”抽象概念的目标。

2．2数字孪生课堂可打破教学的时间与空间限制

数字孪生技术是在虚拟空间中利用计算机模拟技术形成的一个可充分反映物理实体全部特征的数字等同体［8］，可让用户在远程状态下对该物理实体的形成过程、应用状态及行为进行预测、体验和优化。数字孪生技术因其所具有的安全、低成本、无污染、高度灵活等特征而被广泛应用于产品设计与开发、工业制造与检测及设备检修与维护中。已有的数字孪生课堂是以虚拟现实为载体对课堂或实验进行模拟，实现对线下教学的补充，一定程度上可提高学习者的学习兴趣，但其在线上教学中的深层次应用价值并未被真正挖掘与探讨。新冠肺炎疫情使学生不得不在线学习，这使得线上教育软件与行业迅猛发展，然而此类线上教学形式实则为短时间内无法实现线下教学的无奈之举。此类“二维化”的线上教学模式，很难让学习者产生身临课堂的体验，因而缺乏结伴效应和观众效应。学习者因无法体会到线下教学中存在的社会化压力，而降低了学习的压力和内驱力。数字孪生课堂则通过对学习者及线上同伴和场景的建模，让学习者自由选择学习场景和学习同伴，以满足学习者对学习环境的个性化需求。同时通过动态表情模拟(图2)生成学习者的数字孪生，线上教师可通过数字孪生的表情变化判断教学内容是否需要进行调整。生物学作为自然科学，实验教学必不可少。然而高中生物学实验有着高成本、操作复杂等特征，部分实验还有一定的污染和危险性。通过采用数字孪生实验室，则可让学习者通过相应设备完成线上“云”实验，其过程可无限接近于实际操作，出现错误时还可得到及时反馈和修正，也可避免实际生物学实验过程中的诸多弊端。

2．3区块链技术可优化动态评价过程区块链

技术起源于数字虚拟货币，原为一种分布式的记账系统，数据同步储存于互联网多个点位中，当数据发生变化时，需储存该数据的多个节点同步变更方可被接受，从而具有极高的可信度。该技术拥有去中心化、数据不可篡改、公开透明等一系列特征与优势。教学过程中，教学者可将日、单元或知识点作为一个区块，通过区块间的内在联系实现对学习者客观、可信的动态评价。生物学概念具有连贯性高、单元跨度大等特征，如沪科版教材中细胞结构部分核糖体与内质网的内容出现于必修1《分子与细胞》中，而体现这些细胞器功能的蛋白质合成过程，则出现在必修2《遗传与进化》中。因此生物学教学的评价不应仅针对本单元的点状评价和单元内的链状评价，更应为相关内容间的网状评价。区块链技术可实现对学习者学习状态和成果的系统性评价，通过线上数字孪生课堂或线下教学过程中，摄像头对学习者面部捕捉，并利用大数据分析，推测其学习状态与接受程度，初步形成该学习者专属的学习状态图谱，同时提出针对性的复习建议。根据学习者的状态图谱AI可对课后任务进行调整，以适应学习者自身需求，并通过任务完成情况同步校验图谱的准确性。学习者在完成一个区块的学习后，AI可基于算法形成针对该学习者特点的反馈检测。当学习者通过最终测试后，AI可通过分析学习者的学习能力和掌握程度给予学分，学分及测试成绩共同构成连接下一区块的链条(图3)。若在学习过程中出现前部知识遗忘，则可通过回滚学习加深巩固，从而让原本独立的概念体系形成网状，真正实现大单元教学与深度学习。通过以日常学分制替代单一考分制，排除命题和批阅过程中的主观因素，实现了评价的去中心化。又由于每个区块成绩独立上传且相互关联，因此达成了评价所需的公开透明、不可篡改的属性。

3当下面临的挑战与应对策略

元宇宙技术实际应用于教学还有很长的路要走，计算机模拟设备的高成本制约着终端设备的研发与推广;硬件设备的快速更新也在一定程度上打击了大众用户购买和参与的积极性，这既不利于此项技术的发展，也为元宇宙技术走进基础教育课堂铸造了过高的壁垒。通信带宽及服务器性能不足让学习者无法在当下的教育元宇宙中获得良好体验，对信息安全的担忧和时下区块链技术的不完善，也是大众对元宇宙及相关概念产生“不靠谱”刻板印象的原因之一。然而当前国家对高新技术的大力扶持极大推动着元宇宙技术的进步，相信在不久的将来，随着6G通信等新技术的发展，芯片制程的革新打破制约摩尔定律发展的瓶颈，届时信息科技又将获得一次快速的跨越式发展。假使未来的某一天，元宇宙教育真正来到我们身边，我们是否能够跟上节奏?为了应对这些挑战，身为一线教师的我们更应跨前一步思考，在去除设备因素的制约后，将部分元宇宙技术的思想和理念应用于当下教学中，寻找元宇宙教育在当前教学实际应用中的“平替”。这些早做准备的策略可让教育者在将来更好适应教育教学环境的变化，更能让中国的基础教育在教育理念迎来下一次重大变革时赢得先机。

作者:蒋嘉顺 单位:上海理工大学附属储能中学