緒論：寫作既是個(gè)人情感的抒發(fā)，也是對(duì)學(xué)術(shù)真理的探索，歡迎閱讀由發(fā)表云整理的1篇元宇宙技術(shù)應(yīng)用于高中生物學(xué)教學(xué)范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發(fā)。

元宇宙(Metaverse)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算、5G通信、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)搭建的一個(gè)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(shí)世界的數(shù)字化綜合平臺(tái)［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(jìn)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(xué)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(huì)對(duì)教育產(chǎn)生巨大的變革［3］。2017年，國(guó)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(xué)發(fā)展指明了新的方向，也為元宇宙技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用提供了發(fā)展契機(jī)。2020年新冠肺炎疫情推動(dòng)線上教學(xué)發(fā)展，教育元宇宙因其可為教學(xué)提供新的支持，為學(xué)習(xí)提供新的場(chǎng)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(diǎn)，充分融合虛實(shí)教學(xué)環(huán)境，可推動(dòng)學(xué)習(xí)者對(duì)概念的理解與接受。然而，學(xué)界對(duì)元宇宙技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用缺乏深入研究。因此，本文通過設(shè)計(jì)元宇宙技術(shù)在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用場(chǎng)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(xué)教學(xué)實(shí)際應(yīng)用中的潛力與價(jià)值。

2元宇宙技術(shù)在生物學(xué)課堂中的應(yīng)用場(chǎng)景思考

2．1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可具象化

抽象概念虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過計(jì)算機(jī)、頭戴式顯示設(shè)備、傳感器及多種輸出設(shè)備，對(duì)參與者的視覺、聽覺乃至觸覺和嗅覺環(huán)境進(jìn)行模擬，并可根據(jù)用戶的自身感覺進(jìn)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(shí)世界在數(shù)字世界的延展［6］，并被用于軍事、醫(yī)學(xué)、游戲、設(shè)計(jì)和教育等領(lǐng)域［7］。高中生物學(xué)中部分抽象概念，通常需要學(xué)習(xí)者在教師講解后進(jìn)行二次加工后方可理解。對(duì)學(xué)習(xí)者而言，晦澀的抽象概念可能會(huì)對(duì)意識(shí)本體的內(nèi)在信息構(gòu)成威脅，因而講解之初，學(xué)習(xí)者會(huì)形成一種內(nèi)在失序的現(xiàn)象，這將極大影響學(xué)習(xí)的興趣和欲望，降低學(xué)習(xí)能力、破壞學(xué)習(xí)狀態(tài)，形成“我不理解”與“我不想學(xué)”的惡性循環(huán)并最終放棄。虛擬現(xiàn)實(shí)輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)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(xué)習(xí)者可高度參與的學(xué)習(xí)過程。依照MihalyCsikszentmihalyi的“心流理論”，當(dāng)人在專注于某一種行為時(shí)，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(xiàng)活動(dòng)中，最終獲得高度的興奮感和充實(shí)感。在生物學(xué)抽象概念的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備親身進(jìn)入抽象或微觀世界進(jìn)行體驗(yàn)，以第一人稱視角參與其中，伴隨著直觀的場(chǎng)景、具有挑戰(zhàn)性的過程、可量化的目標(biāo)和及時(shí)的反饋，讓學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中構(gòu)成心流，產(chǎn)生“最優(yōu)體驗(yàn)”，在高度沉浸中自主完成學(xué)習(xí)(圖1)，最終通過“條件反射”實(shí)現(xiàn)“習(xí)得”抽象概念的目標(biāo)。

2．2數(shù)字孿生課堂可打破教學(xué)的時(shí)間與空間限制

數(shù)字孿生技術(shù)是在虛擬空間中利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)形成的一個(gè)可充分反映物理實(shí)體全部特征的數(shù)字等同體［8］，可讓用戶在遠(yuǎn)程狀態(tài)下對(duì)該物理實(shí)體的形成過程、應(yīng)用狀態(tài)及行為進(jìn)行預(yù)測(cè)、體驗(yàn)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(jì)與開發(fā)、工業(yè)制造與檢測(cè)及設(shè)備檢修與維護(hù)中。已有的數(shù)字孿生課堂是以虛擬現(xiàn)實(shí)為載體對(duì)課堂或?qū)嶒?yàn)進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)線下教學(xué)的補(bǔ)充，一定程度上可提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，但其在線上教學(xué)中的深層次應(yīng)用價(jià)值并未被真正挖掘與探討。新冠肺炎疫情使學(xué)生不得不在線學(xué)習(xí)，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(xué)形式實(shí)則為短時(shí)間內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)線下教學(xué)的無奈之舉。此類“二維化”的線上教學(xué)模式，很難讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生身臨課堂的體驗(yàn)，因而缺乏結(jié)伴效應(yīng)和觀眾效應(yīng)。學(xué)習(xí)者因無法體會(huì)到線下教學(xué)中存在的社會(huì)化壓力，而降低了學(xué)習(xí)的壓力和內(nèi)驅(qū)力。數(shù)字孿生課堂則通過對(duì)學(xué)習(xí)者及線上同伴和場(chǎng)景的建模，讓學(xué)習(xí)者自由選擇學(xué)習(xí)場(chǎng)景和學(xué)習(xí)同伴，以滿足學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境的個(gè)性化需求。同時(shí)通過動(dòng)態(tài)表情模擬(圖2)生成學(xué)習(xí)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(xué)內(nèi)容是否需要進(jìn)行調(diào)整。生物學(xué)作為自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)必不可少。然而高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)有著高成本、操作復(fù)雜等特征，部分實(shí)驗(yàn)還有一定的污染和危險(xiǎn)性。通過采用數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室，則可讓學(xué)習(xí)者通過相應(yīng)設(shè)備完成線上“云”實(shí)驗(yàn)，其過程可無限接近于實(shí)際操作，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)還可得到及時(shí)反饋和修正，也可避免實(shí)際生物學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的諸多弊端。

2．3區(qū)塊鏈技術(shù)可優(yōu)化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)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(chǔ)存于互聯(lián)網(wǎng)多個(gè)點(diǎn)位中，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，需儲(chǔ)存該數(shù)據(jù)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shì)。教學(xué)過程中，教學(xué)者可將日、單元或知識(shí)點(diǎn)作為一個(gè)區(qū)塊，通過區(qū)塊間的內(nèi)在聯(lián)系實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者客觀、可信的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。生物學(xué)概念具有連貫性高、單元跨度大等特征，如滬科版教材中細(xì)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(xì)胞》中，而體現(xiàn)這些細(xì)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(jìn)化》中。因此生物學(xué)教學(xué)的評(píng)價(jià)不應(yīng)僅針對(duì)本單元的點(diǎn)狀評(píng)價(jià)和單元內(nèi)的鏈狀評(píng)價(jià)，更應(yīng)為相關(guān)內(nèi)容間的網(wǎng)狀評(píng)價(jià)。區(qū)塊鏈技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)和成果的系統(tǒng)性評(píng)價(jià)，通過線上數(shù)字孿生課堂或線下教學(xué)過程中，攝像頭對(duì)學(xué)習(xí)者面部捕捉，并利用大數(shù)據(jù)分析，推測(cè)其學(xué)習(xí)狀態(tài)與接受程度，初步形成該學(xué)習(xí)者專屬的學(xué)習(xí)狀態(tài)圖譜，同時(shí)提出針對(duì)性的復(fù)習(xí)建議。根據(jù)學(xué)習(xí)者的狀態(tài)圖譜AI可對(duì)課后任務(wù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)學(xué)習(xí)者自身需求，并通過任務(wù)完成情況同步校驗(yàn)圖譜的準(zhǔn)確性。學(xué)習(xí)者在完成一個(gè)區(qū)塊的學(xué)習(xí)后，AI可基于算法形成針對(duì)該學(xué)習(xí)者特點(diǎn)的反饋檢測(cè)。當(dāng)學(xué)習(xí)者通過最終測(cè)試后，AI可通過分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力和掌握程度給予學(xué)分，學(xué)分及測(cè)試成績(jī)共同構(gòu)成連接下一區(qū)塊的鏈條(圖3)。若在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)前部知識(shí)遺忘，則可通過回滾學(xué)習(xí)加深鞏固，從而讓原本獨(dú)立的概念體系形成網(wǎng)狀，真正實(shí)現(xiàn)大單元教學(xué)與深度學(xué)習(xí)。通過以日常學(xué)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(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)的去中心化。又由于每個(gè)區(qū)塊成績(jī)獨(dú)立上傳且相互關(guān)聯(lián)，因此達(dá)成了評(píng)價(jià)所需的公開透明、不可篡改的屬性。

3當(dāng)下面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略

元宇宙技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于教學(xué)還有很長(zhǎng)的路要走，計(jì)算機(jī)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(gòu)買和參與的積極性，這既不利于此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，也為元宇宙技術(shù)走進(jìn)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(xué)習(xí)者無法在當(dāng)下的教育元宇宙中獲得良好體驗(yàn)，對(duì)信息安全的擔(dān)憂和時(shí)下區(qū)塊鏈技術(shù)的不完善，也是大眾對(duì)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(dāng)前國(guó)家對(duì)高新技術(shù)的大力扶持極大推動(dòng)著元宇宙技術(shù)的進(jìn)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(shí)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(duì)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(dāng)下教學(xué)中，尋找元宇宙教育在當(dāng)前教學(xué)實(shí)際應(yīng)用中的“平替”。這些早做準(zhǔn)備的策略可讓教育者在將來更好適應(yīng)教育教學(xué)環(huán)境的變化，更能讓中國(guó)的基礎(chǔ)教育在教育理念迎來下一次重大變革時(shí)贏得先機(jī)。

作者:蔣嘉順 單位:上海理工大學(xué)附屬儲(chǔ)能中學(xué)