緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的1篇元宇宙技術應用于高中生物學教學范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

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

1元宇宙技術與教學的聯系

2007年Abeles指出，多用戶的虛擬環境以及元宇宙技術將會對教育產生巨大的變革［3］。2017年，國務院頒布的《新一代人工智能發展規劃》為數字化教學發展指明了新的方向，也為元宇宙技術在教學中的應用提供了發展契機。2020年新冠肺炎疫情推動線上教學發展，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。［4，5］利用元宇宙技術直觀、沉浸、交互、可信的特點，充分融合虛實教學環境，可推動學習者對概念的理解與接受。然而，學界對元宇宙技術在教育教學中的應用缺乏深入研究。因此，本文通過設計元宇宙技術在高中生物學教學中的應用場景，分析其現存的困難與挑戰，展現元宇宙技術在生物學教學實際應用中的潛力與價值。

2元宇宙技術在生物學課堂中的應用場景思考

2．1虛擬現實技術可具象化

抽象概念虛擬現實技術通過計算機、頭戴式顯示設備、傳感器及多種輸出設備，對參與者的視覺、聽覺乃至觸覺和嗅覺環境進行模擬，并可根據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，使之成為現實世界在數字世界的延展［6］，并被用于軍事、醫學、游戲、設計和教育等領域［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在信息構成威脅，因而講解之初，學習者會形成一種內在失序的現象，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，形成“我不理解”與“我不想學”的惡性循環并最終放棄。虛擬現實輔助教學的優勢在于，將原先需要通過教師創設情境方能解釋的抽象概念，轉變為學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，其表現出的心理狀態為更不愿被人打擾，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，學習者通過虛擬現實設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成心流，產生“最優體驗”，在高度沉浸中自主完成學習(圖1)，最終通過“條件反射”實現“習得”抽象概念的目標。

2．2數字孿生課堂可打破教學的時間與空間限制

數字孿生技術是在虛擬空間中利用計算機模擬技術形成的一個可充分反映物理實體全部特征的數字等同體［8］，可讓用戶在遠程狀態下對該物理實體的形成過程、應用狀態及行為進行預測、體驗和優化。數字孿生技術因其所具有的安全、低成本、無污染、高度靈活等特征而被廣泛應用于產品設計與開發、工業制造與檢測及設備檢修與維護中。已有的數字孿生課堂是以虛擬現實為載體對課堂或實驗進行模擬，實現對線下教學的補充，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迅猛發展，然而此類線上教學形式實則為短時間內無法實現線下教學的無奈之舉。此類“二維化”的線上教學模式，很難讓學習者產生身臨課堂的體驗，因而缺乏結伴效應和觀眾效應。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驅力。數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境的個性化需求。同時通過動態表情模擬(圖2)生成學習者的數字孿生，線上教師可通過數字孿生的表情變化判斷教學內容是否需要進行調整。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、操作復雜等特征，部分實驗還有一定的污染和危險性。通過采用數字孿生實驗室，則可讓學習者通過相應設備完成線上“云”實驗，其過程可無限接近于實際操作，出現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區塊鏈技術可優化動態評價過程區塊鏈

技術起源于數字虛擬貨幣，原為一種分布式的記賬系統，數據同步儲存于互聯網多個點位中，當數據發生變化時，需儲存該數據的多個節點同步變更方可被接受，從而具有極高的可信度。該技術擁有去中心化、數據不可篡改、公開透明等一系列特征與優勢。教學過程中，教學者可將日、單元或知識點作為一個區塊，通過區塊間的內在聯系實現對學習者客觀、可信的動態評價。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構部分核糖體與內質網的內容出現于必修1《分子與細胞》中，而體現這些細胞器功能的蛋白質合成過程，則出現在必修2《遺傳與進化》中。因此生物學教學的評價不應僅針對本單元的點狀評價和單元內的鏈狀評價，更應為相關內容間的網狀評價。區塊鏈技術可實現對學習者學習狀態和成果的系統性評價，通過線上數字孿生課堂或線下教學過程中，攝像頭對學習者面部捕捉，并利用大數據分析，推測其學習狀態與接受程度，初步形成該學習者專屬的學習狀態圖譜，同時提出針對性的復習建議。根據學習者的狀態圖譜AI可對課后任務進行調整，以適應學習者自身需求，并通過任務完成情況同步校驗圖譜的準確性。學習者在完成一個區塊的學習后，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成連接下一區塊的鏈條(圖3)。若在學習過程中出現前部知識遺忘，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狀，真正實現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，實現了評價的去中心化。又由于每個區塊成績獨立上傳且相互關聯，因此達成了評價所需的公開透明、不可篡改的屬性。

3當下面臨的挑戰與應對策略

元宇宙技術實際應用于教學還有很長的路要走，計算機模擬設備的高成本制約著終端設備的研發與推廣;硬件設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的發展，也為元宇宙技術走進基礎教育課堂鑄造了過高的壁壘。通信帶寬及服務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塊鏈技術的不完善，也是大眾對元宇宙及相關概念產生“不靠譜”刻板印象的原因之一。然而當前國家對高新技術的大力扶持極大推動著元宇宙技術的進步，相信在不久的將來，隨著6G通信等新技術的發展，芯片制程的革新打破制約摩爾定律發展的瓶頸，屆時信息科技又將獲得一次快速的跨越式發展。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奏?為了應對這些挑戰，身為一線教師的我們更應跨前一步思考，在去除設備因素的制約后，將部分元宇宙技術的思想和理念應用于當下教學中，尋找元宇宙教育在當前教學實際應用中的“平替”。這些早做準備的策略可讓教育者在將來更好適應教育教學環境的變化，更能讓中國的基礎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