教育元宇宙创新赋能中小学科学教育：作用机理、理性检视与纾解路径

摘要：基于新技术不断革新与教育改革的背景，第三代互联网技术在教育领域的应用——教育元宇宙，为中小学科学教育的数字化转型提供了新思路。本文提出，教育元宇宙赋能中小学科学教育具有以下作用机理：①高沉浸感，具身科学学习体验；②扩充资源，丰富科学学习环境；③激发创造，拓展科学学习思维。同时本文指出，教育元宇宙赋能中小学科学教育面临内容虚拟、课程匹配、实践操作和教师角色四大现实检视，需着眼于强化内容精准构建、促进学科技术融合、优化实践操作体验和增进教师素养培育四大发力点，积极推进中小学科学教育的改革与创新发展。

关键词：教育元宇宙；科学教育；中小学教育；创新赋能

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2025）02-0065-05

教育部等十八部门联合印发的《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》提出“强化实验教学”和“广泛组织中小学生前往科学教育场所进行场景式、体验式科学实践活动”。[1]然而，在实际执行中，资源分配、师资力量、经费保障和活动组织等方面的现实难题，阻碍着中小学科学教育课程教学的深化改革。自2021年——元宇宙元年至今，“元宇宙”受到了全球社会的广泛关注和追捧，它基于技术而超越技术，预示数智社会的未来。教育元宇宙作为元宇宙相关技术在教育领域的应用，是众多前沿技术与教育教学的深度融合，将颠覆传统课堂中的教学场景、教学设施和教学模式。北京、上海等地相继出台政策文件，鼓励依托教育元宇宙实施“虚实交互新教育”。[2]在智能时代教育的转型升级中，中小学科学教育应顺势而为，积极拥抱教育元宇宙带来的变革，为中小学生创造一个更加开放、包容且富有创新性的科学学习环境，为培养具有科学素养和创新能力的未来人才奠定坚实的基础。

教育元宇宙赋能中小学科学教育的作用机理

教育元宇宙是一个与现实世界映射与交互的虚拟世界，具备沉浸感、去中心化、开放性、隐私性等特点。这些特点使得教育元宇宙技术能够为中小学科学教育提供全新的平台和空间。产业界将元宇宙底层支撑技术分为六大类，即网络及运算技术、物联网技术、区块链技术、交互技术、电子游戏技术和人工智能技术。[3]教育元宇宙技术赋能中小学科学教育，应充分考虑基础性、综合性、科学性的学科特点，借由数字技术搭建起科学教育数字化转型的通道。

1.高沉浸感，具身科学学习体验

具身认知理论强调要以自然的身心状态参与到教学活动中，通过具身的交互和感知体验进行学习，实现与环境、资源等要素的耦合和动态演化。[4]在教育元宇宙的框架下，高沉浸感技术为学生打造了一个前所未有的具身科学学习体验。通过虚拟现实技术的深度应用，学生仿佛穿越至真实的科学现场，置身于原子结构的微观世界，或是亲眼见证细胞分裂的奇妙过程。这种高度沉浸的学习环境，让学生得以亲手操作虚拟实验器材，直观观测实验现象在虚拟空间中的动态变化，并自主调整实验条件以探索不同的科学结果。这种具身的参与学习方式，不仅极大地增强了学生对科学知识的直观理解，还使他们能够深入科学原理的核心，把握其精髓。这种教学模式不仅大幅提升了学习效率，还有效培养了学生的自主学习能力和问题解决技巧，为他们的全面发展奠定了坚实基础。

2.扩充资源，丰富科学学习环境

教育元宇宙技术的融入为科学课程学习提供了前所未有的资源扩充途径，极大地丰富了科学学习环境。在传统教学模式中，学习资源受限于实体资料、实验室设施及实物展示，而教育元宇宙则跨越了这些物理限制，将全球科学资源汇聚于一体化的虚拟空间内。学生无需踏出校门，就能接入国际顶尖科研机构的虚拟实验室，实时远程观测数据，乃至投身于跨国科学项目的虚拟协同研究。这样的资源汇聚，使学生不仅紧贴科学最前沿，还通过模拟实操、数据分析及虚拟实地考察等途径，沉浸式体验科学探索的全流程与方法论。此外，教育元宇宙平台上的科学教育资源，巧妙融合了多媒体与交互式技术，如立体动画、VR实景展示及互动问答系统，让抽象的科学理论变得生动具体，易于理解。学生可根据个人学习进度与兴趣偏好，灵活选择学习内容，享受定制化学习体验。同时，教育元宇宙支持的多人在线合作模式，让学生能与世界各地的同龄人即时交流科学议题，加速了知识的全球流通与共享。

3.激发创造，拓展科学学习思维

科学思维是科学学科核心素养的重要构成部分，其模型建构、推理论证、创新思维等要素是学生学习科学必备的关键能力。[5]教育元宇宙将给教学场景、教学交互、教学模式等带来新的变化，即通过具身参与、自由交互、数字连接，打造超现实的虚实融合教学环境，激发学生的好奇心、想象力和创造力，培养学生的科学素养和创新探究能力。[6]在教育元宇宙的虚拟空间中，学生可以不受现实世界的物理法则限制，自由构建科学模型，设计实验方案，甚至创造全新的科学理论。这种无拘无束的创造环境，鼓励学生大胆假设、小心求证，培养了他们的批判性思维和解决问题的能力。通过参与教育元宇宙中的科学创新项目，如虚拟科学实验设计、未来科技产品原型开发等，学生能够亲身体验从创意萌芽到成果实现的全过程，深刻理解科学创新的价值与意义。教育元宇宙还支持模拟创业环境，让学生以团队形式，从市场调研、产品设计到营销推广，全方位体验科技创新的商业化路径，从而培养他们的团队协作能力和创新创业精神。更重要的是，教育元宇宙的科学学习环境鼓励学生跳出传统思维框架，进行跨学科的思考与探索。

教育元宇宙赋能中小学科学教育的理性检视

近年来，教育元宇宙正逐步从理论构想迈向实际应用。然而，当前的相关技术尚未达到成熟阶段，且作为基础的关键技术在教育应用方面的研究与设计方案也显得较为粗浅。教育元宇宙赋能中小学科学教育领域的探索未深，需对内容虚拟、课程匹配、实践操作和教师角色等进行理性检视。对此，应持审慎态度，积极应对，主动防范潜在风险与难题。

1.教育元宇宙的内容虚拟检视

教学内容是教师和学生互动的媒介，是学生学习成果的直接来源，其质量和适宜性直接影响课程目标的实现程度和教育质量的高低。在将传统科学教育知识体系向教育元宇宙平台进行迁移与转化的过程中，应首先进行内容虚拟检视。首先，虚拟内容的真实性与科学性是一大考验，因技术限制，虚拟实验中的物理现象与真实世界可能存在差异，这种差异可能误导学生的认知。同时，确保虚拟内容中的科学知识准确无误也至关重要，以避免对学生科学素养产生负面影响。其次，虚拟内容与《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“课程标准”）的匹配度问题凸显，市场上的虚拟教学内容往往难以与课程标准紧密契合，缺乏系统性和连贯性，这不利于学生构建完整的知识体系。再次，虚拟内容需在创新性与趣味性之间找到平衡，既要吸引学生的兴趣，又要保证内容的科学性和教育性，这是一项艰巨的任务。最后，虚拟内容的更新与维护也是一大难题，随着科学技术的不断发展和中小学科学教育内容的不断更新，教育元宇宙中的虚拟内容也需要及时更新和维护。如果无法及时更新和维护虚拟内容，可能会导致其与现实世界脱节或无法满足学生的学习需求。

2.教育元宇宙的课程匹配检视

教育元宇宙以其高度沉浸式和交互性的特点，为中小学科学教育提供了全新的可能性。但虚拟内容的创作往往受到技术、资金、人才等多重因素的制约，导致内容创作者在设计和制作虚拟内容时难以完全契合课程标准的要求。一方面，可能由于技术限制，某些科学现象或实验无法在虚拟环境中得到准确呈现；另一方面，内容创作者可能对课程标准理解不够深入，导致虚拟内容与教学要求存在偏差。同时，在中小学科学教育中，知识点之间往往存在紧密的联系和逻辑顺序，一旦某个环节出现脱节，可能影响整个知识体系的构建。然而，在教育元宇宙中，虚拟内容的创作往往更加灵活和自主，这虽然增加了内容的多样性和趣味性，但也带来了与课程标准紧密契合的挑战。

3.教育元宇宙的实践操作检视

在教育元宇宙赋能中小学科学教育的探索中，实践操作层面的检视同样不容忽视，特别是设备操作的模拟难度问题尤为突出。首先，在科学实验中，设备操作的复杂性和精细度是培养学生实践能力和操作技能的关键。然而，在教育元宇宙中，由于技术限制，如触觉反馈技术的不成熟，往往难以完全模拟真实设备操作的触感和反馈。这种真实感的缺失，可能影响学生对实验原理和操作技能的深入理解和掌握。其次，设备操作通常涉及一系列有序且逻辑严密的步骤。在教育元宇宙中，如何准确还原这些操作逻辑，并设计出直观易用的交互界面，是开发者面临的又一挑战。若操作逻辑混乱或交互设计不合理，不仅会增加学生的学习难度，还可能误导其对实验步骤和原理的理解。最后，教育元宇宙旨在通过虚拟实践加深学生对科学理论的理解。然而在实践中，如何有效地将虚拟操作与理论教学相结合，使学生在虚拟环境中既能进行实践操作，又能深入理解背后的科学原理，是一个需要深入探索的问题。

4.教育元宇宙的教师角色检视

教师作为教育的第一资源，是推动教育数字化转型的重要驱动力。教育元宇宙在赋能中小学科学教育的过程中，对教师角色提出了严峻挑战。首先，在科学素养方面，教师需具备深厚的科学知识基础、科学的思维方式以及熟练的科学探究技能。其次，技术素养的缺失也是一个显著问题。教育元宇宙依赖于虚拟现实、增强现实等先进技术，要求教师必须熟练掌握相关技术的操作和应用。再次，创新的教学理念和方法对元宇宙赋能教育至关重要。教师需要打破传统的教学框架，探索适应元宇宙环境的新型教学模式。最后，科学教育的跨学科特性要求教师具备广泛的知识背景和综合能力。

教育元宇宙赋能中小学科学教育的纾解路径

形成可操作、可复制的元宇宙赋能教育的应用指南和标准，是推动国家教育数字化转型的关键举措，是教育元宇宙赋能学科教学的必由之路。为此，必须抓住教育数字化发展的机遇，从强化内容精准构建、促进学科技术融合、优化实践操作体验和增进教师素养培育四大落脚点发力，探寻教育元宇宙技术赋能中小学科学教育的纾解路径。

1.强化内容精准构建，突破虚拟局限

内容精准构建是确保学习体验个性化、高效化，以及教育资源优化配置的关键，同时，它能有效增强虚拟世界的真实感和互动性，使教育元宇宙更加贴近实际需求，跨越传统教学的界限。首先，组建跨学科合作团队是关键，该团队应涵盖科学教育专家、虚拟现实技术专家及教育技术研究者，他们需紧密协作，共同研发出既准确又具有前沿性的科学内容，并确保其与现代教育理念相契合。其次，开发先进的物理引擎与交互机制，模拟实验中的各种变化和意外情况，是保障实验过程真实性的重要举措。在此基础上，还需加强虚拟内容与中小学科学教育课程标准的匹配度，通过深入研究课程标准，构建系统性和连贯性的知识体系，并定期对市场上的虚拟教学内容进行筛选和改编。为了提升学生的学习兴趣，应注重内容的创新性和趣味性设计，引入游戏化元素，使学生在游戏中学习、在互动中提升。最后，建立内容更新与维护机制至关重要，需设立专项基金和团队，与科研机构和技术公司建立合作关系，及时引入新技术和新知识，同时建立用户反馈机制，根据学生的反馈和学习需求进行及时调整和优化，确保虚拟内容与现实世界科学发展和教育改革保持同步。

2.促进学科技术融合，创新教学模式

现代科技手段与学科教学深度结合，通过技术赋能，打破传统教学的局限，创造出更加高效、互动、沉浸式的学习环境，使学科知识的呈现更加直观、生动，激发学生的学习兴趣，同时促进学生对知识的深度理解和应用。首先，加强技术与课程标准的深度融合是关键。这要求技术专家与科学教育专家进行紧密合作，确保技术团队能准确理解课程标准要求，并突破技术限制，开发出能精确模拟科学现象和实验的教育元宇宙平台。其次，应充分利用虚拟现实技术的优势，开发具有互动性和实践性的虚拟实验与活动，使学生在沉浸式的环境中获得丰富学习体验。同时，引入评估机制对学习效果进行实时监测与反馈，确保学生能将所学知识转化为实际能力。为增强实践效果，可建立虚拟与实体相结合的实践教学体系，让学生先在虚拟环境中初步探索，再在实体环境中进行验证与实践，从而加深对知识的理解与掌握。