教育元宇宙賦能信息科技算法具身性學習

常國將，李宣

（貴州師范大學教育學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

21世紀是信息科技的時代，信息科技是推動社會變革和促進社會數字化轉型的核心動力，發展信息科技也成為世界各國的首要戰略。時代需求倒逼教育變革，建設信息科技課程是我國實施數字化轉型戰略的必然要求，教育部印發《2022 版義務教育課程方案》，將義務教育階段信息技術改為信息科技并設置為國家課程，這無疑是我國信息科技教育發展進程中歷史性的進步，順應了智能時代的人才需求，《2022版義務教育階段信息科技課程標準》對課程內容結構做了很大調整，“算法”作為六個邏輯主線之一，貫穿整個義務教育階段的信息科技課程，其目的重在培養學生創新能力、計算思維以及其他適應人工智能時代發展的能力與素養。面對未來程序化的生活和工作模式，以算法為代表的計算思維是每個公民必須具備的思維素養，人工智能時代的計算思維如同20世紀的閱讀與書寫能力，是21世紀公民必備核心素養之一，因此在義務教育階段開設面向全體學生的信息科技課程是極為必要的。

新技術的出現往往會對教育教學方式產生極大變革。教育元宇宙是一種旨在提供數字化、智能化的新型教學環境，它將真實世界和虛擬世界相融合，為學生提供更加個性化、自主化以及更多探索創新空間的學習環境，不僅能夠改變傳統的教學環境和方式，還將對教育目標的實現產生深遠的影響。教育元宇宙依托于VR、AR 等各種虛擬環境的建構，學生通過頭戴式顯示器、數字手套等設備，進入一個沉浸式、強交互的學習場景中，獲取知識和提升技能，并潛移默化地養成各種高階思維素養。計算思維等高階思維的培養僅靠教師的講授難以達成預期學習目標，更多是使學生在具身認知環境中切身體會、體驗和感悟所養成。傳統的教學媒介難以勝任高度抽象的算法教學任務，因此為學生營造具身認知情境，使用元宇宙各項技術呈現算法是突破算法教學困境的有效路徑。

1 信息科技課標的算法教學理念

1.1 算法及算法教學

課標設置了“身邊的算法”這一獨立模塊作為算法學習內容，此外算法作為邏輯主線貫穿整個義務教育階段課程，并且在高中階段的信息技術課程中將深入學習。狹義的算法是指計算機科學中對某一問題解決過程的一種描述框架，通常包括具體操作的指令和相應數據的結構。從理論上來說，算法是以計算邏輯作為核心的一種形式化方法，可以描述復雜的計算和決策過程，并規定了一系列計算步驟和參數，以使計算機按照一定的規則執行以達到特定的目標。廣義上講，算法可以定義為用于解決特定問題或實現特定任務的一系列步驟，也稱為求解問題的流程步驟。在日常生活中，我們經常使用各種算法來解決問題，如食品烹飪、制作手工藝品、組織任務等問題，這些算法可以大幅提高工作效率。

過去由于教學目標以培養知識與技能為主，我國算法教學通常以編程教育的方式進行，以計算機編程語言學習為主要內容，以記憶編程語法語句為主要學習手段，考核方式以程序編寫和調試為主。算法學習與編程各自獨立，基礎語法占據了大量的學習時間與精力，算法思維培養欠缺，對思維能力的養成不夠理想，與當前以學科核心素養為教學目標的教育理念不符。“科”與“技”并重的信息科技課程并不是原來信息技術課程的簡單升級，而是課程理念、課程內容與教學方式的全新重構，算法的教學目標也發生了根本性變化，從原來重編程語法知識、重特定算法的掌握，轉變成重科學素養、創新思維和問題解決，由知識和技能的學習變成核心素養的培養。

1.2 計算思維核心素養教學目標

教育的根本任務是立德樹人，學科核心素養目標是立德樹人根本任務的具體體現，信息科技課程目標主要體現為培養學生能夠適應數字化時代的數字素養，包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新和信息社會責任，四個方面相互支持，共同促進學生數字素養與能力的提升，其中計算思維作為程序驅動時代基礎且關鍵的核心素養，對增強信息意識和提升數字化學習與創新能力具有先導作用。信息科技核心素養的四個維度結構如圖1所示。

圖1 信息科技核心素養的四個維度結構圖

關于計算思維概念的提出學界有兩種觀點，一是哥倫比亞大學計算機科學教授周以真在2006 年卡內基梅隆大學任教期間提出的，認為計算思維是利用計算機科學的基本概念進行問題求解、系統設計并且理解人類行為的思維活動[1]。其次是被譽為“兒童編程教育的鼻祖”“人工智能的四大先驅之一”以及“計算機教育之父”的西蒙·派珀特[2]，早在20世紀70年代派珀特就有預見性地提出可以利用計算機來培養孩子的思維能力和教孩子如何思考問題解決的方法，而不僅僅是學會計算機的操作技能[3]。派珀特對計算思維進行了簡單的界定，指出計算思維是使用計算表征的功能表達觀點，使其更加清晰、明了的過程[4]。計算機科學與電信委員會（CSTB）認為，計算思維是21 世紀學生的核心能力，將其列為與閱讀、寫作與算術等基本素養同等重要的位置[5]。義務教育信息科技課程標準中指出“計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等一系列的思維活動”[6]。面對人工智能時代公民適應社會的需要，計算思維是一項普適性的素養和能力，基礎教育階段學生計算思維的有效培養是使其適應社會的基礎需求，也是為社會和國家培養創新型高素質人才的基礎。

算法作為邏輯主線貫穿整個信息科技課程體系，是培養計算思維的主要內容，但算法教學的實施面臨著眾多挑戰。其中，義務教育階段學生的年齡偏低，認知能力不足以及計算機科學相關的知識儲備不充足等因素，都會成為抽象的算法學習過程中所面臨的困難。為此，如何讓學生更好地理解算法的核心思想和邏輯原理，需要不斷探索有效的算法教學方法和手段。而對于低齡兒童來說將抽象的算法以適當的方式呈現對其理解至關重要，算法教學工具和平臺對算法教學效果具有很大的影響。

新課標對一線教學的實施提出了建議，推進以學生為主體的創新式“教”“學”方式，把握數字化學習特點，合理使用數字化平臺、工具和資源，運用線上實驗、模擬、仿真等方式引導學生自主學習。因此融合了虛擬現實、混合現實等仿真技術的元宇宙為信息科技算法學習提供了一條可行的變革之路。戴爾的經驗之塔描述了人類借助感官獲取的三類經驗，即做的經驗、觀察的經驗和抽象的經驗[7]。正如新課標理念所描述，算法學習必須先依靠學生已有的直接經驗，在做中學進而培養抽象的經驗。

2 教育元宇宙構建算法具身認知情境

元宇宙由現實世界、虛擬世界和內心世界融合而成，是人類社會高度數字化和智能化以后形成的數字社會新形態。用戶在虛擬世界中使用元宇宙身份從事學習、社交、娛樂、生產、經營、社會治理等活動，逐步建立一種新的數字文明[8]。元宇宙塑造了視覺沉浸的教育立體空間場域，支撐其科學發展的相關理論將從離身向具身轉變[9]，教育領域元宇宙將極大變革現有的教育教學模式，教育元宇宙的眾多特征對改進算法學習，提升計算思維培養效果具有不可估量的作用。

2.1 教育元宇宙及其特征

教育元宇宙是利用VR/AR/MR、數字孿生、5G、人工智能、區塊鏈等新興信息技術塑造的虛實融合教育環境，是虛擬與現實全面交織、人類與機器全面聯結、學校與社會全面互動的智慧教育環境高階形態[10]。教育元宇宙通過創新人才培養模式、提供多樣化教育資源和無限的創作空間、構建多元化算法學習活動和學習模式、開展智能化和過程性的學習評價，給予及時且全面動態反饋，以期達成促進學習者核心素養養成的目標。

面向教育的元宇宙具有一系列獨特的屬性如：虛擬沉浸性、立體交互性、自主創造性、智能性等，使得教育元宇宙成為一種極具吸引力和潛力巨大的教育途徑。中國工程院院士趙沁平教授提出了虛擬現實和人工智能融合的技術將是改變未來教育形態的巨大推力。虛擬現實和虛擬交互技術是元宇宙的呈現載體，而人工智能將賦予元宇內核角色，如ChatGPT等生成式人工智能的巨大突破將為虛擬智能導師的設計創造巨大可能，因此虛擬沉浸性和智能性是教育元宇宙的最主要特征。在大數據、區塊鏈和5G 互聯網的支持下，依托混合現實技術，將為使用者提供更多與數字人交互和與他人的增強現實交互等更為真實的多元交互體驗。此外，教育元宇宙結合了VR、AR和3D技術等，為學生提供無限的立體創新創作空間，如科技巨頭蘋果公司與Unity3D合作，將二維平面的App 改造成沉浸式呈現方式，以Vision Pro 混合現實眼鏡為代表的浸媒體產品將迎來爆發式發展。

當前的元宇宙的教育應用研究主要聚焦于基于元宇宙的教學改革，主要體現在利用元宇宙建構學科教學或某些專項教學場景。如語言學科、醫學、紅色思政教學等，通過搭建元宇宙仿真語言學習空間、創設元宇宙醫用放射儀器操作場景、在元宇宙中開設戶外安全課程等建構具身性的教學體驗情境。

綜上所述，教育元宇宙是以教育為目的而建設的新型數字化教育環境，教育元宇宙是未來教育環境的發展方向。在許多教育領域已經得到初步的應用探索，其所具備的高度沉浸性、智能化、多元交互性等特征，對建構算法教育教學模式，對于改變自工業時代以來所建立的班級授課制教育模式是一次巨大機遇。

2.2 算法具身認知情境建構

具身認知理論（Embodied Cognition Theory）是一種認知科學理論，認為人類的思維過程是與身體經驗緊密相關的，即人類的身體、感覺和動作等方面的經驗對于人的思維和認知具有重要的影響，具身認知強調“具身性”與“情境化”，主張真實世界的認知發生在特定的環境中，具有極為實際的目的，是高度具身化和情境化的活動[11]。身體參與的學習過程會為學習者帶來更豐富的感知覺體驗和動作表征，幫助學習者獲得程序性知識[12]。計算思維等高階思維的養成離不開實際問題化的教學情境，只有沉浸于具身環境中切身體會才能高效形成計算思維和培養問題解決能力。

依靠傳統的教學媒體創造具身認知環境極為困難且效果不佳。虛擬現實及增強現實等沉浸式技術的發展，為具身認知環境的再造提供了可能，具身認知理論的應用領域得以延展。元宇宙所包含的混合現實技術可以為用戶提供高度沉浸、仿真的數字化環境，使算法在虛擬世界中以生活化形象化的直觀方式呈現，極大降低算法的抽象性和學生的認知負荷。教育元宇宙的深度沉浸性與真實多元交互性能夠較為輕松地為學生創建具身認知情境，創建直觀的算法學習空間，讓學習者更容易投入和參與算法的學習與應用，提升計算思維水平。

3 元宇宙算法教學模式探索

元宇宙相關技術的不斷迭代升級，越來越多的教育場景正在被數字化改造，從傳統的教育方式向更加智能化、個性化的教育模式轉型，教育元宇宙將重構算法學習模式，變革傳統的以編程教育來教授算法的模式，創建具身學習情境，在多元交互情境中進行個性化的自主學習與探索創新。

3.1 沉浸式具身學習體驗

利用元宇宙中的混合現實技術，可以為學生創造沉浸式的算法學習體驗，讓學生在虛擬場景中觀察、操作和驗證算法的原理。區別于傳統的代碼演示，教育元宇宙環境中可以選擇的呈現方式多樣，針對不同的學生群體及其身心發展特點，教師或教學設計師需要為學生創建符合其認知特征及喜好的呈現方式。對于義務教育階段低年級學生而言，有必要降低算法抽象性的程度，以直觀的表述呈現出來，在耳濡目染的具身學習場景下培養計算思維。如使用VR/AR 眼鏡，創建真實的數字模型資源，讓學生進入一個模擬的機器人工廠，通過編寫和執行算法指令，控制機器人完成各種任務，與傳統教學媒體所不同的是這樣的情境是具身性的逼真工作場景，培養學生實際操作和解決問題的能力。

3.2 虛擬化全感官社交學習

利用元宇宙平臺的空間互聯屬性，使得學習者可以實現真實的人與人的交互、虛擬仿真資源交互、真實世界與虛擬世界的交互。一方面教師可以創建算法學習小組，為學生提供開放便捷的算法編程交流學習環境，讓學生在虛擬世界中設計、構建、分享和交流自己的作品。例如，使用Roblox 等在線游戲學習平臺，學生可利用虛擬硬件、圖形化或文本化的編程語言，創建自己的游戲場景和角色，強大的社區交互性使得學習者可以與其他學習者方便快捷地交流學習，極大提升小組合作學習的效率及參與感。另一方面，對比傳統的互聯網人機交互，元宇宙提供的交互更為生動形象，以數字人等模擬人類的形式呈現交互信息，以高度的臨場感提升學習者對信息的感知度。如低年級學生在學習各種排序算法時，可以使用3D 資源來進行演示呈現排序算法的工作原理，改變傳統使用代碼演示的方式很大程度上降低算法的抽象性。

3.3 個性化學習智能指導

算法編程教育需要更多關注情感支持及認知過程，智能導師系統成為解決信息科技師資匱乏及滿足個性化學習的最佳方案，由人類教師與虛擬智能導師合作設計算法學習策略。元宇宙教育系統集成類似于ChatGPT等大型語言處理人工智能，如圖2所示，設計智能導師系統為學生提供學習過程的指導，收集學習過程性數據，并為學生推送個性化的資源和算法學習策略。人類教師喚醒學生的學習動機、在學習過程中滲透情感態度，確定學習目標及學習策略，在學完之后，使用教育元宇宙數據收集系統為學生提供學習反思建議。如在進行科創項目式學習時，導師實時跟蹤學生學習情況，記錄學習過程性數據及學生認知風格、能力水平等；根據已有學生數據進行適應性訓練符合學生獨有的學習方案。

圖2 人類教師與數字智能導師合作模式

3.4 創建無限探索的科創空間

算法學習最優的方式是以科創教育的方式進行，現有的科創教育中將編程硬件資源如樂高積木、小型機器人、Arduino和Micro:bit等開源硬件平臺引入算法編程課堂進行STEAM 教育和項目式教學，能夠有效激發學生的探索欲望和提高實踐能力。但硬件教學資源總是有限且不易管理保存，而諸如此類的3D 數字化模型資源建設可以解決此問題，數字化資源的建設沒有空間限制，在教育元宇宙中進行模擬操作不僅可以提供高度逼真的學習體驗，而且在經濟、時間和風險等方面均具有顯著優勢。此外，學生能夠有充足的機會進行反思、優化和解決問題，進一步深化對知識和思維模式的理解和應用。

4 結語

教育元宇宙所具有的虛擬沉浸性、交立體互性、自主創造性、智能性等特征很好地契合了新課標信息科技課程核心素養提升的需求，對于算法等抽象性高的學習內容能夠較容易地創設具身性學習情境，建構身心一體的學習場景。目前關于教育元宇宙在算法學習中的運用與研究尚不多見，但這確實是提高算法教學的一條有效途徑，只有創建具身認知情境，在真實地解決問題過程中學習才能真正體現算法學習的意義。未來教育元宇宙還是應面向學科核心內容、參照我國學生發展核心素養，設計開發更多的適合各科甚至專用于培養特定思維素養或能力的學習系統。