科学教育 | 教育元宇宙何以赋能中小学科学教育

以下文章来源于中小学科学教育 ，作者吴宇豪

中小学科学教育.

《中小学科学教育》由中华人民共和国教育部主管、人民教育出版社主办，传播中小学科学教育理念，交流中小学科学教育研究成果，推动我国学校科学教育与社会科学普及衔接联通，服务国家基础学科人才培养。

摘要：教育元宇宙是元宇宙相关技术在教育领域的应用，为中小学科学教育的数字化转型提供了新思路。教育元宇宙赋能中小学科学教育，以政策导向与科教需求为起点，强调虚实融合与个性化学习，以技术迭代与内容创生为支撑，以教育公平与终身学习为旨归。教育元宇宙在中小学科学教育领域的应用尚处于初步探索阶段，在技术适应、数字资源、评价反馈和师资培训四个方面有其面临的实际情况。对此，可遵循增强技术普及、丰富教育资源、构建评估体系和提升信息素养四条路径，为教育元宇宙赋能中小学科学教育提供坚实的理论基础与实践指导。

关键词：教育元宇宙；科学教育；数智化

本文目录结构

一、教育元宇宙赋能中小学科学教育的应然价值

（一）价值起点：政策导向与科教需求

（二）价值重点：虚实融合与个性化学习

（三）价值支撑：技术迭代与内容创生

（四）价值终点：教育公平与终身学习

二、教育元宇宙赋能中小学科学教育的实然状态

（一）技术适应实状

（二）数字资源实况

（三）评价反馈实效

（四）师资培训实情

三、教育元宇宙赋能中小学科学教育的适然进路

（一）增强技术普及，优化应用环境

（二）丰富教育资源，构建共享平台

（三）构建评估体系，健全反馈机制

（四）提升信息素养，加强专业指导

作者简介：吴宇豪，上海大学悉尼工商学院硕士研究生。

引文格式：吴宇豪. 教育元宇宙何以赋能中小学科学教育[J]. 中小学科学教育, 2025(3): 53-59.

2023年5月，教育部办公厅印发《基础教育课程教学改革深化行动方案》，提出推进实施“基础教育课程教学改革深化行动”，其中包括“科学素养提升行动”。在数字技术极大地改变教育与学习的当下，科学教育的数字化转型仍处于进行时。“元宇宙”一词最初源自1992年出版的科幻小说《雪崩》，指沉浸式共享虚拟空间，支持用户互动、创造，且独立于现实。教育是元宇宙的主要应用场景，教育元宇宙是平衡技术发展和教育问题的有效模式。教育元宇宙正在颠覆传统的教学场景、互动模式及教育体系，推动实现深层次教育变革。其中，教育元宇宙赋能下的科学教育能为学生构建一个沉浸式的科学体验和互动性学习环境，激发学生对科学的好奇心和求知欲，发展潜力巨大。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”，实现教育元宇宙技术与基础教育教学改革和数字社会治理的深度耦合。

一

教育元宇宙赋能中小学科学教育的应然价值

（一）价值起点：政策导向与科教需求

政策是技术发展的“风向标”和“导航仪”。它通过明确的发展目标和路径，为新事物的成长提供清晰的方向指引，有助于相关主体把握机遇，实现快速发展。教育部办公厅等部门联合印发的《元宇宙产业创新发展三年行动计划（2023—2025年）》提出，元宇宙在教育领域的应用包括“推进构建虚拟教室、虚拟实验室等教育教学环境，鼓励通过平台共享虚拟仿真实验实训资源，扩大优质教育资源覆盖面”，标志着国家部委层面首次正式对教育元宇宙产业给出明确的发展规划和政策导向。随后，地方教育主管部门积极响应号召，出台了一系列关于加强新时代中小学科学教育工作的意见，强调利用新技术、新手段来提高科学教育的质量和效果。各地政府也纷纷出台相关政策，推动教育元宇宙在中小学科学教育中的落地应用。教育元宇宙赋能中小学科学教育之所以成为大势所趋，还和传统科学教育模式受限于实验设备、教学资源和师资力量等因素密切相关。教育元宇宙的兴起，为破解相关难题提供了新的思路和工具。在教育元宇宙中，学生可以通过虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）等先进技术，沉浸式地探索宇宙奥秘、模拟复杂科学实验，甚至与虚拟科学家进行互动交流。这种学习方式既可以极大地激发学生的学习兴趣和好奇心，也能有效提升和发展他们的空间想象力、问题解决能力和创新思维。此外，教育元宇宙还能够打破地域限制，让偏远地区的学生也能接触到高质量的科学教育资源，促进教育公平。

（二）价值重点：虚实融合与个性化学习

教育元宇宙凭借其虚实融合的核心理念，超越了传统教育中物理空间与数字空间的固有界限，构建了一种前所未有的全新教育生态。在这一生态中，VR技术的巧妙运用可构建高度沉浸式的学习环境，使学生在三维仿真场景中自由探索、实时互动，实现知识与体验的深度融合。例如，美国某小学的教师已开始教授学生如何使用VR查看器对热带雨林进行虚拟“实地”考察。这种虚实融合的学习方式不仅极大地增强了学习的沉浸感和体验感，还促进了学生对科学原理的深入理解和有效记忆，为知识的迁移和应用奠定了坚实基础。教育元宇宙的另一个核心理念在于个性化学习，它依托大数据分析与人工智能算法的强大能力，实现了对学习个体特征的精准识别与响应。传统教育模式往往采用“一刀切”的教学方式，难以兼顾每个学生的独特需求与潜能。在教育元宇宙中，人工智能系统能够持续收集并分析学生的学习行为数据，包括学习时间、偏好、知识掌握程度等，进而为学生量身定制一套符合其个人特点的学习计划。这种个性化学习方案不仅关注知识点的有效传递，也侧重发掘学生的兴趣爱好，引导其探索未知领域，培养其批判性思维与创新能力。通过智能化的系统推荐，学生能够以最适合自己的节奏和方式前进，既避免了学习过载，也极大地提升了科学学习的效果与乐趣，为中小学科学教育注入了新的活力与可能。

（三）价值支撑：技术迭代与内容创生

布莱恩·阿瑟（Brian Arthur）认为，技术是被捕获并使用的现象。技术在其进化过程中，通过组合、优化、扩展和利用新现象等方式，不断形成新的技术形式，这就是技术迭代。通过技术迭代，教育元宇宙不断提升学习体验、促进个性化教学、丰富教育资源并激发学习兴趣，为科学教育提供了强有力的技术支撑。2024年9月，美国Meta公司发布的AR智能眼镜Orion质量仅为98克，而2018年发布的VR无线一体机Oculus Quest质量还高达517克。经过技术迭代的轻量化教育元宇宙设备减轻了学生的负担，使他们不必再担心设备过重对头部或颈部造成压力，能够更加专注于学习，提高学习积极性和参与度。在教育元宇宙中，学生可佩戴VR/AR/MR设备进入虚拟实验室，进行化学实验、生物解剖等高风险或高成本的实践活动，而无须担心安全或资源限制。这种真实感极强的学习体验，能够极大地提高学生的课堂参与度。同时，智能算法的优化也使教育元宇宙能够根据学生的行为数据和学习进度，为他们提供个性化的学习路径和资源推荐。如果说技术迭代是教育元宇宙的硬实力，那么内容创生则是其软实力，是教育元宇宙不可或缺的灵魂。内容创生不仅指新知识的创造，还包括将知识以情节化、多元化的方式呈现给学生，使他们在沉浸式的体验中开展深层次认知活动。情节化的内容设计能够激发学生的学习兴趣和积极性，多元化的学习活动设计则有助于培养学生的综合素养。教育元宇宙可以整合视频、音频、图像等多种媒体形式，以及讨论、合作、竞赛等多种学习方式，为学生提供丰富多彩的学习体验。这种多元化的学习活动不仅能满足学生的不同学习需求，还能促进他们的全面发展。

（四）价值终点：教育公平与终身学习

教育元宇宙与中小学科学教育深度融合的最终旨归是对教育公平理念的深度践行与终身学习体系的全面构建，这一进程深刻体现了技术革新对基础教育领域的深远影响与积极贡献。一方面，就教育公平而言，教育元宇宙为中小学科学教育提供了跨越地域限制、均衡资源分配的新途径。在传统教育模式下，偏远地区或资源匮乏学校的学生往往难以接触到高质量的科学教育资源。而教育元宇宙赋能中小学科学教育，可以使这些学生轻松接入由一线城市学校乃至全球顶尖教育机构提供的科学课程、实验模拟与互动教学。例如，无论身处世界上哪个地方，只要戴上VR头盔，你就可以出现在美国斯坦福大学“Virtual People”的“课堂”上，获得极为沉浸的学习体验。另一方面，在终身学习体系的构建上，教育元宇宙为中小学科学教育注入了持续性与个性化的新动力。科学教育不仅要指向知识的传授，还要关注学生探究精神、创新思维与终身学习能力的培养。如前所述，教育元宇宙通过大数据分析与人工智能算法，能够精准捕捉学生的学习习惯、兴趣偏好与知识掌握程度，从而为他们量身定制个性化的学习路径与资源推荐。这种智能化的教学辅助能够使学生在探索科学的过程中不断发现新知，培养他们的终身学习习惯与能力。更为关键的是，教育元宇宙以其沉浸式体验与即时性交互的特点，为中小学科学教育带来了前所未有的创新可能。与虚拟科学家的互动、参与虚拟科研项目的经历，都能极大地拓宽学生的科学视野，增强他们的科学素养与创新能力，为未来的终身学习奠定坚实基础。

二

教育元宇宙赋能中小学科学教育的实然状态

（一）技术适应实状

技术的本质就是对自然的利人的能动性改造。技术适应实状影响着元宇宙技术能否在教育领域实现有效应用。硬件设备的局限性是教育元宇宙推广的首要难题。高质量的VR/AR设备虽然为教育元宇宙提供了强大的沉浸式体验，但其高昂的成本成为中小学普及元宇宙技术的经济瓶颈。在资金有限的情况下，学校往往难以大规模采购这些设备，导致教育元宇宙的普及受到限制。此外，这些设备的操作复杂性也是一大挑战。中小学生作为教育元宇宙的主体，缺乏必要的学习实践经验，难以熟练掌握并有效利用这些设备进行学习。同时，长时间佩戴VR/AR设备可能会引发身体不适，设备的非便携性还会限制学习场景的灵活性和多样性。例如，在应用虚拟实验室时，如果设备不足或操作复杂，学生将无法充分沉浸在科学实验的环境中，从而影响教学效果。技术成熟度与稳定性则是另一个需要考虑的实际情况。尽管元宇宙技术在近年来取得了快速发展，但其在教育领域的应用仍面临诸多难题。频繁的技术故障，如画面卡顿、声音失真等，会破坏学习的连贯性，降低学生对元宇宙技术的信任度。系统兼容性问题则进一步增加了教育资源利用的复杂性。不同品牌设备间的壁垒限制了教育资源的共享与优化，使教师在选择和整合教育资源时面临诸多困难。技术不稳定带来的安全隐患更加不容忽视。设备过热、短路等问题可能直接威胁学生的人身安全，为元宇宙技术在中小学的推广带来潜在风险。

（二）数字资源实况

数字教育资源是指为实现教育教学目的而专门设计与开发，经过数字化处理并能在信息化环境中运行，服务于教育教学活动的资源集合。它们为教育元宇宙赋能中小学科学教育提供了丰富、生动和可互动的教学内容与形式。然而，当前针对中小学科学教育的数字资源相对匮乏，无疑是制约元宇宙技术发挥更大作用的瓶颈。具体而言，市场上的教育元宇宙内容大多集中在娱乐和游戏领域，真正贴合中小学科学教育需求、具备较高质量的教学素材和案例较少。这种资源的稀缺性使教师在尝试将元宇宙技术融入科学教学时面临“巧妇难为无米之炊”的困境，难以寻觅到既符合教学要求又能充分发挥元宇宙技术优势的教学资源，进而影响最优教学效果的实现。中小学阶段是培养学生科学素养、激发其科学探索兴趣的关键时期，中小学科学教育急需教育元宇宙技术带来的生动、直观教学体验，以增强学生的实践能力和创新思维。若是缺乏足够的教育资源和内容支撑，教育元宇宙平台将难以发挥其应有的教育价值，甚至可能因无法满足教学需求而被逐渐边缘化。更深层次地看，我国数字教育资源体系建设还面临着供给侧结构性失衡的严峻挑战。一方面，政府作为资源供给的主要力量，其供给能力有限且资源配置存在地域、城乡间不均衡的现象；另一方面，供给机制尚不完善，市场调节作用未能充分发挥，导致资源供需之间的矛盾日益凸显。这种结构性失衡不仅影响了数字教育资源的整体质量和数量，也严重制约了元宇宙技术在中小学科学教育中的广泛应用和深入探索。

（三）评价反馈实效

评价是调动学生主体性的有效机制，而反馈则是学生通过主动回答和理解等方式自觉调整自身学习行为的过程。在教育元宇宙赋能下的中小学科学教育过程中，评价反馈面临着诸多挑战。首先，评价标准难以统一的问题日益凸显。教育元宇宙技术的多样性和复杂性，以及不同学校课程之间的差异性，使制定一套普遍适用的评价标准变得极为困难。这导致评价结果缺乏可比性和参考价值，难以准确反映教学质量和学习效果。其次，反馈机制的不完善也是一大问题。在教育元宇宙赋能下的中小学科学教育中，及时且有针对性的反馈对学生学习效果的提升和教师的教学改进至关重要。然而，目前许多学校尚未建立起健全的反馈机制，学生无法及时获取关于自己学习情况的准确反馈，教师也难以获得有效的相关信息。这不仅影响了学生的学习动力生成，也制约了教师的教学改进。再次，评价工具的缺乏是制约评价反馈实效的重要因素。教育元宇宙的特殊性要求评价工具必须与之相适应，但目前市场上缺乏专门针对教育元宇宙赋能下中小学科学教育的评价工具，使评价工作难以高效、准确地进行，影响了评价反馈的实效性和准确性。最后，数据收集与分析能力的不足是一大障碍。在教育元宇宙赋能下的中小学科学教育过程中，会产生大量数据，但如何有效地收集、整理和分析这些数据，并利用它们支持教学决策和改进，是学校和教师面对的棘手问题。许多学校在这方面尚存在明显不足，导致评价反馈工作难以深入进行，无法充分发挥教育元宇宙在提升教学质量和学习效果方面的作用。

（四）师资培训实情

信息素养被认为是信息时代和数智化教育时代的元素养，但目前我国中小学教师的信息素养水平明显不足。尽管多数教师能认识到信息技术应用的必要性，并有了一定基础，但在深度处理、复杂工具整合、创新信息生成及信息伦理等方面，尤其是将信息技术融入学科教学和课程内容上还存在欠缺。信息技术的快速发展要求教师不仅要掌握传统的教学方法，还要熟练运用虚拟现实等先进技术，以便在教育元宇宙中进行教学。当前，不少教师缺乏将元宇宙技术融入教学实践的必要技能，这不仅影响了教学效果的最大化，也制约了教育元宇宙在科学教育中的潜力发挥。教师需要具备前瞻的教学理念和创新的教学方法，以适应元宇宙环境下科学教育的新需求。但由于缺乏系统的培训和指导，许多教师仍然坚持传统的教学模式，难以适应技术发展和教育变革趋势。此外，教育元宇宙赋能下的科学教育对教师的跨学科知识和能力提出了更高的要求。科学本身就是一个高度跨学科的领域，科学教育需要教师具备广泛的知识背景和综合能力，以便将不同学科的知识进行有效整合与应用。现实中，许多教师的跨学科知识和实践经验明显不足，导致他们在面对教育元宇宙赋能下的中小学科学教育时显得力不从心。这种跨学科知识与能力的缺失，不仅影响了教学的深度和广度，也制约了元宇宙技术在科学教育中的全面应用与深入发展。

三

教育元宇宙赋能中小学科学教育的适然进路

（一）增强技术普及，优化应用环境

技术不只是机器，也是一种思考的方法和过程。在教育元宇宙赋能中小学科学教育的深入探索与广泛应用中，增强技术普及的针对性与优化科学教育的应用环境，成为促进中小学科学教育健康发展的两大支柱。为有效应对元宇宙技术融入科学教育面临的挑战，须聚焦这两大核心，实施一系列精准且高效的策略。一方面，增强技术普及的针对性，是教育元宇宙在中小学科学教育中落地的关键。政府应发挥引领作用，通过设立专项基金、提供税收优惠等激励措施，特别是针对农村和边远地区的学校，降低其引入高质量VR/AR科学教育设备的门槛，缩小城乡科学教育资源差距。同时，促进学校与科技企业建立长期合作关系，通过设备租赁、资源共享等灵活模式，减轻学校经济负担，提升科学教育设备的普及性和使用效率。特别是要鼓励设备制造商研发符合中小学生认知特点、操作简便且成本适中的VR/AR科学教育产品，并制定统一的技术标准，确保设备间的兼容性和互操作性，为元宇宙技术的整合与应用奠定坚实基础。另一方面，优化科学教育的应用环境，是提升教育元宇宙在科学教育中应用效果的核心。应加大对教育元宇宙相关技术研发的投入，特别是针对中小学科学教育场景，鼓励高校、研究机构与企业之间的跨界合作，共同攻克关键技术难题，如交互技术、数据可视化、学习分析等，以提升科学教育的趣味性和有效性。同时，建立严格的技术测试与验证体系，确保产品在科学教育场景中的稳定性和可靠性。此外，还需加强网络安全与隐私保护教育，提高师生的网络安全意识和自我保护能力，制定详细的应急处理预案，确保迅速排除技术故障、有效应对安全隐患，为中小学科学教育营造一个安全、稳定、高效的元宇宙环境。

（二）丰富教育资源，构建共享平台

《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》提出，实施优质数字教育资源建设与共享是推进教育信息化的基础工程和关键环节，鼓励企业和其他社会力量开发数字教育资源、提供资源服务，建立起政府引导、多方参与的资源共建共享机制。针对市场上教育元宇宙内容偏向娱乐化和中小学科学教育资源稀缺的实况，首要任务是丰富教育资源库。这要求教育专家、科学家与技术团队深度协作，依据中小学科学类学科的课程标准，开发一系列既符合教学要求又能发挥元宇宙技术优势的教学资源和案例，如沉浸式科学实验、虚拟自然现象探索等。同时，要求教育部门对现有资源进行数字化升级和整合，形成涵盖广泛、质量上乘的教育资源库，为中小学科学教育提供坚实的资源支撑。为改善资源的地域、城乡间不均衡现状，突破供需结构性失衡的困境，构建共享平台同样重要。政府应发挥引导作用，建立开放、包容的教育元宇宙资源共享平台，鼓励各类教育机构、教师和学生共享优质资源，促进资源的广泛流通与高效利用。应通过政策激励和资金支持，吸引企业、高校、研究机构等多方力量参与资源建设与维护，形成多元化的资源供给格局。此外，平台应集成智能推荐系统，根据用户需求和偏好，精准推送教育资源，提升资源的匹配度和使用效率。在丰富资源库与构建共享平台的基础上，还需建立动态更新机制，确保资源的时效性和科学性，加强用户反馈收集，不断优化资源质量。资源安全管理同样不容忽视，应强化数据加密、访问控制和定期安全审计，保障教育元宇宙平台的安全稳定运行和学生隐私的严格保护。

（三）构建评估体系，健全反馈机制

教育评价应关注对学生学习过程和成果的全面评估，为他们提供个性化学习反馈和指导。随着教育元宇宙的应用逐渐深入，针对教育元宇宙的多样性和复杂性以及不同学校课程之间的差异，需组织专家团队，结合科学教育特点，制定一套相对统一且可操作性较强的评估体系。该体系应全面涵盖知识掌握、技能提升、创新能力发展、情感态度形成等多个维度，以客观、全面地反映学生的学习成效。同时，鼓励学校和教师根据本地实际情况，在标准统一的基础上进行适当调整和补充，确保评估体系的灵活性和实用性。针对性反馈能够帮助学生准确发现问题并解决问题，有助于学生进行深度学习。教师可借助教育元宇宙平台的技术优势，如虚拟现实、增强现实等，为学生提供更直观、生动的反馈形式。同时，应设立渠道鼓励学生主动反馈学习需求，以方便教师及时调整教学策略，实现因材施教。此外，针对教育元宇宙技术的特殊性，需开发专门的评估工具。这些工具应能够准确测量学生在教育元宇宙环境中的学习成效，如知识掌握程度、技能提升速度等，并确保其易用性和可靠性。学校应加强数据收集与分析能力建设，建立完善的数据管理体系。利用大数据、人工智能等技术手段，对教育元宇宙赋能下中小学科学教育过程中产生的大量数据进行高效、准确的分析和处理，为教学决策的制定和改进提供有力支持，从而不断提升教学质量和学生学习成效。

（四）提升信息素养，加强专业指导

2019年3月，教育部发布《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》，提出要构建教师信息素养发展新机制，以实现教师能力素质的持续提升。在教育元宇宙背景下，要充分发挥其技术优势，加快教师信息素养的全面升级，推动中小学科学教育生态的构建。首先，加强信息素养培训。组织系统化的专项培训活动，涵盖信息技术的基础理论、实践操作以及在教育元宇宙中的具体应用。通过案例分析、实操演练、模拟教学等多种方式，重点提升教师运用先进信息技术设计和实施教学的能力，特别是熟悉教育元宇宙环境中的教学工具、平台和资源，确保教师能够熟练、灵活地运用新技术提高教学效果。其次，推广前瞻教学理念。通过举办专家讲座、教学研讨会、工作坊等活动，引导教师深入了解元宇宙技术的教育应用前景和潜在价值。鼓励教师积极探索创新教学方法，如项目化学习、协作式学习等，以适应教育元宇宙环境下科学教育的新需求。同时，建立教师交流平台，促进教师之间的经验分享和互助合作，共同探索教育元宇宙在教学中的应用。最后，强化跨学科知识培训。组织跨学科的知识培训活动，邀请不同领域的专家为教师讲解相关学科的基础知识和前沿动态。通过跨学科教学团队建设、联合教研活动等方式，促进教师之间的知识交流与共享，提高教师有效整合与应用不同学科知识的能力。此外，鼓励教师参与跨学科的教学研究项目，将不同学科的知识融入科学教学，为学生在教育元宇宙环境下进行全面、深入的学习提供有力支持。

教育元宇宙为中小学科学教育带来了前所未有的机遇与挑战，其核心在于构建教育元宇宙赋能中小学科学教育的良好生态。明确这一新兴技术在科学教育中的应然价值，深入审视当前中小学科学教育的实然状态，积极探索教育元宇宙赋能中小学科学教育的适然进路，是有效利用该技术推动科学教育创新的关键环节。未来，一个精心构建的教育元宇宙赋能中小学科学教育的生态，有望成为孕育拔尖创新人才的基石，为教育事业的蓬勃发展注入强劲动力。

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来源｜《中小学科学教育》２０２５年第３期

编辑｜孟想

审校｜若惜、朱志安

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原标题：《科学教育 | 教育元宇宙何以赋能中小学科学教育》

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