AI賦能世代的跨域共學： 人工智慧與元宇宙融入國小自然課程設計與實踐 王政弘1,*、盧俐雯2 1 國立高雄大學工藝與創意設計學系 2 國立高雄大學數位內容設計研究中心 * wang101@nuk.edu.tw 摘要：教學現場隨科技演進而多元發展，從網路學習到電腦與平板應用及新興科技，呈現數位教學日益深化與沉浸化的趨勢。透過沉浸式科技，引導學生主動探究、合作學習與創造表達。本研究以「水溶液的酸鹼性」與「自然生態保育」為例，學生在虛擬環境中進行實驗、觀察與推論，並運用AI助教進行學習反饋，將抽象概念轉化為可感知的體驗。教師則透過學習數據追蹤學生歷程，調整教學策略，展現以學習者為中心的課堂樣貌。結果顯示，學生能有效提升其學習參與與理解深度。人工智慧與元宇宙融合不僅拓展了自然課程的教學邊界，更讓科技成為連結知識、人文與永續教育的橋樑，本文期待能提供相關教師與研究人員交流參考，為未來科學教學開啟新視野。 國小自然課程教學的新視界 近年來人工智慧（Artificial Intelligence, AI）與虛擬實境（Virtual Reality, VR）技術的快速發展，正深刻改變自然與科學教育的面貌。面對人工智慧時代的學習挑戰，學生不僅需要理解知識，更需具備運用科技探究與表達的能力。教育元宇宙（Educational Metaverse）作為一種整合AI、VR與即時互動的學習環境，正悄悄改變學生學習自然領域課程的方式。 在實體自然與科學課程中，學生常難以理解微觀或抽象的現象，如酸鹼反應、聲音傳播、能量守恆等。這些內容若僅透過文字或靜態圖像講述，缺乏可視化工具與實驗條件受限，容易使學生難以真正理解「看不見的變化」。若能透過AI與元宇宙創建具體、沉浸的學習情境，則學生可在體驗中探索概念，從操作與互動過程中形成理解與認知（Pagano, 2013）。 在國小自然課程中，透過教育元宇宙平台進行VR教材模擬實驗與AI輔助參與（Engagement）、探究（Wondering）、組織（Organization）、驗證（Validation）與應用（Application）等學習行為模式的推動，讓原本有安全考量而僅能透過教師示範操作的實驗，或是原本需較長時間才可能觀察到的現象與型態變化或是需要大量想像力的科學歷程變得可觀、可操作、也可試錯與再現。 本文以國小自然課程為核心，探討本團隊近年推動教育元宇宙創新應用期間，透過整合AI與元宇宙平台功能，將新科技融入教學的設計理念與實踐，本文並分享數個國小端實際應用實施案例，分析其教學策略、學生反應與學習轉化歷程，並從理論與實務層面提出反思與啟示，期待能提供相關教師與研究人員交流參考。 教育元宇宙平台 為回應教學現場需求，本研究建構 EWOVA 學習行為模式作為平台設計核心，涵蓋參與、探究、組織、驗證與應用五大歷程，平台能相容各廠牌頭盔、桌上型電腦等載具，操作直覺化容易上手，並對應學生從情境導入到知識遷移的完整學習路徑。平台設計依據各階段學習行為建置對應模組功能，如「參與」整合課程管理、身分驗證與虛擬分身模組以營造情境；「探究」與「組織」階段結合教材跳轉技術、 AI 輔助與歷程紀錄工具強化問題探索與概念建構；「驗證」與「應用」則透過互動模組、表情管理模組，支持歷程反思與成果應用的發表。整體設計強調模組化、視覺化與彈性應用，並將模組功能置入相對應空間：STEAM教室、互動學習區及小組跨域討論區等，作為沉浸式學習與教學實踐的重要場域。互動學習區有如實體空間之講堂，具有一鍵上課、影音播放、3D模型召喚、即時辨識語音轉文字與翻譯等功能；小組跨域討論區共有4個分組沙發區，除了一鍵分組、組內影音播放、3D模型召喚、即時辨識語音轉文字與翻譯等功能外，該區域也是預設登入大廳，空間中另可執行教材跳轉、AI小助教對話等功能，並有教材單元測驗成績排行榜、訊息公告等資訊，提供師生瀏覽。   (A)STEAM教室 (B)互動學習區 (C)小組跨域討論區 圖1：EWova教育元宇宙平台各空間區域  課程設計：人工智慧與元宇宙的結合實踐 一、「水溶液的酸鹼性」課程 本文以嘉義市林森國小與臺南市河東國小教師共備設計實施之課程為例，兩校皆採用教育部教育大市集VR教材「酸鹼魔法屋」為課程融入教材及POE教學策略（預測Prediction-觀察Observation-解釋Explanation），其中林森國小並結合EWova教育元宇宙平台虛擬空間及內建AI輔助功能，構成八節沉浸式學習課程。課程主題聚焦於「水溶液的酸鹼性」，旨在透過具體的實驗操作與情境化任務，協助學生從日常現象出發，發現、觀察並推論自然科學原理，培養探究思維與概念整合能力（Solanes et al., 2023）。 （一） 參與（Engagement）：引發動機與建立情境 課程開始，學生選擇個人喜愛的虛擬分身角色後登入教育元宇宙平台之「互動學習區」，教師均播放均一平台教材影片讓學生認識何謂水溶液，並透過生活素材引導學生進入主題情境，並展開提問與互動，並接續引導學生進行「預測」所舉例之固態物質是否溶解。如圖2，AI於此階段輔助功能包含：即時辨識語音轉文字與翻譯、AI生成3D模型及提問引導，輔助教師教學內容與指令的清晰傳達、主題互動及促進學生的情境投入與問題覺察。 (A) AI即時辨識語音轉文字與翻譯   (B)AI生成3D模型 圖2：「參與」階段可運用於學習輔助的功能示意圖 （二）探究（Wondering）：觀察現象與提出假設 接著，課程規劃登入「酸鹼魔法屋」VR教材中進行虛擬實驗。如圖2所示，學生可從元宇宙環境中直接點選教材看板，即可跳轉到VR教材中進行實驗。學生以2至3人一組，輪流進行VR教材第一、二單元，完成每人二種溶質的測試，透過操作不同的溶液組合，教師引導學生思考並於學習單上記錄：「該溶質可不可以溶於水中？如果可以，該溶質溶解於水中的最大量是多少？」、「增加水量時，未溶解的物質會有什麼變化?」、「在水溫升高時，未溶解的物質會有什麼變化?」學生逐步形成假設並移動至教育元宇宙平台之「小組跨域討論區」，分組討論分享自己「觀察」到哪些溶質可以溶解、哪些溶質不可溶解，並「解釋」其原因。此階段AI工具可幫助學生整理觀察與討論紀錄；並依學生輸入內容即時給出反思性提示，幫助學生完成假設變因，促進延伸或深層思考。 (A)在元宇宙中直接跳轉進入教材 (B)學生進行虛擬實驗操作過程 圖3：「探究」階段於教育元宇宙平台中運用於學習輔助的功能示意圖 （三）組織（Organization）：整理資料與建構概念     在完成多次探究觀察後，教師應用VR教材第三、四單元內容，協助學生增強觀念與歸納重點，並於此階段於「小組跨域討論區」中各分組沙發區預先設定補充教學影片、新聞報導等教材，引導學生思考在日常生活中，運用到酸鹼溶液特性，解決生活上的髒污問題的案例，並依據先前的學習經驗與紀錄，建構成科學概念，同時亦完成分組討論與解釋。此階段中教育元宇宙平台透過AI技術蒐集與視覺化學習歷程紀錄，協助教師確認學生理解與迷思概念分布，調整教學內容與進度。   […]