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“元宇宙+教育” 会碰撞出怎样的火花？******

　　◎本报记者 张盖伦

　　近日，第五届世界教育前沿论坛举行。在该论坛“元宇宙与教育”环节的尾声，北京大学教育学院原副院长、中国教育技术协会教育游戏专委会理事长尚俊杰向与会嘉宾提了一个问题：元宇宙常态化应用到教育领域还需多久？这也是近一年来常被探讨的话题。

　　我国教育信息化经过近十年的大力推进，已经实现了跨越式发展。教育部提供的数据显示，全国各级各类学校全部接入互联网，所有学校出口带宽达到100兆以上，接入无线网的学校数超过21万所，99.5%的中小学拥有多媒体教室。

　　那么，下一个十年，像元宇宙这样的新技术又将如何影响教育？

　　元宇宙是教育信息化的高级阶段

　　尚俊杰指出，元宇宙的本质就是与现实世界交互融通的数字化交互环境。狭义上，它是指基于VR/AR、人工智能技术实现的让人身临其境的虚拟世界；广义上，它可涵盖数字世界的所有概念，从当前的互联网到未来虚实融合的数字化世界都是元宇宙。

　　信息技术对教育具有革命性影响，新的技术，总会给教育变革带来新的可能。尚俊杰总结，元宇宙可以为学生带来更具临场感、体验感的学习环境，还可以创造混合现实的学习环境。

　　不过，元宇宙不是教育的万能药。尚俊杰坦言，教育是个“慢领域”，不要指望有某个技术能突然地变革它。可以把元宇宙看作教育信息化的高级阶段。长期来看，元宇宙属于颠覆性技术，但短期来看，它的发展还有许多不确定因素，要重视元宇宙研究，为业界实践提供理论指引。

　　尚俊杰表示，要把教育元宇宙融入教育信息化的长远规划和顶层设计中，明确发展目标和具体方案，为教育元宇宙的健康有序和可持续发展提供政策指导。

　　他还指出，应以教育新基建推动教育元宇宙发展，将教育元宇宙纳入教育数字化战略行动方案，加快推进教育专网建设，推动5G、VR/AR、人工智能、区块链等技术在教育领域广泛落地应用，建构智能学习交互等教育新场景。“只有推动教育基建，我们的元宇宙才可能真正‘搭’起来。否则，如果网络很卡顿，学生就不会有兴趣。”尚俊杰说。

　　他表示，还需加强教育元宇宙相关技术标准的制定，首先要明确元宇宙的技术架构和规则，在此基础上，根据教育领域的实际需求，面向学生全面健康成长，结合各学科课程内容、课程标准和相关研究，发现教育的一般规律和特殊规律，并进一步总结迭代，形成适用于教育领域的元宇宙技术标准和伦理规则。

　　各层级教育元宇宙发展各有侧重

　　元宇宙在教育领域的应用，最终仍要落脚到学习上。

　　华东师范大学信息管理系教授许鑫认为，元宇宙在高等教育、基础教育和职业教育领域落地的典型场景和研发的重点方向会有不同侧重。

　　在高等教育领域，侧重于元宇宙在产教融合方面的落地和社交属性的体现；在职业教育领域，侧重于借助自动化内容生成工具，为数字虚拟场景快速搭建、VR教学资源自动生成、数字人教师实现等赋能；在基础教育领域，则聚焦科学教育，开展学生VR环境下学习能力、抗压能力测评的系列研究。

　　值得一提的是，许鑫强调，元宇宙在基础教育领域的应用还需慎重。此前，他们考虑进行课件的3D转换，比如把课堂上立体几何的内容通过3D的方式直接呈现给同学们。但是研究数学的老师给出了不同的观点——他们担心这样会限制学生的空间想象力。“当给学生提供沉浸式学习环境时，他们注意力究竟是比以前更集中，还是更分散？这都需要进一步研究。”许鑫说。

　　“教育元宇宙的发展要能够把握教育的本质，不是为了用技术而用技术，而是真正让技术促进学生的成长和进步。”许鑫强调。

气凝胶：能改变世界的多功能材料******

　　展览会上展出的具有纳米多孔结构的新型材料气凝胶服装

中新社 任海霞摄

　　【走近超材料①】

　　编者按超材料具有常规材料不具备的超常物理性质，是国际上重点关注的战略前沿领域。我国也高度重视超材料技术的发展，国家自然科学基金、新材料重大专项等都对超材料研究予以立项支持。近年来，越来越多的科研人员对超材料产生兴趣，使超材料的设计开发进入了一个崭新的天地。据此，本版推出“走近超材料”系列报道，展示超材料技术创新发展与产业化应用情况。

　　气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶等多种新型气凝胶。

　　气凝胶是一种超材料，它非常轻，即使把一块气凝胶放在花蕊上也不会将其压弯。目前，各种各样的气凝胶被开发出来，它们或柔软或坚硬，或导电或绝缘，应用领域广泛。1月10日，中铁一局集团有限公司表示，河南省新乡蒸汽管网项目全面通过验收。蒸汽管网对防腐、保温要求极高，其管道选用了高温离心玻璃棉及纳米气凝胶复合保温材料。项目技术负责人汪惺说，纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2—5倍，可极大提高施工质量和施工效率，降低施工成本。

　　作为目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料，气凝胶可谓是材料领域的“隔热王者”，并已在航天、石化等领域应用。比如“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在我国提出“双碳”目标后，随着技术的不断创新，气凝胶的应用场景也在进一步扩大。

　　具有耐高温、高弹性、强吸附等特性

　　气凝胶是一种纳米级的多孔固态新型材料，所有孔的体积合起来占整个气凝胶体积的绝大多数，甚至可以达到99％以上，具有高比表面积、高空隙率、纳米级孔洞、低密度等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、高弹性、强吸附、防水效果好、使用温度范围广、寿命长。

　　“可以把气凝胶理解成多孔海绵的一个纳米版。”气凝胶领域技术专家王贝尔说，其孔径在20纳米至50纳米之间。而空气分子大小约为70纳米，大于气凝胶孔隙的直径，因此空气在气凝胶上流动效率极低，加上气凝胶本身比热容很高，热辐射传递能降到最低，因而具有很好的隔热性能。

　　气凝胶主要分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机—无机杂化气凝胶三类。其中，无机气凝胶是以无机物为主体，包括单质气凝胶、氧化物气凝胶和硫化物气凝胶等。有机气凝胶则是以有机物为主体，主要包括酚醛气凝胶、纤维素气凝胶、聚酰亚胺气凝胶、壳聚糖气凝胶以及壳聚糖—纤维素气凝胶等。有机—无机杂化气凝胶可利用有机物和无机物各自优势，实现气凝胶特殊的功能化。

　　《科学》杂志2021年将气凝胶列为十大热门科学技术之一，并称其为“可以改变世界的多功能新材料”。王贝尔说，气凝胶是《科学》杂志评选出的十大新材料中，唯一一个已大规模落地于实际商业场景的材料。

　　气凝胶的制备工艺主要分为两步，即通过溶胶—凝胶过程制备凝胶，再利用一定的干燥方法将凝胶内的液态物质替换为气态，从而制得气凝胶。

　　有数据显示，在气凝胶行业的成本结构中，制造成本约占45%。苏州锦富技术股份有限公司董事长助理郑松说，降低气凝胶成本是行业正在努力的一个方向，目前主要路径之一是自动化产线的落地，而成本降低将会打开更多的应用场景。

　　生物质基气凝胶成研究热点

　　据中国石油管道科技研究中心评估，以350摄氏度蒸汽管道的保温应用为例，相比于传统保温材料，气凝胶的保温层厚度可减少2/3，节约能耗40%以上，每公里管道每年可减少二氧化碳排放125吨。

　　数据显示，2021年油气领域对气凝胶的需求占总需求量的56%，另有18%用于工业隔热、9%用于建筑建造、8%用于交通运输。国家新材料产业发展战略咨询委员会在《2022气凝胶行业研究报告》中指出，在新能源汽车蓄电池芯模组中采用气凝胶阻燃材料，可将电池包高温耐受能力提高至800摄氏度以上。随着新能源汽车产业等的发展，气凝胶在新能源汽车及储能行业应用场景广泛，需求量有望持续提升。

　　气凝胶发展迅速。国务院发展研究中心国际技术经济研究所分析员李维科说，近年来，中国、美国、欧洲等国家和地区的研究人员通过改进气凝胶制备工艺，开发出生物质基气凝胶、石墨烯气凝胶、聚合物气凝胶等多种新型气凝胶。值得一提的是，生物质原料来源广泛、成本低廉、碳源丰富，利用生物质原料制备环保型多孔碳纤维气凝胶是一种经济、可持续的生产方式，因此目前生物质基气凝胶也成为研究的热点。

　　比如中国科学技术大学俞书宏院士团队研发出超弹性纤维素气凝胶，该纤维素气凝胶从室温到零下196摄氏度，都表现出不随温度变化的超弹性、优异的抗疲劳性等，在恶劣环境中具有巨大的隔热潜力。且制备中所使用的材料均为生物质原料，有望解决能源密集型技术和石化材料造成的环境污染问题，是传统不可再生气凝胶的理想替代品。

　　中国林业科学研究院木材工业研究所卢芸研究员团队以木材为基质，将无机、有机气凝胶与木材骨架基体复合，首创了第三代木质纤维素气凝胶。通过对木材及生物质废弃物纤维素的调控，将纤维素比表面积提高了7个数量级，对油污吸附能力高达自身质量的75—300倍，体积用量缩减50%—75%，可降解、可再生。

　　气凝胶发展驶入“快车道”

　　气凝胶的发展得到国家政策的持续支持。2014年和2015年，国家发改委连续两年将气凝胶列入《国家重点节能低碳技术推广目录》，开始对气凝胶进行初步推广应用；2018年6月气凝胶被列入建材新兴产业；同年9月，第一个气凝胶方面的国家标准《纳米孔气凝胶复合绝热制品》发布；2020年，《气凝胶保温隔热涂料系统技术标准》启用；2021年，《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出，推动气凝胶等新型材料研发应用。

　　随着气凝胶应用技术不断成熟，气凝胶发展进入“快车道”。不过，李维科说，目前气凝胶研究仍存在一些问题，比如气凝胶在高温条件下热导率增长较快，与纤维等增强基体材料的黏结性较差；生产过程中会用到许多有机溶剂，容易造成环境污染；气凝胶难以回收利用，不利于可持续发展等。

　　此外，气凝胶生产成本高昂，产品价格昂贵。《2022气凝胶行业研究报告》指出，气凝胶的生产成本主要集中在原材料硅源、设备折旧及能耗方面。有效降低成本既依赖于制备工艺的突破，也需要通过低成本原材料的大规模产业化来实现。

　　气凝胶是罕见的可以同时满足防火、防水、隔热、隔音等多种需求的材料。李维科说，气凝胶的发展和应用仍然处于不断探索的过程，未来的研究方向主要集中在开发纤维素气凝胶、石墨烯气凝胶、钙钛矿结构气凝胶、非金属单质气凝胶等新型气凝胶上。（记者 李 禾）

　　（文图：赵筱尘 巫邓炎）