運用以學習者為主體的教學策略探討教育元宇宙特性
文／蔡芸琤、謝泓儒
前言 自2021年末起，元宇宙（Metaverse）邁向蓬勃發展，還有許多未知的可能正在逐步實現中，但許多人卻將虛擬實境（Virtual Reality, VR）、擴增實境（Augmented Reality, AR）、混合實境（Mixed Reality, MR）與元宇宙混在一起，甚至認為只要使用到以上實境（VR, AR, MR）就等於元宇宙。但實則不然，實境類的顯示工具，只是元宇宙的呈現方式之一，若無法回到元宇宙的最主要三個特性：「數位分身」、去中心化的「共識性價值體系」、以及「沉浸式體驗」，那元宇宙的實踐與想像就會變得非常狹隘。自2022年起，在課室教學現場，也開始大量使用元宇宙的概念來融入教學活動，因此，為了不讓師生們對元宇宙的認知只停留在「使用到VR、AR、MR就等於元宇宙」，而是要更重視元宇宙的另外兩個特性：「數位分身」與去中心化的「共識性價值體系」。若能將這兩項特性運用得當，將會更容易實現2022年世界經濟論壇（World Economic Forum, WEF）倡議的「教育4.0：以學習者為中心」。本文詳細說明，如何運用「以學習者為主體的教學策略（Human Based Learning, HBL）」，重新定義「教育元宇宙（Education Metaverse）」的特性，並進行深入探討，讓教育4.0能因元宇宙逐步發展的過程，帶來實現的機會，而不只是多了VR、AR、MR融入教學，卻沒具體轉化成以學習者為中心的學習模式。 什麼是元宇宙七層？ 根據Jon Radoff在2021年四月提出的元宇宙價值鏈（The Metaverse Value-Chain），首次有實際造出元宇宙相關產品的企業家，提出「元宇宙七層（The Seven Layers of the Metaverse）」的定義（Jon Radoff, 2021）。這七層包含以下七點說明（圖1）： 體驗（Experience）原文中開頭就提及「Many people think of the metaverse as 3D space that will surround us. But the metaverse is not 3D or 2D, or even necessarily graphical.」這段最重要的結論是，沉浸式體驗不僅僅是沉浸在圖像空間中的體驗，更需要的是了解參與者們如何與虛擬世界及現實世界互動，以及如何造成內容物的增生與交互作用，進而發展成社會沉浸現象（social immersion）。 發現（Discovery）是指如何將新的服務或是產品介紹給更多參與者的方法，也可視為一種有效推廣，可因為參與者的加入而創造整體社會價值與思維的改變，甚至是文化的塑形。而目前已經包含的數位及非數位方式，可分為集體推廣（Inbound Marketing）以及推播式推廣（Outbound Marketing），並在這推廣的內容中設計出使參與者願意主動加入互動，並繼續再分享後而引領出的潮流。 創作者經濟（Creator economy）元宇宙中的內容創作工具，以提供參與者不只是參與者，而是成為獨立創作者，同時也是分享者及推廣者，並以創作者為主體，平台商轉化為幫助創作者能更專注於服務創作者的受眾，把金流及財務權交給創作者，讓他們可直接向他們的受眾募集創作資金，為創作者提供不需要使用廣告、植入和贊助等傳統方式的一個新機會。 空間運算（Spatial computing）除了目前大家認知到的元宇宙使用VR、AR、MR之外，呼應「體驗層」的原文描述「But the metaverse is not 3D or 2D, or even necessarily graphical. 」，只要能將現實世界和虛擬世界結合的技術，以達到數據集成（Data Integration），把不同來源、格式、特點性質的數據，能有機地進行互動、管理進而分析，都是元宇宙的載體。 去中心化（Decentralization）：是區塊鏈最廣為人知的特性之一，理想中的元宇宙應該要是一個更公平、更透明、權力更為分散、更去中心化的世界。Jon Radoff認為元宇宙不屬於任何人但同時又屬於所有人。 人機介面（Human Interface）這不只限於大家認知到的元宇宙使用VR、AR、MR等技術，而是指實現VR、AR、MR技術的設備，例如：VR頭盔。若呼應「體驗層」的原文描述「But the metaverse is not 3D or 2D, or even necessarily graphical.」，那手機、筆電、平板、3D浮影互動裝置、智慧型眼鏡、穿戴裝置等，都屬於實現元宇宙的人機介面設備。 基礎建設（Infrastructure）為了要實現上述元宇宙的特性，更快速更普及的網路基礎建設、容量更大的雲端存儲服務、更強大的圖像運算設備、高續航力的耐用電池、微型感知器及微機電系統等，都是屬於基礎建設的範疇。 教育元宇宙 那甚麼是教育元宇宙？就要先思考，哪些是師生能在課室上進行，並發揮出天馬行空及無中生有的意義。因為從元宇宙七層中可看到，第四層到第七層都是由國家、企業、各種不同形式的社群、以及工程師們幫一般人佈建好了，師生們無法透過課室中的教學活動，參與到這段。本文認為在教育圈的現場，可以去努力的，且最能發揮的地方，就是對第一層到第三層的想像及討論，成為參與者、分享者、推廣者、創造者，創造出在基礎建設之後的經濟發展，才是教育能發揮出無可取代的影響力之處。 就像是，高速公路這類的大型公共建設，不太可能是以民間的力量有辦法去負擔高速公路的維運，但是，當高速公路這個基礎建設有了時候，一般的民間物流業、電子商務業、供應鏈就可以蓬勃發展，所以因著基礎建設而發展出來的經濟活動就會是民間企業可以去經營的。 所以，創作者經濟活動是讓老師們思考，要怎麼樣帶著學生探索及發現生活中有趣的事情 可以讓它映射到我們的虛擬世界中，然後以融合第一層與第二層的概念，創造出「體驗式的傳播」。那什麼叫「體驗式的傳播」？舉例來說，如果你買一碗滷肉飯回家，坐在電視前面用餐，只是單純為了吃飽。但如果換成，你找了一群好朋友，在一個舒適的餐廳吃的一碗滷肉飯，你一樣是吃飽，可是那時候照顧的不是只有你的肚子，若在聊天過程中很愉快，你們產生了很多的交談與交流，甚至創造出之後的延續其他合作的可能，在那一場不只是吃滷肉飯的晚餐，你覺得身心愉悅、涵養提升、新價值被探索出來，而不單純只是吃飽，這個就是本文所說的「體驗式的傳播」。以下詳細說明搭載於元宇宙七層的下四層，並抽換上三層，成為教育元宇宙。
圖1. Jon Radoff在2021年四月提出的元宇宙價值鏈（The Metaverse Value-Chain）。
▍ 取自https://medium.com/building-the-metaverse/the-metaverse-value-chain-afcf9e09e3a7
教育元宇宙的體驗式學習：在教育場域，現在已經不能只單純灌輸單向知識（只是單純為了吃飽），而是開始期許，學習是一件能從身心靈全面發展的考量下前進，那就是「體驗式的傳播」。如果透過Jon Radoff定義的元宇宙價值鏈出發的想法，本文所描述的教育元宇宙的想像是，從師生共創一件有趣有意義的作品或專案，這個有趣的事物是這個世界上需要被解決的問題，師生共同去嘗試探索，讓這一連串的變化串聯起來，變成一個有機會讓社會變得更好的解決方案，被貢獻出來，是一個完整的「教育元宇宙的體驗式學習」。 教育元宇宙的探究式學習：因為師生共創與不限時空背景的學習者加入，給予他們充分發表、討論與操作的機會，而創造出學習者的認知行為的改變，進而體會與學習到科學知識、科學態度與科學技能，創造出使用此技能所對應到的應用價值，並繼續再分享後而引領出的潮流。達到從認知、情意、技能出發，走向最終教育元宇宙目標，創造價值。 以學習者為主體的教學策略（Human Based Learning, HBL）：以提供學習者不只是學習者，而是成為獨立創作者，同時也是分享者及推廣者，以學習者為主體，老師要轉化為幫助學習者能更專注於透過創作，來獲得認知、情意、技能等基本能力之外，更實現出創作價值，將創作所有權、學習主動權交還給學習者，讓他們可直接透過網路上的區塊鏈平台驗證，現學現賣後的知識技能，可產生的價值是甚麼，幫助學習者能思考學習的意義，找出為何而學的內在動機，進而達到持續學習的高層次思維。 HBL實際案例探討教育元宇宙特性 HBL教學策略分為三個階段（圖2），未來預計以更多七年級至九年級的學生做為實際驗證的受眾。本教案由青山國中謝泓儒老師與師大科技系PecuLab蔡芸琤老師共同設計，並以幻景啟動（Lixel）3D浮影裝置為呈現載體。此實際案例以氣候變遷衝擊下的淹水災害為議題，並帶領學生們深入討論及創作與洪水共存、培養韌性，的永續解方。
圖2. 青山國中謝泓儒老師與師大科技系PecuLab共同設計的HBL教學策略三階段。
一、HBL教學策略三階段步驟 學習者自發性行為：在學生自發性行為大多定義為學習動機，如何引起學習動機為這一階段的主要關鍵，而在此階段的自我覺察，需要利用本文首創的「狩野分析結合李克特量表」之分析來了解學生老師所給的分為不需要、必要的、想要的議題或教學方式。在教學方式也可以緊扣議題來進行探討以及知識內容。 與學習環境中的刺激與互動：了解學生合適的操作方式進行第二階段虛擬世界原宇宙的概念，能在虛擬世界裡任務導向方式去嘗試與熟悉。而在熟悉介面操作之後進行大師作品賞析與萃取元素，在師作品賞析與萃取元素在這兩個小階段裡會因需要找的合適的作品進行萃取，所以會重複以迴圈方式進行找到合適的元素為止，再回扣任務進行解決及創作。 學習者積極參與學習：在學習者參與學習及第一階段學習者的自發性行為有很大的因素，如何達到積極參與學習就要去檢視學習動機是否符合。互動式報告與以往的報告不同，有很大的因素也是因為課堂不同設備的應用，是否因為設備或器材引起學生願意嘗試用這樣的方式進行報告。 二、「狩野分析結合李克特量表」分析法 狩野分析（KANO Model）是由狩野紀昭教授於1984年所提出，主要是用來分析顧客滿意度，以釐清回答者是否有需要這樣的設計、功能與服務（Sauerwein, E., Bailom, F., Matzler, K., and Hinterhuber, H. H. 1996）。本文將狩野分析結合李克特量表發展出的分析法如下說明。 甲、課程設計對應學生需求類型： M 基本型需求（Must-be）。 O 期望型需求（One-dimensional）。 A 魅力型需求（Attractive）。 I 無差異需求（Indifferent）。 R 不需要（Reverse）。 Q 有疑問（Questionable）。 乙、「狩野分析結合李克特量表」分析法計算公式：以下公式計算出的SI及DSI值，投射入「狩野分析結合李克特量表」分析法二維平面中（圖3）進行分析。接下來以青山國中表演藝術課的學生回應進行計算說明。
圖3. 青山國中表演藝術課「狩野分析結合李克特量表」分析法二維平面結果散佈圖。
五個點代表分別使用正向與反向問句去對應五個課程活動，由學生來反映出是否符合他們的想要與需要。這五個課程活動分別為，影片賞析、科技與舞蹈、拍攝微電影、畢業影展競賽。若授課教師想要了解這五項課程活動，是否能回到學生的需要，而不是由老師從學生的學習評量來認定學生的學習成效，才算是踏出以學習者為主體的第一步，其他更多的教育元宇宙問卷的題組，可透過下節（三、「狩野分析結合李克特量表」分析法HBL實際案例探討教育元宇宙特性）的觀察指標來發展，讓師生更清楚知道如何透過教育元宇宙的特性，進行深入探討，讓教育4.0能因元宇宙逐步發展的過程，帶來實現的機會，而不只是多了VR、AR、MR融入教學，卻沒具體轉化成以學習者為中心的學習模式。 問卷題組如下：
從26位學生的回答收到各題組的學生類型需求類型所計算出的SI和DSI如下：
再將Q1至Q5的題組所算出的SI和DSI分別投射至「狩野分析結合李克特量表」分析法二維平面中的散佈圖，就完成了分析結果（圖3）。 三、「狩野分析結合李克特量表」分析法HBL實際案例探討教育元宇宙特性 以氣候變遷衝擊下的淹水災害為議題，並帶領學生們深入討論及創作與洪水共存、培養韌性，的永續解方。為了確認HBL教學策略的三個階段可回應本文所定義的教育元宇宙。設計出以下觀察指標，並搭配「狩野分析結合李克特量表」進行教育元宇宙的特徵確認，以滿足以學習者為主體的教學策略，達到教育4.0以學習者為中心的目標。
結語 2022世界經濟論壇在5月26日落幕，提出「教育4.0」以人為本的復甦倡議，從現在起的教學模式，必須以學習者為中心，善用科技與教學方法創新，幫助學習者有更廣泛的技能，以因應第四次工業革命並擁有適應性及韌性來面對未知的世界（World Economic Forum Insight Report 2022）。 而未知的世界，是由一群充滿想像力與執行力的人共同推動而生的，從Jon Radoff定義的元宇宙價值鏈出發，就能看出，未來的世界可從什麼是宇宙的角度來切入思考，宇宙是個巨大的意識體，代表這個意識體中的各個小單位帶有訊息與信號，可以自由地進行交流與交換。元（Meta）是後設資料（Metadata）的簡稱，就是描述資料的資料。人也是宇宙中的一種單位，從人的想像打造出來可透過訊息交換與交流而創造價值的宇宙，就是元宇宙，也就是已經到來的新世界的首部曲。 因為，教育元宇宙就是「師生能共創出任何可以產生價值交換的思維系統」，即便老師手上沒有VR、AR、MR技術的設備，要使用甚麼樣的呈現方式，由參與者及共創者因地制宜來自行決定，只要能設計符合教育元宇宙精神所提出的教學方案，使學生在進入社會之後，可以獨立自主，成為身而為人所具備的所有能力的學習歷程的體驗，以滿足以學習者為主體的教學策略，達到教育4.0以學習者為中心的目標。就是教育元宇宙的核心價值與發展目標。 本文因受限於刊物字數限制，此篇目前著重於論述如何定義教育元宇宙，提出相關的衡量指標，以示範如何搭配「狩野分析結合李克特量表」進行教育元宇宙的特徵確認，期許引入更寬廣的討論及反思。未來將會持續導入不同的科技工具說明如何應用在教育元宇宙中，包含透過區塊鏈技術實現「數位分身」與去中心化的「共識性價值體系」、更多不同的教育元宇宙教案探討、引導出更多老師有自信參與教育元宇宙的教案設計。
蔡芸琤
PecuLab創辦人
國立臺灣師範大學科技應用與人力發展學系教師
謝泓儒
新北市汐止區青山國民中小學生活科技教師
參考文獻 [1] Jon Radoff (2021). The Metaverse Value-Chain. Online URL: https://medium.com/building-the-metaverse/the-metaverse-value-chain-afcf9e09e3a7. [2] Sauerwein, E., Bailom, F., Matzler, K., and Hinterhuber, H. H. (1996). The Kano model: How to delight your customers. The International working seminar on production economics (Vol. 1, No. 4, pp. 313-327). [3] World Economic Forum Insight Report (2022). Catalysing Education 4.0: Investing in the Future of Learning for a Human-Centric Recovery. Online URL: https://www3.weforum.org/docs/WEF_Catalysing_Education_4.0_2022.pdf?fbclid=IwAR0ISnoB-ss29zuUJIPp9xHVptRhiEzmKSugauti0nhUCDaUjMnRkImHloA&fs=e&s=cl.
本文引用格式：蔡芸琤、謝泓儒（2022）。運用以學習者為主體的教學策略探討教育元宇宙特性。科學研習，61（6），13-21。
元宇宙融入教學的經驗
文／張玉山、俞玲琍
前言 元宇宙（Metaverse）是透過網路串接成並強調3D沉浸效果與社會連結的虛擬世界。從單純網頁瀏覽的web 1.0到強調共編社群的web 2.0再到到WEB 3.0及區塊鏈（blockchain）技術發展的影響，元宇宙更強調去中心化（decentralized）系統，以及在經濟活動等多方面的應用。因此元宇宙有以下的要素或特性（蔡易璋，2022；維基百科，2022；宇萌數位科技股份有限公司，2022）。
虛實同步：元宇宙的虛擬世界也和實體世界互相結合，虛擬世界裡的人物主角，也就是真實世界的人物；虛擬世界裡的代幣，也可以和真實世界的貨幣做轉換。元宇宙的虛擬世界活動，同步和實體世界是互通的。 替身主體：真實個體在元宇宙的虛擬世界中會有一個虛擬替身（avatar）（維基百科，2022），這個替身會有名字、外型、個性等，甚至行為的主體性。在虛擬世界中，個體會交朋友、買東西、買賣土地和房子，就像實體世界一樣。 社會互動：延續以前的社群軟體，滿足社會互動的需求是元宇宙的核心，例如line、instagram、Meta（Facebook）等，不只是加以3D化，更增強人際的互動性。 經濟系統：元宇宙既然是一個平行於實體世界的空間，就需要一個龐大的經濟與貨幣系統來支撐運作，非同質化代幣（Non-Fungible Token, NFT）就是當前的經濟系統之一（蔡易璋，2022）。 多元需求滿足：元宇宙滿足用戶個人的多元需求，包括心理、社會、經濟、文化等需求。因此在用戶個人的身份、內容創作、虛擬經濟、社會可接受性、安全和隱私以及信任和責任，當然會是必要的條件（維基百科，2022）。對產業來說，提供電腦遊戲、商業、零售購物、教育、休閒娛樂、房地產等服務，當然也是相當有潛力，並且目前也逐步有一定的規模。 去中心化：元宇宙將有許多公司及個人在經營自己的空間，沒有中央統一的管理機構（維基百科，2022）。透過公有鏈的區塊鏈，元宇宙的資料將可以有更高的去中心化效果，以及更強化可信任度。元宇宙的資料與技術將更能被大家所使用與共有（曲建仲，2022）。 持久永續：元宇宙中的所有事件都是實時發生，虛擬與實體同步進行，並具有永久的影響力（維基百科，2022）。元宇宙具有永續性，不會受到某個企業、某個國家的變動而影響（曲建仲，2022；蔡易璋，2022）。 沉浸虛擬：元宇宙在虛擬的層面，必須營造一定程度的虛擬，來對比實體的生活。因此在技術面包括虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）和混合實境（MR）技術，以及網路速度的配合，將是不可或缺的軟硬體發展方向。
根據加速研究基金會（Acceleration Studies Foundation, ASF） 2007年提出的元宇宙藍圖（Roadmap of the Metaverse），可以用兩個軸向交叉來描述元宇宙（Kye et al., 2021; iThome, 2022; Yu, 2022; Tlili et al., 2022）。水平軸是外在環境反映到使用者內在沉浸的程度，垂直軸是從擴增實境到模擬（Yu, 2022）。擴增實境是將虛擬訊息加在實體空間上，例如抓精靈寶可夢；生活日誌是每天捕捉與紀錄人事物訊息，例如拍美食照上傳Instagram；虛擬世界是透過人工智慧所創造的虛假非真實的環境，例如一級玩家的電影情節；鏡像世界是以準確的地理型態來提供實際應用，例如遠距會議（Yu, 2022; iThome, 2022 ），圖一所示（Kye et al., 2021; iThome, 2022; Yu, 2022; Tlili et al., 2022）。
圖1. 元宇宙藍圖
▍ 取自 ”Is Metaverse in Education a Blessing or a Curse: A Combined Content and Bibliometric Analysis, “by A. Tlili et al., 2022, Smart Learning Environments, 9（24）, p.2.
▍ “Exploration of Educational Possibilities by Four Metaverse Types in Physical Education,” by . J.-E. Yu, 2022, Technologies 2022, 10（104）, p.3.
▍ Kye, B., Han, N., Kim, E., Park, Y., & Jo, S. （2021）.
▍ “Educational applications of metaverse: possibilities and limitations,” by B. Kye et al., 2021, Journal of Educational Evaluation for Health Professions, 18（32）, p.2.
元宇宙融入教學的設計與進行 從上述的討論，虛擬世界是由數位模擬，建立用戶身分，進行互動與產生沉浸的數位空間。根據虛擬世界與實體世界的融入程度，又包含數位二元（twin）、虛實同根（native）、以及超現實（surreality），如圖二。
圖2. 元宇宙的虛實世界
▍ 取自 “Metaverse Through The Prism of Power and Addiction: What Will Happen When The Virtual World Becomes More Attractive Than Reality?” by L. Bojic, 2022, European Journal of Futures Research, 10（22）, p.4.
根據本文所探討的元宇宙及虛擬世界的特性，本研究以碩士班的國小科技教育研究課程中的教案分享單元，融入Universe虛擬世界平台中，進行教學。學習者必須進入平台中，設定自己專屬的帳號名稱及分身外型設定，再依據教師的引導，進到大教室學習及進到分組教室進行教案作品的發表。教學程序如表一。 元宇宙融入教學的省思 本研究透過事後的心得寫作中，發現虛擬世界融入教學可以讓學生產生新鮮有趣以及沉浸的效果。對於學習動機及專注度，都會有幫助。例如以下的心得： 「這次的元宇宙分享我認為因為可以進行自我角色的設計、可購買並替換角色造型是分常新穎的，會讓學生第一次使用時產生好奇心，集點換衣服這點也有機會激起學生回答問題換點數的動力。」 —蔡同學 「相較於線上授課，隔著螢幕不論視訊的有無，都難以對學生有即時的互動。更別說有學生關著視訊玩手機追劇睡覺等等。元宇宙或許可以提升學生對於課堂中的專注度與互動性。」 —曾同學 此外，虛擬世界的身分建立與替身頭像也讓學生比較勇於參與發言討論，降低羞怯的感覺。例如以下的心得： 「對於許多在課程中想發表卻羞怯的學生而言，這也是一個不錯的方式。不用擔心發表或分享的過程中會受到其他同學的表情影響，也比較不會害怕說錯或是怯場。」 —曾同學 但是學習者對於虛擬世界所需要的軟硬體設備及平台上手的難易度，還是會有擔憂。因此，如何降低使用的難度，以及連線斷線或閃退（跳出平台）的問題，是後續值得改善的地方。
元宇宙是數位與網路科技發達下的新興體系，加上頭盔、眼鏡、穿戴裝置、腦波裝置等結合，從感官體驗到個人身分設定等自我認知，元宇宙帶給人截然不同感受。但是學者也提出很多憂慮，例如尚未有安全規劃就一頭栽進去；人類的價值在哪裡? 甚麼是我們所期望的元宇宙?可能加劇人際疏離的問題；線上服務會進步，但數位落差會加大；可能加大孤獨感，並導致兩極化；社會議題和道德倫理的挑戰更大；透過社群媒體，技術菁英更加強大等（Pew Research Center, 2022）。因為社會制度與規範尚未跟上腳步，道德與倫理也還沒準備好，這些議題與爭議還沒得到妥善的處理（Pew Research Center, 2022）。
因此，我們在教育領域引入元宇宙時，還是必須相當謹慎，除了感受到元宇宙神奇奧妙的數位效果，也必須同時留意元宇宙對認知、心理、社會等層面的影響。例如在虛擬世界班級文化的經營，學生行為的引導或導正，學習評量的進行等，都和實體班級環境非常不一樣，這些都是我們應該先加以設想的議題，才能讓元宇宙在最大獲益與最小傷害下，幫助學習的進行與教育的推動。
張玉山
國立臺灣師範大學科技
應用與人力資源發展學系教授
俞玲琍
臺北市政府教育局聘任督學
國立臺北科技大學技術與職業教育研究所研究生
參考文獻 [1] Bojic, L. （2022）. Metaverse through the prism of power and addiction: what will happen when the virtual world becomes more attractive than reality? European Journal of Futures Research, 10（22）. https://doi.org/10.1186/s40309-022-00208-4 [2] iThome。（2022）。從四種科技應用理解元宇宙意涵。 https://www.ithome.com.tw/article/151134 [3] Kye, B., Han, N., Kim, E., Park, Y., & Jo, S. （2021）. Educational applications of metaverse: possibilities and limitations. Journal of Educational Evaluation for Health Professions. 18（32）. https://doi.org/10.3352/jeehp.2021.18.32 [4] Pew Research Center. （2022）. The Metaverse in 2040. https://www.pewresearch.org/internet/2022/06/30/the-metaverse-in-2040/ [5] Tlili, A., Huang, R., Shehata, B., Liu, D., Zhao, J., Metwally, A. H. S., Wang, H., Denden, M., Bozkurt, A., Lee, L. H., Beyoglu, D., Altinay, F., Sharma, R. C., Altinay, Z., Li, Z., Liu, J., Ahmad, F., Hu, Y., Salha, S., Abed, M., & Burgos, D. （2022）. Is Metaverse in education a blessing or a curse: a combined content and bibliometric analysis. Smart Learning Environments, 9（24）. https://doi.org/10.1186/s40561-022-00205-x [6] Yu, J. E. （2022）. Exploration of educational possibilities by four metaverse types in physical education. Technologies 2022, 10, 104. https://doi.org/10.3390/technologies10050104 [7] Yu, J.-E. （2022）. Exploration of educational possibilities by four Metaverse types in physical education. Technologies 2022, 10, 104. https://doi.org/10.3390/technologies10050104 [8] 宇萌數位科技股份有限公司。（2022）。元宇宙時代來臨。https://si.taiwan.gov.tw/Home/citizensSay/view/1123 [9] 曲建仲。（2022）。為什麼區塊鏈不等於去中心化、不可篡改、可以信任？https://www.bnext.com.tw/article/71600/blockchain--decentralization-0906? [10] 維基百科。（2022）。元宇宙。https://zh.m.wikipedia.org/zh-hant/元宇宙 [11] 蔡易璋。（2022）。邁向WEB3.0，了解建構元宇宙八要素。 https://mymkc.com/article/content/24785
本文引用格式：張玉山、俞玲琍（2022）。元宇宙融入教學的經驗。科學研習，61（6），5‐11。
微小世界中的仿生材料──奈米酵素
文/連經憶
前言
科技發展的最終目的是希望促進人類生活的福祉，過去在發展的過程中常常忽略了對環境的影響，因此對我們居住的環境造成了一些不可逆的影響。化學的本質是研究物質的變化，對科技的發展扮演著舉足輕重的角色，如用句通俗的語句詢問，現在流行什麼？大多數人腦海中最先浮現的可能是「新冠肺炎」，在從化學的角度來看，「流行」也許不是合適的用語，但研究的方向也會隨著需解問題的迫切性隨著演變，近年科學研究方向正朝向[綠色]、[永續]邁進，希望能夠用對環境友善的試劑，更有效地提升反應效率，在創新之餘，以符合綠色化學原則的方式降低對環境的衝擊。
怎樣是最好能解決上述問題的做法呢？這個問題會有許多不同的答案，師法自然-也就是「仿生」會是其中之一。經過長時間的演化，自然界各種生物早已發展出最有效率、適合生存的一套方法。提到「仿生」，最常被討論的有蜘蛛絲，蜘蛛絲很輕，由二種蛋白晶體組成，具有高強度及韌性，是科學家喜歡研究的仿生材料之一（泛科學，20220920檢索）；市面上有仿生機器人及仿生機器狗，可以自由操控，模仿人或狗的行為，這些都大家比較熟悉的仿生案例，到底仿生的定義是什麼？簡單地說，仿生就是模仿大自然，受大自然的啟發所開發出的材料、型態、過程及性質等（臺灣仿生科技發協會網站，20220920檢索），除了蜘蛛絲，仿生學家最常研究的大自然現象包括蓮葉之自潔效果、蝙蝠海豚活動時定位的方式、蝴蝶翅膀的顏色等。從尺寸上來說，仿生機器人及機器狗是比較大的物件，蜘蛛絲可以很長，但直徑就小多了，尺寸再小一點，就到了奈米等級的材料及結構，可以做為科學家研究的題材，例如奈米酵素（Nanozyme）。以下將以奈米酵素為主題，介紹奈米世界中的仿生材料。
奈米酵素（Nanozyme）的前世今生
化學反應是原子間重新排列及組合，不容易進行的反應需要催化劑，降低反應活化能，才能快速地得到產物。生物體中進行的反應類型與試管燒杯中的反應類似，但所使用的催化劑是生物分子（Biomolecule）-酵素，酵素多半是由胺基酸所組成的蛋白質，就像是長長的項鍊，摺疊成正確的形態後就形成自然界最有效率的催化劑，受質在酵素的活性中心（Active center）進行反應，反應完後酵素釋出產物，回復到原來的形態，又可以再進行下一次的催化，也因為有活化中心，所以天然酵素的專一性佳。這是催化劑的特性，如能使用適合的催化劑，可以節省反應時所需要的時間、能量，提高反應的效率，不需要加入過量的反應物，結省試劑用量，開發高效率的催化劑是實踐綠色化學的重要項目，天然酵素當然也就成為開發催化劑時可以模仿的對象。
什麼是「奈米酵素」？顧名思意，奈米酵素模仿的是生物體中的酵素，奈米酵素是具有酵素活性的奈米材料（Huang et al. 2019），這樣的材料可以取代酵素，催化相似的化學反應。在形態及組成方面，奈米酵素與蛋白質及核糖酵素（Ribozyme）不同，但一樣是高效率、可催化相似的生化反應，因此從功能及性質的角度而言，奈米酵素也可以算是一種仿生材料。
奈米酵素屬於人工酵素的一種，以奈米尺度為基礎所合成出的人工酵素，因奈米材料的比表面積大，表面的原子與塊材表面的原子相比，較易進行反應，奈米酵素因此在過去十多年中蓬勃發展，越來越受到重視，圖一說明了奈米酵素發展的歷史（Das et al. 2021），從圖中可以清楚地看出隨著時代演進而產生的三大類酵素，自然界中原有的酵素，也就是天然酵素、人工酵素（Artificial enzyme）及奈米酵素。最早威廉‧屈內（Wilhelm Kühne）在1878年時創造了Enzyme這個名詞，接下來在1926年，美國的化學家詹姆斯‧薩姆納（James B. Sumner）純化尿素酶（urease）時結晶出第一個酵素，並證明這個酵素是蛋白質。有很長的一段時間，科學家認為酵素都是蛋白質，直到1989年托馬斯‧切赫（Thomas R. Cech）證明了核糖核酸具有催化反應的功能，自然界中的酵素不再只是蛋白質，也因此有了核糖酵素（Ribozyme）這個名詞。過程中酵素的種類越來越多，但天然酵素有其限制，科學家試著開發與蛋白質、核糖核酸這些生物高分子不同的人工酵素，在1970年Ronald Breslow定義了人工酵素這個名詞，接下來在2004年就出現了奈米酵素這個名詞。奈米酵素的起源與金奈米粒子的催化活性有關，古今中外都將黃金視為貴重金屬，因其穩定性佳，被做成飾品長期保存。這是在巨觀世界中塊材的特性，但當黃金小到奈米的尺寸時，其性質就與塊材大不相同，開始有了催化的能力，1987年Haruta的團隊發現了金奈米粒子在低温下能讓一氧化碳氧化，這樣的結果啟發了Scrimin、Pasquato及其團隊，在2004年發現金奈米粒子與氧化酶及核糖核酸水解酶（Ribonuclease，RNase）相同，能催化同類別的反應，創造出奈米酵素這個名詞，圖一顯示出奈米酵素的種類及所催化的反應。
圖1. 奈米酵素的發展歷史
▍ 資料來源：Das, B.; Franco, J.L.; Logan, N.; Balasubramanian, P.; Kim, MI.; Cao, C. Nanozymes in point-of-care diagnosis: an emerging futuristic approach for biosensing. Nano-Micro Lett.2021, 13:193.
天然酵素？奈米酵素？超級比一比
既然天然酵素是這麼好的催化劑，大量生產化合物時不就可以直接使用嗎？科學家為什麼還需要模仿天然酵素，合成出人工的酵素呢？這是因為酵素有先天性的限制，天然酵素有不耐高温、穩定性較差、適用的酸鹼度範圍窄、可循環再利用的次數較少及大量生產時所需的費用較高等缺點（Liang and Yan 2019；Ballesteros et al. 2021）。為了讓酵素有良好的催化活性，反應温度及酸鹼度必需控制在特定的範圍，温度太高，酵素會因變性而失去活性，太低則反應速率慢；酸鹼值太高或太低，也會使反應變慢，甚至使其變性、失去活性。有些酵素的穩定性差，除了容易變性外也容易被分解，因此不利於長期保存及運輸。相較於天然酵素，奈米酵素没有以上的問題。在專一性方面，因奈米酵素没有活化中心，所以需要有巧妙的設計來增加專一性。除此之外，奈米酵素還有許多天然酵素缺乏的優點，表一列出奈米酵素在物理/化學性質及活性上的優勢。
表1. 奈米酵素在物理／化學性質及活性上的優勢
▍ 資料來源：1. Liang, M.; Yan, X. Nanozymes: from new concepts, mechanisms, and standards to applications. Acc. Chem. Res. 2019, 52, 2190-2200. 2. Ballesteros, C.A.S.; Mercante, A.A.; Alvarenga, A.D.; Facure, M.H.M; Schneider, R.; Correa, D.S. Recent trends in nanozymes design: from materials and structures to environmental applications. Mater. Chem. Front. 2021, 5, 7419.
奈米酵素的種類
符合奈米酵素定義的奈米材料包括金屬氧化物、金屬及含碳的有機化合物，除單一材料外也有複合材料；所對應的天然酵素包括過氧化酶（Peroxidase）、超氧化物岐化酶（Superoxide dismutase）、氧化酶（Oxidase）及過氧化氫酶（Catalase）（Huang et al. 2019；Das et al. 2021）。圖二為奈米酵素模仿的天然酵素及催化的反應類別。
圖2. 奈米酵素模仿的天然酵素及可催化的反應範例。反應時因電子轉移而產生超氧陰離子。
▍ 資料來源：Das, B.; Franco, J.L.; Logan, N.; Balasubramanian, P.; Kim, MI.; Cao, C. Nanozymes in point-of-care diagnosis: an emerging futuristic approach for biosensing. Nano-Micro Lett.2021, 13:193.
表二為奈米酵素的分類方式，整理出常見奈米酵素的種類及仿生類別（Wong et al. 2021）。第一類的奈米材料是模仿天然酵素活化中心的金屬錯合物，例如Gao團隊在2007年所合成的氧化鐵奈米粒子（Fe3O4）與 山葵過氧化酶 （Horseradish peroxidase，HRP）活化中心的鐵-血基質錯合物（Iron-heme complex）相仿，具有過氧化酶的活性；第二類的奈米材料形態及材料都與天然酵素不同，但功能相同，催化相同類形的反應，例如金奈米粒子，Rossi團隊的研究結果證明了3.6 nm大小的奈米粒子與葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase）相同，具有催化葡萄糖氧化的活性。奈米粒子表面容易被修飾進而改變所帶的電核，藉由調節pH值，可以調整金、銀、鉑及鈀等奈米粒子的催化活性，讓這些酵素在酸性的狀況下具過氧化酶的活性，在鹼性環境中則具有過氧化氫酶的活性。這類的材料中還包括了富勒烯（Fullerene）、碳量子點（Carbon quantum dots）、氧化石墨烯（Graphene oxide）及奈米碳管（Carbon nanotubes）等有機化合物，研究顯示碳量子點具與過氧化酶相似的催化活性。第三類是第一及第二類材料的結合，還包括了金屬有機框架材料（Metal-organic framworks，MOFs），由金屬離子及有機化合物鏈結組成三維的孔洞結構，過渡金屬做為催化劑，孔洞可做為受質的結合位，有效地催化對應的生化反應。合金屬於第四類的奈米酵素，結合二種金屬，使這類的奈米材料具有二種金屬協同效應所產生的特殊性質，藉由調整金屬的比例達到調控催化劑活性的目的。
表2. 奈米酵素的種類及仿生類別
▍ 資料來源及圖片出處
Wong, E.L.; Voung, K.Q.; Chow, E. Nanozymes for environmental pollutant monitoring and remediation. Sensors 2021, 21, DOI: 10.3390/s21020408.
Nanozyme的製備方法
隨著奈米科技的演進，己發展出各種合成奈米材料的技術，以金屬奈米粒子為例，如從金屬離子開始，需要還原劑及覆蓋劑才能合成出各種不同形態及大小的奈米粒子，還原劑及覆蓋劑可以是特定的化合物，如檸檬酸鈉，或者使用較符合綠色化學及永續原則的合成方法，例如可以利用生物體，培養細菌、真菌、酵母菌、藻類等，合成奈米粒子。這一種方法因需製備培養基進行培養，再由生物體中純化分離出奈米粒子，步驟較為繁複、耗時，且較難控制所得奈米粒子的大小及形態。另外可以用植物萃取物做為還原劑及覆蓋劑合成出所需之奈米粒子，因植物中有大量的多酚、類黃酮、花青素等植物性化學成分，還有生物鹼、胺基酸及蛋白質等，可同時提供還原劑及覆蓋劑。合成時調整所加入植物萃取物的比例、酸鹼度、及温度等，可以調控奈米粒子的大小及形態，與利用單一化合物所合成出來的奈米粒子相比，雖然其大小及形態分佈較廣，但因可以大量製備萃取物，使用對環境友善的試劑，合成時不需要高温，在室温下就可進行，節省能源，因此這樣的合成方式仍有相當的發展性。除了金屬奈米粒子外，植物萃取物也可以用來製備奈米等級的金屬氧化物。圖三是用植物萃取物合成奈米材料的示意圖。
圖3. 以植物萃取物合成奈米材料示意圖
奈米酵素的應用
奈米酵素的應用性非常廣範，從分析檢驗、環境處理到生物醫學等，在生物醫學的領域應用除抗菌、疾病治療、影像醫學及癌症治療外，也常用於檢驗生物分子、細菌等，可做為疾病診斷之用，甚至延伸至即時檢測（Point of care）（Huang et al. 2019；Ballesteros et al. 2021）。在分析檢驗方面可用在重金屬、農藥、食品中攙雜物及毒素之檢測等；在環境方面，奈米酵素除了可以用來檢測及分解水中有機污染物外，還可以做為抗微生物及防沉積之試劑。表三整理出奈米酵素在各領域的應用，以下將以横向流動分析法（Lateral flow assay）檢測牛奶中的大腸桿菌為例，說明奈米酵素在即時檢測之應用（Han et al. 2018）。
表3. 奈米酵素在各領域的應用
▍ 資料來源：Huang, Y.; Ren, J.; Qu, X. Nanozymes: classification, catalytic mechanisms, activity regulation, and applications. Chem. Rev. 2019, 119, 4357-4412.
檢測時將牛奶樣品與表面帶有能辨認大腸桿菌單株抗體之Pd-Pt奈米粒子混合，加入樣品注入口（A處），因毛細現象混合物開始流動，樣品中如有大腸桿菌，大腸桿菌會與Pd-Pt奈米粒子結合，流到測試區域（B處）時，因B處已經先修飾了另一種可以辨識大腸桿菌之抗體，此時有大腸桿菌的Pd-Pt奈米粒子會被滯留在B處，没有大腸桿菌的Pd-Pt奈米粒子會流到C處與另一抗體結合，最後再加入TMB及過氧化氫，此時便利用Pd-Pt奈米粒子的催化活性，將没有顏色的TMB氧化，形成藍色的產物，因此牛奶中如有大腸桿菌就會出現二條藍色的線。
圖4. 利用Pd-Pt奈米粒子以横向流動分析法偵測牛奶中大腸桿菌示意圖。
▍ 資料來源：Han, J.; Zhang, L.; Hu, L.; Xing, K.; Lu, X.; Huang, Y.; Zhang, J.; Lai, W.; Chen, T. Nanozyme-based lateral flow assay for the sensitive detection of Escherichia coli O157:H7 in milk. J. Dairy Sci. 2018, 101, 5770-5779.
未來發展
未來奈米酵素的發展及應用不可限量，隨著新材料的開發，並利用奈米材料獨特的性質，希望奈米酵素能取代天然酵素，降低在應用時所需的其他試劑，達到防廢、減量的目的；在製備奈米酵素方面，可以使用對環境友善的試劑，符合保安及低毒的要求；最後再強化奈米酵素的催化活性，又可以降低奈米材料的用量。雖然奈米酵素的功能佳，但人類應用奈米材料的時間不算長，在應用之餘，也需要考慮奈米材料的安全性及對環境的影響，才不會在未知的狀況下造成不可逆的衝擊，這樣才能真正達到永續發展的最終目的。
參考文獻 [1] 防彈衣跟 T 恤一樣輕？用了蜘蛛絲就可能！泛科學。20220920檢索自 https://reurl.cc/GXkX0Z
[2] 臺灣仿生科技發協會網站，20220920檢索。https://www.biomimicrytaiwan.org/what-is-biomimicry/
[3] Ballesteros, C.A.S.; Mercante, A.A.; Alvarenga, A.D.; Facure, M.H.M; Schneider, R.; Correa, D.S. Recent trends in nanozymes design: from materials and structures to environmental applications. Mater. Chem. Front.2021, 5, 7419.
[4] Das, B.; Franco, J.L.; Logan, N.; Balasubramanian, P.; Kim, MI.; Cao, C. Nanozymes in point-of-care diagnosis: an emerging futuristic approach for biosensing. Nano-Micro Lett.2021, 13:193.
[5] Han, J.; Zhang, L.; Hu, L.; Xing, K.; Lu, X.; Huang, Y.; Zhang, J.; Lai, W.; Chen, T. Nanozyme-based lateral flow assay for the sensitive detection of Escherichia coli O157:H7 in milk. J. Dairy Sci. 2018, 101, 5770-5779.
[6] Huang, Y.; Ren, J.; Qu, X. Nanozymes: classification, catalytic mechanisms, activity regulation, and applications. Chem. Rev. 2019, 119, 4357-4412.
[7] Liang, M.; Yan, X. Nanozymes: from new concepts, mechanisms, and standards to applications. Acc. Chem. Res.2019, 52, 2190-2200.
[8] Wong, E.L.; Voung, K.Q.; Chow, E. Nanozymes for environmental pollutant monitoring and remediation. Sensors 2021, 21, DOI: 10.3390/s21020408.
連經憶
嘉義大學應用化學系暨研究所助理教授