虛擬現(xiàn)實在中學生物學教學中的應(yīng)用
——基于The Body VR的教學活動設(shè)計實踐探究*

和 淵 輦偉峰 宓 奇 閆新霞

（中國人民大學附屬中學 北京 100080）

虛擬現(xiàn)實（virtual reality VR）是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，是由多媒體計算機生成的交互式人工智能。將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于教學，可促進教與學質(zhì)量的提高。筆者在長期一線教學中發(fā)現(xiàn)，在學生同化知識、構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)的過程中，有—些內(nèi)容教師無法呈現(xiàn)，而這些內(nèi)容因不可視、不可摸、不可入的特點，學生很難深入理解。例如，在學習“細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)”時，教師通常只能呈現(xiàn)一些細胞器的模式圖，學生并不能對其形成感性認識而感覺枯燥、抽象，不易掌握相關(guān)知識。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可創(chuàng)建一個仿真的虛擬世界，使學生如臨其境，為學習者提供一種 “替代經(jīng)驗”，從而突破時間和空間的限制，探索一些接觸不到的事物（例如細胞器）。因此，虛擬現(xiàn)實不僅讓學生的學習生動有趣，且符合建構(gòu)主義學習理論關(guān)于“學習是一種真實情境的體驗”的觀點，更符合新課程標準中“提高對科學和探索未知的興趣”及“培養(yǎng)學生探究能力”的要求，提升了學生的生物學綜合素養(yǎng)。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實簡介 虛擬現(xiàn)實綜合了對視覺、聽覺、觸覺、運動覺、體覺等感官認知模式的模擬，隔絕真實世界的信息，使人與計算機生成的環(huán)境融為一體，讓使用者仿佛置身于電腦虛構(gòu)的空間，感知其中的事物并能與虛構(gòu)世界的人物、環(huán)境進行交流互動，成為虛擬世界的參與者，從而產(chǎn)生親臨真實環(huán)境的感受和體驗。

1.2 虛擬現(xiàn)實的特點

1.2.1 沉浸感 虛擬現(xiàn)實運用計算機圖形、聲音和圖像再造逼真的情境，使得使用者的感覺和行動都與人在自然狀態(tài)下相似，產(chǎn)生與現(xiàn)實中同樣的體驗。用戶完全沉浸其中而無法將其與真實世界區(qū)分開來，從而全身心地投入虛擬現(xiàn)實世界，將注意力重點集中在觀察所研究的對象和獲取知識上。

1.2.2 交互性 使用者通過專用設(shè)備（例如HMD頭盔顯示器、數(shù)據(jù)衣等），將仿真現(xiàn)實環(huán)境的圖像、聲音等通過人機接口系統(tǒng)作用到使用者的感官，并通過傳感器感知使用者的行為與反應(yīng)，隨著操作者不同的動作（例如位置、姿勢、方向等）變化而變化。

2 虛擬現(xiàn)實在中學生物學教學中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實是現(xiàn)代仿真技術(shù)的高級發(fā)展和突破，由于其具有親臨其境的真實感和超越現(xiàn)實的虛擬性，較好地輔助和推動了教育教學的發(fā)展。筆者作為高中生物學教學的一線教師，在長期進行的虛擬現(xiàn)實與教學相結(jié)合的試驗過程中，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實在中學生物學教學中3個方面的應(yīng)用。

2.1 知識發(fā)生過程的模擬 生物學教學要注重展示科學家在探索創(chuàng)造知識過程中的思維邏輯，因此，將科學家的發(fā)現(xiàn)過程進行再現(xiàn)可教會學生如何正確思考。重演科學的發(fā)現(xiàn)過程，教師必須要還原歷史實驗條件，引導學生設(shè)計科學家曾經(jīng)做過的經(jīng)典實驗，但囿于實驗時間、實驗材料、課時分配的限制等，這樣的教學方式基本上不可能實現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)對教學領(lǐng)域的介入，使得學生可利用其強大的實驗?zāi)M功能再現(xiàn)科學家的經(jīng)典實驗。例如：“虛擬果蠅”的模擬實驗軟件，學生可以選1只白眼雄果蠅和1只紅眼雌果蠅作為親本進行雜交，等待幾秒鐘后，這一對新婚果蠅就會繁殖出第1代小果蠅，學生對果蠅的眼色和性別進行記錄和統(tǒng)計。之后按照這樣的方法繼續(xù)進行雜交，最后對結(jié)論進行統(tǒng)計分析。學生通過親自動手做果蠅交配實驗發(fā)現(xiàn)摩爾根的遺傳定律，親身體驗知識發(fā)生的全過程，培養(yǎng)了科學探究能力。

2.2 真實實驗的演練 生物學是一門實驗科學，有的生物學實驗對環(huán)境的要求較高，所需儀器、設(shè)備、材料價格昂貴；有的實驗周期較長，耗時較多，課堂上進行演示或?qū)W生親自做這些實驗是不可能的。例如，在選修1模塊中，很多分子生物學實驗例如PCR、跑SDS-PAGE膠、瓊脂糖凝膠電泳等，學生即使按照教師的要求操作后也感覺很難理解，且許多中學并不具備做這些實驗的條件。現(xiàn)已成功開發(fā)的“虛擬實驗室”教學軟件可完美解決這些問題。虛擬實驗室是由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成，實驗者可以像在真實的情境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目，在某些方面所取得的學習或訓練效果甚至優(yōu)于在真實情境中所取得的效果。

2.3 教學場景的還原 傳統(tǒng)的視頻錄課、教師講授等方式無法重現(xiàn)課程的全景，更無法讓學生參與其中，難以提供有參與感的課堂實景。而技術(shù)的不斷發(fā)展為優(yōu)質(zhì)課程資源共享提供了便捷和無限可能。使用VR技術(shù)進行課程錄制，可全景式再現(xiàn)課堂實景，讓觀看視頻的學生和教師能完全進入錄課教師的課程并進行適當參與，將優(yōu)質(zhì)的課堂進行了全景化還原，讓無法聽課或有復習需求的學生隨時可以聽課，更讓邊遠地區(qū)的學生享受優(yōu)質(zhì)的教育資源，這也是促進教育公平的一種方式。

3 基于The Body VR的教學活動設(shè)計實踐探究

3.1 The Body VR簡介 The Body VR是一段描述在人體內(nèi)漫游的過程，視頻是由7個片段連成的一個故事：首先用三維立體圖像呈現(xiàn)跳動的心臟，隨著心臟進入動脈血管后對紅細胞、白細胞和血小板進行認知。然后穿過血管壁離開動脈，進入被感染的組織細胞，進入的順序是：先從細胞膜進入到細胞質(zhì)中，跟隨驅(qū)動蛋白前進并進入細胞核，觀察DNA的結(jié)構(gòu)并從核孔離開，鳥瞰內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體，進而轉(zhuǎn)換到細胞膜外觀察病毒攻擊感染組織的過程。The Body VR的設(shè)計主要是針對細胞亞顯微結(jié)構(gòu)和免疫章節(jié)知識的感性認知和強化記憶而設(shè)置的，可激發(fā)學生的學習興趣，增強學生的探究能力和科學素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.2 課程導入 細胞很小，看不到摸不著，對于學生來說是全新而未知的世界。VR技術(shù)可帶領(lǐng)學生鉆入細胞觀察細胞中的各種物質(zhì)和結(jié)構(gòu)。在觀看The Body VR時，可將自己想象成一個初次到達細胞世界的嬰兒，充滿好奇地一步步感知這個世界中的每個細節(jié)。教師要引導學生不要害怕聽不懂其中的英文，只需要把英文想象成一首非常美妙的音樂，不要因為英文而有壓力，影響觀看。英文好的學生，可以對照教師發(fā)放的中英文對照表（表1）進行學習。

表1 中、英文對照表

3.3 課程活動 先組織學生觀看The body VR（約 15 min）的視頻，在這15 min內(nèi)，學生都非常專注，完全沉浸其中，跟著VR片中的順序暢游于細胞中。根據(jù)教師對視頻的理解及學生課后的反饋，筆者總結(jié)了一些高效、完整而有趣的課堂活動，以供其他用此VR的教師參考（可選擇一個或多個活動，視時間而定）。

活動1：請學生將故事發(fā)生的順序進行排序。

①由跳動的心臟進入動脈中觀察紅細胞、白細胞和血小板。

②透過細胞膜進入細胞內(nèi)部。

③準備進入被感染的細胞中。

④感染的組織防御病毒的攻擊。

⑤離開細胞核觀察內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體。

⑥了解DNA和RNA的相關(guān)內(nèi)容。

⑦ 隨著驅(qū)動蛋白進入細胞核。

1）設(shè)計目的：了解學生在觀看VR后能否將故事進行整理并正確排序，讓學生初步認知免疫發(fā)生的整體過程，激發(fā)學習興趣，為后續(xù)學習免疫學知識打下基礎(chǔ)。

2）契合內(nèi)容：適合在免疫課的導入課使用。

3）取得效果：學生迫不及待地將VR中看到的事件進行排序，通過排序理解了免疫發(fā)生的基本過程。

4）難易程度：容易。

5）正確答案：1-3-2-7-6-5-4。

活動2：請學生將細胞中的結(jié)構(gòu)按順序標注（圖 1）。

圖1 請學生標記在細胞中的游覽路線［6］

1）設(shè)計目的：讓學生通過觀看VR，形成對細胞亞顯微結(jié)構(gòu)的感性認知，從而對學習細胞器的相關(guān)知識產(chǎn)生濃厚興趣。

2）契合內(nèi)容：適合在細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)授課時使用。

3）取得效果：學生都非常興奮地講述自己觀看到的細胞器結(jié)構(gòu)及功能。學生反饋：原來認為細胞里面都是空的，沒想到有那么多有趣的東西，而且在細胞質(zhì)基質(zhì)中并不只有液體，還有諸多像鋼筋一樣支撐細胞的微管蛋白。學生之間熱烈的討論激發(fā)了學習的熱情。

4）難易程度：容易。

5）正確答案：1細胞膜—2細胞質(zhì)—3細胞骨架—4細胞核—5內(nèi)質(zhì)網(wǎng)— 6線粒體。

活動3：請學生對細胞中印象深刻的結(jié)構(gòu)進行繪圖，并寫出其功能。

1）設(shè)計目的：讓學生根據(jù)所學知識，從記憶中輸出高中生物學中重要的模型、結(jié)構(gòu)，用圖形反映直觀明了，加深復習的效果。

2）契合內(nèi)容：適合在復習課時使用。

3）取得效果：學生在繪圖時發(fā)現(xiàn)自己總注意不到細節(jié)，丟掉很多關(guān)鍵信息。例如，在繪制流動鑲嵌模型的時候，不能完整地呈現(xiàn)蛋白質(zhì)在膜上的3種方式（覆蓋、鑲嵌、貫穿），這是知識掌握不牢固的原因。通過繪圖，學生對知識的認識更加深刻，理解更加到位。

4）難易程度：中等。

5）正確答案：可以繪制細胞膜的流動鑲嵌模型、DNA結(jié)構(gòu)、kinesin蛋白等。

活動4：假設(shè)細胞是北京城，可將細胞膜比喻成天空，細胞骨架比喻成馬路立交橋，線粒體為發(fā)電站，細胞核是中南海……請大家大膽想象，將細胞及其各種結(jié)構(gòu)給出適當?shù)谋扔鳌?/p>

1）設(shè)計目的：發(fā)揮學生的想象，通過形象生動的比喻加深對已學知識的理解，便于強化鞏固。此外，現(xiàn)在的高考也注重考查學生的語文水平（例如對長段科學文章的讀題能力和審題能力），因此將語文和生物學相結(jié)合，也培養(yǎng)了學生的綜合素質(zhì)。

2）契合內(nèi)容：適合在細胞的亞顯微結(jié)構(gòu)授課時使用。

3）取得效果：學生有的將細胞比喻成一個新世界，有的比喻成一個國家，有的比喻成一臺電腦，各種各樣的比喻都非常形象、生動、準確，達到了良好的復習效果。

4）難易程度：中等。

5）正確答案：比喻合理即可。

活動5：小組討論。

The Body VR有7個部分，分別是：血液—細胞膜（進入細胞）—細胞質(zhì)基質(zhì)和細胞骨架—核膜（進入細胞核）—細胞核—細胞器—抵御病毒。將學生分成7個小組，每個小組討論一個部分，討論后請學生說出：

①你從這段VR中學習到了什么？

②你認為這段VR中有哪些不符合你的學習認知或是否存在科學性錯誤？

③你對這段VR可以提出什么建議或意見？

1）設(shè)計目的：考查學生的綜合判斷能力、質(zhì)疑批判精神、解決問題的能力，開放性地讓學生自問自答，對于提高學生的學習興趣、提升自主學習的能力都有較大的作用。

2）契合內(nèi)容：適合在復習課時使用。

3）取得效果：學生都在積極思考，根據(jù)VR內(nèi)容與自己學習知識不同的地方提出異議，并查閱相關(guān)書籍和網(wǎng)絡(luò)資料，解決了有異議的問題，培養(yǎng)了學生自主學習的能力。

4）難易程度：難。

5）正確答案：沒有標準答案，學生課堂自主發(fā)揮，答案合理即可。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將具有更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。特別是在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實教學為學生提供了一個自主、交互和直觀的學習環(huán)境，為教學創(chuàng)新提供了新的平臺和可能性，讓學生從科學與藝術(shù)相融合的視覺信息中感知抽象、理解復雜，豐富了教學的實踐形式和多樣性，使探索知識的智力過程大為簡化。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一個新型的教學媒體，必將更好地服務(wù)于教學，更好地促進學生的培養(yǎng)和人才的發(fā)展。

主要參考文獻

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