增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)在生物學教學中的應(yīng)用

劉春生

摘要 從AR的概述、基于圖像和基于位置的AR教學、AR教學的意義三個方面進行分析，并探討了AR在生物學教學的價值。

關(guān)鍵詞 增強現(xiàn)實技術(shù) 生物學教學 學習動機

中圖分類號C633. 91

文獻標志碼B

信息技術(shù)時代正在引發(fā)教育的變革。增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）是種新興的技術(shù)，在過去的十年里AR已經(jīng)成為教育研究的熱門話題。將AR應(yīng)用于生物學教學，能激發(fā)學生的學習興趣，進而創(chuàng)造更高效的學習成果。

1 AR的概述

1.1 AR的涵義及其特征

AR以真實場景為基礎(chǔ)，疊加計算機產(chǎn)生的虛擬景象技術(shù)，將虛擬的對象添加到真實的情境。它包括三個基本屬性：將真實環(huán)境中的真實對象和虛擬對象結(jié)合起來、以交互方式實時運行、將真實對象和虛擬對象在三維空間整合。AR的誕生是為了彌補虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）完全沉浸于虛幻世界的不足，是VR技術(shù)的延伸。

AR具有可視化、沉浸性、交互性等鮮明特征。可視化是指學生能夠通過多種不同的視角來觀察虛擬的3D模型，進而增強對虛擬事物的理解。沉浸性是指通過創(chuàng)設(shè)仿真的學習情境，使學生沉浸在虛擬的學習環(huán)境中，進而提高學生的學習積極性，促進其通過主動學習建構(gòu)自己的知識體系。交互性則是指AR技術(shù)將虛擬信息與真實世界融合的過程中，學生可對學習對象進行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，與學習對象進行實時交互。與傳統(tǒng)的靜態(tài)學習方式相比，AR教學提高了學生學習的參與度。

1.2 支持AR的工具及設(shè)備

國內(nèi)外已有多家技術(shù)公司提供了支持AR開發(fā)的基礎(chǔ)工具。使用者無需理解底層軟件開發(fā)程序，只需要將AR模塊添加到已有的應(yīng)用程序中，就可以通過已有的基礎(chǔ)工具，設(shè)計開發(fā)屬于自己的AR軟件產(chǎn)品。目前廣泛使用的AR制作工具包括：Metaio SDK、Wiki-tude SDK、Vuforia等。

此外，也有很多公司開發(fā)出AR整合到移動設(shè)備的APP，但并不是專門為中學生物學設(shè)計，因此需要教師挖掘其中恰當?shù)膬?nèi)容以服務(wù)于生物學教學。這些APP中，具有代表性的包括Plantale，它是一款運用AR技術(shù)了解植物生長過程的學習軟件。它可以讓學習者快速觀察到種子萌發(fā)、授粉、果實的形成等植物生長的不同階段，了解植物最佳的生長條件，還可觀察植物根、莖、葉和花等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部解剖圖;Frog-gipedia，它是以AR形式提供青蛙解剖過程的軟件。通過Froggipedia，學習者可以觀察青蛙內(nèi)臟的位置，通過旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作進行3D虛擬解剖。此外，還可觀察由蝌蚪到青蛙的整個變態(tài)發(fā)育過程;WWF Free river是由世界自然基金會開發(fā)的AR技術(shù)。它可以將河流以動態(tài)的形式呈現(xiàn)在任意平面上，學習者可以通過修建和拆除大壩，體會生態(tài)平衡對人類生活的影響。其他適用于中學生物教學的APP還包括Quiver、Jig space、Complete anatomy等。

從硬件角度看，目前支持AR技術(shù)的設(shè)備可分為三類：①移動設(shè)備，如智能手機和平板電腦;②固定設(shè)備;③頭戴式顯示器。由于頭戴式顯示器仍十分昂貴并且相關(guān)技術(shù)尚未成熟，因此這項技術(shù)目前在教育中較少使用。相比之下，利用智能手機開展AR教學的使用成本相對較低，且方便快捷。

2 基于圖像和基于位置的AR教學

中學生物學具有抽象性和微觀性的特征。在傳統(tǒng)的教學過程中，抽象的生物學概念和復(fù)雜的生命現(xiàn)象對學生學習生物學具有挑戰(zhàn)，即使教師借助實物模型、圖片、動畫等也會使學生產(chǎn)生距離感。相比于信息化講授式教學，AR體驗式教學更能為學生創(chuàng)設(shè)真實的學習環(huán)境，微觀抽象的概念和生物學現(xiàn)象能立體地呈現(xiàn)在學生眼前，有利于學生對生物學概念理解，進而發(fā)展學生的科學思維。

根據(jù)AR的學習環(huán)境，可以將AR分為基于圖像的教學和基于位置的教學，這兩類教學方式在某些教學內(nèi)容中可以混合使用。

2.1 基于圖像的教學

基于圖像的AR教學是將抽象的生物學概念轉(zhuǎn)化為真實的元素，其作用是豐富學習資料，促進學生對科學概念的理解和空間認知。

例如，在2019年版人教版《必修1.分子與細胞》第三章第二節(jié)“細胞器之間的分工合作”中，通過AR提供植物細胞和動物細胞顯微結(jié)構(gòu)的學習環(huán)境。學習時不僅呈現(xiàn)出各個細胞器的立體結(jié)構(gòu)，還呈現(xiàn)出細胞質(zhì)的流動。學生可通過指尖進行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作進而觀察葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)。在拖動任意的細胞器時，會播放該細胞器的特征及功能。在“實踐·探究”欄目中的“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細胞質(zhì)的流動”，學生僅需觀察AR學習環(huán)境中線粒體和細胞質(zhì)的流動就可完成學習任務(wù)，無需借助實驗設(shè)備。在細胞器之間的協(xié)調(diào)配合部分，分泌蛋白的合成與運輸過程更為抽象。僅借助傳統(tǒng)的Flash動畫，學生會產(chǎn)生距離感，不利于學生對分泌蛋白的合成和運輸整體過程的掌握。在AR的學習環(huán)境中，學生可點擊“分泌蛋白的合成和運輸”按鈕，就可身臨其境地觀察，分泌蛋白在核糖體中以氨基酸為原料進行多肽鏈的合成，接著轉(zhuǎn)移到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)繼續(xù)合成加工、折疊，形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì);再由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鼓出形成囊泡，包裹著蛋白質(zhì)離開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到達高爾基體進一步加工修飾;最后由高爾基體膜形成包裹著蛋白質(zhì)的囊泡，轉(zhuǎn)運到細胞膜，與細胞膜融合，將蛋白質(zhì)分泌到細胞外。

在生物學教學中進行AR體驗式教學，學生不是單純地觀看教師在課堂中演示動畫，而是更多地參與到整個學習過程中，通過手控、眼觀、耳聽等多感官的沖擊，體會植物細胞和動物細胞中細胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)及分工合作。在這個過程中，學生對知識的獲取不再是被動接收，而是主動觀察，提高了學生對科學概念的感性認識，進而促進學生對科學概念的理解。

2.2 基于位置的教學

基于位置的AR教學通常是通過移動裝置和地理定位系統(tǒng)，當學習者到達確切的位置時，就可以將相應(yīng)的信息進行聯(lián)系。基于位置的AR通常用于開展探究性學習，更注重學習者與真實環(huán)境的交互。

例如在2019年版人教版《必修2.遺傳與進化》第六章第二節(jié)“自然選擇與適應(yīng)性的形成”中，在AR提供的學習環(huán)境中，學生可扮演達爾文乘坐貝格爾號進行環(huán)球航行。每當?shù)竭_特定的位置，會有相應(yīng)的信息提示學生觀察化石、鳥類等生物的性狀，會播放達爾文到達相應(yīng)位置的想法。在進入AR環(huán)境前，教師需使學生以達爾文踏上航行之旅前的觀點進入情境，即認同上帝設(shè)計了大自然的生物，認可物種不變論。

場景一：體驗達爾文由嘲鶇標本確定物種是進化的。學生可經(jīng)過“航行”到達加拉帕戈群島，收集島上不同喙的嘲鶇，觀察不同嘲鶇進食的區(qū)別。播放達爾文的思考“這些嘲鶇長像如此相似，卻又存在不同。這些鳥可能是同一物種的變種，但這種猜想似乎與物種不變論存在矛盾”。接著，學生模擬達爾文“回到”英國，將嘲鶇的標本交由英國頂尖博物學家驗證。博物學家告訴達爾文“嘲鶇屬于不同的物種”。此時，播放達爾文的思考“嘲鶇屬于不同的物種，那么它們可能是由同一物種演化而來，這樣物種就是可變化的”。

場景二：體驗達爾文由馬爾薩斯的人口論，提出自然選擇是物種進化的原因。學生模擬達爾文閱讀馬爾薩斯對人口變化的觀點：如果沒有戰(zhàn)爭或疾病的影響，人口將會持續(xù)增加，直到食物用盡為止。到時將會出現(xiàn)生存斗爭，只有聰明、強壯和精力充沛的人才能活下來，柔弱懶散的人將會滅絕。資源競爭對優(yōu)秀者較為有利。此時，學生耳邊響起達爾文的思考“假設(shè)物種可以隨時間改變，在漫長的時間變化中，一些物種會隨著時間滅絕，同時也會有新的物種形成。生存斗爭不僅存在于不同的物種，還可以存在于相同物種。在有限的自然資源中，生物在生存繁殖上略占優(yōu)勢的特征，較有可能代代相傳下去。久而久之，這些特征就會適應(yīng)自然而改變，進而帶來了物種的進化。”

在AR情境下，學生跨越了時空的限制，跟隨達爾文進行環(huán)球旅行，經(jīng)歷了達爾文在物種進化時的思想轉(zhuǎn)變的過程，體會到達爾文在研究物種進化過程時的敏銳的觀察力，嘗試體驗科學家進行探究時的思維方式，發(fā)展了學生的科學思維。

3 AR應(yīng)用于生物學教學的意義

3.1 增強學生的學習動機

學習動機是學生學習的內(nèi)在推動力，而學習環(huán)境是影響學生學習動機的重要因素。通過AR技術(shù)將生物學教學內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可視化的3D圖像、視頻等內(nèi)容，與真實場境進行疊加融合。Pedaste認為在探究性學習的背景下，AR能使學習者具有更高的動機和更積極的情緒。段延等在教學實踐中也發(fā)現(xiàn)AR技術(shù)在實驗教學中對提高學生的學習動機、培養(yǎng)積極主動的探索精神具有獨特的優(yōu)勢。

3.2 有利于學生學業(yè)成績提高

AR在課堂教學的過程中能將抽象的生物學概念轉(zhuǎn)化為直觀的元素，促進學生對抽象概念的理解。許多研究表明在科學教育中使用AR技術(shù)有利于提高學生的學習成績。如李青等人開發(fā)了基于AR的移動學習應(yīng)用程序AR Tool，將其應(yīng)用于“微波技術(shù)與天線”課程教學。實驗結(jié)果表明.進行AR教學的實驗組學習成績遠高于對照組。張韶宸等人對111名五年級學生采用基于AR的翻轉(zhuǎn)學習模式，實驗結(jié)果表明基于AR的翻轉(zhuǎn)學習指導(dǎo)方法能有效提高學生的學習成績。

3.3 降低教學成本

在中學生物學教學的過程中會涉及大量的實驗儀器和設(shè)備等，且存在實驗時間、實驗效果難以掌控的現(xiàn)象。利用AR技術(shù)可以在虛擬的實驗環(huán)境中完成實驗教學，可極大地降低對實驗儀器、設(shè)備的投入成本，增加實驗的可操作性和實驗結(jié)果的準確性，節(jié)約教學成本。

4 小結(jié)

從感知角度來看，AR不僅拓展了人類對微觀世界的認識能力，還能打破了現(xiàn)有空間的限制，重視生物學史中重要的探究場景。這使得生物學教學可以呈現(xiàn)出多樣化、形象化、立體化的特征，提高了學生的學習興趣，促進學生對生物學概念的理解，經(jīng)歷了科學家進行科學探究的思維過程。盡管AR在生物學教學中已經(jīng)顯示出巨大的潛力，但教育工作者仍需了解如何設(shè)計和利用AR進行教學，促使AR更好地融入生物學教學。

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