淺析VR/AR在中學生物教學中的應用

錢貴江

【摘要】? ? 在信息化、物聯網的時代下，已有多媒體教學技術滿足不了教學的需求，而VR/AR技術憑借其交互性以及多感性的特點，使VR/AR技術教學的實踐真實性得到提高。在生物教學中使用VR/AR技術，可以讓學生有全新的學習體驗，在課堂中走出課堂，提高核心素養。

【關鍵詞】? ? VR/AR? ? 中學生物教學? ? 應用

引言：

VR/AR是把計算機作為核心，和科學技術相結合，在聽、看以及觸覺等各個方面形成和一定范圍真實環境非常相似的數字化環境，同時使用者通過裝備和數字化環境里面的對象進行交互作用，相互影響，產生身臨其境的體驗。現階段，VR/AR在城市的建設、娛樂、園林體驗以及虛擬手術等多個方面都有著非常廣泛的使用，同時也使課堂教學出現了極大的改變。

一、VR/AR在中學生物教學中的作用

1.1進行知識發生過程的教學

在進行教學的時候使用VR/AR，就能夠利用VR/AR的實驗模擬功能，重現出科學家的實驗。利用互聯網把模擬設備、數據和相關的儀器和界面和計算機端口相連接，讓學生能夠在互聯網上進行實驗。學生可以登錄虛擬實驗室，按照教師的指導進行實驗設計，繼而驗證相關結論。這樣不但使時間得到節省，費用支出同樣也會得到節約。同時還可以使知識的發生過程教學在課堂中進行。

比如“虛擬果蠅”的模擬實驗軟件，能夠讓學生親自動手進行果蠅交配實驗，然后認識到孟德爾遺傳定律，讓學生可以親自感受到知識發生的整個過程，鍛煉學生的探究分析能力。

1.2幫助學生探索無法接觸到的一些領域

在學生進行知識同化以及建構認知結構的時候，有部分知識背景是教師不能展示，而學生也無法接觸的，比如火星的表面情況，一些無法進入的危險地帶等等。若是學生對其沒有一個感性的認知和了解，就無法有效構建知識。而使用VR/AR能夠建立仿真的虛擬世界，讓學生有一種身臨其境的感覺，為其提供“替代經驗”，從而彌補直接經驗的不足之處，打破時空界限，探索未知領域和事物。如“生命起源”——幾十億年前，生命起源之前的地球是什么樣子，學生是不能直接感知的，只能通過想象中認識。教師僅僅依靠傳統教學媒體也無法給學生建立相關的學習情境。這種情況下，VR/AR為學生的研究和探索新知帶來了理想化的工具，它能夠把古地球的情景模擬出來，讓學生觀看，給學生建立想象的情景氛圍，同時讓學生沉浸其中。這樣，生命起源可以在學生面前真切經歷發生。

1.3打破時空束縛，減少成本支出

VR/AR程序能夠當做教學輔助資源，讓學生快速認知和了解記住相關的知識。例如，學生在學習完“細胞的基本結構”后，可以還會對部分細節和相關知識有一定的疑惑和不解。這個時候，教師就可以使用VR/AR教學，不但可以讓學生“進入”到細胞的內部，任意轉動頭部，看一系列的細胞器和相關的結構，同時在視野方向變化下，還會出現三維示意結構以及相對應的文字說明，如細胞膜、線粒體、核糖體等細胞器一覽無余。當抽象的知識變得鮮活，學生就能夠對這些知識理解的更加容易。

1.4擴展實驗的范圍，提高學生的見識

不同時期以及不同版本類型的生物學教材都有大量的實驗內容，同時實驗試題還是考試中必不可少的重難點。但是從現階段的情況來看，大多數的普通高中都沒有系統設置生物實驗，甚至直接讓學生背誦實驗內容，導致學生無法有效建構知識。但同樣值得注意的是，生物實驗開出率低下，也有相關的客觀原因。比如經費不夠、師資力量薄弱、有一定安全隱患等。而VR/AR技術可以有效緩解各種問題。VR/AR設備能夠多次使用，只要加入資源就可以，不會每一次都有耗材的費用。比如，在進行“基因工程”教學的過程中，教師可以通過VR/AR進行“使用PCR技術擴增目的基因”實驗。

在教學的時候，學生使用VR/AR設備就可以通過第一人稱的視角進入虛擬實驗室中，繼而用手柄傳遞拿起實驗臺上的器具，從而完成實驗。在教學的時候，部分學生會覺得模擬實驗達不到親自實驗的效果。其實并不是這樣，VR/AR技術起源于軍事演練，在模擬飛行中不斷發展，現階段不管是在醫學教學，還是臨床手術，都有使用。因此把VR/AR應用到生物實驗教學中，是非常可行的，同時也有著重要的現實意義。

總的來說，短時間內開展不了，或者對學生存在危害的實驗，可以用虛擬手段。不僅使實驗開出率提升，同時學生眼界也會隨之增加，思維得到進一步鍛煉和拓展。

二、VR/AR在中學生物教學中的應用

2.1用VR/AR建立虛擬環境，重視操作解決難點

在進行高中生物學習的時候，必修二是非常難的一本，里面有著非常豐富的內容，若是在教學的時候使用VR/AR技術，就可以有著良好的教學效果。

比如在學習《遺傳因子的發現》這一節課的時候，教師可以通過VR/AR技術為學生展現出孟德爾八年豌豆實驗的過程。在VR/AR技術的幫助下，該過程不僅能看，學生們還可以扮演孟德爾，還虛擬環境下進行人工異花傳粉，同時觀察在授粉完成后，豌豆的生長情況。在進行虛擬環境設置的過程中，學生可以推動豌豆成熟速度，然后統計出不一樣的性狀個體數量。這種方式不僅使學生的動手能力得到培養，同時還可以使學生明白過程的艱辛。

其次，在學習《基因和染色體的關系》這節課的時候，減數分裂可以和前面的有絲分裂內容放在一起進行學習，用VR/AR技術建立起兩個動態細胞分裂的過程，學生能夠從各個方面進行觀察，同時對比兩個過程之間的相同點和不同點。而且教師可以在細胞分裂中的每條染色體上標注一個基因，在減數分裂染色體進行移動的時候，就能夠得知基因變化規律，把前后內容進行聯系。

最后，在學習《基因的本質》以及《基因的表達》中DNA的相關知識時，教師從DNA空間結構進行教學，而探索一個物體自身空間結構，VR/AR技術就是合適的教學方式。用VR/AR技術建立微觀場景，把DNA分子結構用立體手段展現，學生能夠對分子放大、縮小以及旋轉等，還能夠使分子間出現反應，研究分析DNA復制以及基因表達的過程，在空間、時間方面對該過程有明確的認知和了解。

2.2用VR/AR建立微觀場景，展示物質結構

對于必修一來說，《組成細胞的分子》有機大分子是一大難點。高一的學生在學習這節課的時候，化學在學習無機物。學生對于有機物結構一問三不知，而傳統教學手段都是二維的，教師在講解有機分子空間結構的時候，僅僅把空間想象給學生講解，讓學生自己想象來建立分子空間結構，這樣來看效果往往都是不盡如人意，學生還會出現理解錯誤的情況。

若是通過VR/AR技術建立微觀場景，把分子結構用立體手段呈現，學生能夠對分子放大、縮小以及旋轉，還可以把分子間的反應過程通過VR/AR呈現。比如氨基酸脫水縮合反應形成多肽的過程，學生通常對于該反應過程無法進行有效理解。

若是使用VR/AR技術讓該反應在自己面前發生，使學生“走進”分子，“感受”分子的結構以及相關功能，這種直觀認識是傳統教學手段所不能達到的。

同樣，細胞結構以及功能也是教學的重難點，尤其是《細胞的能量供應和利用》中的光合作用、呼吸作用至關重要。然而學生在學習的時候會覺得十分困難，這是由于學生被動接受光合作用以及呼吸作用的過程圖解，然后對該知識點進行死記硬背，因此在考試時，若是有相關問題，學生無法靈活運用，就得不到較高的成績。

若是通過VR/AR技術建立細胞模型，該模型能夠放大、縮小以及旋轉。當學生學到這一章時，就能夠放大細胞的內部，進入線粒體、葉綠體中，觀察其自身結構。當進入葉綠體的時候，學生能夠在類囊體薄膜上面，直接觀察和了解光反應過程。考試時再有光反應的相關考點，學生就會有正確的答案，因為該過程是通過學生自己的直觀感受得來的，而不是依靠死記硬背。

2.3用VR/AR建立三維模型，感受生物的內環境

在學習《植物的激素調節》里生長素發現的科學史中，傳統的教學手段是依靠講述，效果通常都是不盡如人意，沒有一點教學的效果，還會導致學生出現枯燥乏味的感受。若是通過VR/AR開展教學，教師可以設計出多組胚芽鞘，讓學生親自動手完成科學家動手實踐的實驗。比如學生切下一組胚芽鞘的尖端，然后觀察胚芽鞘怎樣進行生長。再比如，學生把胚芽鞘的任何一個位置用錫箔罩子包住，然后看胚芽鞘生長的過程。

在研究生長素生理作用以及其他激素過程中，教師可以建立一棵“樹”，然后學生把樹進行放大，定位到幼嫩的芽，觀察生長素合成之后的轉移以及作用位置，如頂端優勢。學生還可以把這顆樹進行橫向放置，按照樹根向地生長特點，研究分析生長素的兩重性。而且學生還能夠在該樹其他部位觀察別的激素合成，以及其功能。

三、VR/AR在中學生物教學中出現的困難

盡管市場上有各種價格便宜的VR/AR眼罩，還有一些插入手機能夠觀看，但技術工藝、制作和視覺體驗方面差，同時硬件缺陷會導致因為長時間使用出現眩暈、惡心。現階段，大部分的教學眼罩都是這類產品，長時間使用就會危害學生健康。但是現階段市場上的先進產品，包括眼罩、計算機和一些設備，價格能夠達到數萬元。

可見，要建立VR/AR教室，費用一定非常昂貴。此外，一些程序和視頻資源也要購買或開發，特別是在教學過程中使用的程序更是非常昂貴。

四、結束語

綜上所述，在生物教學中使用VR/AR技術，有著顯著優越性。VR/AR系統能夠建立虛擬人物參與教學交互。這種方式，老師不再使用把課本轉移到屏幕的教學手段，而是用計算機建立起各種虛擬環境。

要按照教學內容使用VR/AR系統，隨著VR/AR水平進一步提高和應用，學生學習生物也會變得更有趣味性，學生熱情也會顯著提升。

參? 考? 文? 獻

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