管理者視角下的虛擬現實技術在教學新產品開發中的運用

摘要：現代科學技術的飛速發展，使得今天課堂教學的手段更加豐富 ，而在全面執行“雙減”的政策背景下，虛擬現實技術在實驗教學產品（以高中生物學科為例）中的應用，極大地拓寬了師生的眼界，多角度、多感官、近距離的觀察，增強了身臨其境的感受;縝密設計的人機互動，輔以美妙的背景解說，既鞏固了學生的基礎知識，又訓練了他們的理性思維和科學研究態度。

關鍵詞：經濟管理;虛擬現實技術;實驗教學

大家都知道，高中階段生物學課程教學內容中微觀內容多、概念比較抽象、難以理解，必須借助一定的設備器械，才可能得以一窺崢嶸。為了滿足生物學科教學的實際需求，合理地使用現代信息化的技術設備和教學手段，我們在課堂教學中適時引入SR（VR技術發展的新階段）生物學教學系統，進行課程預習、教學和復習等活動。SR生物學教學系統對標教育部《教育信息化2.0行動計劃》的要求，深度挖掘育《高中生物課程標準》和生物學科教育資源，開發出一系列教學課程，形成具體落地解決方案，較好地滿足了日常教學的需求。老師教育和引導學生使用SR生物學教學系統教學課件的過程，也是一個讓學生親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設和發現規律的過程。以高中生物《必修2--遺傳進化》中遺傳信息的《轉錄與翻譯》為例，這部分內容，既是難點，更是重點。我們在課堂教學設計時，就是由老師根據課本所設定的教學目標，做出如此安排。

1、SR生物學教學系統教學過程：在轉錄和翻譯這一節課程中，通過學情分析，我們要求學生能夠掌握mRNA、tRNA、密碼子和反密碼子等概念， 而且要理解DNA與mRNA、mRNA與tRNA、tRNA與氨基酸、密碼子與反密碼子等之間的相互關系，以及轉錄、翻譯的動態過程，對大部分學生來說，掌握和理解它們是相當困難的。《轉錄和翻譯》SR課件針對師生在教學中可能遇到的教學重點和難點，設計了一個虛擬的、全視角的360°的立體3D場景，生動地模擬呈現了細胞核和核糖體內部的各種運動，幫助學生近距離觀察細胞核內部和核糖體內部的轉錄和翻譯活動，輔以生動的語音解說，通過多角度和視覺、觸覺、聽覺等感官刺激，讓孩子們親身體驗微觀世界中轉錄、翻譯的過程，對轉錄、翻譯形成一個直觀動態的印象，方便他們更好地理解，加深記憶。在使用SR生物學教學系統教學時，老師在一旁做相應的解釋與提示的工作，隨時暫定、復位、重播，提出問題，找尋答案，把學生難以理解的畫面進行反復播放，或者加深印象;通過人機互動，探索更多知識。在利用SR生物學教學系統開展的教學活動時，學生可以反復觀摩堿基互補配對原則這段影像，同時，在理解并掌握：雙鏈DNA 中的一條鏈作為編碼鏈，一條鏈作為非編碼鏈并作為轉錄的模板轉錄生成mRNA的重要知識點的情況下，結合教材，再提出一系列問題：即轉錄和DNA復制有何共同之處？轉錄和DNA復制的酶，有何差異？通過鼓勵學生反復觀看本節課的重點和難點的動畫模擬，讓學生通過SR技術體驗微觀世界中轉錄、翻譯的過程栩栩如生的演繹，因而對轉錄、翻譯過程有一個近似實景的動態印象和更加全面完整的認識。等做完一輪教學活動后，老師可以讓學生在黑板上再寫出一組有關轉錄翻譯的概念和DNA與mRNA、mRNA與tRNA、tRNA與氨基酸、密碼子與反密碼子等之間的相互關系的板書，這樣就把信息化技術手段、課程標準和手頭教材三者有機的結合起來，讓學生親歷獲取信息、尋找證據等過程，鞏固所學的生物學知識，從而達到最優的教學結果。

再如，在使用轉錄翻譯軟件時，還可以結合教材上相關科學家，如克里克和尼倫伯格的故事，幫助學生像科學家那樣思考，體驗破譯遺傳密碼的科學過程。所有這些，都體現出SR生物學教學系統對于運用現代先進的科學技術，以及對課標和教材知識的深度結合，幫助學生養成理性思維的習慣，形成積極的科學態度，進而發展終身學習的能力等方面，是有積極促進作用的。

2、《轉錄翻譯》教學課件背景知識簡介：轉錄過程中，細胞核的DNA以非編碼鏈（又稱模板鏈）與RNA聚合酶結合并使雙鏈解旋，此時細胞核中游離的RNA與DNA模板暴露的單鏈堿基相互結合，在RNA聚合酶作用下形成小鏈的mRNA，翻譯過程中mRNA通過核孔離開細胞核（圖1）與蛋白質“裝配機器”核糖體結合成“蛋白質工廠生產線”并通過密碼子與游離的“搬運工”tRNA所攜帶反密碼子互補配對，同時“搬運工”tRNA還識別并轉運一種游離的氨基酸。SR生物學教學系統向學生生動形象地呈現出轉錄和翻譯的全部過程。并且， 課件中還特別設計一段DNA 編碼鏈的堿基序列：CCAAAGATC。通過編碼鏈，我們可以推導出非編碼的堿基序列，并通過mRNA的知識點，推導得到相應的mRNA堿基序列;通過tRNA識別并轉運的氨基酸的密碼子，可以查找到tRNA所攜帶的氨基酸類型（圖2）

3、SR生物學教學系統的技術優勢：該系統能夠方便而高效地增強人機、師生互動，在教學中活動中老師、學生都可以方便地使用SR生物教學系統，而不必依靠任何外部設備，如頭盔或3D眼鏡等，就可以經行視覺、聽覺、觸覺等多種感官教學體驗活動，從而避免了對設備的依賴性。同時，SR生物教學系統對于教學場地、教學時間、輔助設備和公共安全等方面都沒有設置任何苛刻條件和要求極大降低了設備使用難度。教師學生可以隨時隨地，在任意距離條件下使用SR生物教學系統進行教學活動。SR生物教學系統簡潔而又高效，提供便捷式菜單，課程各個環節的設計，都由資深生物學科教師和教育部專家層層把關，把課本的所有相關知識點都簡單直觀地通過SR系統呈現出來， 足以滿足學生獲得基礎生物學知識需求。這樣方便而又高效的教學系統，可以激發學生自主學習，推動教學成績提高。

4、生物學的發展給生物學教學提出新要求：生物學研究發展的歷史經歷了從現象到本質、從定性到定量的發展過程，也與科學技術的發展史有著密切的相關性。技術和設備的飛速發展，推動著生物學在微觀和宏觀兩個方向都得到迅速的發展，并向著研究領域的融合和趨向于更加接近自然本質的方向發展。時間進入21世紀，科學和技術發展格外活躍。隨著信息技術和工程技術的結合日益緊密，正在對社會、經濟甚至人類日常生活產生越來越大的影響，特別是對教育領域的要求和影響正在逐步顯現。這就給生物學教學提出了新的要求和目標。在最新修訂的《普通高中生物學課程標準》中明確提出：高中教育階段的生物學課程是科學領域的學科課程，其精要是展示生物學的基本內容，反映自然科學的本質。它既要讓學生獲得基礎的生物學知識，又要讓學生領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點以及解決問題的思路和方法。生物學課程期待學生主動地參與學習過程，在親歷提出問題、獲取信息、尋找證據、檢驗假設和發現規律等過程中習得生物學知識，養成理性思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習的能力。新課標中強調重點培養學生設計實驗、動手操作、收集證據等科學探究的能力，教師在指導學生完成本模塊每項教學任務時，除了創造實驗條件和參與學生討論外，應適當補充相應資料或引導學生自己搜集相應資料，引導學生相對系統地完成有關的學習內容[1]。要達到這樣的教學目標，無論在教學方法和教學形式上都要發生重大的改變，并隨著之越來越豐富和多樣，教育信息化在生物學教學中的地位和價值也會日益凸顯。教育部在2018年發布的《教育信息化2.0行動計劃》中專門指出：堅持融合創新。發揮技術優勢，變革傳統模式，推進新技術與教育教學的深度融合，真正實現從融合應用階段邁入創新發展階段，不僅實現常態化應用，更要達成全方位創新[2]。

SR生物學教學系統是基于SR信息化技術手段，并邀請多名教育系統生物學科專家、一線教師加盟，歷經數年，深度挖掘育《高中生物課程標準》和生物學科教育資源，結合教育學的特點和生物學科核心素養要求，成功研發出來的。該系統能夠精準實現生物學知識的傳授，并能帶來超乎尋常的立體化沉浸式體驗。可以更有效地落地實現教育部提出的課改新理念和新要求。（圖3）

5、傳統教育方法難以適應是新的教學理念的需要：傳統教學情景中，教學技術手段相對落后，還存在大水漫灌的狀況，導致學生對所學內容難以深刻理解，難以進行深入探究的客觀情況發生?；诂F代生物學高度發展趨勢和生物學教學新理念的現實要求，在教學設計上特別有針對性地進行創新，適時引入SR技術，以及相關的課程設計，研發并推廣使用“SR生物學教學系統”是一個較好的嘗試。所謂SR（Stereoscopic mixed Reality）技術，又稱立體混合現實技術，是虛擬現實技術發展的一個新的階段也是最前沿的人工智能技術。與之相比較的是上一代VR（Virtual Reality）技術，即虛擬現實技術，是主要依靠電腦來模擬一個三維的虛擬世界，創造出真實的體驗效果，要求體驗者必須配帶上頭盔（3D眼鏡），只有依靠頭盔才能有視覺、聽覺、觸覺等多種感官體驗，體驗者才能置身于虛擬的三維世界中。相對于VR/AR/MR等技術，SR立體混合現實技術可以讓體驗者擺脫頭盔、眼鏡等設備束縛，實現全場景、全終端應用，并可以通過體感設備輕松實現人機交互，全程開啟近似游戲化的教學模式，增強了課程粘性。

6、SR生物學教學系統硬件配置及相關參數：SR生物學教學系統為了達成最好的體驗效果，在產品的上游硬件設備的上，一開始就瞄準國內最頂級的上游供應商，借力“3D+“戰略，打造以裸眼3D顯示為核心的SR立體混合現實平臺，并結合高中生物課程教育教學需要，進一步的技術研發和創新。SR生物學教學系統創造虛實融合、夢幻和現實交互的“物化”體驗，實現虛擬數字世界與真實物理世界的無介質融合，讓人們以最自然的方式（眼睛、手勢、聲音、意識、觸覺等）僅使用五官能夠與虛擬內容進行交流與互動。硬件標準和配置也是最高的：KD86D502D1，采用第二代柱鏡光柵技術的裸眼3D顯示設備，內置Android5.0操作系統及OPS電腦，可實現4K分辨率裸眼3D顯示器，支持紅外28點互動觸控，不管你從哪個角度望向屏幕，3D效果都不會打折扣。這款顯示屏，相比于傳統顯示屏能達到大于90%的透過率。截止到目前，是國內單屏最大、集成技術最先進、可實現功能最多的顯示終端。（圖4）

7、該產品的市場效果反饋：該產品一經推出，就受到市場極大的歡迎，反應強烈。北京市教育科學研究院基礎教育教學研究中心專門邀請研發單位和項目學校在全市學科實驗教學與應用技術專題研討會上分享研發歷程、使用心得和教學成果，受到與會專家和老師們一致的好評。（圖5、6）

8、SR生物學教學系統的特點：該系統產品的優勢與特點：SR生物學教學系統作為一款輔助教學系統，具有有用好用兩大優勢和直觀高效、突出重點、引起興趣、方便使用四大特點。（圖7）

SR生物學教學系統研發的核心理念是“傳統實驗虛擬化，微觀構成可視化，生命現象動態化”，立足于解決高中生物學教學中的剛性需求，切實幫助減輕老師教學負擔，幫助學生建立完整的生物學概念和動態理性的思維方式。特別是在SR生物探究實驗室的整體設計及技術解決方案中，分別從點、線、面來設置三個教學子系統：AR生物學教學系統是點（重要知識點）;STEM生物學教學系統是線，將教學內容，教學關鍵節點，教學過程參與者（學生，教師，家長）鏈接起來，打通生物學教學過程的知識隔閡;SR生物學教學系統是面，是重點內容和知識范圍動態呈現。（圖8）

當然，這三個教學子系統并不僅僅限于課本內容的展示與探究。在產品的研發過程和使用過程中，我們一直都在思考如何把現代教育技術應用和未來信息科技發展有機地整合在一起。此前教育界的許多有識之士都已經預言過，教育的未來將和科技之間產生空前的相互影響，因此我們在設計方案時特別引入了全國教育信息技術研究重點課題《面向師生的VR資源制作工具的開發與應用研究》。通過課題研究，我們將體驗信息技術大大改變教育的未來，信息技術能夠使現代教育變得更加便捷與高效，使得學生不僅能夠通過觀看視頻，實現教授課程內容中的人機交互，來了解生物學科的基礎知識內容，而且還能夠利用國家級課題提供的簡單易上手的VR制作工具，積極主動的參與到課件的設計和制作中去，通過親手設計把自己的猜想變成動畫及模型;有興趣的同學還可以直接連接3D打印機，把設計變成實際作品，這樣動手的體驗效果，將遠勝于傳統教學手段中隔著玻璃板和顯微鏡的觀察方式，極大地提高了課堂教學的效率。不僅如此，通過課題訓練，師生對于參與國家級重點課題，顯示出極大的熱情與期待，并從“大膽設想，小心求證”的訓練中獲得正確的科研態度，恰當的方式方法，和豐富的科研成果。（圖9）

9、SR生物學教學系統未來展望：展望未來，從市場的實際需求來看，SR生物學教學系統的面世，及時有效的填補了高中生物探究課程的市場空白，取得了較好的使用效果，和較強大的市場需求。我們研發團隊擁有優秀的信息技術開發能力和強大的課程資源，一方面立志于服務于課堂教學活動，改進課堂教學方式，增加師生間和生生間的互動交流，提高課堂教學效率;另一方面立志于服務于學生的自主學習活動，讓學生利用各種生物學信息資源，開展自主學習，拓展學科視野。在疫情防控的特殊時期，我們將進一步研發線上教學與線下輔導緊密結合的內容，開發出更多服務于五育并舉和綜合素養提升的課程，增加拓展式、研究式、閱讀性的學習內容，增強線上學習的自主學習能力（所以產品的新穎性尤為重要），增加產品粘性，彌補自主學習能力培養的短板，寄希望于為教育改革發展的新方向探索助我們的一臂之力。

參考文獻

[1]（P4）參見中華人民共和國教育部制定的《普通高中生物學課程標準》（2017版2020年修訂）.

[2]（P4）參見中華人民共和國教育部《關于印發<教育信息化2.0行動計劃>的通知》，發文字號：教技（2018）6號.

【作者簡介】丁安國，1970年12月出生，男，漢族，安徽合肥人，安徽工商管理學院2019級MBA學員