基于數字感知技術的“古生物學”教育教學改革研究

張寶文 姚肖永

［摘 要］ “古生物學”是結合了生命科學、地球科學相關專業知識的重要專業基礎課，是研究地質歷史時期的生物及其環境的一門學科，然而課程概念較為抽象，知識點精深龐雜，學生無法很好地理解和掌握。結合教學實際，對該課程當前存在的灌輸式教育、實驗實習成本高等難點問題進行分析，并有針對性地將數字感知技術融入教育教學過程中，從傳統課堂教學方式、校內實驗課與野外實習教育等方面開展了一系列教學改革。課程近兩年取得了顯著的教學成果。本課程的教育教學改革為高校其他地質類專業課程的教學改革提供了重要的借鑒經驗和參考價值。

［關鍵詞］ 古生物學；數字感知；教學改革；實踐探索

［基金項目］ 2021年度長安大學實驗教學改革研究項目“基于虛擬現實技術的地質實驗教學資源建設和模式轉型”（20211819）

［作者簡介］ 張寶文（1988—），女，陜西西安人，碩士，長安大學實驗室與設備管理處工程師，主要從事計算機軟件開發與地質博物館管理研究；姚肖永（1982—），男，陜西西安人，博士，長安大學地球科學與資源學院講師，主要從事古生物學及地層學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）25-0075-04［收稿日期］ 2022-09-15

引言

古生物學是以古生物化石為主要研究載體的學科，是地質學的重要分支學科，亦是研究進化理論、生物地層學、生態地層學、古生物地理學及生物礦物學等多種學科的基礎。因此，“古生物學”已經成為結合了生命科學、地球科學等相關專業知識的重要專業基礎課程［1］。基于本課程的重要程度，我校對課程提出了較高的教學要求：通過課程學習，要求學生掌握扎實的古生物學基本知識，并能夠熟練運用、分析和研究具體化石標本。

古生物學不同于現代生物學，相關文獻資料和實物數量稀少，部分形態奇異的生物化石甚至違背常識，導致教師課程講解過程中難以提供大量具象化、系統化的資料。同時，學習古生物學不僅要求學生熟記理論知識，而且需要學生通過實驗課程與野外實習勘探，鑒別大量的化石及圍巖標本，積累實踐經驗。本課程對于學習者在理論知識學習和實驗、實踐方面均具有相當的難度。目前已有部分高校在古生物方面進行了教學改革研究：重慶科技學院建立了古生物化石標本庫，并采用科研教學相結合、雙語教學的方式［2］；中國石油大學更新了宏觀知識理論體系，增加了國內教材缺失門類［3］；河南理工大學因材施教，緊跟地學研究前沿［4］；等等。改革主要在理論教學方面進行，而實踐教育改革方面還鮮有提及。如今，數字感知技術（digital perception technology）已成功運用于智慧交通、手術診療、文化遺產保護等多個領域，以突破性的感官體驗獲得了人們廣泛的接受與好評，若將之擴展到古生物教育教學中，將帶給師生更新、更全面的認知學習體驗。本文基于任課教師多年教學經驗，對“古生物學”教育教學中暴露的難點問題積極采用數字感知技術對教學方式進行改革優化，取得了較好的教學成果。

一、古生物實驗教學中的難點問題

根據任課教師多年的授課經驗分析，目前古生物實驗教學中主要存在以下難點問題。

1.單方向灌輸式課堂教育，缺乏教學輔助資料。“古生物學”課程覆蓋范圍廣，知識體系龐雜，知識點較為碎片化、抽象，且缺乏具有整體性、具象化特征的輔助教學資料。傳統課堂教學中絕大多數教師采用單向灌輸式教學方式，這種被動式的、單調枯燥的教學模式缺少對學生的吸引力，學生在學習過程中參與度不夠，學習效率較低。

2.實驗、實習課程成本高昂。校內實驗課程基本依托實驗室收藏的化石系列典型標本在實驗室進行，然而，其中大部分化石由于年代久遠、風化剝蝕及挖掘過程產生過損傷，且實驗過程中的接觸會產生不可避免的磨損，變得不易辨認。為了保證教學質量，實驗室會定期淘汰大量廢棄標本，定期收集、采購新的化石標本，經濟成本高昂。野外實習實踐課程通常由教師帶領學生赴野外基地進行實地勘察。由于單個基地的標本往往存在同一性，因此需赴不同地區的地質基地實習，對于師生均是體力、耐力的巨大消耗和考驗，時間成本和人力成本高昂。

3.學生自主學習能力不足。“古生物學”課程開設在大三學年，本科生入學前兩年的公共基礎課程較為簡單輕松，通常平時上課與考前復習相結合就能輕松通過考試，因此課前預習、課后復習的積極性不高，自學次數較少，養成日益依賴教師授課的學習習慣。線上學習時，學生容易受周邊環境影響而走神，不利于培養良好的自主學習能力。驟然開始“古生物學”課程的學習，學生會由于自主學習、思考能力鍛煉少，容易陷入難以適應學習強度、不能融會貫通前后知識體系的困境。

二、數字感知技術引入古生物教學實驗的可行性

針對以上難點問題，為探索出更適合“古生物學”課程的教育教學方式，結合線上教學帶來的影響和“古生物學”課程教學中總結的經驗，同時調研數字化技術手段的發展，對數字感知技術引入“古生物學”課程教學的可行性進行了如下分析。

1.線上教學影響教學效果。近三年來，線下課堂時常通過慕課、雨課堂等線上課程平臺進行，師生互動率降低，集體效應缺失，學生容易被周圍環境影響導致課堂理論學習的效果一般，校內實驗課與野外實習課也常被擱淺。

2.古生物教學需要實物復原。研究古生物化石對于了解古動植物、古氣候、古地理的生態環境與變化有著重要的科學研究、文化傳承、科普教育與觀賞價值等意義，其演化具有不可再現的特點。然而，化石究竟是“死”的，能提供的信息是碎片化的、斷層的，因此復原古生物對于古生物遺體、遺跡的相似性和差異性等整體研究具有重大意義。但目前就全球范圍而言，古生物實物復原過程存在復原難度大、工藝成本高、專業人員少、對古生物的形象認識刻板單一等問題。

3.數字化技術蓬勃發展。自20世紀90年代起，隨著各行各業的飛速發展，人們在學習、工作、生活、娛樂中大量運用計算機、互聯網，促進了計算機技術的日新月異，圖像處理、多媒體技術、人工智能等數字化技術蓬勃發展。

4.數字感知技術的優勢。數字感知技術是一種集成圖像、視頻等多媒體信息，把真實世界與虛擬世界疊加在一起進行互動的技術，主要包括虛擬現實技術（virtual reality，VR）、增強現實技術（augmented reality，AR）與混合現實技術（mixed reality，MR），具有集成真實與虛擬世界、實時交互性好、跟蹤定位強、成本低、可遠程使用等優點，已廣泛應用于軍事、醫療、建筑、交通等多個領域，帶給人們突破性的觀感體驗。

因此，將數字感知技術運用于“古生物學”課程教學中，師生可隨時互動，既減少了教師解釋抽象理論知識耗費的精力，又調動了學生學習的積極性，增加課程參與度，將對課程教學成效的提升提供一定幫助。

三、教學改革方案

針對上述課程難點問題，通過引入數字感知技術，本課程教師探索出一條在課堂教學、校內實驗與野外實習等方面“古生物學”課程進行教育教學改革的路線，具體措施如下。

1.在課堂教學中引入增強現實技術。增強現實技術將真實世界信息和虛擬世界信息無縫集成并產生互動。針對傳統課堂單向灌輸式知識傳播教育與教學輔助資料稀少的問題，通過融入增強現實技術對教育方式進行改革，以融媒體形式集成并豐富教學輔助資料，提高師生課堂互動率，以及學生學習興趣、參與度與學習積極性，激發學生主觀能動性與學習內驅力。本次教學改革以課本、課件中出現的古生物化石的照片為原型，將復原模型及動畫、文字標題、背景知識、相關視頻等信息整合進增強現實軟件中，同時加入人機交互操作指令，發布手機平臺軟件，并由教師指導學生下載安裝。教師在授課過程中，講解到化石及圖解照片時，比如蕨類植物化石，指導學生通過手機軟件開啟攝像頭掃描照片，蕨類植物復原模型、動畫等相關虛擬信息實時具象化地直接出現并疊加于照片之上。教師可以指導學生通過縮放、旋轉、觸摸等人機互動，全方位地觀察復原模型內部與外部結構，便于教師講解授課，減少對抽象細節內容的描述工作，同時提升學生的課堂參與度、學習興趣與知識了解掌握度，增加師生之間的“傳+受”互動率。

2.在實驗課程中引入混合現實技術。混合現實技術是合并現實和虛擬世界而產生的新的可視化環境與實時互動的技術。針對實驗課程中經濟成本高昂的問題，通過引入混合現實技術進行改革，在學生分組自行觀看未定名化石標本時提供對應復原信息的多媒體資料，輔助學生對標本進行合理分析，以更迅速、更準確地完成實驗課程學習。發布手機軟件，將實驗室中化石標本對應的復原模型、聲音、動畫等相關多媒體資源融入混合現實程序中，同時插入空間定位與追蹤，軟件內容隨實物化石位置、角度等信息變化而實時響應，開啟攝像頭對化石標本進行掃描識別，軟件則可呈現出相關輔助資料信息。比如，學生圍觀貴州龍化石標本時，無論從哪個角度開啟程序，均能圍繞實物標本顯示出貴州龍的復原視頻。學生在實驗課程中虛實結合進行學習，提高了學習效果。

3.在實習課程中引入虛擬現實技術。虛擬現實技術是指利用計算機生成一種可對參與者直接施加視覺、聽覺和觸覺感受，并允許其交互地觀察和操作虛擬世界的技術。針對線上教學期間野外勘探實習時間與人力成本高昂的問題，融入虛擬現實技術進行改革，可打破時空限制，便于師生線上開展實習課程教育與線下教學的交流互動，改進實習教學效果。通過調研野外實習基地的環境、古生物化石與地質地層等信息，使用建模軟件建模與開發建模引擎資源整合，甚至融入通過佩戴頭盔手柄進行雙眼雙手實時操作的虛擬現實引擎，將化石、復原模型、動畫、視頻等多媒體資源搭載于完全虛擬的古地理古生物世界環境中。發布電腦平臺、手機或VR一體機等設備操作軟件，在線上教學期間，教師可開展線上野外實習，帶領學生操作軟件完成學習；線下教學中，也可以隨時隨地操作，瀏覽各地的野外實習基地。

四、教學效果

近兩年的實踐結果證明，本次教育教學改革取得了顯著的效果。

1.學生成績提高。據任課教師統計的期末考試成績顯示，2018級、2019級85分以上的人數比例分別比2017級分別提升了3%與5%，60分以上人數比例分別提升了11%與17%。實驗課與野外實習的平時成績也有所提高。

2.實踐能力提升。校內實驗課與校外實習過程中，學生的興趣、積極性均有提升。通過數字感知技術輔助，學生小組觀測鑒定標本時對理論知識與實物標本的結合分析更熟練、迅速、有見地，能在教師的引導啟發下自主完成學習任務。

3.學生學習態度改善。任課教師考察與調研發現，數字感知軟件增加了學生自主學習的興趣，學生也可以隨時隨地自行啟動軟件進行輔助學習。近兩屆本科生的自主學習意識有所提高，2018級、2019級學生課前預習、課后復習的比例分別比2017級提升了19%與31%。

五、下一步改進思考

雖然近兩年來“古生物學”課程教育教學效果有所提升，但仍存在一些不可忽視的問題。學生線上學習時間呈增長趨勢，野外實習時間卻逐年縮減，教學效果比線下教學較差，仍有個別學生的期末考試成績低于及格線。

基于該問題，下一步的教學改革擬從以下四點開展：第一，加強線上教學交流實施力度，在微信、QQ、騰訊會議等軟件上建班級學習群組、學生研討小組、不同化石門類興趣小組等群組，方便師生之間互動研討溝通，提升線上學習效果。第二，已有數字感知技術軟件中的標本數量有限，還需二次開發進行豐富擴展，同時考慮將更多的數字技術，如數字孿生技術擴展到教學課程中來，對化石實物進行數據積累和挖掘，激發學生的自主分析推理能力。第三，收集各大相關高校、地質博物館、地質公園、勘探實習基地等場所中的古生物化石標本資料，將其整合為電子資料檔案，實現社會資源本地化，豐富高校古生物數據庫資料，便于教學使用。第四，加強獎勵機制，由學院與學校博物館聯合，對成績優異的學生予以頒發典型化石標本及收藏證書，在博物館展覽活動中展出學生勘探學習的照片，邀請學生組成志愿者小組參加兄弟院校之間聯合開展的古生物主題展覽會議等活動，參加講解比賽等，采取多種形式對學生進行激勵，激發學生學習古生物的興趣和斗志。

結語

針對“古生物學”課程存在的傳統單向灌輸式課堂教育、缺乏教學輔助資料、實驗課程經濟成本高、野外實習課程減少等難點問題進行分析，近兩年來通過采用虛擬現實技術、增強現實技術和混合現實技術等數字感知技術對傳統課堂教學、校內實驗課及野外實習教育等進行了一系列教育教學改革，實踐證明，教學改革取得了顯著的效果。但“古生物學”課程的教學依然存在很大的提升空間，任課教師在未來的教學中還將加強線上教學開展力度，建立多個學習群組方便師生之間研討溝通；二次開發擴充已有數字感知軟件中的標本數量，引入更多種類的數字技術；社會資源本地化，豐富古生物數據庫資料；多渠道加強獎勵機制，激發學生學習探索興趣與比賽斗志，進一步進行教育教學改革，以提升“古生物學”課程的教學成果與教學質量。

參考文獻

［1］童金南，殷鴻福.古生物學［M］.北京：高等教育出版社，2007：371-393.

［2］林志成，段江，郭欣.地球科學基礎課程實驗教學改革探討：以“古生物地史學”課程為例［J］.重慶科技學院學報（社會科學版），2015（2）：102-104.

［3］王海洲，朱才伐，張紫東.古生物學教學國際化改革的思考［J］.教育教學論壇，2020（6）：109-110.

［4］張立軍.“因校制宜、與時俱進”推進《古生物地層學》課程教學改革［J］.教育教學論壇，2014（9）：27-29.

Abstract： Paleontology which studies biology and its environment in geological historical periods， is an important professional basic course combining relevant professional knowledge of life science and earth science. However， the concept is relatively abstract. Although the course has certain experimental practice teaching links， some knowledge points are profound and complex， and students can not understand and master them well. Considering the teaching practice， the project analyzes the current difficulties such as indoctrination education and high cost of experimental practice in the course. In response to these problems， we integrate digital perception technology into the process of education and teaching for practice， and carry out a series of teaching reforms including the aspects of traditional classroom theory courses， on-campus experiments and field practice education. The course has achieved remarkable results in the past two years. The education and teaching reform of this course provides important experience and reference value for the curriculum and teaching reform of other majors of geology in colleges and universities.

Key words： “Paleontology”; digital perception; teaching reform; practical exploration