淺析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中生物技術(shù)教學(xué)中的運(yùn)用

摘 要 虛擬實(shí)驗(yàn)室把學(xué)生置身于一個(gè)接近真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，對(duì)學(xué)生進(jìn)行有效的技能訓(xùn)練和操作練習(xí)，達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的效果；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)教學(xué)領(lǐng)域的介入，使我們可利用其強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能來再現(xiàn)科學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)建一個(gè)仿真的虛擬世界，使學(xué)生如身臨其境。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí) 生物技術(shù) 教學(xué)策略

一、虛擬演練真實(shí)實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。它由實(shí)驗(yàn)所依賴的模擬程序、實(shí)驗(yàn)單元、工具和參考資料組成，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等值于甚至優(yōu)化于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。在虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，運(yùn)用建模工具和仿真技術(shù)模擬出各種儀器、設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料。對(duì)某些儀器、設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料，可以采取半實(shí)物半仿真的方法，將實(shí)物模型和數(shù)字化控制面板相結(jié)合。教師可以先收集足夠的真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輸入計(jì)算機(jī)后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)置必要的參數(shù)，最后將數(shù)學(xué)模型用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)表達(dá)出來。學(xué)生在動(dòng)手設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以充分利用虛擬器材庫中十分豐富的實(shí)驗(yàn)器材，自由選擇各種試驗(yàn)儀器，配備各種試驗(yàn)藥品，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行組合，再設(shè)置屬性（如數(shù)量、濃度）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過輸入不同的參數(shù)以觀察不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行分析比較。

例如：有一個(gè)“虛擬人體”的解剖實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以做非常逼真的人體解剖實(shí)驗(yàn)?？伞皠儭遍_人體的皮膚和肌肉觀察骨骼，逐層深入“解剖”觀察各內(nèi)臟器官。如解剖心臟時(shí)，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是用三維立體圖像呈現(xiàn)對(duì)象，因此學(xué)生不僅可以局部放大，定格觀察心臟的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且可以操縱鼠標(biāo)使其在三維空間上作任意方向和角度進(jìn)行360°翻轉(zhuǎn)，以觀察其不同部位的空間關(guān)系，也可以將其切割分解，分層觀察。解剖完畢后，通過器官拆裝動(dòng)畫，顯微遞進(jìn)動(dòng)畫，將解剖器官拼裝復(fù)原。如果你對(duì)所解剖的“虛擬人體”的輪廓、顏色不滿意，可以對(duì)其作修改補(bǔ)充，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)便可使木乃伊式的尸體標(biāo)本恢復(fù)正常人體色彩和質(zhì)感。通過選擇不同的菜單，可以觀察心臟的跳動(dòng)和血液循環(huán)的過程。這樣，心房、心室的搏動(dòng)過程，心臟瓣膜的開關(guān)方向及順序，動(dòng)、靜脈血的變化等動(dòng)態(tài)過程都清晰地顯現(xiàn)在操作者面前，通過三維立體聲耳機(jī)，心臟鏗鏘有力的跳動(dòng)聲，血液流動(dòng)的“嘩嘩”聲也聲聲入耳。

二、進(jìn)行知識(shí)發(fā)生過程教學(xué)

現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)教學(xué)領(lǐng)域的介入，使我們可利用其強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能來再現(xiàn)科學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。通過互聯(lián)網(wǎng)將模擬的儀器、數(shù)據(jù)和設(shè)備以及界面鏈接到客戶的計(jì)算機(jī)端口上，使世界各地的學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)。學(xué)生則可以登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室，在教師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)論。這樣，既節(jié)省時(shí)間，又節(jié)約費(fèi)用，從而保證了知識(shí)發(fā)生過程教學(xué)在課堂中的實(shí)施。例如：已經(jīng)開發(fā)出的一個(gè)叫作“虛擬果蠅”的模擬實(shí)驗(yàn)軟件，可以使學(xué)生通過親自動(dòng)手做果蠅交配實(shí)驗(yàn)來自己發(fā)現(xiàn)盂德爾遺傳定律，從而使學(xué)生親身體驗(yàn)知識(shí)發(fā)生的全過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。首先，學(xué)生選一只雄果蠅和一只雌果蠅作為親本雜交，兩親本分別具有不同顏色的眼睛（紅眼/白眼）和不同形狀的翅膀（長翅/殘翅）。過了幾秒鐘，這一對(duì)新婚果蠅就會(huì)繁殖出第一代小果蠅，他們中在眼色和翅形上有的像父親；有的像母親；有的兼而有之。計(jì)算機(jī)提示學(xué)生仔細(xì)觀察這些后代果蠅，對(duì)具有不同形狀果蠅的數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并記錄結(jié)果，然后，從這些果蠅中再選擇一些作交配，繼續(xù)觀察、統(tǒng)計(jì)第二代果蠅的性狀、數(shù)日。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析推測(cè)，提出假設(shè)，并另行設(shè)計(jì)一個(gè)“測(cè)交”實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證假設(shè)，經(jīng)過一番教師指導(dǎo)下的自主探究，學(xué)生就能獨(dú)立地“發(fā)現(xiàn)”基因的分離規(guī)律。

三、幫助學(xué)生探索那些接觸不到的領(lǐng)域

在學(xué)生同化知識(shí)，建構(gòu)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程中有一些知識(shí)的背景教師無法呈現(xiàn)，學(xué)生也根本接觸不到，探索不了，如：火星表面，不可視的微觀世界；還有不可摸、不可入的危險(xiǎn)場(chǎng)所。如果學(xué)生對(duì)其不能形成感性認(rèn)識(shí)，就很難理解知識(shí)，建構(gòu)知識(shí)的意義。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)建一個(gè)仿真的虛擬世界，使學(xué)生如身臨其境，為學(xué)習(xí)者提供一種“替代經(jīng)驗(yàn)”，彌補(bǔ)各種直接經(jīng)驗(yàn)的不足，從而突破時(shí)空限制，去探索那些接觸不到的地點(diǎn)和事物，如“生命起源”。然而32億年前，生命起源的原始地球究竟什么樣子？恐怕學(xué)生無法直接感知，只能在想象中去認(rèn)識(shí)它。教師憑借傳統(tǒng)教學(xué)媒體也很難為學(xué)生創(chuàng)設(shè)這樣一個(gè)學(xué)習(xí)情境。在這種情況下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生探索新知提供了一種理想化的認(rèn)知工具，它可以把遠(yuǎn)古地球一幅幅巍然壯觀的圖景模擬出來，展現(xiàn)在學(xué)生面前，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)想象的情景和氛圍：一面是隆隆火山爆發(fā)，熔巖橫溢；一面是大雨傾盆，鋪天蓋地，雨水聚集而成的原始海洋煙波浩渺，通過數(shù)據(jù)衣和數(shù)據(jù)手套上的壓力傳感器，可以感受到海浪的搏擊，試一試海水的溫度。在電閃雷鳴中，非生命的無機(jī)小分子生成有機(jī)小分子，再經(jīng)過有機(jī)大分子，多分子體系，最后形成原始生命。