淺析VR/AR在中學(xué)生物教學(xué)中的應(yīng)用

錢(qián)貴江

【摘要】? ? 在信息化、物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代下，已有多媒體教學(xué)技術(shù)滿足不了教學(xué)的需求，而VR/AR技術(shù)憑借其交互性以及多感性的特點(diǎn)，使VR/AR技術(shù)教學(xué)的實(shí)踐真實(shí)性得到提高。在生物教學(xué)中使用VR/AR技術(shù)，可以讓學(xué)生有全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在課堂中走出課堂，提高核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】? ? VR/AR? ? 中學(xué)生物教學(xué)? ? 應(yīng)用

引言：

VR/AR是把計(jì)算機(jī)作為核心，和科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，在聽(tīng)、看以及觸覺(jué)等各個(gè)方面形成和一定范圍真實(shí)環(huán)境非常相似的數(shù)字化環(huán)境，同時(shí)使用者通過(guò)裝備和數(shù)字化環(huán)境里面的對(duì)象進(jìn)行交互作用，相互影響，產(chǎn)生身臨其境的體驗(yàn)?，F(xiàn)階段，VR/AR在城市的建設(shè)、娛樂(lè)、園林體驗(yàn)以及虛擬手術(shù)等多個(gè)方面都有著非常廣泛的使用，同時(shí)也使課堂教學(xué)出現(xiàn)了極大的改變。

一、VR/AR在中學(xué)生物教學(xué)中的作用

1.1進(jìn)行知識(shí)發(fā)生過(guò)程的教學(xué)

在進(jìn)行教學(xué)的時(shí)候使用VR/AR，就能夠利用VR/AR的實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能，重現(xiàn)出科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)。利用互聯(lián)網(wǎng)把模擬設(shè)備、數(shù)據(jù)和相關(guān)的儀器和界面和計(jì)算機(jī)端口相連接，讓學(xué)生能夠在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室，按照教師的指導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，繼而驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論。這樣不但使時(shí)間得到節(jié)省，費(fèi)用支出同樣也會(huì)得到節(jié)約。同時(shí)還可以使知識(shí)的發(fā)生過(guò)程教學(xué)在課堂中進(jìn)行。

比如“虛擬果蠅”的模擬實(shí)驗(yàn)軟件，能夠讓學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行果蠅交配實(shí)驗(yàn)，然后認(rèn)識(shí)到孟德?tīng)栠z傳定律，讓學(xué)生可以親自感受到知識(shí)發(fā)生的整個(gè)過(guò)程，鍛煉學(xué)生的探究分析能力。

1.2幫助學(xué)生探索無(wú)法接觸到的一些領(lǐng)域

在學(xué)生進(jìn)行知識(shí)同化以及建構(gòu)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的時(shí)候，有部分知識(shí)背景是教師不能展示，而學(xué)生也無(wú)法接觸的，比如火星的表面情況，一些無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)地帶等等。若是學(xué)生對(duì)其沒(méi)有一個(gè)感性的認(rèn)知和了解，就無(wú)法有效構(gòu)建知識(shí)。而使用VR/AR能夠建立仿真的虛擬世界，讓學(xué)生有一種身臨其境的感覺(jué)，為其提供“替代經(jīng)驗(yàn)”，從而彌補(bǔ)直接經(jīng)驗(yàn)的不足之處，打破時(shí)空界限，探索未知領(lǐng)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(xué)生是不能直接感知的，只能通過(guò)想象中認(rèn)識(shí)。教師僅僅依靠傳統(tǒng)教學(xué)媒體也無(wú)法給學(xué)生建立相關(guān)的學(xué)習(xí)情境。這種情況下，VR/AR為學(xué)生的研究和探索新知帶來(lái)了理想化的工具，它能夠把古地球的情景模擬出來(lái)，讓學(xué)生觀看，給學(xué)生建立想象的情景氛圍，同時(shí)讓學(xué)生沉浸其中。這樣，生命起源可以在學(xué)生面前真切經(jīng)歷發(fā)生。

1.3打破時(shí)空束縛，減少成本支出

VR/AR程序能夠當(dāng)做教學(xué)輔助資源，讓學(xué)生快速認(rèn)知和了解記住相關(guān)的知識(shí)。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)完“細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)”后，可以還會(huì)對(duì)部分細(xì)節(jié)和相關(guān)知識(shí)有一定的疑惑和不解。這個(gè)時(shí)候，教師就可以使用VR/AR教學(xué)，不但可以讓學(xué)生“進(jìn)入”到細(xì)胞的內(nèi)部，任意轉(zhuǎn)動(dòng)頭部，看一系列的細(xì)胞器和相關(guān)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在視野方向變化下，還會(huì)出現(xiàn)三維示意結(jié)構(gòu)以及相對(duì)應(yīng)的文字說(shuō)明，如細(xì)胞膜、線粒體、核糖體等細(xì)胞器一覽無(wú)余。當(dāng)抽象的知識(shí)變得鮮活，學(xué)生就能夠?qū)@些知識(shí)理解的更加容易。

1.4擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的范圍，提高學(xué)生的見(jiàn)識(shí)

不同時(shí)期以及不同版本類(lèi)型的生物學(xué)教材都有大量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時(shí)實(shí)驗(yàn)試題還是考試中必不可少的重難點(diǎn)。但是從現(xiàn)階段的情況來(lái)看，大多數(shù)的普通高中都沒(méi)有系統(tǒng)設(shè)置生物實(shí)驗(yàn)，甚至直接讓學(xué)生背誦實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法有效建構(gòu)知識(shí)。但同樣值得注意的是，生物實(shí)驗(yàn)開(kāi)出率低下，也有相關(guān)的客觀原因。比如經(jīng)費(fèi)不夠、師資力量薄弱、有一定安全隱患等。而VR/AR技術(shù)可以有效緩解各種問(wèn)題。VR/AR設(shè)備能夠多次使用，只要加入資源就可以，不會(huì)每一次都有耗材的費(fèi)用。比如，在進(jìn)行“基因工程”教學(xué)的過(guò)程中，教師可以通過(guò)VR/AR進(jìn)行“使用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因”實(shí)驗(yàn)。

在教學(xué)的時(shí)候，學(xué)生使用VR/AR設(shè)備就可以通過(guò)第一人稱(chēng)的視角進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室中，繼而用手柄傳遞拿起實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的器具，從而完成實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)的時(shí)候，部分學(xué)生會(huì)覺(jué)得模擬實(shí)驗(yàn)達(dá)不到親自實(shí)驗(yàn)的效果。其實(shí)并不是這樣，VR/AR技術(shù)起源于軍事演練，在模擬飛行中不斷發(fā)展，現(xiàn)階段不管是在醫(yī)學(xué)教學(xué)，還是臨床手術(shù)，都有使用。因此把VR/AR應(yīng)用到生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是非?？尚械?，同時(shí)也有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

總的來(lái)說(shuō)，短時(shí)間內(nèi)開(kāi)展不了，或者對(duì)學(xué)生存在危害的實(shí)驗(yàn)，可以用虛擬手段。不僅使實(shí)驗(yàn)開(kāi)出率提升，同時(shí)學(xué)生眼界也會(huì)隨之增加，思維得到進(jìn)一步鍛煉和拓展。

二、VR/AR在中學(xué)生物教學(xué)中的應(yīng)用

2.1用VR/AR建立虛擬環(huán)境，重視操作解決難點(diǎn)

在進(jìn)行高中生物學(xué)習(xí)的時(shí)候，必修二是非常難的一本，里面有著非常豐富的內(nèi)容，若是在教學(xué)的時(shí)候使用VR/AR技術(shù)，就可以有著良好的教學(xué)效果。

比如在學(xué)習(xí)《遺傳因子的發(fā)現(xiàn)》這一節(jié)課的時(shí)候，教師可以通過(guò)VR/AR技術(shù)為學(xué)生展現(xiàn)出孟德?tīng)柊四晖愣箤?shí)驗(yàn)的過(guò)程。在VR/AR技術(shù)的幫助下，該過(guò)程不僅能看，學(xué)生們還可以扮演孟德?tīng)?，還虛擬環(huán)境下進(jìn)行人工異花傳粉，同時(shí)觀察在授粉完成后，豌豆的生長(zhǎng)情況。在進(jìn)行虛擬環(huán)境設(shè)置的過(guò)程中，學(xué)生可以推動(dòng)豌豆成熟速度，然后統(tǒng)計(jì)出不一樣的性狀個(gè)體數(shù)量。這種方式不僅使學(xué)生的動(dòng)手能力得到培養(yǎng)，同時(shí)還可以使學(xué)生明白過(guò)程的艱辛。

其次，在學(xué)習(xí)《基因和染色體的關(guān)系》這節(jié)課的時(shí)候，減數(shù)分裂可以和前面的有絲分裂內(nèi)容放在一起進(jìn)行學(xué)習(xí)，用VR/AR技術(shù)建立起兩個(gè)動(dòng)態(tài)細(xì)胞分裂的過(guò)程，學(xué)生能夠從各個(gè)方面進(jìn)行觀察，同時(shí)對(duì)比兩個(gè)過(guò)程之間的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。而且教師可以在細(xì)胞分裂中的每條染色體上標(biāo)注一個(gè)基因，在減數(shù)分裂染色體進(jìn)行移動(dòng)的時(shí)候，就能夠得知基因變化規(guī)律，把前后內(nèi)容進(jìn)行聯(lián)系。

最后，在學(xué)習(xí)《基因的本質(zhì)》以及《基因的表達(dá)》中DNA的相關(guān)知識(shí)時(shí)，教師從DNA空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)，而探索一個(gè)物體自身空間結(jié)構(gòu)，VR/AR技術(shù)就是合適的教學(xué)方式。用VR/AR技術(shù)建立微觀場(chǎng)景，把DNA分子結(jié)構(gòu)用立體手段展現(xiàn)，學(xué)生能夠?qū)Ψ肿臃糯蟆⒖s小以及旋轉(zhuǎn)等，還能夠使分子間出現(xiàn)反應(yīng)，研究分析DNA復(fù)制以及基因表達(dá)的過(guò)程，在空間、時(shí)間方面對(duì)該過(guò)程有明確的認(rèn)知和了解。

2.2用VR/AR建立微觀場(chǎng)景，展示物質(zhì)結(jié)構(gòu)

對(duì)于必修一來(lái)說(shuō)，《組成細(xì)胞的分子》有機(jī)大分子是一大難點(diǎn)。高一的學(xué)生在學(xué)習(xí)這節(jié)課的時(shí)候，化學(xué)在學(xué)習(xí)無(wú)機(jī)物。學(xué)生對(duì)于有機(jī)物結(jié)構(gòu)一問(wèn)三不知，而傳統(tǒng)教學(xué)手段都是二維的，教師在講解有機(jī)分子空間結(jié)構(gòu)的時(shí)候，僅僅把空間想象給學(xué)生講解，讓學(xué)生自己想象來(lái)建立分子空間結(jié)構(gòu)，這樣來(lái)看效果往往都是不盡如人意，學(xué)生還會(huì)出現(xiàn)理解錯(cuò)誤的情況。

若是通過(guò)VR/AR技術(shù)建立微觀場(chǎng)景，把分子結(jié)構(gòu)用立體手段呈現(xiàn)，學(xué)生能夠?qū)Ψ肿臃糯?、縮小以及旋轉(zhuǎn)，還可以把分子間的反應(yīng)過(guò)程通過(guò)VR/AR呈現(xiàn)。比如氨基酸脫水縮合反應(yīng)形成多肽的過(guò)程，學(xué)生通常對(duì)于該反應(yīng)過(guò)程無(wú)法進(jìn)行有效理解。

若是使用VR/AR技術(shù)讓該反應(yīng)在自己面前發(fā)生，使學(xué)生“走進(jìn)”分子，“感受”分子的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)功能，這種直觀認(rèn)識(shí)是傳統(tǒng)教學(xué)手段所不能達(dá)到的。

同樣，細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及功能也是教學(xué)的重難點(diǎn)，尤其是《細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用》中的光合作用、呼吸作用至關(guān)重要。然而學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候會(huì)覺(jué)得十分困難，這是由于學(xué)生被動(dòng)接受光合作用以及呼吸作用的過(guò)程圖解，然后對(duì)該知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行死記硬背，因此在考試時(shí)，若是有相關(guān)問(wèn)題，學(xué)生無(wú)法靈活運(yùn)用，就得不到較高的成績(jī)。

若是通過(guò)VR/AR技術(shù)建立細(xì)胞模型，該模型能夠放大、縮小以及旋轉(zhuǎn)。當(dāng)學(xué)生學(xué)到這一章時(shí)，就能夠放大細(xì)胞的內(nèi)部，進(jìn)入線粒體、葉綠體中，觀察其自身結(jié)構(gòu)。當(dāng)進(jìn)入葉綠體的時(shí)候，學(xué)生能夠在類(lèi)囊體薄膜上面，直接觀察和了解光反應(yīng)過(guò)程?？荚嚂r(shí)再有光反應(yīng)的相關(guān)考點(diǎn)，學(xué)生就會(huì)有正確的答案，因?yàn)樵撨^(guò)程是通過(guò)學(xué)生自己的直觀感受得來(lái)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(nèi)環(huán)境

在學(xué)習(xí)《植物的激素調(diào)節(jié)》里生長(zhǎng)素發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史中，傳統(tǒng)的教學(xué)手段是依靠講述，效果通常都是不盡如人意，沒(méi)有一點(diǎn)教學(xué)的效果，還會(huì)導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)枯燥乏味的感受。若是通過(guò)VR/AR開(kāi)展教學(xué)，教師可以設(shè)計(jì)出多組胚芽鞘，讓學(xué)生親自動(dòng)手完成科學(xué)家動(dòng)手實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)。比如學(xué)生切下一組胚芽鞘的尖端，然后觀察胚芽鞘怎樣進(jìn)行生長(zhǎng)。再比如，學(xué)生把胚芽鞘的任何一個(gè)位置用錫箔罩子包住，然后看胚芽鞘生長(zhǎng)的過(guò)程。

在研究生長(zhǎng)素生理作用以及其他激素過(guò)程中，教師可以建立一棵“樹(shù)”，然后學(xué)生把樹(shù)進(jìn)行放大，定位到幼嫩的芽，觀察生長(zhǎng)素合成之后的轉(zhuǎn)移以及作用位置，如頂端優(yōu)勢(shì)。學(xué)生還可以把這顆樹(shù)進(jìn)行橫向放置，按照樹(shù)根向地生長(zhǎng)特點(diǎn)，研究分析生長(zhǎng)素的兩重性。而且學(xué)生還能夠在該樹(shù)其他部位觀察別的激素合成，以及其功能。

三、VR/AR在中學(xué)生物教學(xué)中出現(xiàn)的困難

盡管市場(chǎng)上有各種價(jià)格便宜的VR/AR眼罩，還有一些插入手機(jī)能夠觀看，但技術(shù)工藝、制作和視覺(jué)體驗(yàn)方面差，同時(shí)硬件缺陷會(huì)導(dǎo)致因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間使用出現(xiàn)眩暈、惡心?，F(xiàn)階段，大部分的教學(xué)眼罩都是這類(lèi)產(chǎn)品，長(zhǎng)時(shí)間使用就會(huì)危害學(xué)生健康。但是現(xiàn)階段市場(chǎng)上的先進(jìn)產(chǎn)品，包括眼罩、計(jì)算機(jī)和一些設(shè)備，價(jià)格能夠達(dá)到數(shù)萬(wàn)元。

可見(jiàn)，要建立VR/AR教室，費(fèi)用一定非常昂貴。此外，一些程序和視頻資源也要購(gòu)買(mǎi)或開(kāi)發(fā)，特別是在教學(xué)過(guò)程中使用的程序更是非常昂貴。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在生物教學(xué)中使用VR/AR技術(shù)，有著顯著優(yōu)越性。VR/AR系統(tǒng)能夠建立虛擬人物參與教學(xué)交互。這種方式，老師不再使用把課本轉(zhuǎn)移到屏幕的教學(xué)手段，而是用計(jì)算機(jī)建立起各種虛擬環(huán)境。

要按照教學(xué)內(nèi)容使用VR/AR系統(tǒng)，隨著VR/AR水平進(jìn)一步提高和應(yīng)用，學(xué)生學(xué)習(xí)生物也會(huì)變得更有趣味性，學(xué)生熱情也會(huì)顯著提升。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]陳劍青.VR眼鏡：后媒體時(shí)代的視覺(jué)裝置[J].電影藝術(shù)， 2016（05）：31-35.

[2]竇勇兵.VR技術(shù)在中學(xué)生物學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中學(xué)生物教學(xué)，2014（12）：28-30.

[3]余衛(wèi)紅，陳超.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用及思考[J].軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2012（08）：91-92.

[4]顧鳳梅.基于VR技術(shù)的生物課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建[J].寧波教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（05）：138-140.