虛擬現(xiàn)實在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
——基于The Body VR的教學(xué)活動設(shè)計實踐探究*

和 淵 輦偉峰 宓 奇 閆新霞

（中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080）

虛擬現(xiàn)實（virtual reality VR）是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，是由多媒體計算機(jī)生成的交互式人工智能。將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于教學(xué)，可促進(jìn)教與學(xué)質(zhì)量的提高。筆者在長期一線教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在學(xué)生同化知識、構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)的過程中，有—些內(nèi)容教師無法呈現(xiàn)，而這些內(nèi)容因不可視、不可摸、不可入的特點(diǎn)，學(xué)生很難深入理解。例如，在學(xué)習(xí)“細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)”時，教師通常只能呈現(xiàn)一些細(xì)胞器的模式圖，學(xué)生并不能對其形成感性認(rèn)識而感覺枯燥、抽象，不易掌握相關(guān)知識。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可創(chuàng)建一個仿真的虛擬世界，使學(xué)生如臨其境，為學(xué)習(xí)者提供一種 “替代經(jīng)驗”，從而突破時間和空間的限制，探索一些接觸不到的事物（例如細(xì)胞器）。因此，虛擬現(xiàn)實不僅讓學(xué)生的學(xué)習(xí)生動有趣，且符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論關(guān)于“學(xué)習(xí)是一種真實情境的體驗”的觀點(diǎn)，更符合新課程標(biāo)準(zhǔn)中“提高對科學(xué)和探索未知的興趣”及“培養(yǎng)學(xué)生探究能力”的要求，提升了學(xué)生的生物學(xué)綜合素養(yǎng)。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1.1 虛擬現(xiàn)實簡介 虛擬現(xiàn)實綜合了對視覺、聽覺、觸覺、運(yùn)動覺、體覺等感官認(rèn)知模式的模擬，隔絕真實世界的信息，使人與計算機(jī)生成的環(huán)境融為一體，讓使用者仿佛置身于電腦虛構(gòu)的空間，感知其中的事物并能與虛構(gòu)世界的人物、環(huán)境進(jìn)行交流互動，成為虛擬世界的參與者，從而產(chǎn)生親臨真實環(huán)境的感受和體驗。

1.2 虛擬現(xiàn)實的特點(diǎn)

1.2.1 沉浸感 虛擬現(xiàn)實運(yùn)用計算機(jī)圖形、聲音和圖像再造逼真的情境，使得使用者的感覺和行動都與人在自然狀態(tài)下相似，產(chǎn)生與現(xiàn)實中同樣的體驗。用戶完全沉浸其中而無法將其與真實世界區(qū)分開來，從而全身心地投入虛擬現(xiàn)實世界，將注意力重點(diǎn)集中在觀察所研究的對象和獲取知識上。

1.2.2 交互性 使用者通過專用設(shè)備（例如HMD頭盔顯示器、數(shù)據(jù)衣等），將仿真現(xiàn)實環(huán)境的圖像、聲音等通過人機(jī)接口系統(tǒng)作用到使用者的感官，并通過傳感器感知使用者的行為與反應(yīng)，隨著操作者不同的動作（例如位置、姿勢、方向等）變化而變化。

2 虛擬現(xiàn)實在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實是現(xiàn)代仿真技術(shù)的高級發(fā)展和突破，由于其具有親臨其境的真實感和超越現(xiàn)實的虛擬性，較好地輔助和推動了教育教學(xué)的發(fā)展。筆者作為高中生物學(xué)教學(xué)的一線教師，在長期進(jìn)行的虛擬現(xiàn)實與教學(xué)相結(jié)合的試驗過程中，總結(jié)了虛擬現(xiàn)實在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中3個方面的應(yīng)用。

2.1 知識發(fā)生過程的模擬 生物學(xué)教學(xué)要注重展示科學(xué)家在探索創(chuàng)造知識過程中的思維邏輯，因此，將科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)過程進(jìn)行再現(xiàn)可教會學(xué)生如何正確思考。重演科學(xué)的發(fā)現(xiàn)過程，教師必須要還原歷史實驗條件，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計科學(xué)家曾經(jīng)做過的經(jīng)典實驗，但囿于實驗時間、實驗材料、課時分配的限制等，這樣的教學(xué)方式基本上不可能實現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)對教學(xué)領(lǐng)域的介入，使得學(xué)生可利用其強(qiáng)大的實驗?zāi)M功能再現(xiàn)科學(xué)家的經(jīng)典實驗。例如：“虛擬果蠅”的模擬實驗軟件，學(xué)生可以選1只白眼雄果蠅和1只紅眼雌果蠅作為親本進(jìn)行雜交，等待幾秒鐘后，這一對新婚果蠅就會繁殖出第1代小果蠅，學(xué)生對果蠅的眼色和性別進(jìn)行記錄和統(tǒng)計。之后按照這樣的方法繼續(xù)進(jìn)行雜交，最后對結(jié)論進(jìn)行統(tǒng)計分析。學(xué)生通過親自動手做果蠅交配實驗發(fā)現(xiàn)摩爾根的遺傳定律，親身體驗知識發(fā)生的全過程，培養(yǎng)了科學(xué)探究能力。

2.2 真實實驗的演練 生物學(xué)是一門實驗科學(xué)，有的生物學(xué)實驗對環(huán)境的要求較高，所需儀器、設(shè)備、材料價格昂貴；有的實驗周期較長，耗時較多，課堂上進(jìn)行演示或?qū)W生親自做這些實驗是不可能的。例如，在選修1模塊中，很多分子生物學(xué)實驗例如PCR、跑SDS-PAGE膠、瓊脂糖凝膠電泳等，學(xué)生即使按照教師的要求操作后也感覺很難理解，且許多中學(xué)并不具備做這些實驗的條件。現(xiàn)已成功開發(fā)的“虛擬實驗室”教學(xué)軟件可完美解決這些問題。虛擬實驗室是由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成，實驗者可以像在真實的情境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目，在某些方面所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果甚至優(yōu)于在真實情境中所取得的效果。

2.3 教學(xué)場景的還原 傳統(tǒng)的視頻錄課、教師講授等方式無法重現(xiàn)課程的全景，更無法讓學(xué)生參與其中，難以提供有參與感的課堂實景。而技術(shù)的不斷發(fā)展為優(yōu)質(zhì)課程資源共享提供了便捷和無限可能。使用VR技術(shù)進(jìn)行課程錄制，可全景式再現(xiàn)課堂實景，讓觀看視頻的學(xué)生和教師能完全進(jìn)入錄課教師的課程并進(jìn)行適當(dāng)參與，將優(yōu)質(zhì)的課堂進(jìn)行了全景化還原，讓無法聽課或有復(fù)習(xí)需求的學(xué)生隨時可以聽課，更讓邊遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)生享受優(yōu)質(zhì)的教育資源，這也是促進(jìn)教育公平的一種方式。

3 基于The Body VR的教學(xué)活動設(shè)計實踐探究

3.1 The Body VR簡介 The Body VR是一段描述在人體內(nèi)漫游的過程，視頻是由7個片段連成的一個故事：首先用三維立體圖像呈現(xiàn)跳動的心臟，隨著心臟進(jìn)入動脈血管后對紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板進(jìn)行認(rèn)知。然后穿過血管壁離開動脈，進(jìn)入被感染的組織細(xì)胞，進(jìn)入的順序是：先從細(xì)胞膜進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)中，跟隨驅(qū)動蛋白前進(jìn)并進(jìn)入細(xì)胞核，觀察DNA的結(jié)構(gòu)并從核孔離開，鳥瞰內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體，進(jìn)而轉(zhuǎn)換到細(xì)胞膜外觀察病毒攻擊感染組織的過程。The Body VR的設(shè)計主要是針對細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)和免疫章節(jié)知識的感性認(rèn)知和強(qiáng)化記憶而設(shè)置的，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.2 課程導(dǎo)入 細(xì)胞很小，看不到摸不著，對于學(xué)生來說是全新而未知的世界。VR技術(shù)可帶領(lǐng)學(xué)生鉆入細(xì)胞觀察細(xì)胞中的各種物質(zhì)和結(jié)構(gòu)。在觀看The Body VR時，可將自己想象成一個初次到達(dá)細(xì)胞世界的嬰兒，充滿好奇地一步步感知這個世界中的每個細(xì)節(jié)。教師要引導(dǎo)學(xué)生不要害怕聽不懂其中的英文，只需要把英文想象成一首非常美妙的音樂，不要因為英文而有壓力，影響觀看。英文好的學(xué)生，可以對照教師發(fā)放的中英文對照表（表1）進(jìn)行學(xué)習(xí)。

表1 中、英文對照表

3.3 課程活動 先組織學(xué)生觀看The body VR（約 15 min）的視頻，在這15 min內(nèi)，學(xué)生都非常專注，完全沉浸其中，跟著VR片中的順序暢游于細(xì)胞中。根據(jù)教師對視頻的理解及學(xué)生課后的反饋，筆者總結(jié)了一些高效、完整而有趣的課堂活動，以供其他用此VR的教師參考（可選擇一個或多個活動，視時間而定）。

活動1：請學(xué)生將故事發(fā)生的順序進(jìn)行排序。

①由跳動的心臟進(jìn)入動脈中觀察紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板。

②透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。

③準(zhǔn)備進(jìn)入被感染的細(xì)胞中。

④感染的組織防御病毒的攻擊。

⑤離開細(xì)胞核觀察內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體。

⑥了解DNA和RNA的相關(guān)內(nèi)容。

⑦ 隨著驅(qū)動蛋白進(jìn)入細(xì)胞核。

1）設(shè)計目的：了解學(xué)生在觀看VR后能否將故事進(jìn)行整理并正確排序，讓學(xué)生初步認(rèn)知免疫發(fā)生的整體過程，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)學(xué)習(xí)免疫學(xué)知識打下基礎(chǔ)。

2）契合內(nèi)容：適合在免疫課的導(dǎo)入課使用。

3）取得效果：學(xué)生迫不及待地將VR中看到的事件進(jìn)行排序，通過排序理解了免疫發(fā)生的基本過程。

4）難易程度：容易。

5）正確答案：1-3-2-7-6-5-4。

活動2：請學(xué)生將細(xì)胞中的結(jié)構(gòu)按順序標(biāo)注（圖 1）。

圖1 請學(xué)生標(biāo)記在細(xì)胞中的游覽路線［6］

1）設(shè)計目的：讓學(xué)生通過觀看VR，形成對細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)知，從而對學(xué)習(xí)細(xì)胞器的相關(guān)知識產(chǎn)生濃厚興趣。

2）契合內(nèi)容：適合在細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)授課時使用。

3）取得效果：學(xué)生都非常興奮地講述自己觀看到的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)及功能。學(xué)生反饋：原來認(rèn)為細(xì)胞里面都是空的，沒想到有那么多有趣的東西，而且在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中并不只有液體，還有諸多像鋼筋一樣支撐細(xì)胞的微管蛋白。學(xué)生之間熱烈的討論激發(fā)了學(xué)習(xí)的熱情。

4）難易程度：容易。

5）正確答案：1細(xì)胞膜—2細(xì)胞質(zhì)—3細(xì)胞骨架—4細(xì)胞核—5內(nèi)質(zhì)網(wǎng)— 6線粒體。

活動3：請學(xué)生對細(xì)胞中印象深刻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪圖，并寫出其功能。

1）設(shè)計目的：讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識，從記憶中輸出高中生物學(xué)中重要的模型、結(jié)構(gòu)，用圖形反映直觀明了，加深復(fù)習(xí)的效果。

2）契合內(nèi)容：適合在復(fù)習(xí)課時使用。

3）取得效果：學(xué)生在繪圖時發(fā)現(xiàn)自己總注意不到細(xì)節(jié)，丟掉很多關(guān)鍵信息。例如，在繪制流動鑲嵌模型的時候，不能完整地呈現(xiàn)蛋白質(zhì)在膜上的3種方式（覆蓋、鑲嵌、貫穿），這是知識掌握不牢固的原因。通過繪圖，學(xué)生對知識的認(rèn)識更加深刻，理解更加到位。

4）難易程度：中等。

5）正確答案：可以繪制細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型、DNA結(jié)構(gòu)、kinesin蛋白等。

活動4：假設(shè)細(xì)胞是北京城，可將細(xì)胞膜比喻成天空，細(xì)胞骨架比喻成馬路立交橋，線粒體為發(fā)電站，細(xì)胞核是中南?！埓蠹掖竽懴胂?，將細(xì)胞及其各種結(jié)構(gòu)給出適當(dāng)?shù)谋扔鳌?/p>

1）設(shè)計目的：發(fā)揮學(xué)生的想象，通過形象生動的比喻加深對已學(xué)知識的理解，便于強(qiáng)化鞏固。此外，現(xiàn)在的高考也注重考查學(xué)生的語文水平（例如對長段科學(xué)文章的讀題能力和審題能力），因此將語文和生物學(xué)相結(jié)合，也培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2）契合內(nèi)容：適合在細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)授課時使用。

3）取得效果：學(xué)生有的將細(xì)胞比喻成一個新世界，有的比喻成一個國家，有的比喻成一臺電腦，各種各樣的比喻都非常形象、生動、準(zhǔn)確，達(dá)到了良好的復(fù)習(xí)效果。

4）難易程度：中等。

5）正確答案：比喻合理即可。

活動5：小組討論。

The Body VR有7個部分，分別是：血液—細(xì)胞膜（進(jìn)入細(xì)胞）—細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和細(xì)胞骨架—核膜（進(jìn)入細(xì)胞核）—細(xì)胞核—細(xì)胞器—抵御病毒。將學(xué)生分成7個小組，每個小組討論一個部分，討論后請學(xué)生說出：

①你從這段VR中學(xué)習(xí)到了什么？

②你認(rèn)為這段VR中有哪些不符合你的學(xué)習(xí)認(rèn)知或是否存在科學(xué)性錯誤？

③你對這段VR可以提出什么建議或意見？

1）設(shè)計目的：考查學(xué)生的綜合判斷能力、質(zhì)疑批判精神、解決問題的能力，開放性地讓學(xué)生自問自答，對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升自主學(xué)習(xí)的能力都有較大的作用。

2）契合內(nèi)容：適合在復(fù)習(xí)課時使用。

3）取得效果：學(xué)生都在積極思考，根據(jù)VR內(nèi)容與自己學(xué)習(xí)知識不同的地方提出異議，并查閱相關(guān)書籍和網(wǎng)絡(luò)資料，解決了有異議的問題，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

4）難易程度：難。

5）正確答案：沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，學(xué)生課堂自主發(fā)揮，答案合理即可。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將具有更加廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。特別是在教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實教學(xué)為學(xué)生提供了一個自主、交互和直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境，為教學(xué)創(chuàng)新提供了新的平臺和可能性，讓學(xué)生從科學(xué)與藝術(shù)相融合的視覺信息中感知抽象、理解復(fù)雜，豐富了教學(xué)的實踐形式和多樣性，使探索知識的智力過程大為簡化。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一個新型的教學(xué)媒體，必將更好地服務(wù)于教學(xué)，更好地促進(jìn)學(xué)生的培養(yǎng)和人才的發(fā)展。

主要參考文獻(xiàn)

［1］胡智標(biāo).增強(qiáng)教學(xué)效果拓展學(xué)習(xí)空間：增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究.遠(yuǎn)程教育雜志,2014(2):106.

［2］陳向東,張茜.從“經(jīng)驗之塔”理論看增強(qiáng)現(xiàn)實教學(xué)媒體優(yōu)勢研究.中國電化教育,2012,22(5):22.

［3］徐繼華,張宏.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中美術(shù)教學(xué)靜物擺放中的應(yīng)用研究.中國教育信息化，2016(10):61.

［4］張林譽(yù).初中物理虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).武漢:華中師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013.

［5］趙沁平.虛擬現(xiàn)實綜述.中國科學(xué):信息科學(xué),2009(1):2.