虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用設(shè)想

李俊

【摘 要】虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于其具有交互性、沉浸感和構(gòu)想性等特征，如果將它應(yīng)用到教育領(lǐng)域，潛力是無窮的。本文就虛擬現(xiàn)實技術(shù)與高中生物教學(xué)的具體內(nèi)容相結(jié)合，論述VR技術(shù)在生物教育領(lǐng)域的可行性和必要性。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實；VR；教育；生物

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2018）01-0064-03

VR的發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）是仿真技術(shù)的一個重要方向，是仿真技術(shù)與計算機圖形學(xué)、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的集合，是一門富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域[1]。VR技術(shù)的原理簡單說就是放置一個內(nèi)含屏幕的硬件設(shè)備于你的面部，開啟設(shè)備后，它會欺騙你的大腦，讓你認為自己正身處一個完全不同的世界，例如，太空中的飛船上，或者摩天大樓的邊緣，VR技術(shù)的目的是讓用戶有身臨其境的感覺。

VR技術(shù)的發(fā)展大致上可分為四個時期。1963年以前是虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展的萌芽期。1963年至1972年的十年間將帶有聲音的形動態(tài)進行模擬過程中便包含有虛擬現(xiàn)實思想。1973年至1989年，該時期虛擬現(xiàn)實的概念以及理論開始產(chǎn)生。1990年至今虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到不斷的發(fā)展與完善并應(yīng)用于實際中[2]。

時至今日，VR應(yīng)用最廣泛的硬件設(shè)備是虛擬現(xiàn)實頭盔。由于技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)的難關(guān)逐漸被攻克，世界眾多公司加入到虛擬現(xiàn)實頭盔的競爭中。目前，市面上比較流行的虛擬現(xiàn)實設(shè)備有Facebook的Oculus Rift 、HTC的vive、索尼的PlayStation VR等。虛擬現(xiàn)實如今是一個熱門的詞匯，每天的科技新聞當中都會報道虛擬現(xiàn)實，虛擬現(xiàn)實被認為是下一個顛覆人類生活的新技術(shù)之一。

VR在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用設(shè)想

當今我國教育不斷改革，科學(xué)技術(shù)也不斷進步，國家越來越強調(diào)素質(zhì)教育，培養(yǎng)實用性人才，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)難以滿足當今教學(xué)的任務(wù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于其具有交互性、沉浸感和構(gòu)想性等特征，可以充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的思維和感覺器官 [3]。

在傳統(tǒng)的教學(xué)方式里，學(xué)生在做生物的實驗時，如接觸一些危險性的藥品，教師往往都需要提前布置以防學(xué)生進行實驗時遇到危險。如果將VR引入生物實驗的教學(xué)過程中，教師可以采用VR技術(shù)構(gòu)建一個和實物同樣的三維物體，如虛擬實驗室，同學(xué)們可以“走進”這個虛擬實驗室，實驗室向?qū)嶒炚咛峁﹫D文聲并茂的實驗預(yù)備知識，學(xué)生可以進入虛擬空間隨時隨地地認識這些儀器設(shè)備，也可以身臨其境般的操作虛擬儀器。VR技術(shù)并不受場地等外界條件限制，也不消耗器材，便于進行反復(fù)操作，而且虛擬實驗室安全性高，不受外界影響。

筆者以如下幾個實例，來闡述VR在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用設(shè)想。

1.用VR構(gòu)建微觀場景，呈現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)或反應(yīng)過程

高中生物必修一中，第二章《組成細胞的分子》有機大分子是教學(xué)上的難點。例如，高一上學(xué)期在學(xué)習(xí)生物的有機大分子時，化學(xué)學(xué)科還在學(xué)習(xí)無機物，學(xué)生對有機物的結(jié)構(gòu)完全不懂，而傳統(tǒng)的教學(xué)模式都是二維的，教師對有機分子的空間結(jié)構(gòu)的教學(xué)只能是把自己的空間想象介紹給學(xué)生，然后由學(xué)生通過自己的想象去構(gòu)建這些分子的空間結(jié)構(gòu)，可想而知效果是大打折扣的，學(xué)生甚至?xí)斫忮e誤。如果用VR技術(shù)構(gòu)建一個微觀場景，將分子的結(jié)構(gòu)通過立體的方式呈現(xiàn)出來，學(xué)生可以將這些分子進行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，還可以將這些分子之間發(fā)生反應(yīng)的過程也呈現(xiàn)在VR之中，比如氨基酸脫水縮合反應(yīng)形成多肽的過程，高中生往往對這個反應(yīng)的過程不能很好的理解。如果通過VR技術(shù)讓這個反應(yīng)呈現(xiàn)在自己面前，讓學(xué)生“走進”分子，去“感受”這些分子的結(jié)構(gòu)和功能，這種最直觀的感性認識是傳統(tǒng)教學(xué)方法無法比擬的。

細胞的結(jié)構(gòu)和功能是教學(xué)重點也是難點，特別是第五章《細胞的能量供應(yīng)和利用》里面的光合作用和呼吸作用是高考的核心考點之一，但學(xué)生學(xué)到這一章的時候都覺得難，原因是學(xué)生只能被動的接受光合作用和呼吸作用的過程圖解，然后死記硬背記憶這個知識點，所以考試的時候如果出現(xiàn)與此相關(guān)的問題，學(xué)生不能靈活的運用，得分也不理想。如果我們引入VR技術(shù)構(gòu)建一個大型的細胞模型，這個模型可以放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作。當我們學(xué)習(xí)到這一章內(nèi)容時，我們可以放大細胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，直接進入到線粒體和葉綠體當中去觀察他們的結(jié)構(gòu)。如當進到葉綠體時，我們可以在類囊體薄膜上觀察光反應(yīng)的過程，從中直接觀察到這個過程。如果考試的時候再出現(xiàn)光反應(yīng)的場所學(xué)生就不會犯錯了，因為這個過程不是靠死記硬背得來的，而是通過眼前的直觀感受得來的。

2.用VR構(gòu)建虛擬環(huán)境，重視操作突破難點

必修二是高中生物學(xué)中最難的一本書，里面設(shè)計的內(nèi)容非常豐富，如果能將VR技術(shù)引入教學(xué)中，預(yù)計能夠達到很好的教學(xué)效果。如第一章《遺傳因子的發(fā)現(xiàn)》，教師可以用VR技術(shù)向同學(xué)們展示孟德爾八年的豌豆實驗的歷程。這個歷程不但可以看，我們還可以“扮演”孟德爾在虛擬的環(huán)境下操作人工異花傳粉的過程，觀察授粉后豌豆的生長過程。我們在設(shè)置虛擬環(huán)境時，可以加快豌豆的成熟速度，等到豌豆成熟時，自己動手統(tǒng)計不同性狀個體的數(shù)量。通過以上的過程完成孟德爾當年發(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律的壯舉，這樣既能從技能方面鍛煉學(xué)生的動手能力，也能從情感方面讓學(xué)生深刻地了解科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程的樂趣和艱辛。

第二章《基因和染色體的關(guān)系》中的減數(shù)分裂的內(nèi)容可以和前面有絲分裂的內(nèi)容放在一起學(xué)習(xí)，用VR技術(shù)構(gòu)建兩個動態(tài)的細胞分裂過程，學(xué)生可以從多維直接觀察、對比這兩個過程的異同點。同時，教師也可以在細胞分裂當中的每條染色體上標注一個基因，在減數(shù)分裂染色體的移動過程里面就可以發(fā)現(xiàn)基因變化的規(guī)律，從而將前后的內(nèi)容有機的聯(lián)系在一起。

第三章《基因的本質(zhì)》和第四章《基因的表達》中的DNA相關(guān)知識，教師可以從DNA的空間結(jié)構(gòu)展開教學(xué)，而對于某個物體的空間結(jié)構(gòu)的探索，VR技術(shù)無疑是最好的教學(xué)手段。如用VR技術(shù)構(gòu)建一個微觀場景，將DNA分子的結(jié)構(gòu)通過立體的方式呈現(xiàn)出來，學(xué)生可以將這些分子進行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，還可以讓這些分子之間發(fā)生反應(yīng)，探索DNA的復(fù)制和基因的表達過程，從空間和時間上了解這些過程。endprint

3.用VR構(gòu)建三維模型，直觀感受生物內(nèi)環(huán)境

必修三《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》里面探討的生物問題有別于前面兩冊的內(nèi)容，其內(nèi)容都是宏觀方面的。如第一章《人體的內(nèi)環(huán)境與穩(wěn)態(tài)》和第二章《動物和人體生命活動的調(diào)節(jié)》這兩章的內(nèi)容，教師可以用VR技術(shù)構(gòu)建一個人體的三維模型，當學(xué)生進入到虛擬環(huán)境中去的時候，看到的是一個完整的“人”，這個人內(nèi)部心臟在跳動，血液在流動，胃和小腸在蠕動，大腦的電脈沖活動也在進行。同學(xué)們將這個人放大，定位到肝組織，可以看到里面的血液在流動，組織細胞不停地和內(nèi)環(huán)境交換物質(zhì)進行新陳代謝。轉(zhuǎn)移到肺組織，可以看到肺泡里面充滿了氣體，氧氣和二氧化碳在這里不停地交換進出毛細血管。轉(zhuǎn)移到腦組織，可以看到大腦中的某個神經(jīng)元正在通過它的細胞體和樹突接收上個神經(jīng)元的信號，并經(jīng)過它的軸突傳到下一個神經(jīng)元。轉(zhuǎn)移到下丘腦，可以看到它正在賣力的生產(chǎn)促甲狀腺釋放激素，跟蹤這個激素，發(fā)現(xiàn)它作用的部位只有垂體，當垂體表面的受體接受促甲狀腺激素釋放激素，垂體細胞就會生產(chǎn)促甲狀腺激素，緊接著跟蹤促甲狀腺激素可以看到它作用的部位只有甲狀腺。觀察完這些過程，學(xué)生也就基本掌握了內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)、神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)的主要內(nèi)容。

第三章《植物的激素調(diào)節(jié)》里關(guān)于生長素的發(fā)現(xiàn)的科學(xué)史學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)教學(xué)是講述法，效果往往不理想，起不到任何的教學(xué)效果，反而讓學(xué)生覺得枯燥乏味。如果用VR進行教學(xué)，教師可以設(shè)計若干組胚芽鞘，讓學(xué)生自己來完成科學(xué)家做過的實驗。如學(xué)生可以切下一組胚芽鞘的尖端，看胚芽鞘如何生長。再如，學(xué)生可以用錫箔罩子包住胚芽鞘任意位置，看胚芽鞘的生長過程。在探討生長素的生理作用和其他激素的時候，教師可以像上一章內(nèi)容一樣構(gòu)建一棵“樹”，同學(xué)們將這棵樹放大，定位到幼嫩的芽，觀察生長素合成之后的轉(zhuǎn)移和作用部位，如頂端優(yōu)勢現(xiàn)象。學(xué)生也可以將這顆樹橫向放置，根據(jù)樹根的向地生長的特性，探討生長素作用的兩重性。同樣學(xué)生也可以在這棵樹的其他部位觀察其他激素的合成及他們的功能。

VR技術(shù)應(yīng)用于高中生物教育的困境

2016年被稱為“虛擬現(xiàn)實元年”，VR硬件設(shè)備和軟件公司如雨后春筍般層出不窮，但無法掩飾的是現(xiàn)在VR硬件設(shè)備不管從硬件還是軟件上都有待發(fā)展。硬件配置高的VR頭顯可以基本勝任教學(xué)需求，但價格非常昂貴。價格低廉的VR頭顯配置過低，也達不到教學(xué)的要求。而且佩戴這些VR頭顯時間長了會出現(xiàn)眩暈感。軟件上也是非常缺乏，現(xiàn)在絕大部分VR軟件都是與游戲相關(guān)的，與教學(xué)相關(guān)的非常少。以上問題不是短時間能夠解決的，但VR技術(shù)的優(yōu)點是明顯的，如果能將VR技術(shù)有效地應(yīng)用于教育，必將是一次全新的教育革命。

作為一名高中生物教師，深感現(xiàn)在高中生物教學(xué)手段的匱乏，現(xiàn)代生物學(xué)的教育應(yīng)該走向多元化、信息化。將高中生物與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，可以作為高中教育的一個切入點，從而帶動其他科目的信息化教學(xué)的發(fā)展和進步。endprint