虛擬現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)在生物教學(xué)上的應(yīng)用研究

羅秋嫻

摘要：生物學(xué)亦稱生物科學(xué)或生命科學(xué)，是研究生物各個(gè)層次的種類、結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)育和起源進(jìn)化以及生物與周圍環(huán)境關(guān)系的一門自然科學(xué)，研究的對(duì)象具有種類的多樣性，但大多數(shù)情況下卻難以親身觸摸，從而學(xué)生對(duì)其科學(xué)規(guī)律的把握也產(chǎn)生了一定的難度。虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)可利用電腦完整的構(gòu)造出一個(gè)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境完美吻合的虛擬環(huán)境，讓學(xué)生身臨其境，進(jìn)一步增加生物課堂教學(xué)的真實(shí)感，通過(guò)觸覺(jué)、視覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)等全方位認(rèn)識(shí)生物知識(shí)，掌握最新的技能和學(xué)習(xí)未知的知識(shí)，VR技術(shù)在生物教學(xué)上的應(yīng)用有十分廣闊的前景。本文通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征和基本定義的介紹，同時(shí)對(duì)VR技術(shù)應(yīng)用于生物教學(xué)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了深入分析，并提出了現(xiàn)有問(wèn)題及展望，最終達(dá)到使VR技術(shù)與現(xiàn)代生物教學(xué)完美結(jié)合的目的。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；生物教學(xué)；應(yīng)用；研究

近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)VR（VirtualReality）技術(shù)是迅猛發(fā)展的一門新興技術(shù)，八十年代末期首次提出，是當(dāng)前熱門的研究領(lǐng)域之一[1]。在生物教學(xué)過(guò)程中，VR技術(shù)通過(guò)使學(xué)生戴上數(shù)據(jù)手套和頭盔顯示器等交互先進(jìn)設(shè)備，從而使其置身于虛擬生物環(huán)境中，成為該環(huán)境中的一份子。學(xué)生與虛擬生物環(huán)境中的各種研究對(duì)象的互動(dòng)，就類似于在現(xiàn)實(shí)生物環(huán)境內(nèi)一模一樣。當(dāng)學(xué)生觸摸物品時(shí)，仿佛有現(xiàn)實(shí)世界中的觸感；當(dāng)其移動(dòng)頭部時(shí)，虛擬生物環(huán)境中的景象也實(shí)時(shí)地跟隨其的移動(dòng)而變化，當(dāng)學(xué)生拿起物體，便可使物體隨著手的移動(dòng)而進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以聽(tīng)到三維仿真聲音[2]。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教學(xué)中是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，也是教學(xué)輔助手段改革的一個(gè)重要方面。生物教學(xué)過(guò)程中呈獻(xiàn)知識(shí)信息是極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而VR技術(shù)在呈獻(xiàn)知識(shí)信息方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它不僅可以在廣泛的科目領(lǐng)域提供無(wú)限的體驗(yàn)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程；另外，利用VR技術(shù)的一系列優(yōu)點(diǎn)，與現(xiàn)代生物教學(xué)的完美融合，能更好的使學(xué)生掌握課本知識(shí)，并能身臨其境的感受原本抽象的理論知識(shí)，使生物教學(xué)的質(zhì)量大幅度的提升，由此看來(lái)，VR技術(shù)在教育領(lǐng)域有非常重要的發(fā)展前景。

一、VR技術(shù)概述

1.VR技術(shù)的基本定義

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR-VirtualReality）技術(shù)是在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型技術(shù)，又稱靈境技術(shù)，在生物教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生可以操縱分子模型，觀察分子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)；學(xué)生以最真實(shí)的方式與虛擬環(huán)境中的生物研究對(duì)象進(jìn)行相互和體驗(yàn)作用，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。VR技術(shù)的基本定義為使用者可通過(guò)自然動(dòng)作來(lái)與虛擬環(huán)境發(fā)生交互作用；VR技術(shù)中的實(shí)體并不是客觀實(shí)際存在的，而是由電腦通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算方法來(lái)生成的；VR技術(shù)需要依靠專業(yè)的傳感設(shè)備來(lái)進(jìn)行交互作用[2-3]。

2.VR技術(shù)的特點(diǎn)

VR技術(shù)具有多感知性、交互性、臨場(chǎng)性和構(gòu)想性、沉浸性的特點(diǎn)。

（1）多感知性。多感知性是指由于VR系統(tǒng)中擁有觸、視、動(dòng)及聽(tīng)覺(jué)的傳感及反應(yīng)裝置。因此，使用者在虛擬環(huán)境中可以獲得觸覺(jué)、視覺(jué)、動(dòng)覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等多種感知，從而達(dá)到身臨其境的逼真體驗(yàn)[3]。

（2）交互性。交互性指的是使用者利用計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備向VR軟件發(fā)出指令，VR軟件接受到指令，并智能的做出精確分析，進(jìn)而更新虛擬世界[3]。

（3）臨場(chǎng)性。臨場(chǎng)性的意思是在參與者與虛擬世界進(jìn)行交互的同時(shí)，由于在頭盔顯示器、數(shù)據(jù)衣及數(shù)據(jù)手套的共同作用下，虛擬系統(tǒng)將使用者置身于一種隔離的環(huán)境中，并在這種環(huán)境中使用者的眼、語(yǔ)言、頭、手及身體的運(yùn)動(dòng)都會(huì)使虛擬環(huán)境中的聲音與圖象實(shí)時(shí)地隨之變化[3]。

（4）構(gòu)想性。構(gòu)想性主要是指在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的三維立體顯示[3]。

（5）沉浸性。沉浸性又稱臨場(chǎng)感或存在感，是指用戶全身心投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，利用一切感覺(jué)去體會(huì)該環(huán)境，讓用戶如同在現(xiàn)實(shí)世界中的感覺(jué)一樣。在此情境下用戶可以更清晰地觀察所研究的對(duì)象，將抽象的數(shù)據(jù)信息變換為現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)，從中獲取知識(shí)[3]。

二、VR技術(shù)在生物教學(xué)中的運(yùn)用

利用VR技術(shù)不僅僅可極大的使教師的教學(xué)更方便，而且可為學(xué)生提供更加豐富多彩的學(xué)習(xí)資源以及更與眾不同的新型學(xué)習(xí)方式。例如在生物教學(xué)過(guò)程中將一些原本抽象的概念，在虛擬環(huán)境的模擬下逼真呈現(xiàn)，使教師和學(xué)生可使其具體化，從而大大提高了學(xué)生的掌握能力及理解能力。

1.VR技術(shù)在生物教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1） VR技術(shù)能完善生物教學(xué)硬件的不足。在生物現(xiàn)實(shí)的教學(xué)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)工具、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等等一系列的限制，從而使一些必要的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)和教學(xué)環(huán)節(jié)無(wú)法及時(shí)開(kāi)展。如在講述分子結(jié)構(gòu)時(shí)，虛擬生物分子模型可以虛擬DNA四大堿基的雙螺旋結(jié)構(gòu)并形象地展示各堿基的配對(duì)所構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。使學(xué)生身臨其境，增加學(xué)習(xí)興趣，樂(lè)在其中。

（2） VR技術(shù)可模擬顯現(xiàn)現(xiàn)實(shí)存在。在普通的教學(xué)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，很難呈現(xiàn)生物的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如細(xì)胞的組成，分子的結(jié)構(gòu)等微觀世界的呈現(xiàn)，針對(duì)這些生物研究問(wèn)題，完全可以利用VR技術(shù)，構(gòu)建模型，對(duì)有關(guān)對(duì)象進(jìn)行深入研究。這種教學(xué)方式通過(guò)短片的方式在教學(xué)中收到了較好的效果，但也有它的不足，學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，只能在旁觀者的角度來(lái)被動(dòng)參與；而通過(guò)沉浸型VR技術(shù)，學(xué)生們可以真正獲得置身于現(xiàn)實(shí)的感覺(jué)，甚至能融入到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不論針對(duì)課程教學(xué)還是科普教育來(lái)說(shuō)，這種方式的成效是極為明顯的，更受學(xué)生們的歡迎。

（3）VR技術(shù)有利于打破時(shí)間、空間對(duì)教學(xué)的限制。VR技術(shù)可以將一些長(zhǎng)時(shí)間或長(zhǎng)期的變化過(guò)程壓縮到可接受的時(shí)間里呈現(xiàn)給學(xué)生。像細(xì)胞內(nèi)部構(gòu)造等知識(shí)的教學(xué)或?qū)嶒?yàn)研究就能夠得以形象的進(jìn)行。使學(xué)生可以形象直觀的了解細(xì)胞組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分的詳細(xì)情況。

2.VR技術(shù)給生物教學(xué)帶來(lái)的轉(zhuǎn)變

在VR技術(shù)誕生前，學(xué)習(xí)主要方式有兩種：（1）通過(guò)實(shí)踐作用于現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行學(xué)習(xí)；（2）利用課本、課堂進(jìn)行間接學(xué)習(xí)[4]。隨著日新月異的現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展，VR技術(shù)的出現(xiàn)為人類提供了一個(gè)虛擬世界，使得我們可以更好地學(xué)習(xí)知識(shí)。VR技術(shù)作為一種全新意義上的教學(xué)媒體應(yīng)用于生物教學(xué)，將促使教育環(huán)境、教育形態(tài)和教學(xué)過(guò)程的基本要素及相互關(guān)系發(fā)生重大變化[5]。endprint

（1）生物教學(xué)觀念的變化。傳統(tǒng)的生物教學(xué)是以老師為主要中心，處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)的為學(xué)生群體。由老師對(duì)生物教學(xué)內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法來(lái)進(jìn)行單方面的決定，VR技術(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)生物的教學(xué)方式，使教師成為主導(dǎo)角色，讓學(xué)生擔(dān)任主體角色。VR技術(shù)一方面為創(chuàng)造以學(xué)生為中心的別出心裁的教學(xué)的環(huán)境提供了可能，另一方面以教師為中心的授課形式將會(huì)被顛覆。使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人。將VR技術(shù)引入教學(xué)，改進(jìn)生物教學(xué)方法，將學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)化，使教學(xué)觀念發(fā)生了極大的變化[6]。

（2）生物教學(xué)內(nèi)容的變化。由于VR技術(shù)的引用，從內(nèi)在結(jié)構(gòu)和外在形式上看，生物教學(xué)內(nèi)容均產(chǎn)生了極大的變化。從外在形式來(lái)看，由現(xiàn)有人機(jī)交互功能的VR技術(shù)代替原先的錄音、錄像[7]；另外可以借助VR技術(shù)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，對(duì)一些微觀實(shí)驗(yàn)及實(shí)現(xiàn)不了的模型，進(jìn)行虛擬仿真建造。學(xué)生在使用VR技術(shù)后，可進(jìn)一步接近人類認(rèn)知特點(diǎn)的方式去構(gòu)建知識(shí)框架、組織教學(xué)內(nèi)容。

VR技術(shù)不僅能將生物教學(xué)內(nèi)容的組織形式和內(nèi)容呈現(xiàn)的復(fù)雜性和多樣性高效的結(jié)合起來(lái)，并能為學(xué)生提供一種開(kāi)放且動(dòng)態(tài)的認(rèn)知新模式，這其中既包含了生物學(xué)科的基本內(nèi)容，與此同時(shí)也包括了生物學(xué)科內(nèi)容的邏輯關(guān)系[8]。

（3）生物教學(xué)手段的變化。生物教學(xué)手段直接對(duì)生物教學(xué)效果產(chǎn)生影響，是保證教學(xué)任務(wù)的重要途徑。VR技術(shù)使得生物教學(xué)手段更具科學(xué)化，同時(shí)能夠更直觀、形象地使多重感官接受刺激，并獲得大量有效地視聽(tīng)覺(jué)學(xué)習(xí)材料[8]。VR技術(shù)為學(xué)生提供了豐富多彩、直觀形象的學(xué)習(xí)思維材料，讓學(xué)生觀察到在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法直接觀察到的生物研究對(duì)象。

三、VR技術(shù)在生物教學(xué)應(yīng)用中存在的問(wèn)題及展望

1.VR技術(shù)存在的問(wèn)題

VR技術(shù)的自由度及靈活性均不強(qiáng)[9]，在一定程度上，很難使學(xué)生將已建立的知識(shí)結(jié)構(gòu)遷移至新的知識(shí)結(jié)構(gòu)中去。使用VR技術(shù)后，多種媒體的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的超鏈接，就可以接近人類認(rèn)知特點(diǎn)的方式去組織和展示教學(xué)內(nèi)容、構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀的信息組織方式是一種非線性結(jié)構(gòu)，鏈?zhǔn)侵R(shí)之間的層級(jí)邏輯關(guān)系。

（1）VR技術(shù)的效果待加強(qiáng)。我們現(xiàn)階段掌握的VR技術(shù)多表現(xiàn)在幾何方面，對(duì)逼真的道具模型仍顯缺少；在感知方面，VR技術(shù)研究更多的表現(xiàn)在聽(tīng)覺(jué)上，在觸覺(jué)方面的研究還是較少，真實(shí)性與實(shí)時(shí)性有待進(jìn)一步加強(qiáng)，其虛擬的效果還存在不足[9]。與真實(shí)世界相比，虛擬世界在真實(shí)程度方面還有差距，無(wú)法提供真實(shí)環(huán)境的全部感官刺激，也無(wú)法達(dá)到如真實(shí)世界的真實(shí)程度。

（2）VR技術(shù)的社會(huì)性障礙。人的社會(huì)性決定了人與人之間交往的重要性[10]，即使是通過(guò)電腦參與社會(huì)活動(dòng)其交往也仍然存在不足。由于VR技術(shù)進(jìn)入生物教學(xué)的飛速發(fā)展和先進(jìn)技術(shù)手段的大范圍應(yīng)用，使得我們對(duì)這個(gè)問(wèn)題的看法越來(lái)越明確，越來(lái)越理性。直接交往不可能被人機(jī)交往所替代[10]，長(zhǎng)時(shí)間操作電腦，可能會(huì)間接導(dǎo)致學(xué)生的人際交往能力大幅下降，這種情況應(yīng)得到廣泛重視，進(jìn)而避免不良后果的產(chǎn)生。

四、總結(jié)

將VR技術(shù)應(yīng)用于生物現(xiàn)代教學(xué)中，具有非常明顯的優(yōu)越性。VR系統(tǒng)可以建構(gòu)許多虛擬人物參與教學(xué)交互，這些虛擬人物可以由電腦模擬，也可以由師生自我扮演。通過(guò)這種方式，老師可以改變把課本轉(zhuǎn)移到屏幕的教學(xué)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)建構(gòu)個(gè)性化的虛擬環(huán)境?？梢灶A(yù)言虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是繼多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之后，在現(xiàn)代教育教學(xué)過(guò)程中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。

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（作者單位：廣東省廣州市從化區(qū)從化六中510925）endprint