AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在高中生物探究教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：在倡導(dǎo)以探究性學(xué)習(xí)為主的高中生物教學(xué)中，AR技術(shù)對設(shè)計(jì)與實(shí)施有效教學(xué)具有重要的啟示與作用，可對促進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用提供有效的支撐。

關(guān)鍵詞：AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；高中生物；探究教學(xué)；互動(dòng)

AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是指運(yùn)用電腦技術(shù)將虛擬信息疊加到真實(shí)世界上，實(shí)現(xiàn)虛擬對象與真實(shí)環(huán)境無縫交互的一項(xiàng)技術(shù)，給教師提供了全新的方式表達(dá)給學(xué)生，也用最貼近自然的交互方式為學(xué)習(xí)者搭建一個(gè)自主探索的空間。生物探究教學(xué)指的是將生命科學(xué)領(lǐng)域的探究引入課堂，使學(xué)生通過類似生物科學(xué)家的探究過程理解生物科學(xué)概念和科學(xué)探究的本質(zhì)，并培養(yǎng)科學(xué)探究能力的一種特殊的教學(xué)活動(dòng)，其抽象性一直是生物學(xué)習(xí)的難點(diǎn)所在，AR則為生物學(xué)習(xí)構(gòu)建了微觀與宏觀之間內(nèi)在聯(lián)系的橋梁，它能讓DNA、人體器官等在手中呈現(xiàn)，能讓學(xué)生身臨生物探究世界，AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在生物教學(xué)中展現(xiàn)了重要的應(yīng)用價(jià)值。

一、 現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)簡介

AR能創(chuàng)造數(shù)字虛擬和真實(shí)世界相混合的浸潤式學(xué)習(xí)環(huán)境，具有浸潤感、交互性、多樣性的特點(diǎn)，其中浸潤感是AR的最本質(zhì)特征，它能夠使虛擬景象與現(xiàn)實(shí)環(huán)境無縫整合，置身其中而獲得直接感知；在AR生物實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以利用生物材料和移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行虛實(shí)混合的生物實(shí)驗(yàn)，感受遺傳雜交實(shí)驗(yàn)、人體器官解剖、生物進(jìn)化史等科學(xué)研究，并基于AR應(yīng)用實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、人人交互，從而加深對概念、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的理解。其中，Aurasma是一個(gè)基于圖像識別的AR應(yīng)用，該應(yīng)用可以掃描圖像識別圖，然后跳轉(zhuǎn)到帶鏈接的視頻、圖片或網(wǎng)站。

二、 應(yīng)用實(shí)例

（一） 應(yīng)用于生物概念理解與生命過程的探究

概念理解和生命過程的研究是生物科學(xué)的熱點(diǎn)內(nèi)容。必須從細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)去理解生物，才能深入理解生物概念的本質(zhì)；同時(shí)，只有實(shí)現(xiàn)了生命過程的“可視化”，才能突破生理活動(dòng)的障礙，讓學(xué)生更好地理解生物科學(xué)。在高中生物經(jīng)常借用模型建構(gòu)，如概念模型、物理模型、數(shù)學(xué)模型來反映生命現(xiàn)象本質(zhì)，如教具染色體物理模型就是研究染色體的可視化工具。學(xué)生通過操作實(shí)物模型能“看到”DNA和蛋白質(zhì)，然而這種“可視”還僅僅停留在宏觀層次的放大，無法實(shí)現(xiàn)微觀層次的“真實(shí)再現(xiàn)”。教師可將眾多FLASH課件動(dòng)畫錄屏成視頻，通過Aurasma平臺，教師設(shè)置識別圖后，學(xué)生掃描后在手機(jī)上就能呈現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)，AR能夠呈現(xiàn)實(shí)物模型無法呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通過屏幕營造出來的“可視化”虛擬物體，學(xué)生在移動(dòng)設(shè)備就能達(dá)到實(shí)時(shí)虛實(shí)交互，加深了對生物概念及生理過程的理解。

微觀、抽象是一直生命科學(xué)過程學(xué)習(xí)的最大障礙，AR將豐富的虛擬數(shù)字信息疊加在真實(shí)物體上，在真實(shí)物體與虛擬對象之間建立內(nèi)在聯(lián)系，填補(bǔ)抽象概念和具體情境之間的認(rèn)知差距，因此被認(rèn)為“最完美的情境腳手架”。如在介紹光合作用過程時(shí)，通過AR教學(xué)無縫呈現(xiàn)光反應(yīng)與暗反應(yīng)景象，讓學(xué)生看到水的光解，ATP合成、C3還原從而建構(gòu)整體概念，尤其在生物抽象概念與結(jié)構(gòu)的教學(xué)中，AR教學(xué)的浸潤式情境特性，能有效克服學(xué)生宏觀、微觀之間認(rèn)知的障礙，快速建立聯(lián)系和建構(gòu)意義。

（二） 應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)的探究

實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)科的基本特性之一，也是生物學(xué)習(xí)的重要方法和手段之一，它能夠增進(jìn)學(xué)生對生物知識的理解與應(yīng)用能力。然而在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，也存在著空間、設(shè)備、安全設(shè)施以及教輔人員等諸多限制。基于此，AR虛擬生物實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)技能提高具有顯著促進(jìn)作用。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很難滿足對實(shí)驗(yàn)材料的嚴(yán)格要求，例如“觀察植物細(xì)胞有絲分裂”的實(shí)驗(yàn)，須提早3天準(zhǔn)備培養(yǎng)根尖，且實(shí)驗(yàn)的最佳時(shí)間是早上10點(diǎn)左右，此時(shí)細(xì)胞分裂最旺盛，在實(shí)驗(yàn)過程中由于解離細(xì)胞已死亡只能看到靜態(tài)的分裂相，種種原因使實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不是很理想，而結(jié)合AR技術(shù)所提供的可視化讓學(xué)生將觀察到的真實(shí)現(xiàn)象與學(xué)生看不見的分裂過程之間建立聯(lián)系，從而幫助學(xué)生從微觀視角對細(xì)胞有絲分裂建立直覺觀念并發(fā)展微觀層面的解釋能力，以此突破認(rèn)知障礙。抽象性的理解困難也能得到較好的解決。AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不僅拓展了生物實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制，也能讓學(xué)生對危險(xiǎn)、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，有效提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。

（三） 應(yīng)用于課堂探究活動(dòng)學(xué)習(xí)的研究

探究是科學(xué)素養(yǎng)的重要內(nèi)容，也是一種重要的學(xué)習(xí)方式。AR所賦予的技術(shù)特征和教育價(jià)值為生物探究活動(dòng)學(xué)習(xí)提供了新的載體，也是提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要工具。AR將豐富的情境內(nèi)容疊加于真實(shí)環(huán)境之上，情境的真實(shí)性、角色的代入性、學(xué)習(xí)的浸潤性更能促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。以教學(xué)“減數(shù)分裂”為例，可以聯(lián)系生活生產(chǎn)中的有性生殖并基于學(xué)生對細(xì)胞分裂的已有認(rèn)識，學(xué)生通過AR呈現(xiàn)學(xué)習(xí)理解細(xì)胞減數(shù)分裂過程，提出“性細(xì)胞是如何分裂的”這一探究問題。根據(jù)已有的知識來作出各種可能的假設(shè)來了解學(xué)生的錯(cuò)念，并通過觀察細(xì)胞減數(shù)分裂的過程來獲得相關(guān)的證據(jù)，對證據(jù)如分裂行為、染色體行為等進(jìn)行分析與解釋，建立模型，形成對“減數(shù)分裂”的理解與建構(gòu)。其原因在于：模擬和可視化充當(dāng)了學(xué)生情感改變的認(rèn)知資源，AR與學(xué)習(xí)者的參與、信念和價(jià)值觀則共同構(gòu)成了浸潤式情境的情感資源。因此，與傳統(tǒng)探究活動(dòng)相比，基于AR的生物探究活動(dòng)更能有效地提高學(xué)生的科學(xué)論證能力和利于科學(xué)意識的培養(yǎng)。

三、 反思與建議

作為一項(xiàng)新的教學(xué)應(yīng)用，AR不能簡單完全取代傳統(tǒng)教與學(xué)，生物是門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作不可缺，教師仍必須盡所能帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，AR只能作為生物實(shí)驗(yàn)的延伸和輔助?！癆R研究的價(jià)值并不在技術(shù)本身，而在于技術(shù)所賦予學(xué)習(xí)環(huán)境的附加值”。在倡導(dǎo)以探究性學(xué)習(xí)為核心的高中生物教學(xué)中，AR技術(shù)無疑對設(shè)計(jì)與實(shí)施有效乃至優(yōu)質(zhì)的生物探究教學(xué)具有重要的啟示與作用，有助于教與學(xué)的方式的轉(zhuǎn)變，AR對促進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)過程中的廣泛應(yīng)用提供了有效的支撐。

作者簡介：

黃曉冰，福建省南安市，南安市華僑中學(xué)。