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    VR/AR技術(shù)在中學(xué)生物課程中的應(yīng)用探究

    2020-07-29 08:57金彩云劉鑫李耀鋒
    關(guān)鍵詞:教學(xué)設(shè)計(jì)

    金彩云 劉鑫 李耀鋒

    摘要:VR/AR技術(shù)由于其虛實(shí)沉浸性、實(shí)時(shí)交互性和三維構(gòu)想性的特點(diǎn),在教育領(lǐng)域已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用。文章在分析了目前生物課程教學(xué)中的不足之處后,為了改進(jìn)中學(xué)生物課堂教學(xué)現(xiàn)狀,并將基于VR/AR技術(shù)的zSpace設(shè)備有針對(duì)性地應(yīng)用到生物課程中,對(duì)中學(xué)生物課程的課堂教學(xué)重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。以七年級(jí)生物教材中的“呼吸系統(tǒng)”為例在課堂中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用,并且取得了較好的教學(xué)效果,最后對(duì)VR/AR技術(shù)服務(wù)于中學(xué)生物課堂的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。

    關(guān)鍵詞:VR/AR;中學(xué)生物課程;教學(xué)設(shè)計(jì);zSpace

    中圖分類號(hào):G434 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B ? ? ? ? ?文章編號(hào):1673-8454(2020)06-0093-04

    一、引言

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)就是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境,用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響,從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸,它可以用來(lái)模擬對(duì)象,讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境背景中看到虛擬生成的模型對(duì)象而且這一模型可以快速生成、操縱和旋轉(zhuǎn)[2],VR/AR技術(shù)具有虛實(shí)沉浸性、實(shí)時(shí)交互性、三維構(gòu)想性等特點(diǎn)。政府也大力推廣政策扶持VR/AR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,推動(dòng)VR/AR技術(shù)體系與產(chǎn)業(yè)格局的初步形成。2016年4月,工業(yè)和信息化部電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布了《虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》,旨在剖析虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、研發(fā)情況和產(chǎn)品情況,以及當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況和需求,分析未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用及相關(guān)政策建議[3]。目前,我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)仍處于初級(jí)階段,市場(chǎng)規(guī)模處在較小的水平,但市場(chǎng)規(guī)模增速非??欤瑪?shù)據(jù)顯示,2015年以來(lái)我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)規(guī)??焖侔l(fā)展,預(yù)計(jì)到2021年將達(dá)到544.5億元[4]。VR/AR目前已經(jīng)開始在電影、游戲、醫(yī)療、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。與此同時(shí),將VR和AR技術(shù)引進(jìn)教育領(lǐng)域,以豐富教育資源和促進(jìn)教學(xué)理念完善與教育方法改進(jìn),最終達(dá)到提升教學(xué)效果的目的,這也是當(dāng)前教育改革的熱點(diǎn)之一。

    二、VR/AR技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

    隨著信息技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前的學(xué)習(xí)和教學(xué)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生很大的變化,學(xué)習(xí)方式由單向化、固態(tài)化、靜態(tài)化走向動(dòng)態(tài)化、情景化、個(gè)性化、社會(huì)性和非正式性。張志禎等提出VR有重塑教育的潛力,通過(guò)體驗(yàn)、探究、訓(xùn)練、矯正、交流、創(chuàng)作與游戲等七大教育功能,學(xué)生在虛擬世界中的學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)作熱情大大提高[6]。VR/AR技術(shù)改變傳統(tǒng)基于PPT的文本、圖像等二維平面教育環(huán)境,利用逼真的三維交互環(huán)境展示教學(xué)內(nèi)容,把被動(dòng)傳輸式學(xué)習(xí)變?yōu)榧ぐl(fā)學(xué)習(xí)興趣和保持學(xué)生注意力的主動(dòng)式探索學(xué)習(xí),從而提高教學(xué)效率,發(fā)展學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力和提高操作技能。例如,魏久鴻等利用VR/AR技術(shù)進(jìn)行教學(xué),通過(guò)開發(fā)“細(xì)菌和病毒的遺傳”課件研究桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其交互性,在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中收到了較理想效果[7]。

    生物學(xué)科中存在很多繁雜而無(wú)法梳理、難以想象卻又缺乏直接經(jīng)驗(yàn)支持的微觀現(xiàn)象以及離學(xué)生生活較遠(yuǎn)的抽象模型,然而對(duì)于這樣的教學(xué)內(nèi)容,傳統(tǒng)生物課堂往往以圖片展示、書本閱讀和教師的講解為主,學(xué)生只能在腦海中進(jìn)行想象,對(duì)生物微觀模型缺乏明確的認(rèn)識(shí),這是生物教學(xué)需要解決的一個(gè)難點(diǎn)。另外實(shí)驗(yàn)探索也是生物教學(xué)的一大阻礙。VR/AR技術(shù)不僅支持學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)這些現(xiàn)象和模型,還幫助學(xué)生零距離、全方位地觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)解剖模型、重組模型與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。例如,在zSpace桌面交互系統(tǒng)中自備的教材中,學(xué)生在學(xué)習(xí)“線粒體”這章時(shí)可以全方位、不限空間地觀察線粒體細(xì)胞結(jié)構(gòu),對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)知也不再是抽象的、靜態(tài)的,甚至學(xué)生可以從基因的角度重構(gòu)線粒體,體驗(yàn)創(chuàng)造的樂(lè)趣。

    三、VR/AR技術(shù)對(duì)中學(xué)生物課堂的改變

    1.傳統(tǒng)生物課堂的不足

    傳統(tǒng)生物課堂的設(shè)計(jì)需要考慮教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程以及師生角色四個(gè)部分。教師以教學(xué)目標(biāo)為依據(jù),分析教學(xué)內(nèi)容,劃分教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn),安排學(xué)生在課堂中的教學(xué)活動(dòng)。在傳統(tǒng)生物課堂中,由于客觀條件的限制,教學(xué)方法以教師呈現(xiàn)PPT、音頻和視頻等教育資源的講授法和問(wèn)答法為主,因此在師生角色中,教師為傳授者,學(xué)生為接受者。傳統(tǒng)生物課的課堂設(shè)計(jì)如圖1所示。

    通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)生物課程的課堂設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)生物課堂在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程以及師生角色四個(gè)維度上都存在不足:①在教學(xué)目標(biāo)中,教學(xué)實(shí)踐缺乏。生物是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科,以呈現(xiàn)內(nèi)容為主要教學(xué)方式的傳統(tǒng)生物課堂往往只能幫助學(xué)生了解生物知識(shí),無(wú)法鍛煉動(dòng)手能力,培養(yǎng)觀察力、學(xué)習(xí)力、實(shí)踐力和創(chuàng)新力。②教學(xué)內(nèi)容碎片化。在傳統(tǒng)生物課堂上,教學(xué)內(nèi)容的唯一來(lái)源就是課本,但是大部分課本中知識(shí)點(diǎn)的講解分散,教學(xué)內(nèi)容各個(gè)單元之間前后關(guān)聯(lián)性差,教學(xué)呈現(xiàn)碎片化。③在教學(xué)過(guò)程中教學(xué)手段單一。教學(xué)目標(biāo)多元化且生物課程內(nèi)容廣泛,因此教師也不能采用單一的教學(xué)方法。多元化的教學(xué)目標(biāo)和多樣性的教學(xué)內(nèi)容決定了教師教學(xué)方法不能只采用講授式和問(wèn)答式。④學(xué)生在師生關(guān)系中處于被動(dòng)地位。傳統(tǒng)生物課堂中,只重視教師的“教”而忽視學(xué)生的“學(xué)”,學(xué)生是外在刺激的被動(dòng)接受者,主動(dòng)探索知識(shí)的機(jī)會(huì)不多,往往內(nèi)在動(dòng)機(jī)弱,在學(xué)習(xí)中處于被動(dòng)地位。

    2.基于VR/AR技術(shù)的中學(xué)生物課堂設(shè)計(jì)

    基于VR/AR技術(shù)的課堂由虛擬教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源、教師、學(xué)生等元素組成。VR技術(shù)提供虛擬環(huán)境,AR技術(shù)作為VR技術(shù)的延伸,是真實(shí)情景與虛擬情景交叉的橋梁,有助于學(xué)生快速聯(lián)結(jié)知識(shí)與模擬情景,促進(jìn)學(xué)生對(duì)生物中宏觀、微觀知識(shí)的理解。因此基于VR/AR技術(shù)的課堂設(shè)計(jì)既要考慮到VR和AR的優(yōu)勢(shì),也要重視傳統(tǒng)生物課堂中的元素,包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、師生角色等。綜合以上考慮筆者建構(gòu)了圖2所示的基于VR/AR技術(shù)的中學(xué)生物課堂設(shè)計(jì)方案。

    (1)VR/AR技術(shù)支持下的虛擬課堂首先要考慮逼真的教學(xué)場(chǎng)景。學(xué)習(xí)情境理論認(rèn)為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)是在情境中進(jìn)行意義建構(gòu),所以在進(jìn)行課堂設(shè)計(jì)時(shí)要確定場(chǎng)景需求,要明確教學(xué)場(chǎng)景需要的物品,利用VR技術(shù)進(jìn)行對(duì)象建構(gòu)。同時(shí)營(yíng)造良好、和諧和愉悅的課堂氣氛也是場(chǎng)景設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié),只有學(xué)生感到身心愉快才能主動(dòng)進(jìn)行探索學(xué)習(xí)。

    (2)虛擬課堂需要良好的互動(dòng)體驗(yàn)。VR技術(shù)能還原歷史場(chǎng)景、模擬真實(shí)場(chǎng)面,也能虛構(gòu)未來(lái)空間。但是僅僅只有沉浸性體驗(yàn)是不夠的,還要利用AR技術(shù)進(jìn)行界面設(shè)計(jì),讓學(xué)生通過(guò)互動(dòng)進(jìn)行情景與知識(shí)串聯(lián),形成整體認(rèn)知能力、系統(tǒng)分析與綜合設(shè)計(jì)能力。在虛擬課堂中,除了師生交互,最主要的就是學(xué)生在虛擬環(huán)境中主動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,獲得反饋信息,不斷體驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)和探索。

    (3)虛擬課堂需要融合課程內(nèi)容。分析課程內(nèi)容,明確課程目標(biāo),規(guī)劃教學(xué)活動(dòng),進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)是傳統(tǒng)課堂設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容,技術(shù)為教育服務(wù)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂的不足,而不是推陳出新,無(wú)視教育規(guī)律。VR/AR技術(shù)支持下的課堂首先要以內(nèi)容為核心,進(jìn)而安排活動(dòng)任務(wù),完成教學(xué)目標(biāo)。例如,在zSpace桌面交互系統(tǒng)里自備的教材《生物細(xì)胞》課程中,學(xué)生可以在沉浸性的虛擬課堂中觀察細(xì)胞的生長(zhǎng)、死亡、縮小和放大,VR/AR技術(shù)的使用更好地幫助學(xué)生體驗(yàn)和觀察細(xì)胞的變化并沒(méi)有喧賓奪主。

    (4)虛擬課堂需要重視師生角色定位。在虛擬課堂中,項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是最常采用的,教師是學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者,但這并不意味著學(xué)生是課堂的主人。在沉浸性虛擬環(huán)境下,學(xué)生以個(gè)人或小組形式收集資料、自主探索、獲得知識(shí),但是師生交流和師生答疑等活動(dòng)也必不可少。最后學(xué)生要在自評(píng)、他評(píng)以及師評(píng)中進(jìn)行分享交流和多元反思。

    3.結(jié)合案例分析VR/AR技術(shù)支持下的中學(xué)生物課程教學(xué)

    研究針對(duì)基于VR/AR技術(shù)的生物課程中“呼吸系統(tǒng)”這一教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,闡述這一課時(shí)的教學(xué)活動(dòng),分析在VR/AR技術(shù)支持下生物課程的特點(diǎn)。研究使用了一款基于VR/AR技術(shù)的設(shè)備——zSpace,這是一款沉浸式桌面交互系統(tǒng),能讓使用者在高度的沉浸感和交互感下更加有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

    基于zSpace的“呼吸系統(tǒng)”的教學(xué)內(nèi)容融合了VR和AR技術(shù),帶領(lǐng)學(xué)生在呼吸系統(tǒng)中旅行并研究呼吸系統(tǒng)如何實(shí)行有效氣體交換,本課的教學(xué)活動(dòng)分析如圖3所示,主要包括四個(gè)方面的內(nèi)容:

    (1)虛擬教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)激發(fā)學(xué)生興趣,化被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)“呼吸系統(tǒng)”教學(xué)結(jié)合圖片和視頻展示呼吸系統(tǒng)圖和肺的功能,但是學(xué)生對(duì)呼吸系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)不夠了解,此時(shí)教師利用zSpace桌面式VR/AR設(shè)備全方位展示呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),利用AR模型對(duì)呼吸系統(tǒng)進(jìn)行分解,使學(xué)生觀察胸腔的結(jié)構(gòu)和氣體在呼吸系統(tǒng)中的交換過(guò)程,這比圖片和視頻展示更加直觀,更容易激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性與積極性。

    (2)互動(dòng)體驗(yàn)設(shè)計(jì)促進(jìn)教學(xué)方式多樣化。VR/AR技術(shù)支持下的生物課堂教學(xué)方式多樣,項(xiàng)目式和探索式的學(xué)習(xí)方式對(duì)學(xué)生提出了對(duì)各單元知識(shí)點(diǎn)系統(tǒng)化加工整理的任務(wù)。為完成不同階段任務(wù),學(xué)生以小組合作的方式進(jìn)行體驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)和探索,但在學(xué)習(xí)過(guò)程中,教師不斷指導(dǎo)學(xué)生對(duì)模型進(jìn)行游戲交互,從不同層面和角度觀察三維生物模型,幫助學(xué)生真正體會(huì)和理解相關(guān)知識(shí)。

    (3)課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化。VR/AR技術(shù)輔助呈現(xiàn)課堂內(nèi)容,在VR/AR技術(shù)支持的教學(xué)實(shí)踐中,利用VR的可視化技術(shù)將生物模型顯示出來(lái),學(xué)生在課堂上以沉浸式體驗(yàn)觀察呼吸系統(tǒng)模型的三維結(jié)構(gòu),同時(shí)學(xué)生為完成任務(wù)必須找到知識(shí)點(diǎn)的連接點(diǎn)和生長(zhǎng)點(diǎn),形成系統(tǒng)的、不斷生長(zhǎng)的知識(shí)結(jié)構(gòu),促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化。

    (4)師生角色分析促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在VR/AR技術(shù)支持的生物課堂中,教師由主導(dǎo)者變成輔助者,學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目式和合作式的學(xué)習(xí)方式掌握呼吸系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí),并將所學(xué)知識(shí)融入到整個(gè)知識(shí)體系中去解決問(wèn)題,使動(dòng)手能力、合作能力和思維能力得到提高。除此之外,學(xué)生還能產(chǎn)生高自我效能感,具體表現(xiàn)在學(xué)生對(duì)于zSpace桌面系統(tǒng)中提出的問(wèn)題表現(xiàn)出積極態(tài)度,通過(guò)參與到小組合作中,詢問(wèn)教師,利用設(shè)備檢索知識(shí)等方式解決問(wèn)題,在動(dòng)手操作中建立更完整的知識(shí)體系,鍛煉實(shí)踐能力,有效建立學(xué)習(xí)的熱情和信心。

    四、基于VR/AR技術(shù)的中學(xué)生物課堂的優(yōu)勢(shì)

    通過(guò)對(duì)基于VR/AR技術(shù)的生物課堂與傳統(tǒng)生物課堂進(jìn)行對(duì)比,筆者總結(jié)了VR/AR技術(shù)服務(wù)于課堂在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過(guò)程以及師生角色四個(gè)維度上的優(yōu)勢(shì)。

    1.教學(xué)目標(biāo)上,有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力

    在VR/AR技術(shù)建立教學(xué)框架后,整合有效的教育資源,學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程不受時(shí)間、地點(diǎn)和成本的限制。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)入文本、圖片、音頻與視頻的教學(xué)模式不同,VR/AR支持的生物課堂以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)進(jìn)行實(shí)踐探索,學(xué)生通過(guò)佩帶和操作VR眼睛和數(shù)據(jù)手套等相關(guān)設(shè)備,可以在虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐交互,鍛煉學(xué)生的操作能力并培養(yǎng)其合作精神。

    2.教學(xué)內(nèi)容上,有利于教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化

    就生物這門課程而言,系統(tǒng)性不僅體現(xiàn)在知識(shí)點(diǎn)難易和呈現(xiàn)順序上,而且也表現(xiàn)在知識(shí)點(diǎn)的串聯(lián)方面。沉浸性的虛擬體驗(yàn)和探索式的自主學(xué)習(xí)幫助學(xué)生將各知識(shí)點(diǎn)串起來(lái),對(duì)生物形成整體的認(rèn)知能力、系統(tǒng)分析與綜合設(shè)計(jì)能力。

    3.教學(xué)過(guò)程上,有利于教學(xué)方式多樣化

    VR/AR技術(shù)支持多方共同參和創(chuàng)造,以協(xié)同方式、小組合作、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和探索式等教學(xué)手段打破了傳統(tǒng)生物課堂以教為中心的單一教學(xué)模式。實(shí)際上,這種探究教法對(duì)教師的挑戰(zhàn)更大,探究教學(xué)的實(shí)施對(duì)教師在教學(xué)理念、教學(xué)實(shí)施與評(píng)價(jià)上有更大的要求,需要各方面的支持以及反復(fù)的實(shí)踐、反思和學(xué)習(xí)。

    4.師生角色上,有利于學(xué)生化被動(dòng)為主動(dòng)

    美國(guó)緬因州的國(guó)家訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室研究顯示了不同學(xué)習(xí)方式的學(xué)習(xí)者在兩周后的平均學(xué)習(xí)保持率不同[8]。被動(dòng)式學(xué)習(xí)下,兩周以后的學(xué)習(xí)內(nèi)容只能留下5%,而采用主動(dòng)式學(xué)習(xí)可以記住75%。VR/AR技術(shù)除了增強(qiáng)構(gòu)建真實(shí)的教學(xué)情境外,最大的優(yōu)勢(shì)就是其交互功能,好玩的、有趣的交互促進(jìn)教學(xué)游戲化,更容易激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。VR和AR技術(shù)整合了無(wú)形的“情”和有形的“境”,學(xué)生由情入境、情景交融,產(chǎn)生樂(lè)學(xué)與愿學(xué)的欲望,提升學(xué)習(xí)效率。

    隨著VR/AR技術(shù)的發(fā)展以及在教育領(lǐng)域中的深入應(yīng)用,VR/AR技術(shù)解決教育中問(wèn)題的價(jià)值逐漸顯現(xiàn)。在VR/AR技術(shù)的幫助下,學(xué)生以主動(dòng)學(xué)習(xí)的方式走進(jìn)設(shè)定的虛擬情境中進(jìn)行交流互動(dòng),教學(xué)效果遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)課堂上師生之間的問(wèn)與答,VR技術(shù)提高了教育效率,同時(shí)也降低了訓(xùn)練成本與風(fēng)險(xiǎn)性。當(dāng)前,越來(lái)越多的教師都在研究如何利用VR/AR技術(shù)服務(wù)于教育,不僅僅需要學(xué)校購(gòu)置硬件設(shè)備、建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),還需要研究者把目光聚集到VR/AR技術(shù)融入課程,利用VR/AR技術(shù)為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)新的智慧教育環(huán)境。

    參考文獻(xiàn):

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