虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用探索*

張曉紅國(guó)佳欣

（1.太原師范學(xué)院生物系，山西晉中，030619；2.江蘇省無(wú)錫市堰橋高級(jí)中學(xué)，江蘇無(wú)錫，214000）

新時(shí)代是教育改革發(fā)展的時(shí)代，應(yīng)樹(shù)立新的教育發(fā)展觀、質(zhì)量觀和教學(xué)觀，將學(xué)科專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)深度融合，推動(dòng)線(xiàn)上線(xiàn)下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化教學(xué)新模式，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。教育部“金課”建設(shè)要求合理有效運(yùn)用人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)，打造智慧課堂。隨著教育信息化的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的熱點(diǎn)之一，教育部《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確提出要加強(qiáng)和完善高中生物學(xué)教學(xué)，充分利用多媒體、互聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)[1]。通過(guò)虛擬仿真（VR）技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，解決了因資金短缺、時(shí)空束縛、危險(xiǎn)性強(qiáng)及技術(shù)難度較大而無(wú)法實(shí)驗(yàn)的教學(xué)問(wèn)題，也打破了資源限制，革新了教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新突破[2]。然而在教學(xué)中引入虛擬仿真（VR）實(shí)驗(yàn)，與課程合適結(jié)合點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容有一定的局限性[3][4]，且內(nèi)容不能靈活調(diào)整，創(chuàng)建逼真場(chǎng)景又耗資巨大，造成優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源依然不足。因此，如何分解知識(shí)為“微型化”單元，以虛擬仿真動(dòng)態(tài)模型呈現(xiàn)于課堂教學(xué)，使教學(xué)內(nèi)容靈活、耗資減少、資源擴(kuò)大、講學(xué)同步、少量高效，從而提高課堂教與學(xué)的效率，則成為影響課堂教學(xué)質(zhì)量的重要因素。

生物是具有生命活動(dòng)的個(gè)體。在傳統(tǒng)生物教學(xué)中，教師多采用無(wú)生命特質(zhì)的生物教具（PPT、圖片）和機(jī)械化（Flash動(dòng)畫(huà)模型）演示教學(xué)，很難將生物知識(shí)表達(dá)得清晰易懂，學(xué)生往往形成“虛幻”的知識(shí)概念。人工智能信息化時(shí)代，虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)技術(shù)趨于成熟，“微型化”虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型應(yīng)用于生物課堂教學(xué)，使單調(diào)、枯燥的課本內(nèi)容以更加生動(dòng)、有趣和有針對(duì)性的形式呈現(xiàn)，使生物的生命現(xiàn)象以真正“活的”形式演示，不僅使教師更容易講授，而且學(xué)生通過(guò)虛擬、動(dòng)態(tài)、三維立體化觀察生物模型，在頭腦中能即時(shí)高效建立起微觀、宏觀、內(nèi)在的生命規(guī)律和生命現(xiàn)象的清晰表征，對(duì)生物知識(shí)理解得更深刻、掌握得更穩(wěn)固，從而培養(yǎng)學(xué)生生物科學(xué)方面的生命觀念、理性思維等核心素養(yǎng)，有效提高生物學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

高中生物教學(xué)內(nèi)容涉及微觀和宏觀知識(shí)，如基因、染色體、細(xì)胞、遺傳、變異、種群、群落等核心概念，以及細(xì)胞的物質(zhì)運(yùn)輸、細(xì)胞分裂、光合作用、呼吸作用、基因表達(dá)等動(dòng)態(tài)生命現(xiàn)象和生理過(guò)程。高中生的認(rèn)知能力已經(jīng)達(dá)到較高水平，但對(duì)抽象生命核心概念和生命現(xiàn)象、生理過(guò)程的理解仍存在概念易混淆、知識(shí)應(yīng)用僵化等問(wèn)題[5]。

目前，高中生物教學(xué)多以情境、問(wèn)題、建議、材料、案例進(jìn)行支架式建模教學(xué)[6]，支架模型雖能提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的能力，有效幫助教學(xué)目標(biāo)達(dá)成，但支架建模耗時(shí)，需訓(xùn)練技能，且可建模的知識(shí)點(diǎn)有限，仍為靜態(tài)模型，不能反映真正的動(dòng)態(tài)生命活動(dòng)現(xiàn)象與規(guī)律，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解仍停留在僵化的知識(shí)節(jié)點(diǎn)上。還有的生物教學(xué)采用將圖形交換格式（GIF）動(dòng)畫(huà)直接拖入或復(fù)制粘貼到PPT的幻燈片中的方式，形成GIF動(dòng)畫(huà)模型[7]，而GIF動(dòng)畫(huà)色彩數(shù)不高，畫(huà)面不清晰，逼真性差，播放無(wú)聲，僅是對(duì)生物動(dòng)態(tài)生命現(xiàn)象的模仿，盡管動(dòng)態(tài)變化可以使知識(shí)直觀化，但仍不能表達(dá)真實(shí)生命現(xiàn)象，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解仍停留在假想上。

虛擬現(xiàn)實(shí)VR、3ds Max技術(shù)已在各領(lǐng)域、各學(xué)科教學(xué)中廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)VR實(shí)景是由計(jì)算機(jī)生成的三維環(huán)境，人們可通過(guò)視頻、聲音、圖片進(jìn)行操作、交互，可在虛擬中感受真實(shí)情景。3ds Max是通過(guò)點(diǎn)和線(xiàn)來(lái)表達(dá)物體的形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)物體外形、剖面、實(shí)體著色、光照及紋理等各種操作，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信息量較少[8]，其三維圖像配以簡(jiǎn)明扼要的文字、音頻、視頻、動(dòng)畫(huà)等，能準(zhǔn)確、反復(fù)表述知識(shí)點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)VR、3ds Max及CG動(dòng)畫(huà)技術(shù)的融合，可在虛擬三維空間中將抽象的文字描述以及靜態(tài)二維圖片轉(zhuǎn)變?yōu)榫€(xiàn)條、顏色、比例均貼近實(shí)物的高分辨率360°旋轉(zhuǎn)的立體圖像，以形成虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型。

虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型具有科學(xué)性和藝術(shù)性[9]，將改變高中生物傳統(tǒng)教學(xué)模式，為打造高中生物“金課”提供先進(jìn)教學(xué)手段。虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型應(yīng)用于生物課堂教學(xué)，可使高中生物課本上“扁平”的紙面知識(shí)實(shí)現(xiàn)三維可視化、直觀化、具像化、動(dòng)態(tài)化，真正“活”起來(lái)[10]，使無(wú)法完全領(lǐng)略的生物宏觀世界和肉眼無(wú)法觀察的微觀生命活動(dòng)現(xiàn)象以逼真的形式呈現(xiàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，拓寬視野，突破思維局限，形成生物科學(xué)的理性思維。

一、虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型使高中生物學(xué)中的微觀知識(shí)宏觀化

《分子與細(xì)胞》中細(xì)胞、細(xì)胞器結(jié)構(gòu)以及各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系屬微觀知識(shí)領(lǐng)域，顯微鏡下可見(jiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，而電鏡下可見(jiàn)其細(xì)胞器結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)課堂教學(xué)通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，以流程圖、思維導(dǎo)圖[11]、概念圖及亞顯微結(jié)構(gòu)圖、平面圖等，使學(xué)生構(gòu)建細(xì)胞概念模型[12]。或用廢舊物品[13]、自制磁卡[14]制作生物膜模型，用橡皮泥[15]、輕質(zhì)黏土[16]制作葉綠體和線(xiàn)粒體亞顯微模型，使學(xué)生聯(lián)想三維空間細(xì)胞原始結(jié)構(gòu)。以創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境[17]、討論形式引導(dǎo)探索細(xì)胞及細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)。通過(guò)研讀實(shí)驗(yàn)及在講授中通過(guò)板書(shū)不斷“添畫(huà)”構(gòu)建流動(dòng)鑲嵌模型[18]，使學(xué)生理解細(xì)胞膜的流動(dòng)性。沒(méi)有活細(xì)胞真實(shí)再現(xiàn)，學(xué)生對(duì)細(xì)胞生命的理解依然處于茫然狀態(tài)，教與學(xué)皆費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

教師采用虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)細(xì)胞模型，可播放、暫停展示360°細(xì)胞模型各部分微觀結(jié)構(gòu)，包括細(xì)胞內(nèi)、外各結(jié)構(gòu)布局及其之間的關(guān)系（如圖1中的A）。學(xué)生可要求旋轉(zhuǎn)或選點(diǎn)具體講解細(xì)胞的組成部分——細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、細(xì)胞膜的流動(dòng)性（如圖1中的B），以及線(xiàn)粒體、葉綠體、高爾基體、溶酶體各細(xì)胞器布局、微細(xì)結(jié)構(gòu)及其之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系（如圖1中的A、C、D）。虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)細(xì)胞模型將摸不著、看不見(jiàn)的微觀細(xì)胞“宏觀化”為栩栩如生的活細(xì)胞狀態(tài)呈現(xiàn)，不僅節(jié)省講解時(shí)間，而且能使學(xué)生對(duì)細(xì)胞的理解更加直觀形象。學(xué)生在認(rèn)識(shí)到細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位時(shí)，通過(guò)老師舉例講解，學(xué)生可以更形象深刻地理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生命概念。

圖1 細(xì)胞結(jié)構(gòu)

二、虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型使高中生物學(xué)中的宏觀知識(shí)具象化

《生物與環(huán)境》“生態(tài)系統(tǒng)的組成”中的生物種群、群落及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、能量流動(dòng)、信息傳遞等宏觀知識(shí)，學(xué)生憑借現(xiàn)有的感知力與想象力難以掌握其系統(tǒng)知識(shí)內(nèi)涵。傳統(tǒng)教學(xué)通過(guò)系統(tǒng)思維[19]，使學(xué)生以線(xiàn)性思維從整體系統(tǒng)出發(fā)，感悟生態(tài)系統(tǒng)由陽(yáng)光、空氣、水等非生物因素以及生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者等生物因素組成因果關(guān)系的復(fù)雜性，但對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的理解往往限于思維訓(xùn)練。學(xué)生難以理解宏觀生態(tài)系統(tǒng)的組成關(guān)系，難以理解通過(guò)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的緊密聯(lián)系形成的統(tǒng)一網(wǎng)狀整體，以及其中任意組分的變化都會(huì)沿食物網(wǎng)影響多個(gè)其他組分的“牽之動(dòng)全身”的因果關(guān)系。

通過(guò)虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)“森林生態(tài)系統(tǒng)”模型，可從整體上認(rèn)知森林生態(tài)系統(tǒng)由陽(yáng)光、空氣、水、植物、動(dòng)物等組分組成（如圖2中的A）；通過(guò)點(diǎn)播模型中的任一組分，呈現(xiàn)該組分在生態(tài)系統(tǒng)中的作用地位，如空氣、陽(yáng)光、水屬于森林生態(tài)系統(tǒng)的非生物因素（如圖2中的B）；植物能夠進(jìn)行光合作用產(chǎn)生有機(jī)物，為自身和動(dòng)物提供物質(zhì)和能量（如圖2中的C）；動(dòng)物直接或間接以植物為食（如圖2中的D），微生物中的蘑菇、細(xì)菌等可分解動(dòng)植物殘?bào)w。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生充分了解植物、動(dòng)物、微生物的生活狀態(tài)及食物網(wǎng)之間的關(guān)系，并深刻理解生產(chǎn)者——植物如何利用陽(yáng)光空氣和水進(jìn)行光合作用，消費(fèi)者——?jiǎng)游锶绾螖z取植物，分解者——微生物如何將動(dòng)植物殘?bào)w中復(fù)雜的有機(jī)物分解成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物再進(jìn)入環(huán)境供生產(chǎn)者（植物）再次利用。學(xué)生在虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)“森林生態(tài)系統(tǒng)”模型中，如身臨其境，再聯(lián)系生活實(shí)際，將自己置身于生態(tài)系統(tǒng)中，領(lǐng)悟到自己是生態(tài)系統(tǒng)中“消費(fèi)者”一員，學(xué)生則可將生態(tài)系統(tǒng)宏觀知識(shí)具象于腦。

圖2 森林生態(tài)系統(tǒng)

三、虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型使高中生物學(xué)中的抽象知識(shí)形象化

《遺傳與進(jìn)化》主要涉及遺傳的細(xì)胞基礎(chǔ)、基本規(guī)律、生物的變異和進(jìn)化，其中，基因分離定律、自由組合定律、DNA的半保留復(fù)制等抽象概念是高中生物教師難以講解、學(xué)生難以掌握的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生容易形成迷思概念[20]。如“DNA復(fù)制”若無(wú)動(dòng)態(tài)模型演示，教師只能以晦澀的語(yǔ)言解釋?zhuān)蛞龑?dǎo)學(xué)生利用橡皮泥、塑料小球等材料動(dòng)手構(gòu)建DNA的物理模型[21]，幫助學(xué)生理解DNA“解旋”“聚合”時(shí)的形態(tài)變化以及游離脫氧核苷酸的堿基互補(bǔ)配對(duì)過(guò)程，無(wú)法將真實(shí)“DNA復(fù)制”動(dòng)態(tài)過(guò)程表達(dá)。

虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)“DNA復(fù)制”模型可形象還原DNA復(fù)制的全過(guò)程（如圖3中的A、D）。在教學(xué)過(guò)程中，可首先演示DNA的解旋（如圖3中的B），DNA雙鏈由互補(bǔ)堿基對(duì)A-C、G-T之間的氫鍵連接，解旋酶使氫鍵斷開(kāi)，導(dǎo)致DNA由雙鏈變?yōu)閱捂?。接著演示在聚合酶的作用下，四種游離的脫氧核苷酸（A、C、G、T）以DNA的一條單鏈（母鏈）為模板，遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則（A-C、G-T），依次結(jié)合到作為模板的單鏈上，堿基對(duì)之間的氫鍵重新形成，單鏈的DNA變?yōu)殡p鏈（如圖3中的C）。同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中，可隨時(shí)暫停，講解任一時(shí)刻DNA的形態(tài)、酶的種類(lèi)。利用虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)“DNA復(fù)制”模型，使“DNA復(fù)制”抽象概念形象化，教學(xué)過(guò)程直觀化，幫助學(xué)生在快速準(zhǔn)確理解“DNA復(fù)制”知識(shí)的同時(shí)，領(lǐng)悟生命密碼的奧秘。

圖3 DNA的半保留復(fù)制

四、虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型使高中生物學(xué)中的生理過(guò)程動(dòng)態(tài)化

《穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》中有神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)（血糖調(diào)節(jié)、甲狀腺素的分級(jí)調(diào)節(jié)等）、免疫調(diào)節(jié)等生理過(guò)程知識(shí)。講授“血糖調(diào)節(jié)”時(shí)，教師多引導(dǎo)學(xué)生繪制血糖調(diào)節(jié)機(jī)制概念圖[22]、勾勒流程圖或情景化處理來(lái)理解胰島B細(xì)胞分泌胰島素到血液中，降低血糖濃度；胰島A細(xì)胞分泌胰高血糖素到血液中，升高血糖濃度，使知識(shí)點(diǎn)以僵化的符號(hào)儲(chǔ)存在學(xué)生的大腦中[23]，難以遷移到實(shí)際情境中。

虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)“血糖調(diào)節(jié)”模型，可高度模擬真實(shí)情境，如復(fù)現(xiàn)人體喝可樂(lè)后血糖變化的過(guò)程。在教學(xué)過(guò)程中，可逐步演示圖4中的A，人體吸收可樂(lè)（含糖）后，血液中血糖濃度快速升高，感到精力充沛（加深學(xué)生理解血液中血糖濃度過(guò)高人體出現(xiàn)的情況）。隨后演示圖4中的B，胰島B細(xì)胞分泌胰島素進(jìn)入血液，促進(jìn)過(guò)高的血糖以糖原的形式儲(chǔ)存在肝臟和肌肉中，血液中的血糖恢復(fù)正常水平。接著演示圖4中的C，在不進(jìn)食的情況下，人體吸收可樂(lè)（含糖）三小時(shí)后，因血液中血糖含量變低，產(chǎn)生饑餓、疲勞等現(xiàn)象（加深學(xué)生理解人體血液中血糖濃度變低出現(xiàn)的情況）。最后演示圖4中的D，胰島A細(xì)胞分泌胰高血糖素到血液作用于肝臟，使肝臟中的肝糖原分解為葡萄糖進(jìn)入血液，血糖濃度回到正常水平。利用虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)“血糖調(diào)節(jié)”模型，將“血糖調(diào)節(jié)”生理過(guò)程還原于真實(shí)生活情境中，使學(xué)生在深刻理解知識(shí)本體的同時(shí)，體驗(yàn)知識(shí)與情境結(jié)合后表現(xiàn)出的靈活性，有利于知識(shí)遷移、學(xué)以致用。

圖4 血糖調(diào)節(jié)過(guò)程

虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型應(yīng)用于高中生物教學(xué)尚處于起步和探索階段，教師對(duì)相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)和使用以及開(kāi)發(fā)者對(duì)資源的開(kāi)發(fā)都面臨著挑戰(zhàn)，如互聯(lián)網(wǎng)可供教師直接利用的虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型資源較少，且良莠不齊；教師缺乏虛擬仿真技術(shù)學(xué)習(xí)背景，缺少虛擬仿真技術(shù)條件下的教學(xué)環(huán)境、課程體系和教學(xué)模式；虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型所涉及的知識(shí)點(diǎn)如何恰當(dāng)、完美滲透于教學(xué)中，仍需教師在透徹理解課程標(biāo)準(zhǔn)的前提下深入探究。

一線(xiàn)教師通過(guò)不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)、科學(xué)的教學(xué)理念和前沿信息，將虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型新技術(shù)、新資源與教學(xué)的深度融合，勢(shì)必帶來(lái)高中課堂教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式的顛覆性改變，促進(jìn)教學(xué)效果最優(yōu)化。更多的教育投資公司相關(guān)專(zhuān)業(yè)研發(fā)人員將會(huì)開(kāi)發(fā)更加豐富多彩的虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型資源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分享，快速走進(jìn)中學(xué)課堂，在教學(xué)中廣泛應(yīng)用普及，將有力地促進(jìn)教育現(xiàn)代化。

虛擬現(xiàn)實(shí)教育技術(shù)應(yīng)用的本質(zhì)，不在于增加新的教學(xué)工具，而在于引入新的教學(xué)方式和教學(xué)文化。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在云計(jì)算、霧計(jì)算、“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能突飛猛進(jìn)的新時(shí)代背景下，軟硬件設(shè)備性能的提升，更多通用性和易用性的應(yīng)用軟件必將開(kāi)發(fā)，教育資源設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)技術(shù)將趨于成熟，虛擬仿真3D動(dòng)態(tài)模型應(yīng)用于課堂教學(xué)的前景也會(huì)愈加廣闊。