基于數(shù)字感知技術(shù)的“古生物學(xué)”教育教學(xué)改革研究

張寶文 姚肖永

［摘 要］ “古生物學(xué)”是結(jié)合了生命科學(xué)、地球科學(xué)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究地質(zhì)歷史時(shí)期的生物及其環(huán)境的一門學(xué)科，然而課程概念較為抽象，知識(shí)點(diǎn)精深龐雜，學(xué)生無法很好地理解和掌握。結(jié)合教學(xué)實(shí)際，對(duì)該課程當(dāng)前存在的灌輸式教育、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)成本高等難點(diǎn)問題進(jìn)行分析，并有針對(duì)性地將數(shù)字感知技術(shù)融入教育教學(xué)過程中，從傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課與野外實(shí)習(xí)教育等方面開展了一系列教學(xué)改革。課程近兩年取得了顯著的教學(xué)成果。本課程的教育教學(xué)改革為高校其他地質(zhì)類專業(yè)課程的教學(xué)改革提供了重要的借鑒經(jīng)驗(yàn)和參考價(jià)值。

［關(guān)鍵詞］ 古生物學(xué)；數(shù)字感知；教學(xué)改革；實(shí)踐探索

［基金項(xiàng)目］ 2021年度長(zhǎng)安大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)和模式轉(zhuǎn)型”（20211819）

［作者簡(jiǎn)介］ 張寶文（1988—），女，陜西西安人，碩士，長(zhǎng)安大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處工程師，主要從事計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)與地質(zhì)博物館管理研究；姚肖永（1982—），男，陜西西安人，博士，長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院講師，主要從事古生物學(xué)及地層學(xué)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）25-0075-04［收稿日期］ 2022-09-15

引言

古生物學(xué)是以古生物化石為主要研究載體的學(xué)科，是地質(zhì)學(xué)的重要分支學(xué)科，亦是研究進(jìn)化理論、生物地層學(xué)、生態(tài)地層學(xué)、古生物地理學(xué)及生物礦物學(xué)等多種學(xué)科的基礎(chǔ)。因此，“古生物學(xué)”已經(jīng)成為結(jié)合了生命科學(xué)、地球科學(xué)等相關(guān)專業(yè)知識(shí)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程［1］?；诒菊n程的重要程度，我校對(duì)課程提出了較高的教學(xué)要求：通過課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握扎實(shí)的古生物學(xué)基本知識(shí)，并能夠熟練運(yùn)用、分析和研究具體化石標(biāo)本。

古生物學(xué)不同于現(xiàn)代生物學(xué)，相關(guān)文獻(xiàn)資料和實(shí)物數(shù)量稀少，部分形態(tài)奇異的生物化石甚至違背常識(shí)，導(dǎo)致教師課程講解過程中難以提供大量具象化、系統(tǒng)化的資料。同時(shí)，學(xué)習(xí)古生物學(xué)不僅要求學(xué)生熟記理論知識(shí)，而且需要學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課程與野外實(shí)習(xí)勘探，鑒別大量的化石及圍巖標(biāo)本，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本課程對(duì)于學(xué)習(xí)者在理論知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐方面均具有相當(dāng)?shù)碾y度。目前已有部分高校在古生物方面進(jìn)行了教學(xué)改革研究：重慶科技學(xué)院建立了古生物化石標(biāo)本庫(kù)，并采用科研教學(xué)相結(jié)合、雙語(yǔ)教學(xué)的方式［2］；中國(guó)石油大學(xué)更新了宏觀知識(shí)理論體系，增加了國(guó)內(nèi)教材缺失門類［3］；河南理工大學(xué)因材施教，緊跟地學(xué)研究前沿［4］；等等。改革主要在理論教學(xué)方面進(jìn)行，而實(shí)踐教育改革方面還鮮有提及。如今，數(shù)字感知技術(shù)（digital perception technology）已成功運(yùn)用于智慧交通、手術(shù)診療、文化遺產(chǎn)保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域，以突破性的感官體驗(yàn)獲得了人們廣泛的接受與好評(píng)，若將之?dāng)U展到古生物教育教學(xué)中，將帶給師生更新、更全面的認(rèn)知學(xué)習(xí)體驗(yàn)。本文基于任課教師多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)“古生物學(xué)”教育教學(xué)中暴露的難點(diǎn)問題積極采用數(shù)字感知技術(shù)對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行改革優(yōu)化，取得了較好的教學(xué)成果。

一、古生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的難點(diǎn)問題

根據(jù)任課教師多年的授課經(jīng)驗(yàn)分析，目前古生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要存在以下難點(diǎn)問題。

1.單方向灌輸式課堂教育，缺乏教學(xué)輔助資料?！肮派飳W(xué)”課程覆蓋范圍廣，知識(shí)體系龐雜，知識(shí)點(diǎn)較為碎片化、抽象，且缺乏具有整體性、具象化特征的輔助教學(xué)資料。傳統(tǒng)課堂教學(xué)中絕大多數(shù)教師采用單向灌輸式教學(xué)方式，這種被動(dòng)式的、單調(diào)枯燥的教學(xué)模式缺少對(duì)學(xué)生的吸引力，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中參與度不夠，學(xué)習(xí)效率較低。

2.實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)課程成本高昂。校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程基本依托實(shí)驗(yàn)室收藏的化石系列典型標(biāo)本在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，然而，其中大部分化石由于年代久遠(yuǎn)、風(fēng)化剝蝕及挖掘過程產(chǎn)生過損傷，且實(shí)驗(yàn)過程中的接觸會(huì)產(chǎn)生不可避免的磨損，變得不易辨認(rèn)。為了保證教學(xué)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)室會(huì)定期淘汰大量廢棄標(biāo)本，定期收集、采購(gòu)新的化石標(biāo)本，經(jīng)濟(jì)成本高昂。野外實(shí)習(xí)實(shí)踐課程通常由教師帶領(lǐng)學(xué)生赴野外基地進(jìn)行實(shí)地勘察。由于單個(gè)基地的標(biāo)本往往存在同一性，因此需赴不同地區(qū)的地質(zhì)基地實(shí)習(xí)，對(duì)于師生均是體力、耐力的巨大消耗和考驗(yàn)，時(shí)間成本和人力成本高昂。

3.學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力不足?！肮派飳W(xué)”課程開設(shè)在大三學(xué)年，本科生入學(xué)前兩年的公共基礎(chǔ)課程較為簡(jiǎn)單輕松，通常平時(shí)上課與考前復(fù)習(xí)相結(jié)合就能輕松通過考試，因此課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的積極性不高，自學(xué)次數(shù)較少，養(yǎng)成日益依賴教師授課的學(xué)習(xí)習(xí)慣。線上學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生容易受周邊環(huán)境影響而走神，不利于培養(yǎng)良好的自主學(xué)習(xí)能力。驟然開始“古生物學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)由于自主學(xué)習(xí)、思考能力鍛煉少，容易陷入難以適應(yīng)學(xué)習(xí)強(qiáng)度、不能融會(huì)貫通前后知識(shí)體系的困境。

二、數(shù)字感知技術(shù)引入古生物教學(xué)實(shí)驗(yàn)的可行性

針對(duì)以上難點(diǎn)問題，為探索出更適合“古生物學(xué)”課程的教育教學(xué)方式，結(jié)合線上教學(xué)帶來的影響和“古生物學(xué)”課程教學(xué)中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)調(diào)研數(shù)字化技術(shù)手段的發(fā)展，對(duì)數(shù)字感知技術(shù)引入“古生物學(xué)”課程教學(xué)的可行性進(jìn)行了如下分析。

1.線上教學(xué)影響教學(xué)效果。近三年來，線下課堂時(shí)常通過慕課、雨課堂等線上課程平臺(tái)進(jìn)行，師生互動(dòng)率降低，集體效應(yīng)缺失，學(xué)生容易被周圍環(huán)境影響導(dǎo)致課堂理論學(xué)習(xí)的效果一般，校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課與野外實(shí)習(xí)課也常被擱淺。

2.古生物教學(xué)需要實(shí)物復(fù)原。研究古生物化石對(duì)于了解古動(dòng)植物、古氣候、古地理的生態(tài)環(huán)境與變化有著重要的科學(xué)研究、文化傳承、科普教育與觀賞價(jià)值等意義，其演化具有不可再現(xiàn)的特點(diǎn)。然而，化石究竟是“死”的，能提供的信息是碎片化的、斷層的，因此復(fù)原古生物對(duì)于古生物遺體、遺跡的相似性和差異性等整體研究具有重大意義。但目前就全球范圍而言，古生物實(shí)物復(fù)原過程存在復(fù)原難度大、工藝成本高、專業(yè)人員少、對(duì)古生物的形象認(rèn)識(shí)刻板單一等問題。

3.數(shù)字化技術(shù)蓬勃發(fā)展。自20世紀(jì)90年代起，隨著各行各業(yè)的飛速發(fā)展，人們?cè)趯W(xué)習(xí)、工作、生活、娛樂中大量運(yùn)用計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，圖像處理、多媒體技術(shù)、人工智能等數(shù)字化技術(shù)蓬勃發(fā)展。

4.數(shù)字感知技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字感知技術(shù)是一種集成圖像、視頻等多媒體信息，把真實(shí)世界與虛擬世界疊加在一起進(jìn)行互動(dòng)的技術(shù)，主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（augmented reality，AR）與混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（mixed reality，MR），具有集成真實(shí)與虛擬世界、實(shí)時(shí)交互性好、跟蹤定位強(qiáng)、成本低、可遠(yuǎn)程使用等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、建筑、交通等多個(gè)領(lǐng)域，帶給人們突破性的觀感體驗(yàn)。

因此，將數(shù)字感知技術(shù)運(yùn)用于“古生物學(xué)”課程教學(xué)中，師生可隨時(shí)互動(dòng)，既減少了教師解釋抽象理論知識(shí)耗費(fèi)的精力，又調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增加課程參與度，將對(duì)課程教學(xué)成效的提升提供一定幫助。

三、教學(xué)改革方案

針對(duì)上述課程難點(diǎn)問題，通過引入數(shù)字感知技術(shù)，本課程教師探索出一條在課堂教學(xué)、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)與野外實(shí)習(xí)等方面“古生物學(xué)”課程進(jìn)行教育教學(xué)改革的路線，具體措施如下。

1.在課堂教學(xué)中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息無縫集成并產(chǎn)生互動(dòng)。針對(duì)傳統(tǒng)課堂單向灌輸式知識(shí)傳播教育與教學(xué)輔助資料稀少的問題，通過融入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)教育方式進(jìn)行改革，以融媒體形式集成并豐富教學(xué)輔助資料，提高師生課堂互動(dòng)率，以及學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、參與度與學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生主觀能動(dòng)性與學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。本次教學(xué)改革以課本、課件中出現(xiàn)的古生物化石的照片為原型，將復(fù)原模型及動(dòng)畫、文字標(biāo)題、背景知識(shí)、相關(guān)視頻等信息整合進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件中，同時(shí)加入人機(jī)交互操作指令，發(fā)布手機(jī)平臺(tái)軟件，并由教師指導(dǎo)學(xué)生下載安裝。教師在授課過程中，講解到化石及圖解照片時(shí)，比如蕨類植物化石，指導(dǎo)學(xué)生通過手機(jī)軟件開啟攝像頭掃描照片，蕨類植物復(fù)原模型、動(dòng)畫等相關(guān)虛擬信息實(shí)時(shí)具象化地直接出現(xiàn)并疊加于照片之上。教師可以指導(dǎo)學(xué)生通過縮放、旋轉(zhuǎn)、觸摸等人機(jī)互動(dòng)，全方位地觀察復(fù)原模型內(nèi)部與外部結(jié)構(gòu)，便于教師講解授課，減少對(duì)抽象細(xì)節(jié)內(nèi)容的描述工作，同時(shí)提升學(xué)生的課堂參與度、學(xué)習(xí)興趣與知識(shí)了解掌握度，增加師生之間的“傳+受”互動(dòng)率。

2.在實(shí)驗(yàn)課程中引入混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)是合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境與實(shí)時(shí)互動(dòng)的技術(shù)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)課程中經(jīng)濟(jì)成本高昂的問題，通過引入混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行改革，在學(xué)生分組自行觀看未定名化石標(biāo)本時(shí)提供對(duì)應(yīng)復(fù)原信息的多媒體資料，輔助學(xué)生對(duì)標(biāo)本進(jìn)行合理分析，以更迅速、更準(zhǔn)確地完成實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)。發(fā)布手機(jī)軟件，將實(shí)驗(yàn)室中化石標(biāo)本對(duì)應(yīng)的復(fù)原模型、聲音、動(dòng)畫等相關(guān)多媒體資源融入混合現(xiàn)實(shí)程序中，同時(shí)插入空間定位與追蹤，軟件內(nèi)容隨實(shí)物化石位置、角度等信息變化而實(shí)時(shí)響應(yīng)，開啟攝像頭對(duì)化石標(biāo)本進(jìn)行掃描識(shí)別，軟件則可呈現(xiàn)出相關(guān)輔助資料信息。比如，學(xué)生圍觀貴州龍化石標(biāo)本時(shí)，無論從哪個(gè)角度開啟程序，均能圍繞實(shí)物標(biāo)本顯示出貴州龍的復(fù)原視頻。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中虛實(shí)結(jié)合進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效果。

3.在實(shí)習(xí)課程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)生成一種可對(duì)參與者直接施加視覺、聽覺和觸覺感受，并允許其交互地觀察和操作虛擬世界的技術(shù)。針對(duì)線上教學(xué)期間野外勘探實(shí)習(xí)時(shí)間與人力成本高昂的問題，融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行改革，可打破時(shí)空限制，便于師生線上開展實(shí)習(xí)課程教育與線下教學(xué)的交流互動(dòng)，改進(jìn)實(shí)習(xí)教學(xué)效果。通過調(diào)研野外實(shí)習(xí)基地的環(huán)境、古生物化石與地質(zhì)地層等信息，使用建模軟件建模與開發(fā)建模引擎資源整合，甚至融入通過佩戴頭盔手柄進(jìn)行雙眼雙手實(shí)時(shí)操作的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，將化石、復(fù)原模型、動(dòng)畫、視頻等多媒體資源搭載于完全虛擬的古地理古生物世界環(huán)境中。發(fā)布電腦平臺(tái)、手機(jī)或VR一體機(jī)等設(shè)備操作軟件，在線上教學(xué)期間，教師可開展線上野外實(shí)習(xí)，帶領(lǐng)學(xué)生操作軟件完成學(xué)習(xí)；線下教學(xué)中，也可以隨時(shí)隨地操作，瀏覽各地的野外實(shí)習(xí)基地。

四、教學(xué)效果

近兩年的實(shí)踐結(jié)果證明，本次教育教學(xué)改革取得了顯著的效果。

1.學(xué)生成績(jī)提高。據(jù)任課教師統(tǒng)計(jì)的期末考試成績(jī)顯示，2018級(jí)、2019級(jí)85分以上的人數(shù)比例分別比2017級(jí)分別提升了3%與5%，60分以上人數(shù)比例分別提升了11%與17%。實(shí)驗(yàn)課與野外實(shí)習(xí)的平時(shí)成績(jī)也有所提高。

2.實(shí)踐能力提升。校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課與校外實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生的興趣、積極性均有提升。通過數(shù)字感知技術(shù)輔助，學(xué)生小組觀測(cè)鑒定標(biāo)本時(shí)對(duì)理論知識(shí)與實(shí)物標(biāo)本的結(jié)合分析更熟練、迅速、有見地，能在教師的引導(dǎo)啟發(fā)下自主完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

3.學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度改善。任課教師考察與調(diào)研發(fā)現(xiàn)，數(shù)字感知軟件增加了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生也可以隨時(shí)隨地自行啟動(dòng)軟件進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)。近兩屆本科生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)有所提高，2018級(jí)、2019級(jí)學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的比例分別比2017級(jí)提升了19%與31%。

五、下一步改進(jìn)思考

雖然近兩年來“古生物學(xué)”課程教育教學(xué)效果有所提升，但仍存在一些不可忽視的問題。學(xué)生線上學(xué)習(xí)時(shí)間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，野外實(shí)習(xí)時(shí)間卻逐年縮減，教學(xué)效果比線下教學(xué)較差，仍有個(gè)別學(xué)生的期末考試成績(jī)低于及格線。

基于該問題，下一步的教學(xué)改革擬從以下四點(diǎn)開展：第一，加強(qiáng)線上教學(xué)交流實(shí)施力度，在微信、QQ、騰訊會(huì)議等軟件上建班級(jí)學(xué)習(xí)群組、學(xué)生研討小組、不同化石門類興趣小組等群組，方便師生之間互動(dòng)研討溝通，提升線上學(xué)習(xí)效果。第二，已有數(shù)字感知技術(shù)軟件中的標(biāo)本數(shù)量有限，還需二次開發(fā)進(jìn)行豐富擴(kuò)展，同時(shí)考慮將更多的數(shù)字技術(shù)，如數(shù)字孿生技術(shù)擴(kuò)展到教學(xué)課程中來，對(duì)化石實(shí)物進(jìn)行數(shù)據(jù)積累和挖掘，激發(fā)學(xué)生的自主分析推理能力。第三，收集各大相關(guān)高校、地質(zhì)博物館、地質(zhì)公園、勘探實(shí)習(xí)基地等場(chǎng)所中的古生物化石標(biāo)本資料，將其整合為電子資料檔案，實(shí)現(xiàn)社會(huì)資源本地化，豐富高校古生物數(shù)據(jù)庫(kù)資料，便于教學(xué)使用。第四，加強(qiáng)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，由學(xué)院與學(xué)校博物館聯(lián)合，對(duì)成績(jī)優(yōu)異的學(xué)生予以頒發(fā)典型化石標(biāo)本及收藏證書，在博物館展覽活動(dòng)中展出學(xué)生勘探學(xué)習(xí)的照片，邀請(qǐng)學(xué)生組成志愿者小組參加兄弟院校之間聯(lián)合開展的古生物主題展覽會(huì)議等活動(dòng)，參加講解比賽等，采取多種形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行激勵(lì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)古生物的興趣和斗志。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“古生物學(xué)”課程存在的傳統(tǒng)單向灌輸式課堂教育、缺乏教學(xué)輔助資料、實(shí)驗(yàn)課程經(jīng)濟(jì)成本高、野外實(shí)習(xí)課程減少等難點(diǎn)問題進(jìn)行分析，近兩年來通過采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)等數(shù)字感知技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)課及野外實(shí)習(xí)教育等進(jìn)行了一系列教育教學(xué)改革，實(shí)踐證明，教學(xué)改革取得了顯著的效果。但“古生物學(xué)”課程的教學(xué)依然存在很大的提升空間，任課教師在未來的教學(xué)中還將加強(qiáng)線上教學(xué)開展力度，建立多個(gè)學(xué)習(xí)群組方便師生之間研討溝通；二次開發(fā)擴(kuò)充已有數(shù)字感知軟件中的標(biāo)本數(shù)量，引入更多種類的數(shù)字技術(shù)；社會(huì)資源本地化，豐富古生物數(shù)據(jù)庫(kù)資料；多渠道加強(qiáng)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探索興趣與比賽斗志，進(jìn)一步進(jìn)行教育教學(xué)改革，以提升“古生物學(xué)”課程的教學(xué)成果與教學(xué)質(zhì)量。

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Abstract： Paleontology which studies biology and its environment in geological historical periods， is an important professional basic course combining relevant professional knowledge of life science and earth science. However， the concept is relatively abstract. Although the course has certain experimental practice teaching links， some knowledge points are profound and complex， and students can not understand and master them well. Considering the teaching practice， the project analyzes the current difficulties such as indoctrination education and high cost of experimental practice in the course. In response to these problems， we integrate digital perception technology into the process of education and teaching for practice， and carry out a series of teaching reforms including the aspects of traditional classroom theory courses， on-campus experiments and field practice education. The course has achieved remarkable results in the past two years. The education and teaching reform of this course provides important experience and reference value for the curriculum and teaching reform of other majors of geology in colleges and universities.

Key words： “Paleontology”; digital perception; teaching reform; practical exploration