虛擬現(xiàn)實技術(shù)賦能中學(xué)生物學(xué)教學(xué)

摘 要：“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”是初中生物學(xué)教學(xué)中的難點內(nèi)容，其中涉及的部分生理過程（如呼吸肌狀態(tài)與呼吸過程的因果關(guān)系等）非常抽象，在傳統(tǒng)教學(xué)中很難達(dá)到預(yù)想效果。教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)有利于輔助學(xué)生突破時空局限，進行沉浸式、互動式的主動學(xué)習(xí)，是未來教育的一種新趨勢，這在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)中具有重要價值。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實 生物學(xué) 肺 氣體交換

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是指由計算機技術(shù)等相關(guān)技術(shù)綜合的、具有身臨其境感受的教學(xué)技術(shù)，以便于情境模擬各種工作、學(xué)習(xí)領(lǐng)域。2013年，教育部首次明確可以采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗[1]?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的“課程實施”中也指出，要推進現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合，通過虛擬仿真實驗，突破實驗材料、實驗時間和實驗設(shè)備的限制，減少學(xué)習(xí)活動對材料、場地和設(shè)備等條件的依賴[2]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)常用于“教”“練”“探”“拓”“評”等各個教學(xué)環(huán)節(jié)[3]。生物學(xué)作為實驗性很強的學(xué)科，在教學(xué)中適當(dāng)依托虛擬現(xiàn)實技術(shù)以解決實驗及知識學(xué)習(xí)中的難點問題，有助于促進學(xué)生核心素養(yǎng)的達(dá)成。

一、教材分析

“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”是人教版生物學(xué)七年級下冊第四單元第三章第二節(jié)的內(nèi)容，其內(nèi)容包括：肺與外界的氣體交換，肺泡與血液的氣體交換。這兩部分是有內(nèi)在關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一整體。本節(jié)課安排在“呼吸道對空氣處理”之后，對于呼吸的理解，大多數(shù)學(xué)生局限于人體吸入的是氧氣，呼出的是二氧化碳，不理解氣體因何入肺，又因何出肺，對于呼吸全過程的微觀生理變化更是不了解，學(xué)生普遍認(rèn)為“吸氣導(dǎo)致胸廓變大”，而不是“胸廓變大導(dǎo)致吸氣”。同時，因為本課涉及胸廓的變化、氣體體積的變化、氣體壓力的變化等偏物理學(xué)的知識，而七年級的學(xué)生抽象思維能力有限并且缺少有關(guān)的知識儲備，因此僅憑學(xué)生已有的知識理解本課有一定的難度。另外，本節(jié)內(nèi)容上承消化系統(tǒng)，后續(xù)循環(huán)系統(tǒng)，起承上啟下的作用，是教學(xué)的重點和難點。學(xué)好這部分內(nèi)容有助于加深學(xué)生對“人體是一個統(tǒng)一的整體”的理解。

二、教學(xué)目標(biāo)

①概述肺與外界、肺泡與血液的氣體交換過程，理解氣體擴散的基本原理，感悟生物體結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。嘗試根據(jù)呼吸肌、膈肌、肋骨、胸廓、肺內(nèi)氣壓的變化來判斷呼吸狀態(tài)。

②通過親身感知觀察、歸納推理、虛擬仿真探索等活動，嘗試從宏觀到微觀認(rèn)識呼吸過程，提升科學(xué)探究能力和科學(xué)思維。

③理解呼吸作用的實質(zhì)，結(jié)合生產(chǎn)生活案例分析，意識到呼吸的重要性，重視健康的生活觀念，樹立健康意識和提升社會責(zé)任感。

三、教學(xué)策略

本課采取自我感受、VR沉浸式體驗、歸納總結(jié)、實驗實操、AI題庫練習(xí)等教學(xué)策略實施教學(xué)過程，主要的教學(xué)流程如圖1所示。

課前，VR解剖呼吸系統(tǒng)體驗；自我體驗呼吸過程，感受呼吸變化規(guī)律；課中，VR專題實驗室探究胸廓實驗；類比推理理解氣壓變化；視頻展示氣體交換過程；課后，肺活量測算；AI題庫/作業(yè)、家庭小實驗。

四、教學(xué)過程

（一）復(fù)習(xí)導(dǎo)入，VR體驗結(jié)構(gòu)

教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)上節(jié)課有關(guān)“呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的內(nèi)容，并在大屏幕上展示人體呼吸系統(tǒng)的虛擬3D仿真模型（來自矩道科技）。然后指引學(xué)生在VR狀態(tài)下獨立操縱，觀察呼吸道和肺的結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)———肺的位置位于胸腔內(nèi)，肺葉數(shù)量左二右三。同時，教師需解釋清楚胸廓和胸腔的概念與關(guān)系。

學(xué)生根據(jù)教師指示，在VR狀態(tài)下自行體驗呼吸系統(tǒng)，逐步拆分，全方位觀察鼻、咽、喉、氣管、支氣管以及肺的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過操作VR工具，突破實體解剖限制，擺脫現(xiàn)實束縛，讓學(xué)生更真實地了解呼吸系統(tǒng)的構(gòu)造，提升學(xué)習(xí)興趣。

（二）自我體驗，VR突破難點

（1）親身體驗呼吸時肋骨和胸廓的變化

學(xué)生雙手交叉于胸前（手要抵住肋骨），平靜地呼吸，感受正常呼吸的頻率（強調(diào)一呼一吸為一次呼吸）。教師倒計時1分鐘，學(xué)生閉眼默數(shù)自己呼吸的次數(shù)。之后學(xué)生以同樣的動作感受深呼吸時肋骨運動方向以及胸廓的整體體積的變化，學(xué)生邊感受，邊補充表格內(nèi)容（如

在這個過程中，通過體驗式教學(xué)，從胸廓外在變化入手，讓學(xué)生初步感知呼吸的規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生日常注意觀察，關(guān)注人本身體驗，加深對知識的理解，以取代死記硬背。

（2）VR觀察呼吸運動

①肋間肌和膈肌的變化。呼吸肌的收縮與舒張是學(xué)生較難理解的知識點，如何化抽象為形象是需要著重考慮的問題。教師圖示肋間肌/膈肌收縮或舒張和呼吸的對應(yīng)情況，多次播放人體呼吸的側(cè)視Flash動畫，以彈簧的案例引導(dǎo)學(xué)生理解肌肉收縮=肌肉長度會變短，肌肉舒張=肌肉長度會變長。學(xué)生能形象直觀地看到呼吸時的肋骨和膈頂部位置的變化，并且在理解收縮和舒張抽象概念的基礎(chǔ)上，和教師一起總結(jié)出“呼吸肌收縮”對應(yīng)“吸氣”、“呼吸肌舒張”則對應(yīng)“呼氣”的規(guī)律。

②VR探究胸廓變化。教師引導(dǎo)學(xué)生在3D虛擬實驗室中以簡易的虛擬物理模型（菱形木架模型、膈肌運動模擬裝置、正方體體積大小與氣壓對應(yīng)的互動模型）和生物仿真模型為聯(lián)動觀察對象，歸納呼吸時胸廓的六個方向的變化。學(xué)生以小組為單位分別觀察呼氣和吸氣時聯(lián)動模型的表現(xiàn)：菱形木架在吸氣時會上抬變形（模擬肋骨向上向外），VR中的正方體（模擬胸廓）對應(yīng)的前后徑以及左右徑都會變大，反之呼氣時前后徑以及左右徑會變?。浑跫№敳吭谖鼩鈺r下降， VR中的正方體（模擬胸廓）對應(yīng)的上下徑會變大，反之呼氣時上下徑會變小。同時，學(xué)生觀察生物仿真模型中胸廓的變化以及氣流方向，嘗試獨立自主控制菱形木架的伸縮帶（模擬肋間肌）或者膈肌運動模擬裝置中的橡皮膜（模擬膈?。P(guān)注VR中仿真模型呼吸的狀態(tài)變化。通過以上活動，學(xué)生能較深入理解前后徑、上下徑、左右徑的概念，并且觀察到肋間肌決定胸廓的前后左右徑以及膈肌決定胸廓的上下徑的過程，進而理解胸廓大小的變化會影響肺內(nèi)氣壓，導(dǎo)致發(fā)生呼吸運動。眼見為實，以具象的仿真形象去解釋抽象的活動，降低理解難度。

為進一步強化學(xué)生的感官體驗，派學(xué)生代表上臺，現(xiàn)場演示模擬實驗———膈肌的運動，解釋其中的裝置結(jié)構(gòu)以及模擬的對應(yīng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)說明呼吸時膈肌（橡皮膜模擬）的狀態(tài)、位置變化以及氣流的進出方向。

之后，教師鼓勵學(xué)生以“呼吸肌狀態(tài)（收縮/舒張）”為起點逐步推導(dǎo)其他結(jié)構(gòu)的變化，并且強調(diào)要和呼吸時的表現(xiàn)對應(yīng)上。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生總結(jié)歸納胸廓變化和呼吸的關(guān)系（如圖3所示），以提升學(xué)生的歸納總結(jié)能力。

（三）由宏入微，拓展提升

（1）氣體交換的總過程

結(jié)合書本P45的表格，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納吸氣和呼氣前后空氣成分的變化。然后講解肺泡的結(jié)構(gòu)特點，并結(jié)合科普視頻介紹氣體交換的原理，討論氧氣最終被利用的位置。繼而引導(dǎo)學(xué)生思考并討論以下問題：①從肺泡到肺泡周圍毛細(xì)血管至少需要穿過幾層細(xì)胞/細(xì)胞膜？②從肺泡到組織細(xì)胞內(nèi)至少需要穿過幾層細(xì)胞膜？③從肺泡到組織細(xì)胞的線粒體內(nèi)至少需要穿過幾層膜？在問答中，教師應(yīng)適當(dāng)總結(jié)學(xué)生的答案，及時糾錯。在本環(huán)節(jié)中，教師以問促思，以問促討，幫助學(xué)生深化理解氣體交換的實質(zhì)是氣體擴散。

之后，學(xué)生和教師一起總結(jié)呼吸的幾個階段：①肺與外界的氣體交換，②肺泡與血液的氣體交換，③氣體在血液中的運輸，④血液與組織細(xì)胞氣體交換。同時教師展示完整的呼吸全過程圖解，加強學(xué)生對呼吸生理過程的系統(tǒng)性理解。

（2）健康生活

教師強調(diào)呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)的緊密關(guān)系，介紹森林浴、有氧呼吸等有益身心的生活方式，提倡共治空氣污染、拒絕吸煙等。基于剛學(xué)完的學(xué)科知識，趁熱打鐵，宣揚健康的生活方式。

（四）學(xué)生反饋，總結(jié)知識

（1）PK答題，高效反饋

利用智慧教室的互動性強的特點，引導(dǎo)學(xué)生自行在平板上答題檢測，大屏幕中會顯示實時排行榜以及每道題的錯誤率。同時，隨機抽取學(xué)生上臺參與希沃白板的互動小游戲（雙人競賽模式），調(diào)動氣氛。對于其中錯誤率較高的選項，教師通過引導(dǎo)學(xué)生逐步分析的方式進行解決。

即時反饋學(xué)生總體答題結(jié)果，有利于了解學(xué)生對知識的實際掌握情況，學(xué)校條件允許的情況下，學(xué)生還可利用智慧教室的智能反饋和自適應(yīng)題目（AI作業(yè)）推送等功能進行個性化學(xué)習(xí)，以評價促學(xué)習(xí)，精準(zhǔn)鞏固個人知識薄弱點，達(dá)到減負(fù)增效的作用。

（2）課堂小結(jié)，課后實驗

學(xué)生緊跟教師節(jié)奏，回憶本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，對本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容進行歸納總結(jié)，及時鞏固梳理知識點。教師布置課后實踐任務(wù)———學(xué)生以小組為單位測量肺活量、制作簡易肺呼吸模型等。通過任務(wù)驅(qū)動學(xué)生進行家庭小實驗，強化學(xué)生的科學(xué)探究和跨學(xué)科實踐能力。

五、教學(xué)反思

（一）虛擬現(xiàn)實技術(shù)能促進生物的抽象教學(xué)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在初中生物教學(xué)中能破除一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者復(fù)雜原理所帶來的抽象性，例如七年級下冊生物學(xué)基本是人體各大系統(tǒng)知識，內(nèi)容量大，其中不乏學(xué)生難以想象的過程，有些甚至是不方便拿出實物或?qū)嵨锬Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以較好地解決時空限制、資源限制問題，而且還能提供學(xué)生獨立操控的互動場景，可多視角觀察、多次虛擬實驗嘗試、將抽象概念具象化，可降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度和提升學(xué)習(xí)效率。當(dāng)然，虛擬仿真實驗盡管有很多優(yōu)點，但也只能用于補充和輔助教學(xué)，不能用它直接代替生物學(xué)中真實實驗[4]。

（二）虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用仍受限

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在學(xué)校的普遍應(yīng)用仍然受限于諸多因素，如場地、軟硬件、費用等。由于資源相對匱乏[5]、設(shè)備稀缺，目前在教學(xué)上若想讓所有學(xué)生能主動利用該技術(shù)參與學(xué)習(xí)，學(xué)校往往需要建造專門的虛擬技術(shù)智慧實驗室，而且市面上的軟件往往需要高昂的費用才能享受一定的使用權(quán)限。各個虛擬技術(shù)公司提供的軟硬件不兼容，無法順利切換產(chǎn)品，而且很多資源調(diào)用需要較長時間。若可能的話，可以參考國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺（實驗空間http：/ / www. ilab-x. com/ ），建設(shè)中學(xué)學(xué)科虛擬實驗平臺，通過系統(tǒng)化設(shè)置將各類產(chǎn)品優(yōu)化后接入使用，以網(wǎng)頁作為調(diào)用的端口，將大大減少使用的難度，并且有利于用戶在任何場所使用，提高使用率。

盡管目前虛擬仿真系統(tǒng)已經(jīng)做得很逼真，也有一定的操作性，但總體看來還是缺乏一定的學(xué)科系統(tǒng)性、故事性，而且互動性仍有待提高。生物學(xué)科有很多有趣的內(nèi)容可以納入虛擬仿真系統(tǒng)中，例如顯微鏡的操作、野外模擬調(diào)查、各種動物的解剖、植物光合作用的產(chǎn)物、環(huán)境污染對生物的影響等等。未來學(xué)生可以按照自己設(shè)計的方案對虛擬現(xiàn)實世界中的材料進行組合和使用，并且能任意控制實驗的時間、空間、條件等，學(xué)生在多次嘗試后最終學(xué)會知識與技能。這既減少了實際生物資源、時間、場地等的浪費，又能切實提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

（三）虛擬現(xiàn)實技術(shù)與AI結(jié)合是未來的重要趨勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能輔助學(xué)生突破時空障礙進行沉浸式的學(xué)習(xí)，而AI技術(shù)則能幫助學(xué)生更科學(xué)地分析自身的學(xué)習(xí)情況并有的放矢地去突破自己的學(xué)習(xí)弱勢。未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)與AI結(jié)合，讓學(xué)生在沉浸式的學(xué)習(xí)中就能即時了解到自己對知識內(nèi)容的把握情況，并且就在虛擬現(xiàn)實場景中解決各類自適應(yīng)的題目和進行實踐性操作，保持場景的連貫性，通過不斷糾偏達(dá)到在游戲中不斷提升的目的，實現(xiàn)個性化的沉浸式學(xué)習(xí)。

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[5]薛紅.虛擬仿真在初中生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育與裝備研究，2020，36（12）：22-25.

（責(zé)任編輯：加順花）