VR/AR技术在中学生物课程中的应用探究

    金彩云 刘鑫 李耀锋

    

    

    

    摘要：VR/AR技术由于其虚实沉浸性、实时交互性和三维构想性的特点，在教育领域已经得到了一定的应用。文章在分析了目前生物课程教学中的不足之处后，为了改进中学生物课堂教学现状，并将基于VR/AR技术的zSpace设备有针对性地应用到生物课程中，对中学生物课程的课堂教学重新进行了设计。以七年级生物教材中的“呼吸系统”为例在课堂中进行了实践应用，并且取得了较好的教学效果，最后对VR/AR技术服务于中学生物课堂的优势进行了总结。

    关键词：VR/AR;中学生物课程;教学设计;zSpace

    中图分类号：G434 ? ? ? ?文献标志码：B ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2020）06-0093-04

    一、引言

    虚拟现实技术（VR）就是采用计算机技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验[1]。增强现实技术（AR）是虚拟现实技术的延伸，它可以用来模拟对象，让学习者在现实环境背景中看到虚拟生成的模型对象而且这一模型可以快速生成、操纵和旋转[2]，VR/AR技术具有虚实沉浸性、实时交互性、三维构想性等特点。政府也大力推广政策扶持VR/AR产业的发展，推动VR/AR技术体系与产业格局的初步形成。2016年4月，工业和信息化部电子技术标准化研究院发布了《虚拟现实产业发展白皮书》，旨在剖析虚拟现实产业在国内外发展现状、研发情况和产品情况，以及当前虚拟现实的标准化进展情况和需求，分析未来发展趋势、应用及相关政策建议[3]。目前，我国虚拟现实仍处于初级阶段，市场规模处在较小的水平，但市场规模增速非常快，数据显示，2015年以来我国虚拟现实市场规模快速发展，预计到2021年将达到544.5亿元[4]。VR/AR目前已经开始在电影、游戏、医疗、工程设计等领域得到广泛应用[5]。与此同时，将VR和AR技术引进教育领域，以丰富教育资源和促进教学理念完善与教育方法改进，最终达到提升教学效果的目的，这也是当前教育改革的热点之一。

    二、VR/AR技术在教育领域中的应用现状

    随着信息技术的发展，当前的学习和教学环境已经发生很大的变化，学习方式由单向化、固态化、静态化走向动态化、情景化、个性化、社会性和非正式性。张志祯等提出VR有重塑教育的潜力，通过体验、探究、训练、矫正、交流、创作与游戏等七大教育功能，学生在虚拟世界中的学习能力与创作热情大大提高[6]。VR/AR技术改变传统基于PPT的文本、图像等二维平面教育环境，利用逼真的三维交互环境展示教学内容，把被动传输式学习变为激发学习兴趣和保持学生注意力的主动式探索学习，从而提高教学效率，发展学生的想象力、创造力和提高操作技能。例如，魏久鸿等利用VR/AR技术进行教学，通过开发“细菌和病毒的遗传”课件研究桌面虚拟现实技术及其交互性，在实际教学应用中收到了较理想效果[7]。

    生物学科中存在很多繁杂而无法梳理、难以想象却又缺乏直接经验支持的微观现象以及离学生生活较远的抽象模型，然而对于这样的教学内容，传统生物课堂往往以图片展示、书本阅读和教师的讲解为主，学生只能在脑海中进行想象，对生物微观模型缺乏明确的认识，这是生物教学需要解决的一个难点。另外实验探索也是生物教学的一大阻碍。VR/AR技术不仅支持学生身临其境地体验这些现象和模型，还帮助学生零距离、全方位地观察实验对象，通过解剖模型、重组模型与虚拟环境进行交互。例如，在zSpace桌面交互系统中自备的教材中，学生在学习“线粒体”这章时可以全方位、不限空间地观察线粒体细胞结构，对其内部结构的认知也不再是抽象的、静态的，甚至学生可以从基因的角度重构线粒体，体验创造的乐趣。

    三、VR/AR技术对中学生物课堂的改变

    1.传统生物课堂的不足

    传统生物课堂的设计需要考虑教学目标、教学内容、教学过程以及师生角色四个部分。教师以教学目标为依据，分析教学内容，划分教学重点和教学难点，安排学生在课堂中的教学活动。在传统生物课堂中，由于客观条件的限制，教学方法以教师呈现PPT、音频和视频等教育资源的讲授法和问答法为主，因此在师生角色中，教师为传授者，学生为接受者。传统生物课的课堂设计如图1所示。

    通过对传统生物课程的课堂设计进行分析，发现传统生物课堂在教学目标、教学内容、教学过程以及师生角色四个维度上都存在不足：①在教学目标中，教学实践缺乏。生物是一门实践性较强的学科，以呈现内容为主要教学方式的传统生物课堂往往只能帮助学生了解生物知识，无法锻炼动手能力，培养观察力、学习力、实践力和创新力。②教学内容碎片化。在传统生物课堂上，教学内容的唯一来源就是课本，但是大部分课本中知识点的讲解分散，教学内容各个单元之间前后关联性差，教学呈现碎片化。③在教学过程中教学手段单一。教学目标多元化且生物课程内容广泛，因此教师也不能采用单一的教学方法。多元化的教学目标和多样性的教学内容决定了教师教学方法不能只采用讲授式和问答式。④学生在师生关系中处于被动地位。传统生物课堂中，只重视教师的“教”而忽视学生的“学”，学生是外在刺激的被动接受者，主动探索知識的机会不多，往往内在动机弱，在学习中处于被动地位。

    2.基于VR/AR技术的中学生物课堂设计

    基于VR/AR技术的课堂由虚拟教学环境、教学资源、教师、学生等元素组成。VR技术提供虚拟环境，AR技术作为VR技术的延伸，是真实情景与虚拟情景交叉的桥梁，有助于学生快速联结知识与模拟情景，促进学生对生物中宏观、微观知识的理解。因此基于VR/AR技术的课堂设计既要考虑到VR和AR的优势，也要重视传统生物课堂中的元素，包括教学目标、教学内容、教学方法、师生角色等。综合以上考虑笔者建构了图2所示的基于VR/AR技术的中学生物课堂设计方案。

    （1）VR/AR技术支持下的虚拟课堂首先要考虑逼真的教学场景。学习情境理论认为学习者的学习是在情境中进行意义建构，所以在进行课堂设计时要确定场景需求，要明确教学场景需要的物品，利用VR技术进行对象建构。同时营造良好、和谐和愉悦的课堂气氛也是场景设计中的重要环节，只有学生感到身心愉快才能主动进行探索学习。

    （2）虚拟课堂需要良好的互动体验。VR技术能还原历史场景、模拟真实场面，也能虚构未来空间。但是仅仅只有沉浸性体验是不够的，还要利用AR技术进行界面设计，让学生通过互动进行情景与知识串联，形成整体认知能力、系统分析与综合设计能力。在虚拟课堂中，除了师生交互，最主要的就是学生在虚拟环境中主动进行实时交互，获得反馈信息，不断体验、发现和探索。

    （3）虚拟课堂需要融合课程内容。分析课程内容，明确课程目标，规划教学活动，进行教学评价是传统课堂设计的基本内容，技术为教育服务就是在这个基础上弥补传统课堂的不足，而不是推陈出新，无视教育规律。VR/AR技术支持下的课堂首先要以内容为核心，进而安排活动任务，完成教学目标。例如，在zSpace桌面交互系统里自备的教材《生物细胞》课程中，学生可以在沉浸性的虚拟课堂中观察细胞的生长、死亡、缩小和放大，VR/AR技术的使用更好地帮助学生体验和观察细胞的变化并没有喧宾夺主。

    （4）虚拟课堂需要重视师生角色定位。在虚拟课堂中，项目式学习是最常采用的，教师是学生课堂学习的指导者，但这并不意味着学生是课堂的主人。在沉浸性虚拟环境下，学生以个人或小组形式收集资料、自主探索、获得知识，但是师生交流和师生答疑等活动也必不可少。最后学生要在自评、他评以及师评中进行分享交流和多元反思。

    3.结合案例分析VR/AR技术支持下的中学生物课程教学

    研究针对基于VR/AR技术的生物课程中“呼吸系统”这一教学设计进行分析，阐述这一课时的教学活动，分析在VR/AR技术支持下生物课程的特点。研究使用了一款基于VR/AR技术的设备——zSpace，这是一款沉浸式桌面交互系统，能让使用者在高度的沉浸感和交互感下更加有效地进行学习。

    基于zSpace的“呼吸系统”的教学内容融合了VR和AR技术，带领学生在呼吸系统中旅行并研究呼吸系统如何实行有效气体交换，本课的教学活动分析如图3所示，主要包括四个方面的内容：

    （1）虚拟教学环境设计激发学生兴趣，化被动学习为主动学习。传统“呼吸系统”教学结合图片和视频展示呼吸系统图和肺的功能，但是学生对呼吸系统的立体结构不够了解，此时教师利用zSpace桌面式VR/AR设备全方位展示呼吸系统的结构，利用AR模型对呼吸系统进行分解，使学生观察胸腔的结构和气体在呼吸系统中的交换过程，这比图片和视频展示更加直观，更容易激发学生的主动性与积极性。

    （2）互动体验设计促进教学方式多样化。VR/AR技术支持下的生物课堂教学方式多样，项目式和探索式的学习方式对学生提出了对各单元知识点系统化加工整理的任务。为完成不同阶段任务，学生以小组合作的方式进行体验、发现和探索，但在学习过程中，教师不断指导学生对模型进行游戏交互，从不同层面和角度观察三维生物模型，帮助学生真正体会和理解相关知识。

    （3）课堂内容设计促进教学内容系统化。VR/AR技术辅助呈现课堂内容，在VR/AR技术支持的教学实践中，利用VR的可视化技术将生物模型显示出来，学生在课堂上以沉浸式体验观察呼吸系统模型的三维结构，同时学生为完成任务必须找到知识点的连接点和生长点，形成系统的、不断生长的知识结构，促进教学内容系统化。

    （4）师生角色分析促进学生实践能力的培养。在VR/AR技术支持的生物课堂中，教师由主导者变成辅助者，学生通过项目式和合作式的学习方式掌握呼吸系统的相关知识，并将所学知识融入到整个知识体系中去解决问题，使动手能力、合作能力和思维能力得到提高。除此之外，学生还能产生高自我效能感，具体表现在学生对于zSpace桌面系统中提出的问题表现出积极态度，通过参与到小组合作中，询问教师，利用设备检索知识等方式解决问题，在动手操作中建立更完整的知识体系，锻炼实践能力，有效建立学习的热情和信心。

    四、基于VR/AR技术的中学生物课堂的优势

    通过对基于VR/AR技术的生物课堂与传统生物课堂进行对比，笔者总结了VR/AR技术服务于课堂在教学目标、教学内容、教学过程以及师生角色四个维度上的优势。

    1.教学目标上，有利于培养学生实践能力

    在VR/AR技术建立教学框架后，整合有效的教育资源，学生的学习过程不受时间、地点和成本的限制。与传统的计算机导入文本、图片、音频与视频的教学模式不同，VR/AR支持的生物课堂以项目式学习进行实践探索，学生通过佩带和操作VR眼睛和数据手套等相关设备，可以在虚实结合的环境中进行实践交互，锻炼学生的操作能力并培养其合作精神。

    2.教学内容上，有利于教学内容系统化

    就生物这门课程而言，系统性不仅体现在知识点难易和呈现顺序上，而且也表现在知识点的串联方面。沉浸性的虚拟体验和探索式的自主学习帮助学生将各知识点串起来，对生物形成整体的认知能力、系统分析与综合设计能力。

    3.教学过程上，有利于教学方式多样化

    VR/AR技术支持多方共同参和创造，以协同方式、小组合作、项目式学习和探索式等教学手段打破了传统生物课堂以教为中心的单一教学模式。实际上，这种探究教法对教师的挑战更大，探究教学的实施对教师在教学理念、教学实施与评价上有更大的要求，需要各方面的支持以及反复的实践、反思和学习。

    4.师生角色上，有利于学生化被动为主动

    美国缅因州的国家训练实验室研究显示了不同学习方式的学习者在两周后的平均学习保持率不同[8]。被动式学习下，两周以后的学习内容只能留下5%，而采用主动式学习可以记住75%。VR/AR技术除了增强构建真实的教学情境外，最大的优势就是其交互功能，好玩的、有趣的交互促进教学游戏化，更容易激发学生主动学习。VR和AR技术整合了无形的“情”和有形的“境”，学生由情入境、情景交融，产生乐学与愿学的欲望，提升学习效率。

    随着VR/AR技术的发展以及在教育领域中的深入应用，VR/AR技术解决教育中问题的价值逐渐显现。在VR/AR技术的帮助下，学生以主动学习的方式走进设定的虚拟情境中进行交流互动，教学效果远胜于传统课堂上师生之间的问与答，VR技术提高了教育效率，同时也降低了训练成本与风险性。当前，越来越多的教师都在研究如何利用VR/AR技术服务于教育，不仅仅需要学校购置硬件设备、建立物联网系统，还需要研究者把目光聚集到VR/AR技术融入课程，利用VR/AR技术为学生构建一个新的智慧教育环境。

    参考文献：

    [1]张建武，孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究，2010（4）：109-112.

    [2]蔡苏，王沛文，杨阳等.增强现实（AR）技术的教育应用综述[J].远程教育杂志，2016，34（5）：27-40.

    [3]虚拟现实产业发展白皮书[DB/OL].http：//www.cbdio.com/BigData/2016-09/18/content_5266551.htm.

    [4]2019中国虛拟现实（VR）市场现状及发展前景预测[DB/OL].https：//www.sohu.com/a/324300556_120135108.

    [5]温晓君.2017中国虚拟现实产业走势[J].中国经济报告，2017（8）：65-67.

    [6]张志祯.虚拟现实教育应用：追求身心一体的教育——从北京师范大学“智慧学习与VR教育应用学术周”说起[J].中国远程教育，2016（6）：5-15+79.

    [7]魏久鸿，王丽萍，李冬哲，等.桌面虚拟现实技术在“细菌和病毒的遗传”课件中的应用研究[J].现代教育技术，2010，20（7）：140-142.

    [8]学习金字塔是美国缅因州的国家训练实验室研究成果[DB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/31a2f 275580216fc700afd76.html.（编辑：鲁利瑞）