原创《虚拟现实技术在高中生物教学中的应用》
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李 俊
【摘 要】虚拟现实技术由于其具有交互性、沉浸感和构想性等特征,如果将它应用到教育领域,潜力是无穷的.本文就虚拟现实技术与高中生物教学的具体内容相结合,论述VR技术在生物教育领域的可行性和必要性.
【关键词】虚拟现实；VR；教育；生物
【中图分类号】G434 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2018）01-0064-03
VR的发展
虚拟现实技术（Virtual Reality,简称VR）是仿真技术的一个重要方向,是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合,是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域[1].VR技术的原理简单说就是放置一个内含屏幕的硬件设备于你的面部,开启设备后,它会欺骗你的大脑,让你认为自己正身处一个完全不同的世界,例如,太空中的飞船上,或者摩天大楼的边缘,VR技术的目的是让用户有身临其境的感觉.
VR技术的发展大致上可分为四个时期.1963年以前是虚拟现实技术发展的萌芽期.1963年至1972年的十年间将带有声音的形动态进行模拟过程中便包含有虚拟现实思想.1973年至1989年,该时期虚拟现实的概念以及理论开始产生.1990年至今虚拟现实技术得到不断的发展与完善并应用于实际中[2].
时至今日,VR应用最广泛的硬件设备是虚拟现实头盔.由于技术的发展,VR技术的难关逐渐被攻克,世界众多公司加入到虚拟现实头盔的竞争中.目前,市面上比较流行的虚拟现实设备有Facebook的Oculus Rift 、HTC的vive、索尼的PlayStation VR等.虚拟现实如今是一个热门的词汇,每天的科技新闻当中都会报道虚拟现实,虚拟现实被认为是下一个颠覆人类生活的新技术之一.
VR在高中生物教学中的应用设想
当今我国教育不断改革,科学技术也不断进步,国家越来越强调素质教育,培养实用性人才,传统的教学方式已经难以满足当今教学的任务.虚拟现实技术由于其具有交互性、沉浸感和构想性等特征,可以充分调动学习者的思维和感觉器官 [3].
在传统的教学方式里,学生在做生物的实验时,如接触一些危险性的药品,教师往往都需要提前布置以防学生进行实验时遇到危险.如果将VR引入生物实验的教学过程中,教师可以采用VR技术构建一个和实物同样的三维物体,如虚拟实验室,同学们可以“走进”这个虚拟实验室,实验室向实验者提供图文声并茂的实验预备知识,学生可以进入虚拟空间随时随地地认识这些仪器设备,也可以身临其境般的操作虚拟仪器.VR技术并不受场地等外界条件限制,也不消耗器材,便于进行反复操作,而且虚拟实验室安全性高,不受外界影响.
笔者以如下几个实例,来阐述VR在高中生物教学中的应用设想.
1.用VR构建微观场景,呈现物质结构或反应过程
高中生物必修一中,第二章《组成细胞的分子》有机大分子是教学上的难点.例如,高一上学期在学习生物的有机大分子时,化学学科还在学习无机物,学生对有机物的结构完全不懂,而传统的教学模式都是二维的,教师对有机分子的空间结构的教学只能是把自己的空间想象介绍给学生,然后由学生通过自己的想象去构建这些分子的空间结构,可想而知效果是大打折扣的,学生甚至会理解错误.如果用VR技术构建一个微观场景,将分子的结构通过立体的方式呈现出来,学生可以将这些分子进行放大、缩小、旋转等操作,还可以将这些分子之间发生反应的过程也呈现在VR之中,比如氨基酸脱水缩合反应形成多肽的过程,高中生往往对这个反应的过程不能很好的理解.如果通过VR技术让这个反应呈现在自己面前,让学生“走进”分子,去“感受”这些分子的结构和功能,这种最直观的感性认识是传统教学方法无法比拟的.
细胞的结构和功能是教学重点也是难点,特别是第五章《细胞的能量供应和利用》里面的光合作用和呼吸作用是高考的核心考点之一,但学生学到这一章的时候都觉得难,原因是学生只能被动的接受光合作用和呼吸作用的过程图解,然后死记硬背记忆这个知识点,所以考试的时候如果出现与此相关的问题,学生不能灵活的运用,得分也不理想.如果我们引入VR技术构建一个大型的细胞模型,这个模型可以放大、缩小、旋转等操作.当我们学习到这一章内容时,我们可以放大细胞内部的结构,直接进入到线粒体和叶绿体当中去观察他们的结构.如当进到叶绿体时,我们可以在类囊体薄膜上观察光反应的过程,从中直接观察到这个过程.如果考试的时候再出现光反应的场所学生就不会犯错了,因为这个过程不是靠死记硬背得来的,而是通过眼前的直观感受得来的.
2.用VR构建虚拟环境,重视操作突破难点
必修二是高中生物学中最难的一本书,里面设计的内容非常丰富,如果能将VR技术引入教学中,预计能够达到很好的教学效果.如第一章《遗传因子的发现》,教师可以用VR技术向同学们展示孟德尔八年的豌豆实验的历程.这个历程不但可以看,我们还可以“扮演”孟德尔在虚拟的环境下操作人工异花传粉的过程,观察授粉后豌豆的生长过程.我们在设置虚拟环境时,可以加快豌豆的成熟速度,等到豌豆成熟时,自己动手统计不同性状个体的数量.通过以上的过程完成孟德尔当年发现遗传规律的壮举,这样既能从技能方面锻炼学生的动手能力,也能从情感方面让学生深刻地了解科学发现过程的乐趣和艰辛.
第二章《基因和染色体的关系》中的减数分裂的内容可以和前面有丝分裂的内容放在一起学习,用VR技术构建两个动态的细胞分裂过程,学生可以从多维直接观察、对比这两个过程的异同点.同时,教师也可以在细胞分裂当中的每条染色体上标注一个基因,在减数分裂染色体的移动过程里面就可以发现基因变化的规律,从而将前后的内容有机的联系在一起.
第三章《基因的本质》和第四章《基因的表达》中的DNA相关知识,教师可以从DNA的空间结构展开教学,而对于某个物体的空间结构的探索,VR技术无疑是最好的教学手段.如用VR技术构建一个微观场景,将DNA分子的结构通过立体的方式呈现出来,学生可以将这些分子进行放大、缩小、旋转等操作,还可以让这些分子之间发生反应,探索DNA的复制和基因的表达过程,从空间和时间上了解这些过程.
3.用VR构建三维模型,直观感受生物内环境
必修三《稳态与环境》里面探讨的生物问题有别于前面两册的内容,其内容都是宏观方面的.如第一章《人体的内环境与稳态》和第二章《动物和人体生命活动的调节》这两章的内容,教师可以用VR技术构建一个人体的三维模型,当学生进入到虚拟环境中去的时候,看到的是一个完整的“人”,这个人内部心脏在跳动,血液在流动,胃和小肠在蠕动,大脑的电脉冲活动也在进行.同学们将这个人放大,定位到肝组织,可以看到里面的血液在流动,组织细胞不停地和内环境交换物质进行新陈代谢.转移到肺组织,可以看到肺泡里面充满了气体,氧气和二氧化碳在这里不停地交换进出毛细血管.转移到脑组织,可以看到大脑中的某个神经元正在通过它的细胞体和树突接收上个神经元的信号,并经过它的轴突传到下一个神经元.转移到下丘脑,可以看到它正在卖力的生产促甲状腺释放激素,跟踪这个激素,发现它作用的部位只有垂体,当垂体表面的受体接受促甲状腺激素释放激素,垂体细胞就会生产促甲状腺激素,紧接着跟踪促甲状腺激素可以看到它作用的部位只有甲状腺.观察完这些过程,学生也就基本掌握了内环境的稳态、神经调节、体液调节的主要内容.
第三章《植物的激素调节》里关于生长素的发现的科学史学习,传统教学是讲述法,效果往往不理想,起不到任何的教学效果,反而让学生觉得枯燥乏味.如果用VR进行教学,教师可以设计若干组胚芽鞘,让学生自己来完成科学家做过的实验.如学生可以切下一组胚芽鞘的尖端,看胚芽鞘如何生长.再如,学生可以用锡箔罩子包住胚芽鞘任意位置,看胚芽鞘的生长过程.在探讨生长素的生理作用和其他激素的时候,教师可以像上一章内容一样构建一棵“树”,同学们将这棵树放大,定位到幼嫩的芽,观察生长素合成之后的转移和作用部位,如顶端优势现象.学生也可以将这颗树横向放置,根据树根的向地生长的特性,探讨生长素作用的两重性.同样学生也可以在这棵树的其他部位观察其他激素的合成及他们的功能.
VR技术应用于高中生物教育的困境
2016年被称为“虚拟现实元年”,VR硬件设备和软件公司如雨后春笋般层出不穷,但无法掩饰的是现在VR硬件设备不管从硬件还是软件上都有待发展.硬件配置高的VR头显可以基本胜任教学需求,但非常昂贵.低廉的VR头显配置过低,也达不到教学的要求.而且佩戴这些VR头显时间长了会出现眩晕感.软件上也是非常缺乏,现在绝大部分VR软件都是与游戏相关的,与教学相关的非常少.以上问题不是短时间能够解决的,但VR技术的优点是明显的,如果能将VR技术有效地应用于教育,必将是一次全新的教育革命.
作为一名高中生物教师,深感现在高中生物教学手段的匮乏,现代生物学的教育应该走向多元化、信息化.将高中生物与虚拟现实技术相结合,可以作为高中教育的一个切入点,从而带动其他科目的信息化教学的发展和进步.
虚拟现实论文参考资料：
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