VR系統(tǒng)與生物教學(xué)的融合點(diǎn)初探

王燕潔+王柏松+張爽+鐘永江

摘要：本文概括性地介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)，包括其基本的硬件設(shè)備、特征等，進(jìn)一步闡述了VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。并基于此，對(duì)VR技術(shù)能夠支撐傳統(tǒng)生物教學(xué)中存在的困難點(diǎn)進(jìn)行了有針對(duì)性的分析，最后總結(jié)梳理出開發(fā)應(yīng)用VR技術(shù)能實(shí)現(xiàn)信息化融合課堂的可行性設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：虛擬教學(xué)；VR系統(tǒng)；生物教學(xué)；信息化

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2016）24-0042-03

VR系統(tǒng)概述

VR（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），就是虛擬現(xiàn)實(shí)。它是指綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、各種現(xiàn)實(shí)及控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)生成的可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。虛擬技術(shù)可以幫助完成對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象、模擬和仿真。也就是說(shuō)，我們通過(guò)VR系統(tǒng)看到的、感受到的，或者與之互動(dòng)交互的物體和場(chǎng)景都是虛擬的，不存在的。

VR系統(tǒng)有一套專業(yè)的外部設(shè)備，如3D眼鏡、電子筆等，還有一種新型的3D顯示器——zspace（所有利用VR技術(shù)研發(fā)出的產(chǎn)品都需要在zspace設(shè)備前才能使用和操作。zspace不僅是顯示屏，還是追蹤器，可以跟蹤3D眼鏡和電子筆兩個(gè)裝備，并在人體攜帶這些裝備后通過(guò)跟蹤人體頭部和身體的動(dòng)作調(diào)整人們看到的3D虛擬圖像）。除了基本的硬件構(gòu)成，VR系統(tǒng)還包括其他的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，如頭盔式眼鏡、數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等。這些VR設(shè)備都是浸入式的，它們能為用戶創(chuàng)造一個(gè)近乎真實(shí)的、身臨其境的體驗(yàn)，包括視覺、聽覺、力覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)等多方面的感知，讓用戶覺得自己是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的虛擬世界中的一部分，用戶由觀察者變成參與者，沉浸其中并能通過(guò)肢體的運(yùn)動(dòng)參與虛擬世界的活動(dòng)。但鑒于目前技術(shù)的局限性，在現(xiàn)有的VR系統(tǒng)與應(yīng)用中，較為成熟的主要是視覺沉浸，還有聽覺和觸覺沉浸技術(shù)。

VR系統(tǒng)除了能提供沉浸感外，其最大優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)大的交互體驗(yàn)。操作者通過(guò)與虛擬時(shí)空中的畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，如同在真實(shí)世界中一樣。有業(yè)內(nèi)人士指出：在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們只需在家里安裝虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，便可以足不出戶地穿梭于各個(gè)虛擬場(chǎng)景，如時(shí)而在商店的衣帽間里試穿新衣，時(shí)而在足球場(chǎng)上觀看比賽，時(shí)而化身為新聞事件的“現(xiàn)場(chǎng)目擊者”等，這種通過(guò)三維建模技術(shù)模擬出的場(chǎng)景的交互，以其強(qiáng)大的真實(shí)性和表現(xiàn)力，拓展了用戶的生產(chǎn)、生活，甚至是情感思維等范疇。

VR系統(tǒng)在生物教學(xué)領(lǐng)域的融合點(diǎn)分析

作為一種高新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，VR系統(tǒng)進(jìn)入到教育教學(xué)領(lǐng)域能在哪些方面發(fā)揮作用呢？相對(duì)于常規(guī)的教學(xué)方式，它有哪些優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)？首先，我們來(lái)看看在常規(guī)的生物教學(xué)中存在哪些困難，這些困難能不能通過(guò)VR技術(shù)來(lái)解決。

1.傳統(tǒng)生物教學(xué)存在的困難點(diǎn)分析

生物學(xué)科主要研究生物的結(jié)構(gòu)、生理行為、遺傳發(fā)育等內(nèi)容，其中涉及很多微觀、抽象的模型結(jié)構(gòu)，這些模型大多數(shù)距離學(xué)生的生活實(shí)際較遠(yuǎn)，學(xué)生對(duì)其缺少感性的認(rèn)識(shí)。在常規(guī)課堂中，教師一般都是通過(guò)口頭講述或者借助圖片、動(dòng)畫和模型教具來(lái)進(jìn)行講解，但常常會(huì)出現(xiàn)觀察角度和結(jié)構(gòu)疊加導(dǎo)致學(xué)生看不到或看不清的問(wèn)題，即便是在普通的3D模型中通過(guò)設(shè)置透明、半透明或者高光、啞光等方式將內(nèi)外不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行差異化顯示，也僅僅是可以觀察到大概而已，不能實(shí)現(xiàn)近距離的解剖式觀察，學(xué)生對(duì)物體還是停留在觀摩層面，缺乏實(shí)時(shí)的交互體驗(yàn)操作。

除了模型結(jié)構(gòu)類知識(shí)外，學(xué)生對(duì)生物學(xué)科中微觀世界的探索也常常望而生畏，繁雜又難以與實(shí)際生活相聯(lián)系，抽象又沒有直接經(jīng)驗(yàn)來(lái)支撐，只能在腦海中通過(guò)想象盡可能去還原不可見的微觀現(xiàn)象，甚至有些內(nèi)容都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以學(xué)生難以對(duì)微觀內(nèi)容有一個(gè)正確且清晰的認(rèn)識(shí)，是一個(gè)急需解決的學(xué)習(xí)困難點(diǎn)。

當(dāng)然，在生物教學(xué)中，很重要的一部分也是常規(guī)教學(xué)中一個(gè)很大的障礙是實(shí)驗(yàn)教學(xué)。生物實(shí)驗(yàn)中有很多內(nèi)容在常規(guī)條件下，由于受到實(shí)驗(yàn)條件沒有嚴(yán)格規(guī)范、實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可控、實(shí)驗(yàn)操作比較危險(xiǎn)等因素影響而不易在常規(guī)教學(xué)中呈現(xiàn)，而且有些研究對(duì)象還是一些生物微觀層面的結(jié)構(gòu)或過(guò)程，常規(guī)實(shí)驗(yàn)顯示不出來(lái)。對(duì)于這些難以開展的實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)教學(xué)往往以書本閱讀或者教師講解的方式代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作。有一些已經(jīng)構(gòu)建多媒體教學(xué)環(huán)境的學(xué)校為了能突破這一教學(xué)難點(diǎn)，也會(huì)利用一些簡(jiǎn)單的軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，通過(guò)直觀形象的原理演示和現(xiàn)象模擬輔助教學(xué)，但利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行模擬或演示對(duì)很多概念或者原理的認(rèn)識(shí)并不一定能收到理想的效果，學(xué)生缺乏實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作和真實(shí)的感知體驗(yàn)，無(wú)法深入地理解和把握知識(shí)點(diǎn)。

2.VR系統(tǒng)輔助生物教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

（1）立體層次感強(qiáng)，有很好的出鏡效果，拓寬了學(xué)習(xí)的空間感

常規(guī)的結(jié)構(gòu)模型僅能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的觀摩，而VR技術(shù)不僅能將立體的結(jié)構(gòu)模型按照教學(xué)的需要一層層地剝離開，單獨(dú)進(jìn)行細(xì)微觀察，而且還可以拖出屏幕，零距離、全方位、不受空間限制地進(jìn)行自由體驗(yàn)。

例如，在學(xué)習(xí)《植物細(xì)胞》一課時(shí)，學(xué)生可以借助VR技術(shù)構(gòu)建的植物細(xì)胞模型從最外層的細(xì)胞膜進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)，在近乎真實(shí)的膠質(zhì)狀的細(xì)胞質(zhì)中，與其間的各種細(xì)胞器近距離接觸，每一種細(xì)胞器從外觀到內(nèi)部發(fā)生的分子水平的生理反應(yīng)都可以盡收眼底，再?gòu)募?xì)胞核到細(xì)胞核里面的核膜、核仁、核質(zhì)和染色體，一切都真實(shí)可觸，那感覺就像拿著一個(gè)真實(shí)的細(xì)胞在進(jìn)行觀察，細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能清晰可見，甚至對(duì)于染色體這樣在空間上有復(fù)雜聯(lián)結(jié)的物質(zhì)，其組成也不再是抽象、靜態(tài)的概念上的認(rèn)知，學(xué)生可以從更微小的基因片段和一個(gè)個(gè)蛋白質(zhì)拆解來(lái)進(jìn)行俯瞰，以便更直觀地進(jìn)行沉浸式的體驗(yàn)和感知。

（2）逼真的畫面效果，身臨其境的感官體驗(yàn)，讓學(xué)習(xí)更高效且安全

針對(duì)在生物學(xué)科中一些微觀不可見的原理演示，或者因?qū)嶒?yàn)條件比較苛刻、實(shí)驗(yàn)操作比較危險(xiǎn)而不易實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，VR技術(shù)能對(duì)畫面進(jìn)行模擬仿真宏觀再現(xiàn)，其高度的逼真性和現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)感讓效果更為真實(shí)。相較于一般的動(dòng)畫演示，VR技術(shù)以其高精度的虛擬仿真性和超強(qiáng)的感官體驗(yàn)徹底改變了在實(shí)際教學(xué)中只能憑記憶、想象、簡(jiǎn)單的模擬等教學(xué)方式去掌握這些觀察困難且不易理解的內(nèi)容的狀況，增強(qiáng)了教學(xué)效果。

例如，在《探究螞蟻的通訊》實(shí)驗(yàn)中，由于螞蟻是活體，不好飼養(yǎng)，而且如果脫離了螞蟻的自然生存環(huán)境，在室內(nèi)模擬螞蟻是如何通訊并不是很容易的事情，很難反映螞蟻的真實(shí)行為過(guò)程；而在室外實(shí)驗(yàn)，螞蟻的行動(dòng)方向不易受到控制，效果也不明顯，它們到底是通過(guò)氣味信息素傳遞的信息還是通過(guò)偵查蟻的行進(jìn)路徑傳遞的信息？在這個(gè)探究活動(dòng)中，利用VR技術(shù)的虛擬仿真性不僅能夠營(yíng)造出螞蟻通訊的自然環(huán)境，而且能將肉眼看不見的螞蟻的通訊方式真實(shí)地再現(xiàn)，學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的近乎真實(shí)的情境中體驗(yàn)、感知、發(fā)現(xiàn)和探究，在頭腦中形成形象化的概念，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該部分內(nèi)容的高效學(xué)習(xí)。

（3）豐富的交互方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

除了知識(shí)上的直觀感知和模擬可能發(fā)生的真實(shí)情境外，VR系統(tǒng)還能設(shè)置一些和學(xué)生互動(dòng)的交互功能，通過(guò)一些外置或者內(nèi)嵌的虛擬工具或者設(shè)備讓學(xué)生進(jìn)行操控。好玩的、有趣的功能，或者是在現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)現(xiàn)不了的操作或者功能，這些都可以通過(guò)VR技術(shù)的虛擬交互性來(lái)實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)習(xí)過(guò)程游戲化、情境化，最大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

例如，在《蜂鳥的外部形態(tài)》一課的教學(xué)中，我們可以借助VR技術(shù)讓學(xué)生進(jìn)入一個(gè)虛擬的叢林中，邊觀察鳥的外部形態(tài)，邊用畫筆勾勒出鳥的流線型輪廓，還可以讓學(xué)生摘掉鳥身體上不同部位的羽毛，觀察丟掉正羽或絨羽后對(duì)飛行產(chǎn)生的影響等，這些讓學(xué)生親自體驗(yàn)的有趣環(huán)節(jié)，在某種程度上真正做到了寓教于樂(lè)，使學(xué)生能主動(dòng)學(xué)習(xí)，樂(lè)于學(xué)習(xí)。

3.VR系統(tǒng)在生物教學(xué)中的局限性

VR技術(shù)在生物教學(xué)中有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，但它的劣勢(shì)也是不容忽視的。其主要體現(xiàn)在操作上有局限性。有過(guò)操作體驗(yàn)的人會(huì)有這樣的感覺：電子筆必須對(duì)準(zhǔn)你要拖拽的物體才能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)或者其他操作。VR系統(tǒng)不同于單機(jī)版的3D模型，它是三維空間，有橫向和縱向空間的延伸，所以電子筆需要反復(fù)去校準(zhǔn)那個(gè)定位點(diǎn)，使用起來(lái)沒有鼠標(biāo)靈活。而且人長(zhǎng)時(shí)間佩戴3D眼鏡會(huì)有眩暈感，容易疲勞。

那么，如何在生物教學(xué)中發(fā)揮VR系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，規(guī)避其劣勢(shì)呢？我們?cè)诶肰R技術(shù)支撐生物信息化教學(xué)時(shí)，如何選擇和設(shè)計(jì)理想的VR工具和軟件，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化呢？

開發(fā)與應(yīng)用VR技術(shù)的可行性思路

1.注重素材的篩選

從優(yōu)勢(shì)上來(lái)說(shuō)，由于VR技術(shù)的親視感和空間層次感，一些立體效果比較明顯的三維結(jié)構(gòu)用VR技術(shù)觀察，效果就會(huì)比較好，尤其是一些較復(fù)雜的、需要從宏觀到微觀進(jìn)行層層剝離的結(jié)構(gòu)，也包括宏觀上不可見的，如地理上不同天體的運(yùn)動(dòng)。再如，一些要表現(xiàn)場(chǎng)景效果或操作現(xiàn)象類的知識(shí)都可以借助zspace的逼真效果呈現(xiàn)。

2.開發(fā)思路精簡(jiǎn)化

（1）內(nèi)容和功能設(shè)置上要精而簡(jiǎn)，勿大而全

對(duì)于一些內(nèi)容較復(fù)雜、功能較繁瑣的內(nèi)容，不建議使用VR程序。原因有兩個(gè)：一是時(shí)間的成本較大。從程序設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)，在VR系統(tǒng)中一個(gè)簡(jiǎn)單的模型的大小調(diào)整也會(huì)涉及較大的程序運(yùn)算量。二是從使用者的體驗(yàn)感來(lái)說(shuō)，不宜長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)使用。而且就目前VR系統(tǒng)的普及度來(lái)講，不太可能實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)人手一臺(tái)zspace機(jī)器。一般來(lái)講，一個(gè)頭盔式顯示器加主機(jī)的成本要上萬(wàn)元，這在一些專業(yè)領(lǐng)域，如軍事、航空、航天等尚可承受，但對(duì)于普通消費(fèi)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，還是讓人望而卻步。所以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，zspace只可能作為課外學(xué)習(xí)的一種輔助工具應(yīng)用于教學(xué)，所以內(nèi)容和功能精簡(jiǎn)化是需要考慮的因素，哪怕一個(gè)程序就講一個(gè)知識(shí)要點(diǎn)，這樣容易讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)理解，也便于應(yīng)用。

（2）操作上盡可能避免對(duì)空間有精確要求

近乎真實(shí)情境的立體空間是VR系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，但也不可避免地成為其操作環(huán)節(jié)上的限制因素。尤其是對(duì)空間定位有較大要求的操作，校準(zhǔn)的時(shí)間往往會(huì)讓學(xué)生沒有耐心進(jìn)行下去，即便它的畫面效果和功能設(shè)置非常精致和齊全。

例如，“滴加試管溶液”是一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，如果是單機(jī)版的.exe格式，只需要在平面上點(diǎn)擊或者拖動(dòng)鼠標(biāo)就能輕松實(shí)現(xiàn)，但zspace可能需要來(lái)回點(diǎn)擊N多次才能鎖定在要定位的物體上，恰到好處地把溶液按照操作要求在位于試管的正上方滴入到試管中。

綜上所述，并不是所有的3D工具都適用于VR系統(tǒng)的開發(fā)，需要考慮其應(yīng)用和效果的局限性。但我們也相信，隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它一定能幫助我們解決更多的教學(xué)難題。