虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)在高中生物學(xué)課堂上的應(yīng)用舉例

徐 潔 孫 睿 鄧霄飛

(山東省青島市實驗高級中學(xué) 266023)

虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)是指借助計算機(jī)及最新傳感器技術(shù)，創(chuàng)造的一種嶄新的人機(jī)交互手段。VR技術(shù)利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，讓使用者如同身臨其境一般。這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬與現(xiàn)實世界進(jìn)行互動，帶給人們最真實的感官體驗。我校從2016年4月開始，自主開發(fā)適合學(xué)生的VR生物學(xué)課程，選擇“基因的表達(dá)”一節(jié)作為課堂載體，并進(jìn)行VR課程的教學(xué)(圖1)，還在2016年國際教育信息大會上進(jìn)行展示。

1 國內(nèi)外VR教學(xué)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

目前，VR技術(shù)主要應(yīng)用于虛擬樣板、場館仿真等領(lǐng)域。近年來，在廣告宣傳、考古、游戲和網(wǎng)絡(luò)購物等方面也有所應(yīng)用。

當(dāng)教育與VR邂逅時，便產(chǎn)生革命性的學(xué)習(xí)模式。有專家預(yù)測，在未來的8～10年間，教育行業(yè)將成為VR的主要應(yīng)用領(lǐng)域。國外有些公司已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用VR技術(shù)的教育系統(tǒng)，將VR設(shè)備運用于校園文化的推廣普及上。國內(nèi)多家公司也已經(jīng)根據(jù)教學(xué)需求，開始研發(fā)VR技術(shù)整體的應(yīng)用方案。早期應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)和天文學(xué)上。在教育的其他領(lǐng)域，許多課程使用VR工具來協(xié)助構(gòu)建建筑模型、重現(xiàn)歷史、自然景觀和其他空間效果圖。學(xué)校教師也會采用VR技術(shù)讓學(xué)生進(jìn)行浸入式學(xué)習(xí)，在模擬教學(xué)等方面應(yīng)用更廣[1]。雖然目前中學(xué)實際的應(yīng)用案例較少，但已經(jīng)成為一種不可避免的趨勢[2]。

圖1 VR課程的教學(xué)實景

2 VR課程在高中生物學(xué)課堂中的實施

2.1 VR課程在課堂中的運用 在“基因的表達(dá)”一節(jié)復(fù)習(xí)教學(xué)中，共設(shè)計制作4個VR場景。

場景1“大腦之旅”：主要用于課堂導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時復(fù)習(xí)必修三神經(jīng)調(diào)節(jié)相關(guān)知識。首先由學(xué)生戴上VR眼鏡，體驗VR技術(shù)帶來的“大腦之旅”，感受VR課程的精彩魅力，同時熟悉VR眼鏡的使用。

場景2“細(xì)胞結(jié)構(gòu)”：主要用于復(fù)習(xí)必修一細(xì)胞的基本知識，為解決本節(jié)課重難點——轉(zhuǎn)錄、翻譯做基礎(chǔ)知識的復(fù)習(xí)準(zhǔn)備。在學(xué)生體驗之前，教師要求學(xué)生注意觀察場景中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與教材插圖有哪些不同。在感受震撼畫面的同時，學(xué)生輕輕搖頭可以通過眼鏡選擇不同的細(xì)胞器及細(xì)胞結(jié)構(gòu)，耳機(jī)中可聽到對該結(jié)構(gòu)的基本功能的講解，對重難點知識更易把握。這部分知識相對比較簡單，通過體驗，學(xué)生較容易掌握。在課前查閱資料、與技術(shù)人員討論制作這個場景的過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對教材上的插圖比較熟悉，但真實細(xì)胞中的立體結(jié)構(gòu)，學(xué)生未必能識別出來，尤其是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等。在課堂討論階段，學(xué)生果然提出如“那個紫色的結(jié)構(gòu)也是高爾基體嗎？”“這個管腔構(gòu)成的結(jié)構(gòu)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)嗎？”等問題。雖是課堂上的一個小插曲，但有必要在教學(xué)中對學(xué)生進(jìn)行自然學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，讓學(xué)生認(rèn)識到知識來源于實踐，不是教材上的條框。

場景3“轉(zhuǎn)錄”：是本節(jié)課突破的重點，為了更好地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)中的疑惑，在場景3“轉(zhuǎn)錄”中，設(shè)計了互動環(huán)節(jié)：學(xué)生通過觀察場景中的堿基互補(bǔ)配對情況，尋找規(guī)律。轉(zhuǎn)動頭盔，選中堿基(使頭盔中的紅點區(qū)域?qū)?zhǔn)相應(yīng)堿基)，完成剩余堿基的配對。恰恰是在這樣看似游戲的環(huán)節(jié)中，學(xué)生完成對重點知識的理解與運用。

場景4“翻譯”：是本節(jié)課的難點，配合場景設(shè)計學(xué)案，讓學(xué)生在體驗結(jié)束后思考學(xué)案上的相關(guān)問題。這些問題是根據(jù)學(xué)生的思維漏洞所設(shè)計的，主要是一些易錯易混難點。如真核生物與原核生物轉(zhuǎn)錄翻譯的區(qū)別等。在學(xué)生體驗結(jié)束后，要求對這些問題進(jìn)行思考，小組討論，之后由教師答疑解決。最后，進(jìn)行例題練習(xí)，鞏固復(fù)習(xí)的效果。

2.2 VR課程在課堂中的特點 從本案例來看，VR技術(shù)應(yīng)用在生物學(xué)課堂中最重要的改變是能使學(xué)生具有身臨其境的沉浸感[3]。

(1)高中生物學(xué)知識涉及很多抽象的內(nèi)容。如細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、細(xì)胞分裂、基因表達(dá)和內(nèi)環(huán)境與穩(wěn)態(tài)等，這些內(nèi)容在平時的課堂上大都需要借助教材插圖、顯微鏡下觀察圖、動畫和視頻等形式輔助講解，完成課堂教學(xué)。在這種形式下，學(xué)生觀察到的大多是二維圖像，雖然能夠較為準(zhǔn)確地反映知識本質(zhì)，但總感覺不夠生動。而VR技術(shù)進(jìn)入課堂，知識在學(xué)生面前就鮮活起來。當(dāng)學(xué)生帶上眼鏡，立刻置身于奔騰的血液、精妙的細(xì)胞結(jié)構(gòu)之中，這樣的感受是生動又深刻的。在這樣的VR場景中，學(xué)生的感官體驗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直面的教材插圖，其沉浸感會加深對抽象知識的理解。在學(xué)習(xí)時，學(xué)生不會感到疲倦，而是時刻處在情境體驗的學(xué)習(xí)興奮中。

(2)在模擬環(huán)境中，學(xué)生具有與模擬環(huán)境的交互作用能力，有助于啟發(fā)構(gòu)思。例如，在本案例中，課程設(shè)計了互動場景：在細(xì)胞核中，點擊鼠標(biāo)，進(jìn)行堿基配對，選擇合適的核糖核苷酸，進(jìn)行mRNA的合成。這種游戲式的體驗，既激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又加深學(xué)生對知識的理解。

(3)VR技術(shù)的應(yīng)用可以在短時間內(nèi)將生物學(xué)教材中不同章節(jié)的內(nèi)容體現(xiàn)在同一場景中，比平時的生物學(xué)課堂教學(xué)的容量更大，更容易幫助學(xué)生建構(gòu)較為系統(tǒng)的知識體系，且更易激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維。例如，在本案例中，短短幾分鐘的時間就將教材必修一中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及細(xì)胞器功能、必修二中的基因表達(dá)、必修三中的內(nèi)環(huán)境和神經(jīng)調(diào)節(jié)等知識融合在一起。使學(xué)生在接受新知識的同時，回顧舊知識，還為將來的知識學(xué)習(xí)作鋪墊。

在后續(xù)的制作修改中，還準(zhǔn)備將細(xì)胞分裂、神經(jīng)—體液—免疫調(diào)節(jié)等知識再融合進(jìn)來。

3 對VR課程教學(xué)的反思

(1)VR技術(shù)走進(jìn)課堂對教師的綜合素質(zhì)也提出更高的要求，由于VR課程一旦全部制作完成，較難再進(jìn)行修改。因此，一個VR課程的完成，教師要先仔細(xì)構(gòu)思方案，然后再與技術(shù)人員進(jìn)行溝通交流。在提供知識素材的同時，也要幫助技術(shù)人員查找構(gòu)建模型的基本數(shù)據(jù)。如核糖體大小亞基的比例等，這也是對教師自身的專業(yè)業(yè)務(wù)水平的高要求。

(2)VR課程需要學(xué)生戴上眼鏡去體驗。與平時的課程相比，學(xué)生自己去觀察、去發(fā)現(xiàn)的問題更多，這就需要教師的適時引導(dǎo)。這種引導(dǎo)可通過學(xué)習(xí)目標(biāo)、任務(wù)單等形式進(jìn)行，讓學(xué)生有目的地去體驗和使用VR課程，以提高課堂學(xué)習(xí)的效率。

(3)對于課堂教學(xué)來說，VR是一種輔助手段，應(yīng)該適時適宜地使用。VR課程的課堂教學(xué)容量大，教師在課堂上要注意把握重難點，在新授課和復(fù)習(xí)課的使用上也有區(qū)別。同樣一個VR課程產(chǎn)品，如果運用在新授課上，在學(xué)生預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，教師應(yīng)該注重引導(dǎo)學(xué)生在體驗VR課程過程中觀察、發(fā)現(xiàn)問題，體會新知識的內(nèi)涵與外延；如果運用在復(fù)習(xí)課上，教師應(yīng)該注重引導(dǎo)學(xué)生注意知識間的聯(lián)系，建立相關(guān)的知識體系，從整體上進(jìn)行把握。