VR系統(tǒng)與生物教學的融合點初探

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（Virtual Reality）技術，包括其基本的硬件設備、特征等，進一步闡述了VR技術的優(yōu)勢和劣勢。并基于此，對VR技術能夠支撐傳統(tǒng)生物教學中存在的困難點進行了有針對性的分析，最后總結梳理出開發(fā)應用VR技術能實現(xiàn)信息化融合課堂的可行性設計思路。

關鍵詞：虛擬教學；VR系統(tǒng)；生物教學；信息化

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）24-0042-03

VR系統(tǒng)概述

VR（Virtual Reality，簡稱VR），就是虛擬現(xiàn)實。它是指綜合利用計算機圖形系統(tǒng)、各種現(xiàn)實及控制等接口設備，在計算機生成的可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術。虛擬技術可以幫助完成對現(xiàn)實世界的抽象、模擬和仿真。也就是說，我們通過VR系統(tǒng)看到的、感受到的，或者與之互動交互的物體和場景都是虛擬的，不存在的。

VR系統(tǒng)有一套專業(yè)的外部設備，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技術研發(fā)出的產(chǎn)品都需要在zspace設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眼鏡和電子筆兩個裝備，并在人體攜帶這些裝備后通過跟蹤人體頭部和身體的動作調(diào)整人們看到的3D虛擬圖像）。除了基本的硬件構成，VR系統(tǒng)還包括其他的虛擬現(xiàn)實設備，如頭盔式眼鏡、數(shù)據(jù)手套、力反饋裝置等。這些VR設備都是浸入式的，它們能為用戶創(chuàng)造一個近乎真實的、身臨其境的體驗，包括視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等多方面的感知，讓用戶覺得自己是計算機系統(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，沉浸其中并能通過肢體的運動參與虛擬世界的活動。但鑒于目前技術的局限性，在現(xiàn)有的VR系統(tǒng)與應用中，較為成熟的主要是視覺沉浸，還有聽覺和觸覺沉浸技術。

VR系統(tǒng)除了能提供沉浸感外，其最大優(yōu)勢是強大的交互體驗。操作者通過與虛擬時空中的畫面進行實時交互，如同在真實世界中一樣。有業(yè)內(nèi)人士指出：在不遠的將來，我們只需在家里安裝虛擬現(xiàn)實設備，便可以足不出戶地穿梭于各個虛擬場景，如時而在商店的衣帽間里試穿新衣，時而在足球場上觀看比賽，時而化身為新聞事件的“現(xiàn)場目擊者”等，這種通過三維建模技術模擬出的場景的交互，以其強大的真實性和表現(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)在生物教學領域的融合點分析

作為一種高新的虛擬現(xiàn)實技術，VR系統(tǒng)進入到教育教學領域能在哪些方面發(fā)揮作用呢？相對于常規(guī)的教學方式，它有哪些優(yōu)勢和劣勢？首先，我們來看看在常規(guī)的生物教學中存在哪些困難，這些困難能不能通過VR技術來解決。

1.傳統(tǒng)生物教學存在的困難點分析

生物學科主要研究生物的結構、生理行為、遺傳發(fā)育等內(nèi)容，其中涉及很多微觀、抽象的模型結構，這些模型大多數(shù)距離學生的生活實際較遠，學生對其缺少感性的認識。在常規(guī)課堂中，教師一般都是通過口頭講述或者借助圖片、動畫和模型教具來進行講解，但常常會出現(xiàn)觀察角度和結構疊加導致學生看不到或看不清的問題，即便是在普通的3D模型中通過設置透明、半透明或者高光、啞光等方式將內(nèi)外不同的結構進行差異化顯示，也僅僅是可以觀察到大概而已，不能實現(xiàn)近距離的解剖式觀察，學生對物體還是停留在觀摩層面，缺乏實時的交互體驗操作。

除了模型結構類知識外，學生對生物學科中微觀世界的探索也常常望而生畏，繁雜又難以與實際生活相聯(lián)系，抽象又沒有直接經(jīng)驗來支撐，只能在腦海中通過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)一的標準，所以學生難以對微觀內(nèi)容有一個正確且清晰的認識，是一個急需解決的學習困難點。

當然，在生物教學中，很重要的一部分也是常規(guī)教學中一個很大的障礙是實驗教學。生物實驗中有很多內(nèi)容在常規(guī)條件下，由于受到實驗條件沒有嚴格規(guī)范、實驗過程不可控、實驗操作比較危險等因素影響而不易在常規(guī)教學中呈現(xiàn)，而且有些研究對象還是一些生物微觀層面的結構或過程，常規(guī)實驗顯示不出來。對于這些難以開展的實驗，傳統(tǒng)教學往往以書本閱讀或者教師講解的方式代替真實的實驗操作。有一些已經(jīng)構建多媒體教學環(huán)境的學校為了能突破這一教學難點，也會利用一些簡單的軟件對實驗進行模擬，通過直觀形象的原理演示和現(xiàn)象模擬輔助教學，但利用虛擬實驗軟件進行模擬或演示對很多概念或者原理的認識并不一定能收到理想的效果，學生缺乏實際的實驗操作和真實的感知體驗，無法深入地理解和把握知識點。

2.VR系統(tǒng)輔助生物教學的優(yōu)勢

（1）立體層次感強，有很好的出鏡效果，拓寬了學習的空間感

常規(guī)的結構模型僅能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的觀摩，而VR技術不僅能將立體的結構模型按照教學的需要一層層地剝離開，單獨進行細微觀察，而且還可以拖出屏幕，零距離、全方位、不受空間限制地進行自由體驗。

例如，在學習《植物細胞》一課時，學生可以借助VR技術構建的植物細胞模型從最外層的細胞膜進入到細胞質(zhì)，在近乎真實的膠質(zhì)狀的細胞質(zhì)中，與其間的各種細胞器近距離接觸，每一種細胞器從外觀到內(nèi)部發(fā)生的分子水平的生理反應都可以盡收眼底，再從細胞核到細胞核里面的核膜、核仁、核質(zhì)和染色體，一切都真實可觸，那感覺就像拿著一個真實的細胞在進行觀察，細胞的結構和功能清晰可見，甚至對于染色體這樣在空間上有復雜聯(lián)結的物質(zhì)，其組成也不再是抽象、靜態(tài)的概念上的認知，學生可以從更微小的基因片段和一個個蛋白質(zhì)拆解來進行俯瞰，以便更直觀地進行沉浸式的體驗和感知。

（2）逼真的畫面效果，身臨其境的感官體驗，讓學習更高效且安全

針對在生物學科中一些微觀不可見的原理演示，或者因?qū)嶒灄l件比較苛刻、實驗操作比較危險而不易實現(xiàn)的內(nèi)容，VR技術能對畫面進行模擬仿真宏觀再現(xiàn)，其高度的逼真性和現(xiàn)實體驗感讓效果更為真實。相較于一般的動畫演示，VR技術以其高精度的虛擬仿真性和超強的感官體驗徹底改變了在實際教學中只能憑記憶、想象、簡單的模擬等教學方式去掌握這些觀察困難且不易理解的內(nèi)容的狀況，增強了教學效果。

例如，在《探究螞蟻的通訊》實驗中，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行為過程；而在室外實驗，螞蟻的行動方向不易受到控制，效果也不明顯，它們到底是通過氣味信息素傳遞的信息還是通過偵查蟻的行進路徑傳遞的信息？在這個探究活動中，利用VR技術的虛擬仿真性不僅能夠營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地再現(xiàn)，學生在創(chuàng)設的近乎真實的情境中體驗、感知、發(fā)現(xiàn)和探究，在頭腦中形成形象化的概念，從而實現(xiàn)對該部分內(nèi)容的高效學習。

（3）豐富的交互方式，激發(fā)學生的學習興趣

除了知識上的直觀感知和模擬可能發(fā)生的真實情境外，VR系統(tǒng)還能設置一些和學生互動的交互功能，通過一些外置或者內(nèi)嵌的虛擬工具或者設備讓學生進行操控。好玩的、有趣的功能，或者是在現(xiàn)實生活中實現(xiàn)不了的操作或者功能，這些都可以通過VR技術的虛擬交互性來實現(xiàn)，讓學習過程游戲化、情境化，最大程度地激發(fā)學生的學習興趣。

例如，在《蜂鳥的外部形態(tài)》一課的教學中，我們可以借助VR技術讓學生進入一個虛擬的叢林中，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飛行產(chǎn)生的影響等，這些讓學生親自體驗的有趣環(huán)節(jié)，在某種程度上真正做到了寓教于樂，使學生能主動學習，樂于學習。

3.VR系統(tǒng)在生物教學中的局限性

VR技術在生物教學中有著不可替代的優(yōu)勢，但它的劣勢也是不容忽視的。其主要體現(xiàn)在操作上有局限性。有過操作體驗的人會有這樣的感覺：電子筆必須對準你要拖拽的物體才能實現(xiàn)移動或者其他操作。VR系統(tǒng)不同于單機版的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去校準那個定位點，使用起來沒有鼠標靈活。而且人長時間佩戴3D眼鏡會有眩暈感，容易疲勞。

那么，如何在生物教學中發(fā)揮VR系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢，規(guī)避其劣勢呢？我們在利用VR技術支撐生物信息化教學時，如何選擇和設計理想的VR工具和軟件，從而實現(xiàn)教學效果的最優(yōu)化呢？

開發(fā)與應用VR技術的可行性思路

1.注重素材的篩選

從優(yōu)勢上來說，由于VR技術的親視感和空間層次感，一些立體效果比較明顯的三維結構用VR技術觀察，效果就會比較好，尤其是一些較復雜的、需要從宏觀到微觀進行層層剝離的結構，也包括宏觀上不可見的，如地理上不同天體的運動。再如，一些要表現(xiàn)場景效果或操作現(xiàn)象類的知識都可以借助zspace的逼真效果呈現(xiàn)。

2.開發(fā)思路精簡化

（1）內(nèi)容和功能設置上要精而簡，勿大而全

對于一些內(nèi)容較復雜、功能較繁瑣的內(nèi)容，不建議使用VR程序。原因有兩個：一是時間的成本較大。從程序設計上來說，在VR系統(tǒng)中一個簡單的模型的大小調(diào)整也會涉及較大的程序運算量。二是從使用者的體驗感來說，不宜長時間學習使用。而且就目前VR系統(tǒng)的普及度來講，不太可能實現(xiàn)教室內(nèi)人手一臺zspace機器。一般來講，一個頭盔式顯示器加主機的成本要上萬元，這在一些專業(yè)領域，如軍事、航空、航天等尚可承受，但對于普通消費市場來說，還是讓人望而卻步。所以在較長時間內(nèi)，zspace只可能作為課外學習的一種輔助工具應用于教學，所以內(nèi)容和功能精簡化是需要考慮的因素，哪怕一個程序就講一個知識要點，這樣容易讓學生在短時間內(nèi)理解，也便于應用。

（2）操作上盡可能避免對空間有精確要求

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

例如，“滴加試管溶液”是一個簡單的操作，如果是單機版的.exe格式，只需要在平面上點擊或者拖動鼠標就能輕松實現(xiàn)，但zspace可能需要來回點擊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)，需要考慮其應用和效果的局限性。但我們也相信，隨著VR技術的不斷發(fā)展和完善，它一定能幫助我們解決更多的教學難題。