虛擬現實(VR)技術在高中生物學課堂上的應用舉例

徐 潔 孫 睿 鄧霄飛

(山東省青島市實驗高級中學 266023)

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

1 國內外VR教學的研究現狀及應用前景

目前，VR技術主要應用于虛擬樣板、場館仿真等領域。近年來，在廣告宣傳、考古、游戲和網絡購物等方面也有所應用。

當教育與VR邂逅時，便產生革命性的學習模式。有專家預測，在未來的8～10年間，教育行業將成為VR的主要應用領域。國外有些公司已經開發出應用VR技術的教育系統，將VR設備運用于校園文化的推廣普及上。國內多家公司也已經根據教學需求，開始研發VR技術整體的應用方案。早期應用領域主要集中在生物學、地質學和天文學上。在教育的其他領域，許多課程使用VR工具來協助構建建筑模型、重現歷史、自然景觀和其他空間效果圖。學校教師也會采用VR技術讓學生進行浸入式學習，在模擬教學等方面應用更廣[1]。雖然目前中學實際的應用案例較少，但已經成為一種不可避免的趨勢[2]。

圖1 VR課程的教學實景

2 VR課程在高中生物學課堂中的實施

2.1 VR課程在課堂中的運用 在“基因的表達”一節復習教學中，共設計制作4個VR場景。

場景1“大腦之旅”：主要用于課堂導入，激發學生學習興趣。同時復習必修三神經調節相關知識。首先由學生戴上VR眼鏡，體驗VR技術帶來的“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“細胞結構”：主要用于復習必修一細胞的基本知識，為解決本節課重難點——轉錄、翻譯做基礎知識的復習準備。在學生體驗之前，教師要求學生注意觀察場景中的細胞結構與教材插圖有哪些不同。在感受震撼畫面的同時，學生輕輕搖頭可以通過眼鏡選擇不同的細胞器及細胞結構，耳機中可聽到對該結構的基本功能的講解，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，學生較容易掌握。在課前查閱資料、與技術人員討論制作這個場景的過程中，發現學生對教材上的插圖比較熟悉，但真實細胞中的立體結構，學生未必能識別出來，尤其是內質網、高爾基體等。在課堂討論階段，學生果然提出如“那個紫色的結構也是高爾基體嗎？”“這個管腔構成的結構是內質網嗎？”等問題。雖是課堂上的一個小插曲，但有必要在教學中對學生進行自然學科素養的培養，讓學生認識到知識來源于實踐，不是教材上的條框。

場景3“轉錄”：是本節課突破的重點，為了更好地解決學生在學習中的疑惑，在場景3“轉錄”中，設計了互動環節：學生通過觀察場景中的堿基互補配對情況，尋找規律。轉動頭盔，選中堿基(使頭盔中的紅點區域對準相應堿基)，完成剩余堿基的配對。恰恰是在這樣看似游戲的環節中，學生完成對重點知識的理解與運用。

場景4“翻譯”：是本節課的難點，配合場景設計學案，讓學生在體驗結束后思考學案上的相關問題。這些問題是根據學生的思維漏洞所設計的，主要是一些易錯易混難點。如真核生物與原核生物轉錄翻譯的區別等。在學生體驗結束后，要求對這些問題進行思考，小組討論，之后由教師答疑解決。最后，進行例題練習，鞏固復習的效果。

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

(1)高中生物學知識涉及很多抽象的內容。如細胞的結構、細胞分裂、基因表達和內環境與穩態等，這些內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。在這種形式下，學生觀察到的大多是二維圖像，雖然能夠較為準確地反映知識本質，但總感覺不夠生動。而VR技術進入課堂，知識在學生面前就鮮活起來。當學生帶上眼鏡，立刻置身于奔騰的血液、精妙的細胞結構之中，這樣的感受是生動又深刻的。在這樣的VR場景中，學生的感官體驗遠遠大于直面的教材插圖，其沉浸感會加深對抽象知識的理解。在學習時，學生不會感到疲倦，而是時刻處在情境體驗的學習興奮中。

(2)在模擬環境中，學生具有與模擬環境的交互作用能力，有助于啟發構思。例如，在本案例中，課程設計了互動場景：在細胞核中，點擊鼠標，進行堿基配對，選擇合適的核糖核苷酸，進行mRNA的合成。這種游戲式的體驗，既激發學生的學習興趣，又加深學生對知識的理解。

(3)VR技術的應用可以在短時間內將生物學教材中不同章節的內容體現在同一場景中，比平時的生物學課堂教學的容量更大，更容易幫助學生建構較為系統的知識體系，且更易激發學生的發散思維。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胞結構及細胞器功能、必修二中的基因表達、必修三中的內環境和神經調節等知識融合在一起。使學生在接受新知識的同時，回顧舊知識，還為將來的知識學習作鋪墊。

在后續的制作修改中，還準備將細胞分裂、神經—體液—免疫調節等知識再融合進來。

3 對VR課程教學的反思

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

(2)VR課程需要學生戴上眼鏡去體驗。與平時的課程相比，學生自己去觀察、去發現的問題更多，這就需要教師的適時引導。這種引導可通過學習目標、任務單等形式進行，讓學生有目的地去體驗和使用VR課程，以提高課堂學習的效率。

(3)對于課堂教學來說，VR是一種輔助手段，應該適時適宜地使用。VR課程的課堂教學容量大，教師在課堂上要注意把握重難點，在新授課和復習課的使用上也有區別。同樣一個VR課程產品，如果運用在新授課上，在學生預習的基礎上，教師應該注重引導學生在體驗VR課程過程中觀察、發現問題，體會新知識的內涵與外延；如果運用在復習課上，教師應該注重引導學生注意知識間的聯系，建立相關的知識體系，從整體上進行把握。