虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)在生物教學上的應(yīng)用研究

羅秋嫻

摘要：生物學亦稱生物科學或生命科學，是研究生物各個層次的種類、結(jié)構(gòu)、功能、發(fā)育和起源進化以及生物與周圍環(huán)境關(guān)系的一門自然科學，研究的對象具有種類的多樣性，但大多數(shù)情況下卻難以親身觸摸，從而學生對其科學規(guī)律的把握也產(chǎn)生了一定的難度。虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)可利用電腦完整的構(gòu)造出一個與現(xiàn)實環(huán)境完美吻合的虛擬環(huán)境，讓學生身臨其境，進一步增加生物課堂教學的真實感，通過觸覺、視覺及聽覺等全方位認識生物知識，掌握最新的技能和學習未知的知識，VR技術(shù)在生物教學上的應(yīng)用有十分廣闊的前景。本文通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要特征和基本定義的介紹，同時對VR技術(shù)應(yīng)用于生物教學的理論基礎(chǔ)進行了深入分析，并提出了現(xiàn)有問題及展望，最終達到使VR技術(shù)與現(xiàn)代生物教學完美結(jié)合的目的。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；生物教學；應(yīng)用；研究

近年來，虛擬現(xiàn)實VR（VirtualReality）技術(shù)是迅猛發(fā)展的一門新興技術(shù)，八十年代末期首次提出，是當前熱門的研究領(lǐng)域之一[1]。在生物教學過程中，VR技術(shù)通過使學生戴上數(shù)據(jù)手套和頭盔顯示器等交互先進設(shè)備，從而使其置身于虛擬生物環(huán)境中，成為該環(huán)境中的一份子。學生與虛擬生物環(huán)境中的各種研究對象的互動，就類似于在現(xiàn)實生物環(huán)境內(nèi)一模一樣。當學生觸摸物品時，仿佛有現(xiàn)實世界中的觸感；當其移動頭部時，虛擬生物環(huán)境中的景象也實時地跟隨其的移動而變化，當學生拿起物體，便可使物體隨著手的移動而進行定向運動，同時還可以聽到三維仿真聲音[2]。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入教學中是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，也是教學輔助手段改革的一個重要方面。生物教學過程中呈獻知識信息是極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而VR技術(shù)在呈獻知識信息方面有著獨特的優(yōu)勢，它不僅可以在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的體驗，從而加速和鞏固學生學習知識的過程；另外，利用VR技術(shù)的一系列優(yōu)點，與現(xiàn)代生物教學的完美融合，能更好的使學生掌握課本知識，并能身臨其境的感受原本抽象的理論知識，使生物教學的質(zhì)量大幅度的提升，由此看來，VR技術(shù)在教育領(lǐng)域有非常重要的發(fā)展前景。

一、VR技術(shù)概述

1.VR技術(shù)的基本定義

虛擬現(xiàn)實（VR-VirtualReality）技術(shù)是在計算機仿真技術(shù)、計算機圖形學多媒體技術(shù)以及傳感技術(shù)、人機接口技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型技術(shù)，又稱靈境技術(shù)，在生物教學過程中，學生可以操縱分子模型，觀察分子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)；學生以最真實的方式與虛擬環(huán)境中的生物研究對象進行相互和體驗作用，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗。VR技術(shù)的基本定義為使用者可通過自然動作來與虛擬環(huán)境發(fā)生交互作用；VR技術(shù)中的實體并不是客觀實際存在的，而是由電腦通過相應(yīng)的計算方法來生成的；VR技術(shù)需要依靠專業(yè)的傳感設(shè)備來進行交互作用[2-3]。

2.VR技術(shù)的特點

VR技術(shù)具有多感知性、交互性、臨場性和構(gòu)想性、沉浸性的特點。

（1）多感知性。多感知性是指由于VR系統(tǒng)中擁有觸、視、動及聽覺的傳感及反應(yīng)裝置。因此，使用者在虛擬環(huán)境中可以獲得觸覺、視覺、動覺和聽覺等多種感知，從而達到身臨其境的逼真體驗[3]。

（2）交互性。交互性指的是使用者利用計算機的輸入設(shè)備向VR軟件發(fā)出指令，VR軟件接受到指令，并智能的做出精確分析，進而更新虛擬世界[3]。

（3）臨場性。臨場性的意思是在參與者與虛擬世界進行交互的同時，由于在頭盔顯示器、數(shù)據(jù)衣及數(shù)據(jù)手套的共同作用下，虛擬系統(tǒng)將使用者置身于一種隔離的環(huán)境中，并在這種環(huán)境中使用者的眼、語言、頭、手及身體的運動都會使虛擬環(huán)境中的聲音與圖象實時地隨之變化[3]。

（4）構(gòu)想性。構(gòu)想性主要是指在計算機圖形學的基礎(chǔ)上實現(xiàn)真實場景的三維立體顯示[3]。

（5）沉浸性。沉浸性又稱臨場感或存在感，是指用戶全身心投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，利用一切感覺去體會該環(huán)境，讓用戶如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。在此情境下用戶可以更清晰地觀察所研究的對象，將抽象的數(shù)據(jù)信息變換為現(xiàn)實的體驗，從中獲取知識[3]。

二、VR技術(shù)在生物教學中的運用

利用VR技術(shù)不僅僅可極大的使教師的教學更方便，而且可為學生提供更加豐富多彩的學習資源以及更與眾不同的新型學習方式。例如在生物教學過程中將一些原本抽象的概念，在虛擬環(huán)境的模擬下逼真呈現(xiàn)，使教師和學生可使其具體化，從而大大提高了學生的掌握能力及理解能力。

1.VR技術(shù)在生物教學中的應(yīng)用優(yōu)勢

（1） VR技術(shù)能完善生物教學硬件的不足。在生物現(xiàn)實的教學過程中，經(jīng)常會遇到實驗場地、實驗工具、教學經(jīng)費等等一系列的限制，從而使一些必要的實驗活動和教學環(huán)節(jié)無法及時開展。如在講述分子結(jié)構(gòu)時，虛擬生物分子模型可以虛擬DNA四大堿基的雙螺旋結(jié)構(gòu)并形象地展示各堿基的配對所構(gòu)成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。使學生身臨其境，增加學習興趣，樂在其中。

（2） VR技術(shù)可模擬顯現(xiàn)現(xiàn)實存在。在普通的教學過程及實驗過程中，很難呈現(xiàn)生物的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如細胞的組成，分子的結(jié)構(gòu)等微觀世界的呈現(xiàn)，針對這些生物研究問題，完全可以利用VR技術(shù)，構(gòu)建模型，對有關(guān)對象進行深入研究。這種教學方式通過短片的方式在教學中收到了較好的效果，但也有它的不足，學生作為學習的主體，只能在旁觀者的角度來被動參與；而通過沉浸型VR技術(shù)，學生們可以真正獲得置身于現(xiàn)實的感覺，甚至能融入到實驗過程中，不論針對課程教學還是科普教育來說，這種方式的成效是極為明顯的，更受學生們的歡迎。

（3）VR技術(shù)有利于打破時間、空間對教學的限制。VR技術(shù)可以將一些長時間或長期的變化過程壓縮到可接受的時間里呈現(xiàn)給學生。像細胞內(nèi)部構(gòu)造等知識的教學或?qū)嶒炑芯烤湍軌虻靡孕蜗蟮倪M行。使學生可以形象直觀的了解細胞組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分的詳細情況。

2.VR技術(shù)給生物教學帶來的轉(zhuǎn)變

在VR技術(shù)誕生前，學習主要方式有兩種：（1）通過實踐作用于現(xiàn)實世界進行學習；（2）利用課本、課堂進行間接學習[4]。隨著日新月異的現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展，VR技術(shù)的出現(xiàn)為人類提供了一個虛擬世界，使得我們可以更好地學習知識。VR技術(shù)作為一種全新意義上的教學媒體應(yīng)用于生物教學，將促使教育環(huán)境、教育形態(tài)和教學過程的基本要素及相互關(guān)系發(fā)生重大變化[5]。endprint

（1）生物教學觀念的變化。傳統(tǒng)的生物教學是以老師為主要中心，處于被動的學習的為學生群體。由老師對生物教學內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、教學方法來進行單方面的決定，VR技術(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)生物的教學方式，使教師成為主導(dǎo)角色，讓學生擔任主體角色。VR技術(shù)一方面為創(chuàng)造以學生為中心的別出心裁的教學的環(huán)境提供了可能，另一方面以教師為中心的授課形式將會被顛覆。使學生真正成為學習的主人。將VR技術(shù)引入教學，改進生物教學方法，將學生的學習主動化，使教學觀念發(fā)生了極大的變化[6]。

（2）生物教學內(nèi)容的變化。由于VR技術(shù)的引用，從內(nèi)在結(jié)構(gòu)和外在形式上看，生物教學內(nèi)容均產(chǎn)生了極大的變化。從外在形式來看，由現(xiàn)有人機交互功能的VR技術(shù)代替原先的錄音、錄像[7]；另外可以借助VR技術(shù)系統(tǒng)的強大功能，對一些微觀實驗及實現(xiàn)不了的模型，進行虛擬仿真建造。學生在使用VR技術(shù)后，可進一步接近人類認知特點的方式去構(gòu)建知識框架、組織教學內(nèi)容。

VR技術(shù)不僅能將生物教學內(nèi)容的組織形式和內(nèi)容呈現(xiàn)的復(fù)雜性和多樣性高效的結(jié)合起來，并能為學生提供一種開放且動態(tài)的認知新模式，這其中既包含了生物學科的基本內(nèi)容，與此同時也包括了生物學科內(nèi)容的邏輯關(guān)系[8]。

（3）生物教學手段的變化。生物教學手段直接對生物教學效果產(chǎn)生影響，是保證教學任務(wù)的重要途徑。VR技術(shù)使得生物教學手段更具科學化，同時能夠更直觀、形象地使多重感官接受刺激，并獲得大量有效地視聽覺學習材料[8]。VR技術(shù)為學生提供了豐富多彩、直觀形象的學習思維材料，讓學生觀察到在現(xiàn)實生活中無法直接觀察到的生物研究對象。

三、VR技術(shù)在生物教學應(yīng)用中存在的問題及展望

1.VR技術(shù)存在的問題

VR技術(shù)的自由度及靈活性均不強[9]，在一定程度上，很難使學生將已建立的知識結(jié)構(gòu)遷移至新的知識結(jié)構(gòu)中去。使用VR技術(shù)后，多種媒體的信息通過網(wǎng)絡(luò)的超鏈接，就可以接近人類認知特點的方式去組織和展示教學內(nèi)容、構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀的信息組織方式是一種非線性結(jié)構(gòu)，鏈是知識之間的層級邏輯關(guān)系。

（1）VR技術(shù)的效果待加強。我們現(xiàn)階段掌握的VR技術(shù)多表現(xiàn)在幾何方面，對逼真的道具模型仍顯缺少；在感知方面，VR技術(shù)研究更多的表現(xiàn)在聽覺上，在觸覺方面的研究還是較少，真實性與實時性有待進一步加強，其虛擬的效果還存在不足[9]。與真實世界相比，虛擬世界在真實程度方面還有差距，無法提供真實環(huán)境的全部感官刺激，也無法達到如真實世界的真實程度。

（2）VR技術(shù)的社會性障礙。人的社會性決定了人與人之間交往的重要性[10]，即使是通過電腦參與社會活動其交往也仍然存在不足。由于VR技術(shù)進入生物教學的飛速發(fā)展和先進技術(shù)手段的大范圍應(yīng)用，使得我們對這個問題的看法越來越明確，越來越理性。直接交往不可能被人機交往所替代[10]，長時間操作電腦，可能會間接導(dǎo)致學生的人際交往能力大幅下降，這種情況應(yīng)得到廣泛重視，進而避免不良后果的產(chǎn)生。

四、總結(jié)

將VR技術(shù)應(yīng)用于生物現(xiàn)代教學中，具有非常明顯的優(yōu)越性。VR系統(tǒng)可以建構(gòu)許多虛擬人物參與教學交互，這些虛擬人物可以由電腦模擬，也可以由師生自我扮演。通過這種方式，老師可以改變把課本轉(zhuǎn)移到屏幕的教學方法，通過計算機建構(gòu)個性化的虛擬環(huán)境。可以預(yù)言虛擬現(xiàn)實技術(shù)將是繼多媒體、計算機網(wǎng)絡(luò)之后，在現(xiàn)代教育教學過程中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。

參考文獻：

[1]Barbara，Sommer，Robert sommer，Avirtual Lab in reaearch methods[J].Teaching of psychology，2003（30），143-147

[2]Prisciua Norton，karinm，Wiburg，吳洪健譯.信息技術(shù)與教學創(chuàng)新[M]，中國輕工業(yè)出版社，2002，07

[3]百度.虛擬現(xiàn)實技術(shù).http：//http：//www.wenkuxiazai.com/view/95269.

[4]梁琨，黃小麗.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用探討[J].軟件導(dǎo)刊，教育技術(shù)；（3），2008.92

[5]許維新，郭光友，魏吉慶.現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].科學出版社，2004，5

[6]楊景武.基于平面圖像的虛擬現(xiàn)實技術(shù)[J].現(xiàn)代教育雜志，2005（5）

[7]余衛(wèi)紅，陳超.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學中的應(yīng)用及思考[J].軟件導(dǎo)刊.教育技術(shù)，2012，8

[8]袁振國.教育研究方法[M].高等教育出版社，2000，7

[9]趙士濱.虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入高校教學的研究與實現(xiàn)[J].電化教育研究；（2）.2001

[10]張劍平.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的理論與應(yīng)用[M].現(xiàn)代教育技術(shù)出版社，2003，8

[11]朱斌.VR技術(shù)及其在現(xiàn)代教學中的應(yīng)用[J].中國教育信息化，2007，05

（作者單位：廣東省廣州市從化區(qū)從化六中510925）endprint