虛擬現實技術在生物學教學中的應用

張曉敏

摘? 要 探討虛擬現實技術在生物學教學中的應用前景、優勢和不足，并采用3D Max軟件制作生物結構的三維模型，分析該模型在教學中的應用途徑，旨在為生物學教學改革提供參考。

關鍵詞 虛擬現實技術;生物學;3D Max;智慧校園;實驗

中圖分類號：G633.91??? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）19-0036-03

1 前言

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是利用三維建模技術和計算機圖形技術模擬真實世界的物體和情景而建立的計算機仿真系統，具有真實性、虛擬性和沉浸性的特點。2017年1月，國務院公布的《國家教育事業發展“十三五”規劃》提出，支持各級各類學校建設智慧校園，綜合利用虛擬現實技術、教育大數據、人工智能探索未來教學新模式。這是國家在教育發展規劃中首次提及虛擬現實技術，并為虛擬現實技術與教育融合提供了諸多政策支持。虛擬現實技術能夠使微觀世界宏觀化，抽象的事物形象化，虛擬的物體實物化。因此，很多公司和教育機構也在積極探索虛擬現實技術在各門課程教學中的應用。虛擬現實技術與生物學教學相結合，是現代教育技術的一大突破，促進傳統教育方式改變，支持教育模式變革。

2 傳統生物學教學的不足

生物學主要研究動植物的結構、生理行為、遺傳發育等內容，其中涉及眾多微觀和抽象結構，這些結構大多是看不到、摸不著的，學生對其沒有感性認識，較難理解和記憶，因此常常成為中學生望而生畏的內容。在常規課堂教學中，教師一般都是借助于圖片演示、動畫和模型教具來進行講解，但常常會因觀察角度有限和結構疊加而導致學生看不明白。同時，由于學生對抽象的微觀結構沒有直接經驗的支持，只能在頭腦中通過自己的想象去還原，因此，不同學生還原的結構可能會有很大差別，造成學生很難對生物微觀結構有一個準確統一的認識。

實驗教學是生物教學中必不可少的環節，但是很多學校存在不重視實驗教學，實驗課時偏少，儀器設備陳舊，實驗難以開展的情況[1]。同時，一些實驗內容因受實驗條件的限制而不能在常規教學中開展;還有些實驗因研究對象是一些生物微觀層面的結構或過程，通過常規實驗無法顯示。對于難以開展的實驗，在傳統教學中往往以學生閱讀書本或者教師講解的方式代替真實的實驗操作。這種教學方式造成學生對研究對象缺乏真實的感知體驗，無法深入地理解和掌握知識點。

眾所周知，多媒體技術為生物學教學提供了新的方法，它通過圖像、視頻等演示生物結構和生物反應過程，能夠提高學生的學習興趣。但是多媒體主要是展示性的，要按照預先設計好的內容依次進行演示，而學生只能按照固定流程進行瀏覽和學習，在學習過程中的參與性非常低。

3 虛擬現實技術教學應用的意義

首先，虛擬現實技術的交互性克服了多媒體的缺點，提高了學生的參與度，使學生由被動接受轉變為主動探索，最終提高學生的創新思維和創新能力。由于計算機圖形技術的發展，不僅使得虛擬仿真程序能夠模擬出形象直觀的交互式學習環境，提供圖文聲像并茂的多種感官綜合刺激，還能夠使微觀世界宏觀化、二維圖像立體化、抽象世界具體化，故能極大提高學生的學習熱情[2]。

其次，虛擬現實技術若應用于教學中，教師就可以根據教學內容的需要有針對性地設計虛擬教學過程，讓學生身臨其境地進入虛擬的微觀世界，感受細胞結構的質感，體驗細胞代謝過程的神奇，進行知識探究，從而使學生獲得真實的體會，豐富感性認識，真正激發學習興趣和熱情，增強學習體驗。

再次，在虛擬現實技術提供的良好人機交互中，即使學生在學習中出現錯誤，也可以自行了解錯誤的原因及后果，最終發現解決問題的方法。

最后，虛擬實驗還可彌補教學設備的不足，避免真實實驗或操作帶來的各種危險[3]。而且虛擬實驗的學習者完全不受時間、地點、場地的限制，可以隨時隨地進行學習。

4 虛擬現實技術在生物學教學中的應用前景

虛擬現實技術應用于生物學教學具有多方面的優勢。

首先，虛擬現實技術為教師提供一種全新的工具，利用它能夠將生物體的結構特點清晰地展現在學生面前。虛擬現實技術的沉浸性特征能夠使學生置身于一種逼真的虛擬環境中，就像在真實的客觀世界中一樣，能給學生帶來身臨其境的感覺，可以讓學生觀察生物世界的各種特征結構，尤其適合生物學中的微觀結構和生物原理的展示，如細胞的結構、細胞分裂過程、生物反應過程、基因表達等過程，都可以通過虛擬現實技術生動形象地呈現在學生面前。而這些內容在傳統課堂上大都需要借助課本示意圖、顯微鏡下觀察圖、動畫、視頻等形式輔助講解，且學生看到的多是二維圖像，雖然能夠較為準確地反映知識本質，但不夠生動。因此，虛擬現實技術以其高精度的虛擬性和超強的感官體驗，使傳統教學中只能憑記憶、想象、簡單模擬等掌握知識的狀況得以改變。

其次，虛擬現實技術的交互性能夠讓學生在電腦產生的虛擬世界中，利用一些虛擬現實傳感設備與虛擬模型進行交互，感覺就和在真實世界中一樣。這樣一來，學生會產生非常大的興趣，主動去探索知識，而不是單純地被動接受。學生可以在虛擬環境中操控三維模型，完成現實生活中無法實現的操作，讓學習過程變得游戲化、情境化，因此可最大限度激發學生的學習熱情。

再次，虛擬實驗不僅可以展示常規的生物學實驗，而且可以演示因實驗條件比較苛刻、實驗操作比較危險而不易實現的實驗內容。虛擬現實技術能對實驗場景進行再現，其高度的逼真性和現實體驗感讓效果非常真實。

最后，虛擬現實技術的構想性特性能夠拓寬學生的認知范圍，具有廣闊的想象空間，不僅可以再現真實世界存在的事物，而且可以隨意構想客觀不存在的情景，甚至是現實世界不可能發生的情景。這種特性能夠使學生深深地沉浸在獲取新知識的過程中，可以提高學生的感性和理性認識，從而使學生深入掌握生物學的概念和萌發新的聯想，啟發學生的創新思維。

虛擬現實技術在教學中的應用方式，需要根據不同的教學內容進行設計。在生物學教學中需要進行分子結構三維展示、細胞結構和細胞器三維展示、虛擬場景構建、三維動畫演示等。虛擬現實技術可以將生物分子的結構數據轉變成分布在空間的三維分子模型，讓人們浸沒在分子世界，并能和它進行互動;可以制作各種生物體的三維模型，讓學生通過三維模型識別生物的結構特征;還可以將漫長的生物生長發育過程以三維動畫的形式展示出來，讓學生掌握形象生動的生物規律。

生物三維模型是實現虛擬仿真教學的基礎和關鍵，它決定了虛擬仿真程序的實用性。3D Max是基于PC系統的3D建模和渲染軟件，可用來制作物體的三維模型、三維場景和三維動畫，廣泛用于影視、工業設計、醫療、輔助教學等領域[4]。采用3D Max制作生物的微觀結構模型（圖1），并將三維模型導入Unity 3D軟件進行三維模型的設置和交互編程。Unity 3D不僅可以將三維模型進行透明、半透明、隱藏等設置，將內外不同的結構進行差異化顯示，還可以對三維模型進行360°旋轉、放大和縮小等操作。設置完成后將虛擬交互程序導出，形成可以獨立運行的軟件，就能夠在電腦上或者網絡上運行。

DNA分子的三維模型可以用于“遺傳的分子基礎”一章的教學。如圖1A所示，DNA分子的結構和復制過程比較抽象，傳統的教學方法很難準確演示DNA結構，也難以模擬整個復制過程。利用DNA分子三維模型，學生能夠直觀地觀察到DNA的結構，感受和理解DNA復制的過程。如圖1B所示，神經元三維模型可以用于“動物生命活動的調節”一章的教學，通過三維模型，能夠觀察到神經元的胞體、樹突、軸突和髓鞘等結構。如圖1C所示細胞膜的三維模型，可用于“細胞的結構”一章的教學，讓學生借助細胞膜三維模型，仔細觀察磷脂雙分子層結構和以不同深度鑲嵌在磷脂分子層中的蛋白質，這樣整個細胞膜的結構都可以盡收眼底，就像拿著真實的細胞在進行觀察一樣。通過觀察這些三維模型，教師不用再描繪太多場景，學生不用再像以前那樣憑空想象生物結構，就能身臨其境地進行學習。

當然，虛擬現實技術應用于生物學教學中有不可替代的優點，但它的不足也是不容忽視的，例如：目前的虛擬現實技術硬件功能相對落后，設備操作精度有待提高，電子筆必須對準要拖拽的物體才能進行操作;VR眼鏡長時間佩戴會有眩暈感，容易疲勞;生物學的虛擬現實資源還比較匱乏，虛擬化軟件水平參差不齊，制約著虛擬現實技術在生物學教學中的應用;高質量的可用的商業化教學軟件需要很多專業人員進行制作，但由于精力和專業限制，很難制作出理想的軟件。

5 結語

綜上所述，虛擬現實技術適用于生物學教學，但是要達到良好的教學效果，需要做到以下幾點。

1）要注重教學內容和素材的選擇。并不是所有的教學內容都適用于虛擬現實教學，選擇適合虛擬現實技術展示的生物體結構，尤其是一些較復雜的、需要從宏觀到微觀進行層層分離的結構和需要場景展示或操作過程的知識，用VR觀察效果比較好。

2）設計的虛擬現實交互程序不能太復雜。由于三維模型會占用大量硬件資源，因此在展示出教學內容的前提下，要盡量簡化三維模型的面數和簡化虛擬交互程序的操作。只有這樣，才容易讓學生在短時間內理解所學知識，也便于設計程序的推廣應用。

隨著計算機硬件的發展，三維建模和動畫技術的不斷進步，軟件應用的不斷完善，虛擬現實技術在教學中的應用會越來越廣泛，對未來的生物學教學發揮不可估量的作用。

參考文獻

[1]郝琦蕾，李妙娜.高中生物實驗教學現狀的調查研究[J].教學與管理，2016（6）：30-34.

[2]徐碩，孟坤，李淑琴，等.VR/AR應用場景及關鍵技術綜述[J].智能計算機與應用，2017（6）：28-31.

[3]孫毅超，王藝璇，朱紹瑞，等.虛擬現實技術在教育領域的發展與困境[J].高教學刊，2017（4）：193-194.

[4]莊鋼波.3D MAX技術在虛擬場景設計中的應用[J].山東工業技術，2015（11）：125.

[5]趙一鳴，郝建江，王海燕，等.虛擬現實技術教育應用研究演進的可視化分析[J].電化教育研究，2016（12）：26-33.