AR增強現實在高中生物探究教學中的應用

摘要：在倡導以探究性學習為主的高中生物教學中，AR技術對設計與實施有效教學具有重要的啟示與作用，可對促進信息技術在教學過程中的應用提供有效的支撐。

關鍵詞：AR增強現實；高中生物；探究教學；互動

AR增強現實是指運用電腦技術將虛擬信息疊加到真實世界上，實現虛擬對象與真實環境無縫交互的一項技術，給教師提供了全新的方式表達給學生，也用最貼近自然的交互方式為學習者搭建一個自主探索的空間。生物探究教學指的是將生命科學領域的探究引入課堂，使學生通過類似生物科學家的探究過程理解生物科學概念和科學探究的本質，并培養科學探究能力的一種特殊的教學活動，其抽象性一直是生物學習的難點所在，AR則為生物學習構建了微觀與宏觀之間內在聯系的橋梁，它能讓DNA、人體器官等在手中呈現，能讓學生身臨生物探究世界，AR增強現實在生物教學中展現了重要的應用價值。

一、 現實增強簡介

AR能創造數字虛擬和真實世界相混合的浸潤式學習環境，具有浸潤感、交互性、多樣性的特點，其中浸潤感是AR的最本質特征，它能夠使虛擬景象與現實環境無縫整合，置身其中而獲得直接感知；在AR生物實驗中，學生可以利用生物材料和移動設備進行虛實混合的生物實驗，感受遺傳雜交實驗、人體器官解剖、生物進化史等科學研究，并基于AR應用實現人機交互、人人交互，從而加深對概念、結構、性質的理解。其中，Aurasma是一個基于圖像識別的AR應用，該應用可以掃描圖像識別圖，然后跳轉到帶鏈接的視頻、圖片或網站。

二、 應用實例

（一） 應用于生物概念理解與生命過程的探究

概念理解和生命過程的研究是生物科學的熱點內容。必須從細胞生物學、分子生物學去理解生物，才能深入理解生物概念的本質；同時，只有實現了生命過程的“可視化”，才能突破生理活動的障礙，讓學生更好地理解生物科學。在高中生物經常借用模型建構，如概念模型、物理模型、數學模型來反映生命現象本質，如教具染色體物理模型就是研究染色體的可視化工具。學生通過操作實物模型能“看到”DNA和蛋白質，然而這種“可視”還僅僅停留在宏觀層次的放大，無法實現微觀層次的“真實再現”。教師可將眾多FLASH課件動畫錄屏成視頻，通過Aurasma平臺，教師設置識別圖后，學生掃描后在手機上就能呈現DNA雙螺旋結構和蛋白質空間結構，AR能夠呈現實物模型無法呈現的動態、復雜結構，通過屏幕營造出來的“可視化”虛擬物體，學生在移動設備就能達到實時虛實交互，加深了對生物概念及生理過程的理解。

微觀、抽象是一直生命科學過程學習的最大障礙，AR將豐富的虛擬數字信息疊加在真實物體上，在真實物體與虛擬對象之間建立內在聯系，填補抽象概念和具體情境之間的認知差距，因此被認為“最完美的情境腳手架”。如在介紹光合作用過程時，通過AR教學無縫呈現光反應與暗反應景象，讓學生看到水的光解，ATP合成、C3還原從而建構整體概念，尤其在生物抽象概念與結構的教學中，AR教學的浸潤式情境特性，能有效克服學生宏觀、微觀之間認知的障礙，快速建立聯系和建構意義。

（二） 應用于生物實驗的探究

實驗是生物學科的基本特性之一，也是生物學習的重要方法和手段之一，它能夠增進學生對生物知識的理解與應用能力。然而在生物實驗教學中，也存在著空間、設備、安全設施以及教輔人員等諸多限制。基于此，AR虛擬生物實驗對學生的學習態度和實驗技能提高具有顯著促進作用。傳統實驗很難滿足對實驗材料的嚴格要求，例如“觀察植物細胞有絲分裂”的實驗，須提早3天準備培養根尖，且實驗的最佳時間是早上10點左右，此時細胞分裂最旺盛，在實驗過程中由于解離細胞已死亡只能看到靜態的分裂相，種種原因使實驗結果并不是很理想，而結合AR技術所提供的可視化讓學生將觀察到的真實現象與學生看不見的分裂過程之間建立聯系，從而幫助學生從微觀視角對細胞有絲分裂建立直覺觀念并發展微觀層面的解釋能力，以此突破認知障礙。抽象性的理解困難也能得到較好的解決。AR增強現實不僅拓展了生物實驗的時空限制，也能讓學生對危險、復雜的實驗進行實驗學習，有效提高學生的實驗操作能力。

（三） 應用于課堂探究活動學習的研究

探究是科學素養的重要內容，也是一種重要的學習方式。AR所賦予的技術特征和教育價值為生物探究活動學習提供了新的載體，也是提升學生科學素養的重要工具。AR將豐富的情境內容疊加于真實環境之上，情境的真實性、角色的代入性、學習的浸潤性更能促進學生對科學本質的理解。以教學“減數分裂”為例，可以聯系生活生產中的有性生殖并基于學生對細胞分裂的已有認識，學生通過AR呈現學習理解細胞減數分裂過程，提出“性細胞是如何分裂的”這一探究問題。根據已有的知識來作出各種可能的假設來了解學生的錯念，并通過觀察細胞減數分裂的過程來獲得相關的證據，對證據如分裂行為、染色體行為等進行分析與解釋，建立模型，形成對“減數分裂”的理解與建構。其原因在于：模擬和可視化充當了學生情感改變的認知資源，AR與學習者的參與、信念和價值觀則共同構成了浸潤式情境的情感資源。因此，與傳統探究活動相比，基于AR的生物探究活動更能有效地提高學生的科學論證能力和利于科學意識的培養。

三、 反思與建議

作為一項新的教學應用，AR不能簡單完全取代傳統教與學，生物是門實驗科學，實際動手實驗操作不可缺，教師仍必須盡所能帶領學生走進實驗室，AR只能作為生物實驗的延伸和輔助。“AR研究的價值并不在技術本身，而在于技術所賦予學習環境的附加值”。在倡導以探究性學習為核心的高中生物教學中，AR技術無疑對設計與實施有效乃至優質的生物探究教學具有重要的啟示與作用，有助于教與學的方式的轉變，AR對促進信息技術在教學過程中的廣泛應用提供了有效的支撐。

作者簡介：

黃曉冰，福建省南安市，南安市華僑中學。