增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

劉春生

摘要 從AR的概述、基于圖像和基于位置的AR教學(xué)、AR教學(xué)的意義三個(gè)方面進(jìn)行分析，并探討了AR在生物學(xué)教學(xué)的價(jià)值。

關(guān)鍵詞 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 生物學(xué)教學(xué) 學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)C633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

信息技術(shù)時(shí)代正在引發(fā)教育的變革。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）是種新興的技術(shù)，在過去的十年里AR已經(jīng)成為教育研究的熱門話題。將AR應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而創(chuàng)造更高效的學(xué)習(xí)成果。

1 AR的概述

1.1 AR的涵義及其特征

AR以真實(shí)場景為基礎(chǔ)，疊加計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬景象技術(shù)，將虛擬的對(duì)象添加到真實(shí)的情境。它包括三個(gè)基本屬性：將真實(shí)環(huán)境中的真實(shí)對(duì)象和虛擬對(duì)象結(jié)合起來、以交互方式實(shí)時(shí)運(yùn)行、將真實(shí)對(duì)象和虛擬對(duì)象在三維空間整合。AR的誕生是為了彌補(bǔ)虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）完全沉浸于虛幻世界的不足，是VR技術(shù)的延伸。

AR具有可視化、沉浸性、交互性等鮮明特征。可視化是指學(xué)生能夠通過多種不同的視角來觀察虛擬的3D模型，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)虛擬事物的理解。沉浸性是指通過創(chuàng)設(shè)仿真的學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生沉浸在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促進(jìn)其通過主動(dòng)學(xué)習(xí)建構(gòu)自己的知識(shí)體系。交互性則是指AR技術(shù)將虛擬信息與真實(shí)世界融合的過程中，學(xué)生可對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，與學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。與傳統(tǒng)的靜態(tài)學(xué)習(xí)方式相比，AR教學(xué)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度。

1.2 支持AR的工具及設(shè)備

國內(nèi)外已有多家技術(shù)公司提供了支持AR開發(fā)的基礎(chǔ)工具。使用者無需理解底層軟件開發(fā)程序，只需要將AR模塊添加到已有的應(yīng)用程序中，就可以通過已有的基礎(chǔ)工具，設(shè)計(jì)開發(fā)屬于自己的AR軟件產(chǎn)品。目前廣泛使用的AR制作工具包括：Metaio SDK、Wiki-tude SDK、Vuforia等。

此外，也有很多公司開發(fā)出AR整合到移動(dòng)設(shè)備的APP，但并不是專門為中學(xué)生物學(xué)設(shè)計(jì)，因此需要教師挖掘其中恰當(dāng)?shù)膬?nèi)容以服務(wù)于生物學(xué)教學(xué)。這些APP中，具有代表性的包括Plantale，它是一款運(yùn)用AR技術(shù)了解植物生長過程的學(xué)習(xí)軟件。它可以讓學(xué)習(xí)者快速觀察到種子萌發(fā)、授粉、果實(shí)的形成等植物生長的不同階段，了解植物最佳的生長條件，還可觀察植物根、莖、葉和花等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部解剖圖;Frog-gipedia，它是以AR形式提供青蛙解剖過程的軟件。通過Froggipedia，學(xué)習(xí)者可以觀察青蛙內(nèi)臟的位置，通過旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作進(jìn)行3D虛擬解剖。此外，還可觀察由蝌蚪到青蛙的整個(gè)變態(tài)發(fā)育過程;WWF Free river是由世界自然基金會(huì)開發(fā)的AR技術(shù)。它可以將河流以動(dòng)態(tài)的形式呈現(xiàn)在任意平面上，學(xué)習(xí)者可以通過修建和拆除大壩，體會(huì)生態(tài)平衡對(duì)人類生活的影響。其他適用于中學(xué)生物教學(xué)的APP還包括Quiver、Jig space、Complete anatomy等。

從硬件角度看，目前支持AR技術(shù)的設(shè)備可分為三類：①移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)和平板電腦;②固定設(shè)備;③頭戴式顯示器。由于頭戴式顯示器仍十分昂貴并且相關(guān)技術(shù)尚未成熟，因此這項(xiàng)技術(shù)目前在教育中較少使用。相比之下，利用智能手機(jī)開展AR教學(xué)的使用成本相對(duì)較低，且方便快捷。

2 基于圖像和基于位置的AR教學(xué)

中學(xué)生物學(xué)具有抽象性和微觀性的特征。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，抽象的生物學(xué)概念和復(fù)雜的生命現(xiàn)象對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)具有挑戰(zhàn)，即使教師借助實(shí)物模型、圖片、動(dòng)畫等也會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生距離感。相比于信息化講授式教學(xué)，AR體驗(yàn)式教學(xué)更能為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，微觀抽象的概念和生物學(xué)現(xiàn)象能立體地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，有利于學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念理解，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

根據(jù)AR的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以將AR分為基于圖像的教學(xué)和基于位置的教學(xué)，這兩類教學(xué)方式在某些教學(xué)內(nèi)容中可以混合使用。

2.1 基于圖像的教學(xué)

基于圖像的AR教學(xué)是將抽象的生物學(xué)概念轉(zhuǎn)化為真實(shí)的元素，其作用是豐富學(xué)習(xí)資料，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解和空間認(rèn)知。

例如，在2019年版人教版《必修1.分子與細(xì)胞》第三章第二節(jié)“細(xì)胞器之間的分工合作”中，通過AR提供植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)習(xí)時(shí)不僅呈現(xiàn)出各個(gè)細(xì)胞器的立體結(jié)構(gòu)，還呈現(xiàn)出細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)。學(xué)生可通過指尖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作進(jìn)而觀察葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)。在拖動(dòng)任意的細(xì)胞器時(shí)，會(huì)播放該細(xì)胞器的特征及功能。在“實(shí)踐·探究”欄目中的“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)”，學(xué)生僅需觀察AR學(xué)習(xí)環(huán)境中線粒體和細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)就可完成學(xué)習(xí)任務(wù)，無需借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)配合部分，分泌蛋白的合成與運(yùn)輸過程更為抽象。僅借助傳統(tǒng)的Flash動(dòng)畫，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生距離感，不利于學(xué)生對(duì)分泌蛋白的合成和運(yùn)輸整體過程的掌握。在AR的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生可點(diǎn)擊“分泌蛋白的合成和運(yùn)輸”按鈕，就可身臨其境地觀察，分泌蛋白在核糖體中以氨基酸為原料進(jìn)行多肽鏈的合成，接著轉(zhuǎn)移到粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)繼續(xù)合成加工、折疊，形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì);再由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鼓出形成囊泡，包裹著蛋白質(zhì)離開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到達(dá)高爾基體進(jìn)一步加工修飾;最后由高爾基體膜形成包裹著蛋白質(zhì)的囊泡，轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜，與細(xì)胞膜融合，將蛋白質(zhì)分泌到細(xì)胞外。

在生物學(xué)教學(xué)中進(jìn)行AR體驗(yàn)式教學(xué)，學(xué)生不是單純地觀看教師在課堂中演示動(dòng)畫，而是更多地參與到整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，通過手控、眼觀、耳聽等多感官的沖擊，體會(huì)植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞中細(xì)胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)及分工合作。在這個(gè)過程中，學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取不再是被動(dòng)接收，而是主動(dòng)觀察，提高了學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解。

2.2 基于位置的教學(xué)

基于位置的AR教學(xué)通常是通過移動(dòng)裝置和地理定位系統(tǒng)，當(dāng)學(xué)習(xí)者到達(dá)確切的位置時(shí)，就可以將相應(yīng)的信息進(jìn)行聯(lián)系。基于位置的AR通常用于開展探究性學(xué)習(xí)，更注重學(xué)習(xí)者與真實(shí)環(huán)境的交互。

例如在2019年版人教版《必修2.遺傳與進(jìn)化》第六章第二節(jié)“自然選擇與適應(yīng)性的形成”中，在AR提供的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生可扮演達(dá)爾文乘坐貝格爾號(hào)進(jìn)行環(huán)球航行。每當(dāng)?shù)竭_(dá)特定的位置，會(huì)有相應(yīng)的信息提示學(xué)生觀察化石、鳥類等生物的性狀，會(huì)播放達(dá)爾文到達(dá)相應(yīng)位置的想法。在進(jìn)入AR環(huán)境前，教師需使學(xué)生以達(dá)爾文踏上航行之旅前的觀點(diǎn)進(jìn)入情境，即認(rèn)同上帝設(shè)計(jì)了大自然的生物，認(rèn)可物種不變論。

場景一：體驗(yàn)達(dá)爾文由嘲鶇標(biāo)本確定物種是進(jìn)化的。學(xué)生可經(jīng)過“航行”到達(dá)加拉帕戈群島，收集島上不同喙的嘲鶇，觀察不同嘲鶇進(jìn)食的區(qū)別。播放達(dá)爾文的思考“這些嘲鶇長像如此相似，卻又存在不同。這些鳥可能是同一物種的變種，但這種猜想似乎與物種不變論存在矛盾”。接著，學(xué)生模擬達(dá)爾文“回到”英國，將嘲鶇的標(biāo)本交由英國頂尖博物學(xué)家驗(yàn)證。博物學(xué)家告訴達(dá)爾文“嘲鶇屬于不同的物種”。此時(shí)，播放達(dá)爾文的思考“嘲鶇屬于不同的物種，那么它們可能是由同一物種演化而來，這樣物種就是可變化的”。

場景二：體驗(yàn)達(dá)爾文由馬爾薩斯的人口論，提出自然選擇是物種進(jìn)化的原因。學(xué)生模擬達(dá)爾文閱讀馬爾薩斯對(duì)人口變化的觀點(diǎn)：如果沒有戰(zhàn)爭或疾病的影響，人口將會(huì)持續(xù)增加，直到食物用盡為止。到時(shí)將會(huì)出現(xiàn)生存斗爭，只有聰明、強(qiáng)壯和精力充沛的人才能活下來，柔弱懶散的人將會(huì)滅絕。資源競爭對(duì)優(yōu)秀者較為有利。此時(shí)，學(xué)生耳邊響起達(dá)爾文的思考“假設(shè)物種可以隨時(shí)間改變，在漫長的時(shí)間變化中，一些物種會(huì)隨著時(shí)間滅絕，同時(shí)也會(huì)有新的物種形成。生存斗爭不僅存在于不同的物種，還可以存在于相同物種。在有限的自然資源中，生物在生存繁殖上略占優(yōu)勢(shì)的特征，較有可能代代相傳下去。久而久之，這些特征就會(huì)適應(yīng)自然而改變，進(jìn)而帶來了物種的進(jìn)化。”

在AR情境下，學(xué)生跨越了時(shí)空的限制，跟隨達(dá)爾文進(jìn)行環(huán)球旅行，經(jīng)歷了達(dá)爾文在物種進(jìn)化時(shí)的思想轉(zhuǎn)變的過程，體會(huì)到達(dá)爾文在研究物種進(jìn)化過程時(shí)的敏銳的觀察力，嘗試體驗(yàn)科學(xué)家進(jìn)行探究時(shí)的思維方式，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維。

3 AR應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)的意義

3.1 增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在推動(dòng)力，而學(xué)習(xí)環(huán)境是影響學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的重要因素。通過AR技術(shù)將生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可視化的3D圖像、視頻等內(nèi)容，與真實(shí)場境進(jìn)行疊加融合。Pedaste認(rèn)為在探究性學(xué)習(xí)的背景下，AR能使學(xué)習(xí)者具有更高的動(dòng)機(jī)和更積極的情緒。段延等在教學(xué)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)AR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、培養(yǎng)積極主動(dòng)的探索精神具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3.2 有利于學(xué)生學(xué)業(yè)成績提高

AR在課堂教學(xué)的過程中能將抽象的生物學(xué)概念轉(zhuǎn)化為直觀的元素，促進(jìn)學(xué)生對(duì)抽象概念的理解。許多研究表明在科學(xué)教育中使用AR技術(shù)有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。如李青等人開發(fā)了基于AR的移動(dòng)學(xué)習(xí)應(yīng)用程序AR Tool，將其應(yīng)用于“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明.進(jìn)行AR教學(xué)的實(shí)驗(yàn)組學(xué)習(xí)成績遠(yuǎn)高于對(duì)照組。張韶宸等人對(duì)111名五年級(jí)學(xué)生采用基于AR的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)模式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于AR的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)指導(dǎo)方法能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績。

3.3 降低教學(xué)成本

在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的過程中會(huì)涉及大量的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備等，且存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)效果難以掌控的現(xiàn)象。利用AR技術(shù)可以在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可極大地降低對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備的投入成本，增加實(shí)驗(yàn)的可操作性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，節(jié)約教學(xué)成本。

4 小結(jié)

從感知角度來看，AR不僅拓展了人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)能力，還能打破了現(xiàn)有空間的限制，重視生物學(xué)史中重要的探究場景。這使得生物學(xué)教學(xué)可以呈現(xiàn)出多樣化、形象化、立體化的特征，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的理解，經(jīng)歷了科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究的思維過程。盡管AR在生物學(xué)教學(xué)中已經(jīng)顯示出巨大的潛力，但教育工作者仍需了解如何設(shè)計(jì)和利用AR進(jìn)行教學(xué)，促使AR更好地融入生物學(xué)教學(xué)。

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