VR技術在初中生物教學中的應用分析

佛山科學技術學院 廣東 佛山 528000

引言

2013年，一款為電子游戲設計的頭戴式顯示器Oculus Rift經眾籌開發問世，因其技術上的革新與飛躍，人們的視野被重新拉回到了VR領域。此外人驚喜地發現，VR所需的配套技術在近年來已經默默地實現了重大的突破。其中最突出的是5G技術的快速發展和算力的提升，困擾著VR技術的清晰度、延遲、舒適度、成本等問題都將被極大改善，這將會促進VR技術設備在教育行業快速普及。

VR技術運用于教學中可以利用虛擬現實的創造便于學生理解抽象的、缺乏生活聯系的知識。而生物學科的教學涉及生物結構、遺傳發育、生物實驗等內容，并包含大量微觀、宏觀的抽象模型，學生很難通過觀察現實生活來學習并理解知識。VR技術以其“3I”特性能夠很好地彌補傳統生物教學手段的不足，幫助學生更好地理解抽象概念與實驗。

1 VR技術分析

1.1 VR技術及其特征

在國際上，虛擬現實技術被稱為Virtual Reality，簡稱VR。在國內也稱靈境技術。虛擬現實技術是以計算機技術為核心的技術，利用多種物理傳感器，以用戶的感官為中心，為用戶創造一個具有視覺、觸覺、聽覺、甚至嗅覺的有高度真實感的三維虛擬環境，用戶可以通過硬件設備實現與虛擬環境的交互，使用者具有獨立性，可以為用戶帶來身臨其境的沉浸式體驗。

虛擬現實技術最突出的三個特征簡稱“3I”，分別為沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、構想（Imagination）。

沉浸性是虛擬現實技術最主要的特征，當使用者感知到虛擬環境的刺激時，其感知會產生思維共鳴，從而造成心理沉浸，給使用者身臨其境的深度沉浸體驗。

交互性指VR使用者可以通過硬件設備與構建的虛擬環境中的對象進行操作，同時虛擬環境按照編定的程序通過設備給予使用者信息反饋，實現人機的交互。

構想性指資源開發人員可以通過建模來建構我們客觀世界不存在的場景，以此來延伸使用者的感知范圍，因此也稱為想象性。

1.2 VR設備的基礎結構

處理器。處理器是VR系統的核心，根據陀螺儀數據來計算適用者的姿態定位，為跟上使用者的動作，VR顯示設備的刷新率需要達到90Hz以上才能避免因刷新頻率低跟不上使用者視覺變化而產生的眩暈感。高刷新率和大量瞬時姿態數據都需要依靠強大性能的處理器運算，所以VR設備的處理器芯片性能指標至關重要。

顯示器。根據處理器的處理結果，實時分別為用戶呈現左右眼圖像。顯示器的分辨率也是影響顯示效果的一個因素，分辨率低于12600×6000就會產生紗窗效應。VR眼鏡（人眼會直接看到顯示屏的像素點，就好像隔著紗窗看東西一樣）[2]。目前市場主流顯示器配置達到了雙目3k屏（2880x1600），紗窗效應能夠有效緩解。

凸透鏡。VR設備的顯示器距離人眼過近，人眼難以聚焦顯示器。凸透鏡片的目的就是通過折射光線，將顯示器上面的圖像正確拉近到人眼視網膜的位置，是使用者能輕松看清幾乎貼在眼前的顯示屏。

陀螺儀。檢測使用者的實時動作，轉化為數據，傳遞給處理器，輸出符合使用者視角的畫面，能檢測3dof（degree off reedom，即自由度，指三個轉動角度的自由度）的數據。在更復雜的VR設備中，陀螺儀配合其他傳感器、攝像頭一同定位使用者的空間姿態，轉化數據，能夠實現6dof（除了三個轉動角度外，再加上位置相關的三個自由度，即上下、左右、前后）的數據監測。

1.3 VR設備分類

目前根據VR設備的具體實現方式，將VR設備分為三大類：

手機盒子（嵌入機，Screen less Viewer）。是體驗VR入門設備。基本都是3dofVR。它利用使用者的手機來完成處理器、顯示器、陀螺儀的工作，而VR眼睛本身只提供一個凸透鏡，和自身的支架作用，效果較差，但成本極低。

圖1 手機盒子VR設備結構

VR頭戴顯示器（PC VR,TetheredHMD）。相對于入門體驗級的手機盒子，VR頭戴顯示器則是較為高端的VR設備。它依靠電腦的CPU和顯卡運算，能達到優秀的顯示效果。借助傳感器、和定位攝像頭能實現6dof的圖像顯示。

圖2 頭戴式VR設備結構

一體機（StandaloneHMD,AllinoneHMD）。一體機使用移動芯片（如高通驍龍系列）來進行突刺昂定位和運算。不需要額外插入手機，擺脫了外部設備的束縛，有很強的便攜性。但目前大部分一體機都是頭部3dof+手柄3dof，位置空間的數據需要依靠手柄來捕捉。

圖3 VR一體機設備結構

2 傳統生物教學模式的局限性

初中階段生物教學的內容主要研究生物的結構、生理行為、遺傳發育生態系統等內容，其中包含了很多抽象的模型結構，如動植物的細胞模型，生物圈的概念等。傳統生物教學一般采用幻燈片加語言描述的方式進行教學，但往往教師的教學資源陳舊，清晰度不高，可視角度不佳，導致學生的直觀體驗不佳，只能被動地接受知識，對于知識的理解不夠透徹，不利于掌握知識。

此外，生物學科中的宏觀與微觀世界由于難以與學生的實際生活聯系，而且學生缺乏直接經驗的支撐，對這類間接的抽象知識的學習往往停留在死記硬背的層面上，并沒有達到理解記憶的程度。這類知識的教學對于教師來說也是教學難點，只能依靠教師直觀語言的講解和一些圖片來進行教學。

實驗教學是生物學科教學的一大重點，很多生物實驗由于實驗條件不達標，時間周期長，操作危險系數高，失誤率高等原因，不能在日常教學工作中進行，往往用教師的語言講解配合相關視頻資料進行替代，學生缺乏實踐操作經驗，不能很好地深入理解知識。

3 VR技術在生物教學中的應用

3.1 理論基礎

建構主義認為，一個學習主體在學習知識時，并不是簡單被動地吸收，而是要加進自己的認知和反映在里面，有意義的建構是整個學習過程的最終目標。教師是學生學習的輔助者，教師要綜合外界環境的作用，幫助和促進學生的有意義建構。借助虛擬現實技術可以為學習者創造出虛擬的學習環境，給予學習者以各種感官多維度的信息刺激。并且學習者可以與虛擬環境中的各種對象進行操作，系統給予反饋[3]。在基于虛擬現實技術構建的虛擬三維學習環境能使學習者獲得最大限度地控制和操作整個環境地自由度，充分調動學生的學習興趣和積極性，使學習者能夠主動地探索未知地新知識，并且學習者的行為能影響虛擬學習環境中事件的發展方向，能使學習者獲得更深刻的體驗，更好地理解驗證概念，學習新知識，獲取事物的內在聯系，從而達到有效的意義建構。

3.2 具體應用與教學實踐

（1）創設情境，激發學生學習興趣

建構主義中的情境是指以生動具體的形象為主體的各種學習場景，一般分為教學情境和學習情境[5]。在傳統教學中，教師通常采用情景模擬和實地實習實訓的方式來創設學習情境。情景模擬往往依靠教師單獨完成，成本有限，情景模擬不能全覆蓋新知識，效果難以達到最佳。而實地實習實訓具有空間局限性，難以常態化開展。初中階段，學生的記憶認知飛速發展，對直觀形象的記憶與理解要優于對抽象材料的記憶。基于虛擬現實技術搭建的虛擬學習場景不僅能實現理論知識具象化，抽象原理可視化，而且能夠建立虛擬實習場所，讓學習者身臨其境更加直觀的觀察學習內容與過程。如在學習動植物的細胞結構中運用VR技術，能夠讓學生更加直觀的觀察細胞結構，動態了解細胞各機構的功能，在提升實際操作動手能力的同時，也能充分激發學生學習生物的興趣，為生物學科的學習打下堅實的基礎。

（2）虛擬現實，給予直觀體驗

在傳統的生物教學中，教師使用的現代化教學手段往往只有PPT課件，教師僅能通過圖片將細胞結構呈現給學生。但是借助相關VR設備能給予學生身臨其境的感受，如人教版初中生物七年級上第二單元《動物細胞》與《植物細胞》的教學，借助VR設備與相關的教學資源，就能進入細胞場景之中，以第一視角直觀觀察各個細胞結構以及其功能，體驗細胞單獨的生命活動歷程。在宏觀上，學生可以足不出戶就能穿越大氣層觀察生物圈的組成，可以瞬間淺入海底，去探索《海底兩萬里》的世界。這些真實的虛擬場景給予了學生主動性，使其主動探索，理解記憶相關知識，突破傳統教育的教學難點。

（3）仿真實驗，進行知識發生過程教學

實驗教學是初中生物學科教學的重要組成部分，是培養學生科學邏輯思維和科學探究能力的重要途徑。二在實際的實驗教學中，很多實驗因為實驗設備、時間、場地、安全性等因素并不能切實實施，而VR技術的引入就可以在充分保障學生安全的前提下，打破時間空間的限制。借助VR技術，生物課堂可以將科學家的經典實驗還原。學生跟隨科學家的腳步逐漸探索，一同完成經典實驗，讓學生知識發生的全過程，以更好地培養學生學習科學家刻苦鉆研、用于開拓創新的精神以及探究實踐能力。

4 結束語

隨著VR技術與硬件的高速發展，眩暈、疲勞等使用者生理上不適被極大的改善，將VR技術引入初中生物課堂，豐富了教師的教學手段，使得傳統生物教學中抽象知識點教學變得更加直觀、容易。VR技術體驗的沉浸性、直觀性符合初中階段學生認知發展的特點，能夠幫助學生接觸到平時難以接觸的世界，直觀的觀察所學知識和過程以更好的理解記憶。