虛擬仿真3D動態模型在高中生物教學中的應用探索*

張曉紅國佳欣

（1.太原師范學院生物系，山西晉中，030619；2.江蘇省無錫市堰橋高級中學，江蘇無錫，214000）

新時代是教育改革發展的時代，應樹立新的教育發展觀、質量觀和教學觀，將學科專業與信息技術深度融合，推動線上線下教學相結合的個性化、智能化教學新模式，是提高教學質量的重要手段。教育部“金課”建設要求合理有效運用人工智能、云計算、大數據、物聯網、虛擬現實等信息技術，打造智慧課堂。隨著教育信息化的發展，虛擬仿真技術成為實驗教學改革的熱點之一，教育部《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中明確提出要加強和完善高中生物學教學，充分利用多媒體、互聯網及無線通信技術進行虛擬實驗[1]。通過虛擬仿真（VR）技術與實驗教學深度融合，解決了因資金短缺、時空束縛、危險性強及技術難度較大而無法實驗的教學問題，也打破了資源限制，革新了教學方式，實現了生物學實驗教學新突破[2]。然而在教學中引入虛擬仿真（VR）實驗，與課程合適結合點的教學內容有一定的局限性[3][4]，且內容不能靈活調整，創建逼真場景又耗資巨大，造成優質教學資源依然不足。因此，如何分解知識為“微型化”單元，以虛擬仿真動態模型呈現于課堂教學，使教學內容靈活、耗資減少、資源擴大、講學同步、少量高效，從而提高課堂教與學的效率，則成為影響課堂教學質量的重要因素。

生物是具有生命活動的個體。在傳統生物教學中，教師多采用無生命特質的生物教具（PPT、圖片）和機械化（Flash動畫模型）演示教學，很難將生物知識表達得清晰易懂，學生往往形成“虛幻”的知識概念。人工智能信息化時代，虛擬仿真3D動態技術趨于成熟，“微型化”虛擬仿真3D動態模型應用于生物課堂教學，使單調、枯燥的課本內容以更加生動、有趣和有針對性的形式呈現，使生物的生命現象以真正“活的”形式演示，不僅使教師更容易講授，而且學生通過虛擬、動態、三維立體化觀察生物模型，在頭腦中能即時高效建立起微觀、宏觀、內在的生命規律和生命現象的清晰表征，對生物知識理解得更深刻、掌握得更穩固，從而培養學生生物科學方面的生命觀念、理性思維等核心素養，有效提高生物學教學質量。

高中生物教學內容涉及微觀和宏觀知識，如基因、染色體、細胞、遺傳、變異、種群、群落等核心概念，以及細胞的物質運輸、細胞分裂、光合作用、呼吸作用、基因表達等動態生命現象和生理過程。高中生的認知能力已經達到較高水平，但對抽象生命核心概念和生命現象、生理過程的理解仍存在概念易混淆、知識應用僵化等問題[5]。

目前，高中生物教學多以情境、問題、建議、材料、案例進行支架式建模教學[6]，支架模型雖能提高學生發現、分析和解決問題的能力，有效幫助教學目標達成，但支架建模耗時，需訓練技能，且可建模的知識點有限，仍為靜態模型，不能反映真正的動態生命活動現象與規律，學生對知識的理解仍停留在僵化的知識節點上。還有的生物教學采用將圖形交換格式（GIF）動畫直接拖入或復制粘貼到PPT的幻燈片中的方式，形成GIF動畫模型[7]，而GIF動畫色彩數不高，畫面不清晰，逼真性差，播放無聲，僅是對生物動態生命現象的模仿，盡管動態變化可以使知識直觀化，但仍不能表達真實生命現象，學生對知識的理解仍停留在假想上。

虛擬現實VR、3ds Max技術已在各領域、各學科教學中廣泛應用。虛擬現實VR實景是由計算機生成的三維環境，人們可通過視頻、聲音、圖片進行操作、交互，可在虛擬中感受真實情景。3ds Max是通過點和線來表達物體的形狀，能夠實現物體外形、剖面、實體著色、光照及紋理等各種操作，其數據結構簡單、信息量較少[8]，其三維圖像配以簡明扼要的文字、音頻、視頻、動畫等，能準確、反復表述知識點。虛擬現實VR、3ds Max及CG動畫技術的融合，可在虛擬三維空間中將抽象的文字描述以及靜態二維圖片轉變為線條、顏色、比例均貼近實物的高分辨率360°旋轉的立體圖像，以形成虛擬仿真3D動態模型。

虛擬仿真3D動態模型具有科學性和藝術性[9]，將改變高中生物傳統教學模式，為打造高中生物“金課”提供先進教學手段。虛擬仿真3D動態模型應用于生物課堂教學，可使高中生物課本上“扁平”的紙面知識實現三維可視化、直觀化、具像化、動態化，真正“活”起來[10]，使無法完全領略的生物宏觀世界和肉眼無法觀察的微觀生命活動現象以逼真的形式呈現，激發學習興趣，拓寬視野，突破思維局限，形成生物科學的理性思維。

一、虛擬仿真3D動態模型使高中生物學中的微觀知識宏觀化

《分子與細胞》中細胞、細胞器結構以及各結構之間的關系屬微觀知識領域，顯微鏡下可見細胞結構，而電鏡下可見其細胞器結構。傳統課堂教學通過引導學生閱讀教材，以流程圖、思維導圖[11]、概念圖及亞顯微結構圖、平面圖等，使學生構建細胞概念模型[12]。或用廢舊物品[13]、自制磁卡[14]制作生物膜模型，用橡皮泥[15]、輕質黏土[16]制作葉綠體和線粒體亞顯微模型，使學生聯想三維空間細胞原始結構。以創設問題情境[17]、討論形式引導探索細胞及細胞器的結構。通過研讀實驗及在講授中通過板書不斷“添畫”構建流動鑲嵌模型[18]，使學生理解細胞膜的流動性。沒有活細胞真實再現，學生對細胞生命的理解依然處于茫然狀態，教與學皆費時費力。

教師采用虛擬仿真3D動態細胞模型，可播放、暫停展示360°細胞模型各部分微觀結構，包括細胞內、外各結構布局及其之間的關系（如圖1中的A）。學生可要求旋轉或選點具體講解細胞的組成部分——細胞膜、細胞質、細胞核、細胞膜的流動性（如圖1中的B），以及線粒體、葉綠體、高爾基體、溶酶體各細胞器布局、微細結構及其之間的動態關系（如圖1中的A、C、D）。虛擬仿真3D動態細胞模型將摸不著、看不見的微觀細胞“宏觀化”為栩栩如生的活細胞狀態呈現，不僅節省講解時間，而且能使學生對細胞的理解更加直觀形象。學生在認識到細胞是生物體結構與生命活動的基本單位時，通過老師舉例講解，學生可以更形象深刻地理解細胞結構的生命概念。

圖1 細胞結構

二、虛擬仿真3D動態模型使高中生物學中的宏觀知識具象化

《生物與環境》“生態系統的組成”中的生物種群、群落及生態系統的結構、能量流動、信息傳遞等宏觀知識，學生憑借現有的感知力與想象力難以掌握其系統知識內涵。傳統教學通過系統思維[19]，使學生以線性思維從整體系統出發，感悟生態系統由陽光、空氣、水等非生物因素以及生產者、消費者和分解者等生物因素組成因果關系的復雜性，但對生態系統的理解往往限于思維訓練。學生難以理解宏觀生態系統的組成關系，難以理解通過物質循環和能量流動的緊密聯系形成的統一網狀整體，以及其中任意組分的變化都會沿食物網影響多個其他組分的“牽之動全身”的因果關系。

通過虛擬仿真3D動態“森林生態系統”模型，可從整體上認知森林生態系統由陽光、空氣、水、植物、動物等組分組成（如圖2中的A）；通過點播模型中的任一組分，呈現該組分在生態系統中的作用地位，如空氣、陽光、水屬于森林生態系統的非生物因素（如圖2中的B）；植物能夠進行光合作用產生有機物，為自身和動物提供物質和能量（如圖2中的C）；動物直接或間接以植物為食（如圖2中的D），微生物中的蘑菇、細菌等可分解動植物殘體。在學習過程中，學生充分了解植物、動物、微生物的生活狀態及食物網之間的關系，并深刻理解生產者——植物如何利用陽光空氣和水進行光合作用，消費者——動物如何攝取植物，分解者——微生物如何將動植物殘體中復雜的有機物分解成簡單的無機物再進入環境供生產者（植物）再次利用。學生在虛擬仿真3D動態“森林生態系統”模型中，如身臨其境，再聯系生活實際，將自己置身于生態系統中，領悟到自己是生態系統中“消費者”一員，學生則可將生態系統宏觀知識具象于腦。

圖2 森林生態系統

三、虛擬仿真3D動態模型使高中生物學中的抽象知識形象化

《遺傳與進化》主要涉及遺傳的細胞基礎、基本規律、生物的變異和進化，其中，基因分離定律、自由組合定律、DNA的半保留復制等抽象概念是高中生物教師難以講解、學生難以掌握的重點和難點，學生容易形成迷思概念[20]。如“DNA復制”若無動態模型演示，教師只能以晦澀的語言解釋，或引導學生利用橡皮泥、塑料小球等材料動手構建DNA的物理模型[21]，幫助學生理解DNA“解旋”“聚合”時的形態變化以及游離脫氧核苷酸的堿基互補配對過程，無法將真實“DNA復制”動態過程表達。

虛擬仿真3D動態“DNA復制”模型可形象還原DNA復制的全過程（如圖3中的A、D）。在教學過程中，可首先演示DNA的解旋（如圖3中的B），DNA雙鏈由互補堿基對A-C、G-T之間的氫鍵連接，解旋酶使氫鍵斷開，導致DNA由雙鏈變為單鏈。接著演示在聚合酶的作用下，四種游離的脫氧核苷酸（A、C、G、T）以DNA的一條單鏈（母鏈）為模板，遵循堿基互補配對原則（A-C、G-T），依次結合到作為模板的單鏈上，堿基對之間的氫鍵重新形成，單鏈的DNA變為雙鏈（如圖3中的C）。同時在教學過程中，可隨時暫停，講解任一時刻DNA的形態、酶的種類。利用虛擬仿真3D動態“DNA復制”模型，使“DNA復制”抽象概念形象化，教學過程直觀化，幫助學生在快速準確理解“DNA復制”知識的同時，領悟生命密碼的奧秘。

圖3 DNA的半保留復制

四、虛擬仿真3D動態模型使高中生物學中的生理過程動態化

《穩態與調節》中有神經調節、體液調節（血糖調節、甲狀腺素的分級調節等）、免疫調節等生理過程知識。講授“血糖調節”時，教師多引導學生繪制血糖調節機制概念圖[22]、勾勒流程圖或情景化處理來理解胰島B細胞分泌胰島素到血液中，降低血糖濃度；胰島A細胞分泌胰高血糖素到血液中，升高血糖濃度，使知識點以僵化的符號儲存在學生的大腦中[23]，難以遷移到實際情境中。

虛擬仿真3D動態“血糖調節”模型，可高度模擬真實情境，如復現人體喝可樂后血糖變化的過程。在教學過程中，可逐步演示圖4中的A，人體吸收可樂（含糖）后，血液中血糖濃度快速升高，感到精力充沛（加深學生理解血液中血糖濃度過高人體出現的情況）。隨后演示圖4中的B，胰島B細胞分泌胰島素進入血液，促進過高的血糖以糖原的形式儲存在肝臟和肌肉中，血液中的血糖恢復正常水平。接著演示圖4中的C，在不進食的情況下，人體吸收可樂（含糖）三小時后，因血液中血糖含量變低，產生饑餓、疲勞等現象（加深學生理解人體血液中血糖濃度變低出現的情況）。最后演示圖4中的D，胰島A細胞分泌胰高血糖素到血液作用于肝臟，使肝臟中的肝糖原分解為葡萄糖進入血液，血糖濃度回到正常水平。利用虛擬仿真3D動態“血糖調節”模型，將“血糖調節”生理過程還原于真實生活情境中，使學生在深刻理解知識本體的同時，體驗知識與情境結合后表現出的靈活性，有利于知識遷移、學以致用。

圖4 血糖調節過程

虛擬仿真3D動態模型應用于高中生物教學尚處于起步和探索階段，教師對相關技術的學習和使用以及開發者對資源的開發都面臨著挑戰，如互聯網可供教師直接利用的虛擬仿真3D動態模型資源較少，且良莠不齊；教師缺乏虛擬仿真技術學習背景，缺少虛擬仿真技術條件下的教學環境、課程體系和教學模式；虛擬仿真3D動態模型所涉及的知識點如何恰當、完美滲透于教學中，仍需教師在透徹理解課程標準的前提下深入探究。

一線教師通過不斷學習先進、科學的教學理念和前沿信息，將虛擬仿真3D動態模型新技術、新資源與教學的深度融合，勢必帶來高中課堂教學方式和學習方式的顛覆性改變，促進教學效果最優化。更多的教育投資公司相關專業研發人員將會開發更加豐富多彩的虛擬仿真3D動態模型資源，通過網絡分享，快速走進中學課堂，在教學中廣泛應用普及，將有力地促進教育現代化。

虛擬現實教育技術應用的本質，不在于增加新的教學工具，而在于引入新的教學方式和教學文化。隨著科學技術的迅猛發展，在云計算、霧計算、“互聯網+”、大數據、人工智能突飛猛進的新時代背景下，軟硬件設備性能的提升，更多通用性和易用性的應用軟件必將開發，教育資源設計和開發技術將趨于成熟，虛擬仿真3D動態模型應用于課堂教學的前景也會愈加廣闊。