張曉敏

摘? 要 探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在生物學教學中的應(yīng)用前景、優(yōu)勢和不足，并采用3D Max軟件制作生物結(jié)構(gòu)的三維模型，分析該模型在教學中的應(yīng)用途徑，旨在為生物學教學改革提供參考。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實技術(shù);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(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)是利用三維建模技術(shù)和計算機圖形技術(shù)模擬真實世界的物體和情景而建立的計算機仿真系統(tǒng)，具有真實性、虛擬性和沉浸性的特點。2017年1月，國務(wù)院公布的《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，支持各級各類學校建設(shè)智慧校園，綜合利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、教育大數(shù)據(jù)、人工智能探索未來教學新模式。這是國家在教育發(fā)展規(guī)劃中首次提及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并為虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育融合提供了諸多政策支持。虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(gòu)也在積極探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)在各門課程教學中的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與生物學教學相結(jié)合，是現(xiàn)代教育技術(shù)的一大突破，促進傳統(tǒng)教育方式改變，支持教育模式變革。

2 傳統(tǒng)生物學教學的不足

生物學主要研究動植物的結(jié)構(gòu)、生理行為、遺傳發(fā)育等內(nèi)容，其中涉及眾多微觀和抽象結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)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(nèi)容。在常規(guī)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(jié)構(gòu)疊加而導致學生看不明白。同時，由于學生對抽象的微觀結(jié)構(gòu)沒有直接經(jīng)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(jié)構(gòu)可能會有很大差別，造成學生很難對生物微觀結(jié)構(gòu)有一個準確統(tǒng)一的認識。

實驗教學是生物教學中必不可少的環(huán)節(jié)，但是很多學校存在不重視實驗教學，實驗課時偏少，儀器設(shè)備陳舊，實驗難以開展的情況[1]。同時，一些實驗內(nèi)容因受實驗條件的限制而不能在常規(guī)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(jié)構(gòu)或過程，通過常規(guī)實驗無法顯示。對于難以開展的實驗，在傳統(tǒng)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(shù)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(jié)構(gòu)和生物反應(yīng)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(shè)計好的內(nèi)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(xiàn)實技術(shù)教學應(yīng)用的意義

首先，虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿?，最終提高學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。由于計算機圖形技術(shù)的發(fā)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(huán)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(xiàn)實技術(shù)若應(yīng)用于教學中，教師就可以根據(jù)教學內(nèi)容的需要有針對性地設(shè)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(jié)構(gòu)的質(zhì)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(fā)學習興趣和熱情，增強學習體驗。

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

最后，虛擬實驗還可彌補教學設(shè)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(xiàn)實技術(shù)在生物學教學中的應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于生物學教學具有多方面的優(yōu)勢。

首先，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為教師提供一種全新的工具，利用它能夠?qū)⑸矬w的結(jié)構(gòu)特點清晰地展現(xiàn)在學生面前。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸性特征能夠使學生置身于一種逼真的虛擬環(huán)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(jié)構(gòu)，尤其適合生物學中的微觀結(jié)構(gòu)和生物原理的展示，如細胞的結(jié)構(gòu)、細胞分裂過程、生物反應(yīng)過程、基因表達等過程，都可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)生動形象地呈現(xiàn)在學生面前。而這些內(nèi)容在傳統(tǒng)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(zhì)，但不夠生動。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其高精度的虛擬性和超強的感官體驗，使傳統(tǒng)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(xiàn)實技術(shù)的交互性能夠讓學生在電腦產(chǎn)生的虛擬世界中，利用一些虛擬現(xiàn)實傳感設(shè)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(chǎn)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(huán)境中操控三維模型，完成現(xiàn)實生活中無法實現(xiàn)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(fā)學生的學習熱情。

再次，虛擬實驗不僅可以展示常規(guī)的生物學實驗，而且可以演示因?qū)嶒灄l件比較苛刻、實驗操作比較危險而不易實現(xiàn)的實驗內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能對實驗場景進行再現(xiàn)，其高度的逼真性和現(xiàn)實體驗感讓效果非常真實。

最后，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的構(gòu)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(xiàn)真實世界存在的事物，而且可以隨意構(gòu)想客觀不存在的情景，甚至是現(xiàn)實世界不可能發(fā)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(fā)新的聯(lián)想，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中的應(yīng)用方式，需要根據(jù)不同的教學內(nèi)容進行設(shè)計。在生物學教學中需要進行分子結(jié)構(gòu)三維展示、細胞結(jié)構(gòu)和細胞器三維展示、虛擬場景構(gòu)建、三維動畫演示等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將生物分子的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)特征;還可以將漫長的生物生長發(fā)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(guī)律。

生物三維模型是實現(xiàn)虛擬仿真教學的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，它決定了虛擬仿真程序的實用性。3D Max是基于PC系統(tǒng)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(yè)設(shè)計、醫(yī)療、輔助教學等領(lǐng)域[4]。采用3D Max制作生物的微觀結(jié)構(gòu)模型（圖1），并將三維模型導入Unity 3D軟件進行三維模型的設(shè)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(shè)置，將內(nèi)外不同的結(jié)構(gòu)進行差異化顯示，還可以對三維模型進行360°旋轉(zhuǎn)、放大和縮小等操作。設(shè)置完成后將虛擬交互程序?qū)С觯纬煽梢元毩⑦\行的軟件，就能夠在電腦上或者網(wǎng)絡(luò)上運行。

DNA分子的三維模型可以用于“遺傳的分子基礎(chǔ)”一章的教學。如圖1A所示，DNA分子的結(jié)構(gòu)和復制過程比較抽象，傳統(tǒng)的教學方法很難準確演示DNA結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，感受和理解DNA復制的過程。如圖1B所示，神經(jīng)元三維模型可以用于“動物生命活動的調(diào)節(jié)”一章的教學，通過三維模型，能夠觀察到神經(jīng)元的胞體、樹突、軸突和髓鞘等結(jié)構(gòu)。如圖1C所示細胞膜的三維模型，可用于“細胞的結(jié)構(gòu)”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(jié)構(gòu)和以不同深度鑲嵌在磷脂分子層中的蛋白質(zhì)，這樣整個細胞膜的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，就能身臨其境地進行學習。

當然，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于生物學教學中有不可替代的優(yōu)點，但它的不足也是不容忽視的，例如：目前的虛擬現(xiàn)實技術(shù)硬件功能相對落后，設(shè)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(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)在生物學教學中的應(yīng)用;高質(zhì)量的可用的商業(yè)化教學軟件需要很多專業(yè)人員進行制作，但由于精力和專業(yè)限制，很難制作出理想的軟件。

5 結(jié)語

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(nèi)容和素材的選擇。并不是所有的教學內(nèi)容都適用于虛擬現(xiàn)實教學，選擇適合虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示的生物體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(shè)計的虛擬現(xiàn)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(nèi)容的前提下，要盡量簡化三維模型的面數(shù)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(nèi)理解所學知識，也便于設(shè)計程序的推廣應(yīng)用。

隨著計算機硬件的發(fā)展，三維建模和動畫技術(shù)的不斷進步，軟件應(yīng)用的不斷完善，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中的應(yīng)用會越來越廣泛，對未來的生物學教學發(fā)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(xiàn)狀的調(diào)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(yīng)用場景及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].智能計算機與應(yīng)用，2017（6）：28-31.

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

[4]莊鋼波.3D MAX技術(shù)在虛擬場景設(shè)計中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（11）：125.

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