蔡蘇 李毓檀 趙茜 聶猛

【摘 要】細(xì)胞部分的學(xué)習(xí)在中學(xué)生物教學(xué)中比較重要。然而，細(xì)胞結(jié)構(gòu)微小且復(fù)雜，光學(xué)顯微鏡無法進(jìn)行清晰的觀察；光合作用和呼吸作用影響因素的探究實驗在課堂中受到客觀條件限制難以進(jìn)行。本文介紹了增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)對細(xì)胞結(jié)構(gòu)教學(xué)的實驗案例，展示了AR技術(shù)既能展現(xiàn)微觀的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，亦能通過自主探究培養(yǎng)學(xué)生的實驗精神與科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】增強現(xiàn)實；生物學(xué)習(xí)；細(xì)胞結(jié)構(gòu)；教育技術(shù)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2018）012-066-03

中學(xué)生物中細(xì)胞結(jié)構(gòu)教學(xué)情況分析

細(xì)胞對于生物學(xué)習(xí)意義重大。認(rèn)清細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形態(tài)，把握細(xì)胞結(jié)構(gòu)的功能，進(jìn)而理解“形態(tài)與功能相適應(yīng)”的生物學(xué)思想，才能深入學(xué)習(xí)如光合作用、呼吸作用等生命活動的影響因素與生態(tài)價值。線粒體、葉綠體、核糖體等細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜，而中小學(xué)階段做生物實驗所使用的光學(xué)顯微鏡，只能看到形態(tài)，無法看清楚結(jié)構(gòu)。對于學(xué)生來說，通過二維的資料構(gòu)建三維的細(xì)胞結(jié)構(gòu)存在一定的難度。

光合作用和呼吸作用在整個生物學(xué)習(xí)中也占有十分重要的地位。而兩個反應(yīng)有很多內(nèi)外部影響因素，各因素間又相互影響，較難控制單一變量。在實驗室中，學(xué)生無法對光照強度、水分、二氧化碳等因素進(jìn)行簡便精確的控制，且實驗結(jié)果不易觀察。這一系列的限制因素導(dǎo)致了實際教學(xué)中不得不放棄這一部分的實驗，而采用“直接灌輸”的教學(xué)模式。

計算機輔助下的細(xì)胞結(jié)構(gòu)教學(xué)

1.3D建模輔助細(xì)胞結(jié)構(gòu)教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)中，除展示圖片之外，教師往往還會讓學(xué)生使用橡皮泥動手做動植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，過程較為復(fù)雜，且手工實物模型往往與真實的細(xì)胞結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)。在計算機輔助教學(xué)的趨勢下，蔡樹華等人[1]提出讓學(xué)生利用3ds Max軟件制作生物虛擬模型，讓學(xué)生在動手的過程中去學(xué)習(xí)。但是對于中小學(xué)生來說，熟練使用3ds Max軟件困難較大，可行性不強。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助細(xì)胞結(jié)構(gòu)教學(xué)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)因其沉浸性與體驗性，能夠形成一個更生動立體的教學(xué)環(huán)境，使得學(xué)生能夠在微觀或者宏觀層次上更好地認(rèn)識生物構(gòu)造。Angus P.R. Johnston等人[2]提出Oculus Rift和HTC Vive等虛擬現(xiàn)實設(shè)備可實現(xiàn)細(xì)胞在3D虛擬環(huán)境中的可視化與交互操作，并應(yīng)用成像技術(shù)構(gòu)建了細(xì)胞的三維虛擬模型。該研究表明，在沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的理解有了顯著的提高。但是虛擬現(xiàn)實技術(shù)對設(shè)備要求較高，許多學(xué)校都沒有條件配備相應(yīng)的教學(xué)設(shè)備。

3.增強現(xiàn)實輔助細(xì)胞結(jié)構(gòu)教學(xué)

增強現(xiàn)實的技術(shù)特性[3]，加上仿真3D模型，可以實現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)從抽象到具象的進(jìn)步。O'Connor[4]等人開發(fā)了一款細(xì)胞識別和可視化的成像系統(tǒng)，將增強現(xiàn)實頭戴式設(shè)備與數(shù)字全息顯微鏡相結(jié)合，用于衛(wèi)生醫(yī)療工作中的細(xì)胞研究。將傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡難以觀察到的細(xì)胞結(jié)構(gòu)展示出來，學(xué)生可通過人機交互仿佛親手觸碰到這些結(jié)構(gòu)一樣。AR技術(shù)還使得在探究光合作用和呼吸作用影響因素時控制單一變量成為可能，且可以靈活調(diào)整各參數(shù)的數(shù)值。正如Labov， Jay B[5]等人提出的21世紀(jì)的生物教育中需要滲透數(shù)學(xué)思維與科學(xué)研究素養(yǎng)，這兩種生物反應(yīng)的表現(xiàn)形式做到了定性研究與定量研究相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的探究精神。

“VR/AR+教育”實驗室關(guān)于增強現(xiàn)實輔助生物教學(xué)的實證案例

作為國內(nèi)最早開展課堂AR教學(xué)并持續(xù)探索的團隊，北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院“VR/AR+教育”實驗室設(shè)計和開發(fā)了基于AR技術(shù)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、呼吸作用、光合作用三款教學(xué)軟件。

1.軟件簡介

（1）細(xì)胞結(jié)構(gòu)

將細(xì)胞結(jié)構(gòu)的AR卡片依次置于攝像頭視野內(nèi)，當(dāng)屏幕出現(xiàn)虛擬的細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型時，開始觀察。以“高爾基體”為例：將“高爾基體”識別圖放在攝像頭前，將會在真實空間中出現(xiàn)虛擬的高爾基體模型。學(xué)生可通過手指在屏幕上進(jìn)行三種交互操作：放大模型，旋轉(zhuǎn)模型，或手拿桌上的卡片，360°全方位地觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形態(tài)。完成觀察后，可點擊左上角的“功能”按鈕，出現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)對應(yīng)的功能。學(xué)習(xí)完畢后，點擊“Back”按鈕，文字消失，此時教師可測試學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

（2）光合作用

軟件“光合作用”左上角出現(xiàn)三個影響因素及對應(yīng)滑竿，未識別到AR卡片時不出現(xiàn)影響因素數(shù)值。識別到卡片時，出現(xiàn)數(shù)值，葉綠體模型內(nèi)部出現(xiàn)多個黃色球狀物質(zhì)（代表生成的有機物），且有向外溢出的氣泡（代表光合作用生成的氧氣）?？刂破溆鄡蓚€因素不變，從1至6調(diào)節(jié)“光照強度”滑竿，觀察溢出氣泡和黃色球狀物質(zhì)大小變化，進(jìn)行定性的描述；觀察右上角氧氣數(shù)值的變化進(jìn)行定量探究。“溫度”和“二氧化碳濃度”的探究方式相似。

（3）呼吸作用

軟件“呼吸作用”的使用方法與“光合作用”相似，通過AR軟件可探究水分、溫度和氧氣濃度對呼吸作用的影響。

2.實驗過程

本案例實驗對象為某中學(xué)七年級的100名學(xué)生，分為實驗班A和對照班B各50人。實驗班使用基于AR的教學(xué)軟件進(jìn)行教學(xué)，如圖1所示。對照班通過分析材料與小組討論進(jìn)行教學(xué)。

在課程開始前，A、B班的同學(xué)均填寫了“生物學(xué)習(xí)態(tài)度問卷”與“探究題目問卷”，以期排除兩個班的學(xué)生存在的差異。從三維目標(biāo)中的“情感態(tài)度價值觀”探究學(xué)生原來對于生物學(xué)習(xí)的態(tài)度；從“知識與技能”出發(fā)，設(shè)計了兩道關(guān)于光合作用和呼吸作用影響因素的探究題目，測試學(xué)生對該部分知識的初始掌握情況。課程結(jié)束后，實驗班與對照班學(xué)生填寫后測問卷，檢驗兩種不同的教學(xué)方式下學(xué)生對于生物學(xué)習(xí)的態(tài)度和生物知識的掌握有無顯著差異。我們還對學(xué)生代表和校方老師進(jìn)行了訪談。

3.實驗結(jié)果

從A、B班前測的結(jié)果來看，兩個班在生物知識與生物學(xué)習(xí)態(tài)度上無顯著差異，且A、B班的學(xué)生均對細(xì)胞結(jié)構(gòu)、光合作用和呼吸作用影響因素這部分知識掌握情況較差。對后測進(jìn)行顯著性差異分析，兩班存在顯著性差異，且實驗班在知識掌握情況和學(xué)習(xí)態(tài)度方面的平均分明顯高于對照班，特別是對于細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)與功能的掌握。說明AR教學(xué)效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)教學(xué)方式，學(xué)生在自己動手操作、親眼看到實驗變化、親身探究得到實驗結(jié)果的情況下，對知識的掌握更加牢固清晰，對生物學(xué)習(xí)的積極性也充分被調(diào)動。

結(jié) 語

本研究將增強現(xiàn)實技術(shù)與中學(xué)生物教學(xué)相結(jié)合，拓寬了增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。利用增強現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的可視化，增強了用戶對細(xì)胞深層的認(rèn)識，通過將虛擬仿真的細(xì)胞結(jié)構(gòu)直接在真實環(huán)境中進(jìn)行直觀呈現(xiàn)。同時降低了學(xué)校課堂中進(jìn)行生物實驗教學(xué)的門檻，提高了學(xué)生實驗學(xué)習(xí)、自主探究、合作學(xué)習(xí)的意識，同時也為生物教學(xué)提供了新的研究方向和手段。因此，將增強現(xiàn)實技術(shù)與生物教學(xué)相結(jié)合有著非常重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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