金彩云 劉鑫 李耀鋒

摘要：VR/AR技術(shù)由于其虛實(shí)沉浸性、實(shí)時(shí)交互性和三維構(gòu)想性的特點(diǎn)，在教育領(lǐng)域已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用。文章在分析了目前生物課程教學(xué)中的不足之處后，為了改進(jìn)中學(xué)生物課堂教學(xué)現(xiàn)狀，并將基于VR/AR技術(shù)的zSpace設(shè)備有針對性地應(yīng)用到生物課程中，對中學(xué)生物課程的課堂教學(xué)重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。以七年級生物教材中的“呼吸系統(tǒng)”為例在課堂中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，并且取得了較好的教學(xué)效果，最后對VR/AR技術(shù)服務(wù)于中學(xué)生物課堂的優(yōu)勢進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：VR/AR;中學(xué)生物課程;教學(xué)設(shè)計(jì);zSpace

中圖分類號：G434 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2020）06-0093-04

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）就是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，它可以用來模擬對象，讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境背景中看到虛擬生成的模型對象而且這一模型可以快速生成、操縱和旋轉(zhuǎn)[2]，VR/AR技術(shù)具有虛實(shí)沉浸性、實(shí)時(shí)交互性、三維構(gòu)想性等特點(diǎn)。政府也大力推廣政策扶持VR/AR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動VR/AR技術(shù)體系與產(chǎn)業(yè)格局的初步形成。2016年4月，工業(yè)和信息化部電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布了《虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》，旨在剖析虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、研發(fā)情況和產(chǎn)品情況，以及當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況和需求，分析未來發(fā)展趨勢、應(yīng)用及相關(guān)政策建議[3]。目前，我國虛擬現(xiàn)實(shí)仍處于初級階段，市場規(guī)模處在較小的水平，但市場規(guī)模增速非?？?，數(shù)據(jù)顯示，2015年以來我國虛擬現(xiàn)實(shí)市場規(guī)模快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2021年將達(dá)到544.5億元[4]。VR/AR目前已經(jīng)開始在電影、游戲、醫(yī)療、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。與此同時(shí)，將VR和AR技術(shù)引進(jìn)教育領(lǐng)域，以豐富教育資源和促進(jìn)教學(xué)理念完善與教育方法改進(jìn)，最終達(dá)到提升教學(xué)效果的目的，這也是當(dāng)前教育改革的熱點(diǎn)之一。

二、VR/AR技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的學(xué)習(xí)和教學(xué)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生很大的變化，學(xué)習(xí)方式由單向化、固態(tài)化、靜態(tài)化走向動態(tài)化、情景化、個(gè)性化、社會性和非正式性。張志禎等提出VR有重塑教育的潛力，通過體驗(yàn)、探究、訓(xùn)練、矯正、交流、創(chuàng)作與游戲等七大教育功能，學(xué)生在虛擬世界中的學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)作熱情大大提高[6]。VR/AR技術(shù)改變傳統(tǒng)基于PPT的文本、圖像等二維平面教育環(huán)境，利用逼真的三維交互環(huán)境展示教學(xué)內(nèi)容，把被動傳輸式學(xué)習(xí)變?yōu)榧ぐl(fā)學(xué)習(xí)興趣和保持學(xué)生注意力的主動式探索學(xué)習(xí)，從而提高教學(xué)效率，發(fā)展學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力和提高操作技能。例如，魏久鴻等利用VR/AR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，通過開發(fā)“細(xì)菌和病毒的遺傳”課件研究桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其交互性，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中收到了較理想效果[7]。

生物學(xué)科中存在很多繁雜而無法梳理、難以想象卻又缺乏直接經(jīng)驗(yàn)支持的微觀現(xiàn)象以及離學(xué)生生活較遠(yuǎn)的抽象模型，然而對于這樣的教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)生物課堂往往以圖片展示、書本閱讀和教師的講解為主，學(xué)生只能在腦海中進(jìn)行想象，對生物微觀模型缺乏明確的認(rèn)識，這是生物教學(xué)需要解決的一個(gè)難點(diǎn)。另外實(shí)驗(yàn)探索也是生物教學(xué)的一大阻礙。VR/AR技術(shù)不僅支持學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)這些現(xiàn)象和模型，還幫助學(xué)生零距離、全方位地觀察實(shí)驗(yàn)對象，通過解剖模型、重組模型與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。例如，在zSpace桌面交互系統(tǒng)中自備的教材中，學(xué)生在學(xué)習(xí)“線粒體”這章時(shí)可以全方位、不限空間地觀察線粒體細(xì)胞結(jié)構(gòu)，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)知也不再是抽象的、靜態(tài)的，甚至學(xué)生可以從基因的角度重構(gòu)線粒體，體驗(yàn)創(chuàng)造的樂趣。

三、VR/AR技術(shù)對中學(xué)生物課堂的改變

1.傳統(tǒng)生物課堂的不足

傳統(tǒng)生物課堂的設(shè)計(jì)需要考慮教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程以及師生角色四個(gè)部分。教師以教學(xué)目標(biāo)為依據(jù)，分析教學(xué)內(nèi)容，劃分教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)，安排學(xué)生在課堂中的教學(xué)活動。在傳統(tǒng)生物課堂中，由于客觀條件的限制，教學(xué)方法以教師呈現(xiàn)PPT、音頻和視頻等教育資源的講授法和問答法為主，因此在師生角色中，教師為傳授者，學(xué)生為接受者。傳統(tǒng)生物課的課堂設(shè)計(jì)如圖1所示。

通過對傳統(tǒng)生物課程的課堂設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)生物課堂在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程以及師生角色四個(gè)維度上都存在不足：①在教學(xué)目標(biāo)中，教學(xué)實(shí)踐缺乏。生物是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，以呈現(xiàn)內(nèi)容為主要教學(xué)方式的傳統(tǒng)生物課堂往往只能幫助學(xué)生了解生物知識，無法鍛煉動手能力，培養(yǎng)觀察力、學(xué)習(xí)力、實(shí)踐力和創(chuàng)新力。②教學(xué)內(nèi)容碎片化。在傳統(tǒng)生物課堂上，教學(xué)內(nèi)容的唯一來源就是課本，但是大部分課本中知識點(diǎn)的講解分散，教學(xué)內(nèi)容各個(gè)單元之間前后關(guān)聯(lián)性差，教學(xué)呈現(xiàn)碎片化。③在教學(xué)過程中教學(xué)手段單一。教學(xué)目標(biāo)多元化且生物課程內(nèi)容廣泛，因此教師也不能采用單一的教學(xué)方法。多元化的教學(xué)目標(biāo)和多樣性的教學(xué)內(nèi)容決定了教師教學(xué)方法不能只采用講授式和問答式。④學(xué)生在師生關(guān)系中處于被動地位。傳統(tǒng)生物課堂中，只重視教師的“教”而忽視學(xué)生的“學(xué)”，學(xué)生是外在刺激的被動接受者，主動探索知識的機(jī)會不多，往往內(nèi)在動機(jī)弱，在學(xué)習(xí)中處于被動地位。

2.基于VR/AR技術(shù)的中學(xué)生物課堂設(shè)計(jì)

基于VR/AR技術(shù)的課堂由虛擬教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源、教師、學(xué)生等元素組成。VR技術(shù)提供虛擬環(huán)境，AR技術(shù)作為VR技術(shù)的延伸，是真實(shí)情景與虛擬情景交叉的橋梁，有助于學(xué)生快速聯(lián)結(jié)知識與模擬情景，促進(jìn)學(xué)生對生物中宏觀、微觀知識的理解。因此基于VR/AR技術(shù)的課堂設(shè)計(jì)既要考慮到VR和AR的優(yōu)勢，也要重視傳統(tǒng)生物課堂中的元素，包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、師生角色等。綜合以上考慮筆者建構(gòu)了圖2所示的基于VR/AR技術(shù)的中學(xué)生物課堂設(shè)計(jì)方案。

（1）VR/AR技術(shù)支持下的虛擬課堂首先要考慮逼真的教學(xué)場景。學(xué)習(xí)情境理論認(rèn)為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)是在情境中進(jìn)行意義建構(gòu)，所以在進(jìn)行課堂設(shè)計(jì)時(shí)要確定場景需求，要明確教學(xué)場景需要的物品，利用VR技術(shù)進(jìn)行對象建構(gòu)。同時(shí)營造良好、和諧和愉悅的課堂氣氛也是場景設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，只有學(xué)生感到身心愉快才能主動進(jìn)行探索學(xué)習(xí)。

（2）虛擬課堂需要良好的互動體驗(yàn)。VR技術(shù)能還原歷史場景、模擬真實(shí)場面，也能虛構(gòu)未來空間。但是僅僅只有沉浸性體驗(yàn)是不夠的，還要利用AR技術(shù)進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，讓學(xué)生通過互動進(jìn)行情景與知識串聯(lián)，形成整體認(rèn)知能力、系統(tǒng)分析與綜合設(shè)計(jì)能力。在虛擬課堂中，除了師生交互，最主要的就是學(xué)生在虛擬環(huán)境中主動進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，獲得反饋信息，不斷體驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)和探索。

（3）虛擬課堂需要融合課程內(nèi)容。分析課程內(nèi)容，明確課程目標(biāo)，規(guī)劃教學(xué)活動，進(jìn)行教學(xué)評價(jià)是傳統(tǒng)課堂設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，技術(shù)為教育服務(wù)就是在這個(gè)基礎(chǔ)上彌補(bǔ)傳統(tǒng)課堂的不足，而不是推陳出新，無視教育規(guī)律。VR/AR技術(shù)支持下的課堂首先要以內(nèi)容為核心，進(jìn)而安排活動任務(wù)，完成教學(xué)目標(biāo)。例如，在zSpace桌面交互系統(tǒng)里自備的教材《生物細(xì)胞》課程中，學(xué)生可以在沉浸性的虛擬課堂中觀察細(xì)胞的生長、死亡、縮小和放大，VR/AR技術(shù)的使用更好地幫助學(xué)生體驗(yàn)和觀察細(xì)胞的變化并沒有喧賓奪主。

（4）虛擬課堂需要重視師生角色定位。在虛擬課堂中，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是最常采用的，教師是學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者，但這并不意味著學(xué)生是課堂的主人。在沉浸性虛擬環(huán)境下，學(xué)生以個(gè)人或小組形式收集資料、自主探索、獲得知識，但是師生交流和師生答疑等活動也必不可少。最后學(xué)生要在自評、他評以及師評中進(jìn)行分享交流和多元反思。

3.結(jié)合案例分析VR/AR技術(shù)支持下的中學(xué)生物課程教學(xué)

研究針對基于VR/AR技術(shù)的生物課程中“呼吸系統(tǒng)”這一教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，闡述這一課時(shí)的教學(xué)活動，分析在VR/AR技術(shù)支持下生物課程的特點(diǎn)。研究使用了一款基于VR/AR技術(shù)的設(shè)備——zSpace，這是一款沉浸式桌面交互系統(tǒng)，能讓使用者在高度的沉浸感和交互感下更加有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

基于zSpace的“呼吸系統(tǒng)”的教學(xué)內(nèi)容融合了VR和AR技術(shù)，帶領(lǐng)學(xué)生在呼吸系統(tǒng)中旅行并研究呼吸系統(tǒng)如何實(shí)行有效氣體交換，本課的教學(xué)活動分析如圖3所示，主要包括四個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）虛擬教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)激發(fā)學(xué)生興趣，化被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)“呼吸系統(tǒng)”教學(xué)結(jié)合圖片和視頻展示呼吸系統(tǒng)圖和肺的功能，但是學(xué)生對呼吸系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)不夠了解，此時(shí)教師利用zSpace桌面式VR/AR設(shè)備全方位展示呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，利用AR模型對呼吸系統(tǒng)進(jìn)行分解，使學(xué)生觀察胸腔的結(jié)構(gòu)和氣體在呼吸系統(tǒng)中的交換過程，這比圖片和視頻展示更加直觀，更容易激發(fā)學(xué)生的主動性與積極性。

（2）互動體驗(yàn)設(shè)計(jì)促進(jìn)教學(xué)方式多樣化。VR/AR技術(shù)支持下的生物課堂教學(xué)方式多樣，項(xiàng)目式和探索式的學(xué)習(xí)方式對學(xué)生提出了對各單元知識點(diǎn)系統(tǒng)化加工整理的任務(wù)。為完成不同階段任務(wù)，學(xué)生以小組合作的方式進(jìn)行體驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)和探索，但在學(xué)習(xí)過程中，教師不斷指導(dǎo)學(xué)生對模型進(jìn)行游戲交互，從不同層面和角度觀察三維生物模型，幫助學(xué)生真正體會和理解相關(guān)知識。

（3）課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化。VR/AR技術(shù)輔助呈現(xiàn)課堂內(nèi)容，在VR/AR技術(shù)支持的教學(xué)實(shí)踐中，利用VR的可視化技術(shù)將生物模型顯示出來，學(xué)生在課堂上以沉浸式體驗(yàn)觀察呼吸系統(tǒng)模型的三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)學(xué)生為完成任務(wù)必須找到知識點(diǎn)的連接點(diǎn)和生長點(diǎn)，形成系統(tǒng)的、不斷生長的知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化。

（4）師生角色分析促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在VR/AR技術(shù)支持的生物課堂中，教師由主導(dǎo)者變成輔助者，學(xué)生通過項(xiàng)目式和合作式的學(xué)習(xí)方式掌握呼吸系統(tǒng)的相關(guān)知識，并將所學(xué)知識融入到整個(gè)知識體系中去解決問題，使動手能力、合作能力和思維能力得到提高。除此之外，學(xué)生還能產(chǎn)生高自我效能感，具體表現(xiàn)在學(xué)生對于zSpace桌面系統(tǒng)中提出的問題表現(xiàn)出積極態(tài)度，通過參與到小組合作中，詢問教師，利用設(shè)備檢索知識等方式解決問題，在動手操作中建立更完整的知識體系，鍛煉實(shí)踐能力，有效建立學(xué)習(xí)的熱情和信心。

四、基于VR/AR技術(shù)的中學(xué)生物課堂的優(yōu)勢

通過對基于VR/AR技術(shù)的生物課堂與傳統(tǒng)生物課堂進(jìn)行對比，筆者總結(jié)了VR/AR技術(shù)服務(wù)于課堂在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程以及師生角色四個(gè)維度上的優(yōu)勢。

1.教學(xué)目標(biāo)上，有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力

在VR/AR技術(shù)建立教學(xué)框架后，整合有效的教育資源，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不受時(shí)間、地點(diǎn)和成本的限制。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)入文本、圖片、音頻與視頻的教學(xué)模式不同，VR/AR支持的生物課堂以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)進(jìn)行實(shí)踐探索，學(xué)生通過佩帶和操作VR眼睛和數(shù)據(jù)手套等相關(guān)設(shè)備，可以在虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)踐交互，鍛煉學(xué)生的操作能力并培養(yǎng)其合作精神。

2.教學(xué)內(nèi)容上，有利于教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化

就生物這門課程而言，系統(tǒng)性不僅體現(xiàn)在知識點(diǎn)難易和呈現(xiàn)順序上，而且也表現(xiàn)在知識點(diǎn)的串聯(lián)方面。沉浸性的虛擬體驗(yàn)和探索式的自主學(xué)習(xí)幫助學(xué)生將各知識點(diǎn)串起來，對生物形成整體的認(rèn)知能力、系統(tǒng)分析與綜合設(shè)計(jì)能力。

3.教學(xué)過程上，有利于教學(xué)方式多樣化

VR/AR技術(shù)支持多方共同參和創(chuàng)造，以協(xié)同方式、小組合作、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和探索式等教學(xué)手段打破了傳統(tǒng)生物課堂以教為中心的單一教學(xué)模式。實(shí)際上，這種探究教法對教師的挑戰(zhàn)更大，探究教學(xué)的實(shí)施對教師在教學(xué)理念、教學(xué)實(shí)施與評價(jià)上有更大的要求，需要各方面的支持以及反復(fù)的實(shí)踐、反思和學(xué)習(xí)。

4.師生角色上，有利于學(xué)生化被動為主動

美國緬因州的國家訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室研究顯示了不同學(xué)習(xí)方式的學(xué)習(xí)者在兩周后的平均學(xué)習(xí)保持率不同[8]。被動式學(xué)習(xí)下，兩周以后的學(xué)習(xí)內(nèi)容只能留下5%，而采用主動式學(xué)習(xí)可以記住75%。VR/AR技術(shù)除了增強(qiáng)構(gòu)建真實(shí)的教學(xué)情境外，最大的優(yōu)勢就是其交互功能，好玩的、有趣的交互促進(jìn)教學(xué)游戲化，更容易激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。VR和AR技術(shù)整合了無形的“情”和有形的“境”，學(xué)生由情入境、情景交融，產(chǎn)生樂學(xué)與愿學(xué)的欲望，提升學(xué)習(xí)效率。

隨著VR/AR技術(shù)的發(fā)展以及在教育領(lǐng)域中的深入應(yīng)用，VR/AR技術(shù)解決教育中問題的價(jià)值逐漸顯現(xiàn)。在VR/AR技術(shù)的幫助下，學(xué)生以主動學(xué)習(xí)的方式走進(jìn)設(shè)定的虛擬情境中進(jìn)行交流互動，教學(xué)效果遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)課堂上師生之間的問與答，VR技術(shù)提高了教育效率，同時(shí)也降低了訓(xùn)練成本與風(fēng)險(xiǎn)性。當(dāng)前，越來越多的教師都在研究如何利用VR/AR技術(shù)服務(wù)于教育，不僅僅需要學(xué)校購置硬件設(shè)備、建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，還需要研究者把目光聚集到VR/AR技術(shù)融入課程，利用VR/AR技術(shù)為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)新的智慧教育環(huán)境。

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