虚拟现实在中学生物学教学中的应用——基于The Body VR的教学活动设计实践探究*

和 渊 辇伟峰 宓 奇 闫新霞

（中国人民大学附属中学 北京 100080）

虚拟现实（virtual reality VR）是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统，是由多媒体计算机生成的交互式人工智能。将虚拟现实应用于教学，可促进教与学质量的提高。笔者在长期一线教学中发现，在学生同化知识、构建知识结构的过程中，有—些内容教师无法呈现，而这些内容因不可视、不可摸、不可入的特点，学生很难深入理解。例如，在学习“细胞的亚显微结构”时，教师通常只能呈现一些细胞器的模式图，学生并不能对其形成感性认识而感觉枯燥、抽象，不易掌握相关知识。而虚拟现实技术可创建一个仿真的虚拟世界，使学生如临其境，为学习者提供一种 “替代经验”，从而突破时间和空间的限制，探索一些接触不到的事物（例如细胞器）。因此，虚拟现实不仅让学生的学习生动有趣，且符合建构主义学习理论关于“学习是一种真实情境的体验”的观点，更符合新课程标准中“提高对科学和探索未知的兴趣”及“培养学生探究能力”的要求，提升了学生的生物学综合素养。

1 虚拟现实技术

1.1 虚拟现实简介 虚拟现实综合了对视觉、听觉、触觉、运动觉、体觉等感官认知模式的模拟，隔绝真实世界的信息，使人与计算机生成的环境融为一体，让使用者仿佛置身于电脑虚构的空间，感知其中的事物并能与虚构世界的人物、环境进行交流互动，成为虚拟世界的参与者，从而产生亲临真实环境的感受和体验。

1.2 虚拟现实的特点

1.2.1 沉浸感 虚拟现实运用计算机图形、声音和图像再造逼真的情境，使得使用者的感觉和行动都与人在自然状态下相似，产生与现实中同样的体验。用户完全沉浸其中而无法将其与真实世界区分开来，从而全身心地投入虚拟现实世界，将注意力重点集中在观察所研究的对象和获取知识上。

1.2.2 交互性 使用者通过专用设备（例如HMD头盔显示器、数据衣等），将仿真现实环境的图像、声音等通过人机接口系统作用到使用者的感官，并通过传感器感知使用者的行为与反应，随着操作者不同的动作（例如位置、姿势、方向等）变化而变化。

2 虚拟现实在中学生物学教学中的应用

虚拟现实是现代仿真技术的高级发展和突破，由于其具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性，较好地辅助和推动了教育教学的发展。笔者作为高中生物学教学的一线教师，在长期进行的虚拟现实与教学相结合的试验过程中，总结了虚拟现实在中学生物学教学中3个方面的应用。

2.1 知识发生过程的模拟 生物学教学要注重展示科学家在探索创造知识过程中的思维逻辑，因此，将科学家的发现过程进行再现可教会学生如何正确思考。重演科学的发现过程，教师必须要还原历史实验条件，引导学生设计科学家曾经做过的经典实验，但囿于实验时间、实验材料、课时分配的限制等，这样的教学方式基本上不可能实现。虚拟现实技术对教学领域的介入，使得学生可利用其强大的实验模拟功能再现科学家的经典实验。例如：“虚拟果蝇”的模拟实验软件，学生可以选1只白眼雄果蝇和1只红眼雌果蝇作为亲本进行杂交，等待几秒钟后，这一对新婚果蝇就会繁殖出第1代小果蝇，学生对果蝇的眼色和性别进行记录和统计。之后按照这样的方法继续进行杂交，最后对结论进行统计分析。学生通过亲自动手做果蝇交配实验发现摩尔根的遗传定律，亲身体验知识发生的全过程，培养了科学探究能力。

2.2 真实实验的演练 生物学是一门实验科学，有的生物学实验对环境的要求较高，所需仪器、设备、材料价格昂贵；有的实验周期较长，耗时较多，课堂上进行演示或学生亲自做这些实验是不可能的。例如，在选修1模块中，很多分子生物学实验例如PCR、跑SDS-PAGE胶、琼脂糖凝胶电泳等，学生即使按照教师的要求操作后也感觉很难理解，且许多中学并不具备做这些实验的条件。现已成功开发的“虚拟实验室”教学软件可完美解决这些问题。虚拟实验室是由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成，实验者可以像在真实的情境中一样完成各种预定的实验项目，在某些方面所取得的学习或训练效果甚至优于在真实情境中所取得的效果。

2.3 教学场景的还原 传统的视频录课、教师讲授等方式无法重现课程的全景，更无法让学生参与其中，难以提供有参与感的课堂实景。而技术的不断发展为优质课程资源共享提供了便捷和无限可能。使用VR技术进行课程录制，可全景式再现课堂实景，让观看视频的学生和教师能完全进入录课教师的课程并进行适当参与，将优质的课堂进行了全景化还原，让无法听课或有复习需求的学生随时可以听课，更让边远地区的学生享受优质的教育资源，这也是促进教育公平的一种方式。

3 基于The Body VR的教学活动设计实践探究

3.1 The Body VR简介 The Body VR是一段描述在人体内漫游的过程，视频是由7个片段连成的一个故事：首先用三维立体图像呈现跳动的心脏，随着心脏进入动脉血管后对红细胞、白细胞和血小板进行认知。然后穿过血管壁离开动脉，进入被感染的组织细胞，进入的顺序是：先从细胞膜进入到细胞质中，跟随驱动蛋白前进并进入细胞核，观察DNA的结构并从核孔离开，鸟瞰内质网和线粒体，进而转换到细胞膜外观察病毒攻击感染组织的过程。The Body VR的设计主要是针对细胞亚显微结构和免疫章节知识的感性认知和强化记忆而设置的，可激发学生的学习兴趣，增强学生的探究能力和科学素养的培养。

3.2 课程导入 细胞很小，看不到摸不着，对于学生来说是全新而未知的世界。VR技术可带领学生钻入细胞观察细胞中的各种物质和结构。在观看The Body VR时，可将自己想象成一个初次到达细胞世界的婴儿，充满好奇地一步步感知这个世界中的每个细节。教师要引导学生不要害怕听不懂其中的英文，只需要把英文想象成一首非常美妙的音乐，不要因为英文而有压力，影响观看。英文好的学生，可以对照教师发放的中英文对照表（表1）进行学习。

表1 中、英文对照表

3.3 课程活动 先组织学生观看The body VR（约 15 min）的视频，在这15 min内，学生都非常专注，完全沉浸其中，跟着VR片中的顺序畅游于细胞中。根据教师对视频的理解及学生课后的反馈，笔者总结了一些高效、完整而有趣的课堂活动，以供其他用此VR的教师参考（可选择一个或多个活动，视时间而定）。

活动1：请学生将故事发生的顺序进行排序。

①由跳动的心脏进入动脉中观察红细胞、白细胞和血小板。

②透过细胞膜进入细胞内部。

③准备进入被感染的细胞中。

④感染的组织防御病毒的攻击。

⑤离开细胞核观察内质网和线粒体。

⑥了解DNA和RNA的相关内容。

⑦ 随着驱动蛋白进入细胞核。

1）设计目的：了解学生在观看VR后能否将故事进行整理并正确排序，让学生初步认知免疫发生的整体过程，激发学习兴趣，为后续学习免疫学知识打下基础。

2）契合内容：适合在免疫课的导入课使用。

3）取得效果：学生迫不及待地将VR中看到的事件进行排序，通过排序理解了免疫发生的基本过程。

4）难易程度：容易。

5）正确答案：1-3-2-7-6-5-4。

活动2：请学生将细胞中的结构按顺序标注（图 1）。

图1 请学生标记在细胞中的游览路线［6］

1）设计目的：让学生通过观看VR，形成对细胞亚显微结构的感性认知，从而对学习细胞器的相关知识产生浓厚兴趣。

2）契合内容：适合在细胞的亚显微结构授课时使用。

3）取得效果：学生都非常兴奋地讲述自己观看到的细胞器结构及功能。学生反馈：原来认为细胞里面都是空的，没想到有那么多有趣的东西，而且在细胞质基质中并不只有液体，还有诸多像钢筋一样支撑细胞的微管蛋白。学生之间热烈的讨论激发了学习的热情。

4）难易程度：容易。

5）正确答案：1细胞膜—2细胞质—3细胞骨架—4细胞核—5内质网— 6线粒体。

活动3：请学生对细胞中印象深刻的结构进行绘图，并写出其功能。

1）设计目的：让学生根据所学知识，从记忆中输出高中生物学中重要的模型、结构，用图形反映直观明了，加深复习的效果。

2）契合内容：适合在复习课时使用。

3）取得效果：学生在绘图时发现自己总注意不到细节，丢掉很多关键信息。例如，在绘制流动镶嵌模型的时候，不能完整地呈现蛋白质在膜上的3种方式（覆盖、镶嵌、贯穿），这是知识掌握不牢固的原因。通过绘图，学生对知识的认识更加深刻，理解更加到位。

4）难易程度：中等。

5）正确答案：可以绘制细胞膜的流动镶嵌模型、DNA结构、kinesin蛋白等。

活动4：假设细胞是北京城，可将细胞膜比喻成天空，细胞骨架比喻成马路立交桥，线粒体为发电站，细胞核是中南海……请大家大胆想象，将细胞及其各种结构给出适当的比喻。

1）设计目的：发挥学生的想象，通过形象生动的比喻加深对已学知识的理解，便于强化巩固。此外，现在的高考也注重考查学生的语文水平（例如对长段科学文章的读题能力和审题能力），因此将语文和生物学相结合，也培养了学生的综合素质。

2）契合内容：适合在细胞的亚显微结构授课时使用。

3）取得效果：学生有的将细胞比喻成一个新世界，有的比喻成一个国家，有的比喻成一台电脑，各种各样的比喻都非常形象、生动、准确，达到了良好的复习效果。

4）难易程度：中等。

5）正确答案：比喻合理即可。

活动5：小组讨论。

The Body VR有7个部分，分别是：血液—细胞膜（进入细胞）—细胞质基质和细胞骨架—核膜（进入细胞核）—细胞核—细胞器—抵御病毒。将学生分成7个小组，每个小组讨论一个部分，讨论后请学生说出：

①你从这段VR中学习到了什么？

②你认为这段VR中有哪些不符合你的学习认知或是否存在科学性错误？

③你对这段VR可以提出什么建议或意见？

1）设计目的：考查学生的综合判断能力、质疑批判精神、解决问题的能力，开放性地让学生自问自答，对于提高学生的学习兴趣、提升自主学习的能力都有较大的作用。

2）契合内容：适合在复习课时使用。

3）取得效果：学生都在积极思考，根据VR内容与自己学习知识不同的地方提出异议，并查阅相关书籍和网络资料，解决了有异议的问题，培养了学生自主学习的能力。

4）难易程度：难。

5）正确答案：没有标准答案，学生课堂自主发挥，答案合理即可。

随着网络技术、多媒体技术的不断发展和完善，虚拟现实技术将具有更加广阔的应用和发展前景。特别是在教育领域，虚拟现实教学为学生提供了一个自主、交互和直观的学习环境，为教学创新提供了新的平台和可能性，让学生从科学与艺术相融合的视觉信息中感知抽象、理解复杂，丰富了教学的实践形式和多样性，使探索知识的智力过程大为简化。因此，虚拟现实技术作为一个新型的教学媒体，必将更好地服务于教学，更好地促进学生的培养和人才的发展。

主要参考文献

［1］胡智标.增强教学效果拓展学习空间：增强现实技术在教育中的应用研究.远程教育杂志,2014(2):106.

［2］陈向东,张茜.从“经验之塔”理论看增强现实教学媒体优势研究.中国电化教育,2012,22(5):22.

［3］徐继华,张宏.虚拟现实技术在高中美术教学静物摆放中的应用研究.中国教育信息化，2016(10):61.

［4］张林誉.初中物理虚拟实验系统的设计与实现.武汉:华中师范大学硕士学位论文,2013.

［5］赵沁平.虚拟现实综述.中国科学:信息科学,2009(1):2.