虚拟现实技术在生物学教学中的应用

张晓敏

摘  要 探讨虚拟现实技术在生物学教学中的应用前景、优势和不足，并采用3D Max軟件制作生物结构的三维模型，分析该模型在教学中的应用途径，旨在为生物学教学改革提供参考。

关键词 虚拟现实技术;生物学;3D Max;智慧校园;实验

中图分类号：G633.91    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）19-0036-03

1 前言

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是利用三维建模技术和计算机图形技术模拟真实世界的物体和情景而建立的计算机仿真系统，具有真实性、虚拟性和沉浸性的特点。2017年1月，国务院公布的《国家教育事业发展“十三五”规划》提出，支持各级各类学校建设智慧校园，综合利用虚拟现实技术、教育大数据、人工智能探索未来教学新模式。这是国家在教育发展规划中首次提及虚拟现实技术，并为虚拟现实技术与教育融合提供了诸多政策支持。虚拟现实技术能够使微观世界宏观化，抽象的事物形象化，虚拟的物体实物化。因此，很多公司和教育机构也在积极探索虚拟现实技术在各门课程教学中的应用。虚拟现实技术与生物学教学相结合，是现代教育技术的一大突破，促进传统教育方式改变，支持教育模式变革。

2 传统生物学教学的不足

生物学主要研究动植物的结构、生理行为、遗传发育等内容，其中涉及众多微观和抽象结构，这些结构大多是看不到、摸不着的，学生对其没有感性认识，较难理解和记忆，因此常常成为中学生望而生畏的内容。在常规课堂教学中，教师一般都是借助于图片演示、动画和模型教具来进行讲解，但常常会因观察角度有限和结构叠加而导致学生看不明白。同时，由于学生对抽象的微观结构没有直接经验的支持，只能在头脑中通过自己的想象去还原，因此，不同学生还原的结构可能会有很大差别，造成学生很难对生物微观结构有一个准确统一的认识。

实验教学是生物教学中必不可少的环节，但是很多学校存在不重视实验教学，实验课时偏少，仪器设备陈旧，实验难以开展的情况[1]。同时，一些实验内容因受实验条件的限制而不能在常规教学中开展;还有些实验因研究对象是一些生物微观层面的结构或过程，通过常规实验无法显示。对于难以开展的实验，在传统教学中往往以学生阅读书本或者教师讲解的方式代替真实的实验操作。这种教学方式造成学生对研究对象缺乏真实的感知体验，无法深入地理解和掌握知识点。

众所周知，多媒体技术为生物学教学提供了新的方法，它通过图像、视频等演示生物结构和生物反应过程，能够提高学生的学习兴趣。但是多媒体主要是展示性的，要按照预先设计好的内容依次进行演示，而学生只能按照固定流程进行浏览和学习，在学习过程中的参与性非常低。

3 虚拟现实技术教学应用的意义

首先，虚拟现实技术的交互性克服了多媒体的缺点，提高了学生的参与度，使学生由被动接受转变为主动探索，最终提高学生的创新思维和创新能力。由于计算机图形技术的发展，不仅使得虚拟仿真程序能够模拟出形象直观的交互式学习环境，提供图文声像并茂的多种感官综合刺激，还能够使微观世界宏观化、二维图像立体化、抽象世界具体化，故能极大提高学生的学习热情[2]。

其次，虚拟现实技术若应用于教学中，教师就可以根据教学内容的需要有针对性地设计虚拟教学过程，让学生身临其境地进入虚拟的微观世界，感受细胞结构的质感，体验细胞代谢过程的神奇，进行知识探究，从而使学生获得真实的体会，丰富感性认识，真正激发学习兴趣和热情，增强学习体验。

再次，在虚拟现实技术提供的良好人机交互中，即使学生在学习中出现错误，也可以自行了解错误的原因及后果，最终发现解决问题的方法。

最后，虚拟实验还可弥补教学设备的不足，避免真实实验或操作带来的各种危险[3]。而且虚拟实验的学习者完全不受时间、地点、场地的限制，可以随时随地进行学习。

4 虚拟现实技术在生物学教学中的应用前景

虚拟现实技术应用于生物学教学具有多方面的优势。

首先，虚拟现实技术为教师提供一种全新的工具，利用它能够将生物体的结构特点清晰地展现在学生面前。虚拟现实技术的沉浸性特征能够使学生置身于一种逼真的虚拟环境中，就像在真实的客观世界中一样，能给学生带来身临其境的感觉，可以让学生观察生物世界的各种特征结构，尤其适合生物学中的微观结构和生物原理的展示，如细胞的结构、细胞分裂过程、生物反应过程、基因表达等过程，都可以通过虚拟现实技术生动形象地呈现在学生面前。而这些内容在传统课堂上大都需要借助课本示意图、显微镜下观察图、动画、视频等形式辅助讲解，且学生看到的多是二维图像，虽然能够较为准确地反映知识本质，但不够生动。因此，虚拟现实技术以其高精度的虚拟性和超强的感官体验，使传统教学中只能凭记忆、想象、简单模拟等掌握知识的状况得以改变。

其次，虚拟现实技术的交互性能够让学生在电脑产生的虚拟世界中，利用一些虚拟现实传感设备与虚拟模型进行交互，感觉就和在真实世界中一样。这样一来，学生会产生非常大的兴趣，主动去探索知识，而不是单纯地被动接受。学生可以在虚拟环境中操控三维模型，完成现实生活中无法实现的操作，让学习过程变得游戏化、情境化，因此可最大限度激发学生的学习热情。

再次，虚拟实验不仅可以展示常规的生物学实验，而且可以演示因实验条件比较苛刻、实验操作比较危险而不易实现的实验内容。虚拟现实技术能对实验场景进行再现，其高度的逼真性和现实体验感让效果非常真实。

最后，虚拟现实技术的构想性特性能够拓宽学生的认知范围，具有广阔的想象空间，不仅可以再现真实世界存在的事物，而且可以随意构想客观不存在的情景，甚至是现实世界不可能发生的情景。这种特性能够使学生深深地沉浸在获取新知识的过程中，可以提高学生的感性和理性认识，从而使学生深入掌握生物学的概念和萌发新的联想，启发学生的创新思维。

虚拟现实技术在教学中的应用方式，需要根据不同的教学内容进行设计。在生物学教学中需要进行分子结构三维展示、细胞结构和细胞器三维展示、虚拟场景构建、三维动画演示等。虚拟现实技术可以将生物分子的结构数据转变成分布在空间的三维分子模型，让人们浸没在分子世界，并能和它进行互动;可以制作各种生物体的三维模型，让学生通过三维模型识别生物的结构特征;还可以将漫长的生物生长发育过程以三维动画的形式展示出来，让学生掌握形象生动的生物规律。

生物三维模型是实现虚拟仿真教学的基础和关键，它决定了虚拟仿真程序的实用性。3D Max是基于PC系统的3D建模和渲染软件，可用来制作物体的三维模型、三维场景和三维动画，广泛用于影视、工业设计、医疗、辅助教学等領域[4]。采用3D Max制作生物的微观结构模型（图1），并将三维模型导入Unity 3D软件进行三维模型的设置和交互编程。Unity 3D不仅可以将三维模型进行透明、半透明、隐藏等设置，将内外不同的结构进行差异化显示，还可以对三维模型进行360°旋转、放大和缩小等操作。设置完成后将虚拟交互程序导出，形成可以独立运行的软件，就能够在电脑上或者网络上运行。

DNA分子的三维模型可以用于“遗传的分子基础”一章的教学。如图1A所示，DNA分子的结构和复制过程比较抽象，传统的教学方法很难准确演示DNA结构，也难以模拟整个复制过程。利用DNA分子三维模型，学生能够直观地观察到DNA的结构，感受和理解DNA复制的过程。如图1B所示，神经元三维模型可以用于“动物生命活动的调节”一章的教学，通过三维模型，能够观察到神经元的胞体、树突、轴突和髓鞘等结构。如图1C所示细胞膜的三维模型，可用于“细胞的结构”一章的教学，让学生借助细胞膜三维模型，仔细观察磷脂双分子层结构和以不同深度镶嵌在磷脂分子层中的蛋白质，这样整个细胞膜的结构都可以尽收眼底，就像拿着真实的细胞在进行观察一样。通过观察这些三维模型，教师不用再描绘太多场景，学生不用再像以前那样凭空想象生物结构，就能身临其境地进行学习。

当然，虚拟现实技术应用于生物学教学中有不可替代的优点，但它的不足也是不容忽视的，例如：目前的虚拟现实技术硬件功能相对落后，设备操作精度有待提高，电子笔必须对准要拖拽的物体才能进行操作;VR眼镜长时间佩戴会有眩晕感，容易疲劳;生物学的虚拟现实资源还比较匮乏，虚拟化软件水平参差不齐，制约着虚拟现实技术在生物学教学中的应用;高质量的可用的商业化教学软件需要很多专业人员进行制作，但由于精力和专业限制，很难制作出理想的软件。

5 结语

综上所述，虚拟现实技术适用于生物学教学，但是要达到良好的教学效果，需要做到以下几点。

1）要注重教学内容和素材的选择。并不是所有的教学内容都适用于虚拟现实教学，选择适合虚拟现实技术展示的生物体结构，尤其是一些较复杂的、需要从宏观到微观进行层层分离的结构和需要场景展示或操作过程的知识，用VR观察效果比较好。

2）设计的虚拟现实交互程序不能太复杂。由于三维模型会占用大量硬件资源，因此在展示出教学内容的前提下，要尽量简化三维模型的面数和简化虚拟交互程序的操作。只有这样，才容易让学生在短时间内理解所学知识，也便于设计程序的推广应用。

随着计算机硬件的发展，三维建模和动画技术的不断进步，软件应用的不断完善，虚拟现实技术在教学中的应用会越来越广泛，对未来的生物学教学发挥不可估量的作用。

参考文献

[1]郝琦蕾，李妙娜.高中生物实验教学现状的调查研究[J].教学与管理，2016（6）：30-34.

[2]徐硕，孟坤，李淑琴，等.VR/AR应用场景及关键技术综述[J].智能计算机与应用，2017（6）：28-31.

[3]孙毅超，王艺璇，朱绍瑞，等.虚拟现实技术在教育领域的发展与困境[J].高教学刊，2017（4）：193-194.

[4]庄钢波.3D MAX技术在虚拟场景设计中的应用[J].山东工业技术，2015（11）：125.

[5]赵一鸣，郝建江，王海燕，等.虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析[J].电化教育研究，2016（12）：26-33.