增强现实（AR）技术在中学生物学教学中的应用探索

宗 慧 （南京汉开书院 江苏南京 211800）

随着现代信息技术的深度介入，课堂教学模式正发生着创新教育者与学习者互动交流方式的重大变革。在虚拟现实基础上发展起来的增强现实（augmented reality，AR）技术，作为一种新型的信息展现形式，将虚拟世界的信息与真实世界的信息进行融合，使学习者能在视觉、听觉、触觉等方面得到虚拟叠加现实的全方位体验，增强对学习内容的理解与认识［1］。目前，AR 技术作为一种全新的互动交流方式，正在教育系统快速地衍生与延伸。

中学生物学作为研究生命现象与生物活动规律的入门基础学科，具有实验性与探究性的学科特点。强调学习者为主体，能掌握基本实验操作技能；教育者为主导，能引导学生探索生物的奥秘。而在传统的生物学教育模式中，过度强调以教育者为中心，单向对学习者进行知识灌输，以传授知识为直接目的，学生的主动性被忽略。在新课程改革不断推进的过程中，摆脱传统教育模式的束缚，课堂教学模式成为改革的重中之重。AR 技术的出现，提供了一种针对性较强的人机互动模式，强调情境学习、自主学习、探究性学习等学习方式，为生物学科的教学创新带来新的契机［2］。

1 AR 技术在生物学教学中的应用价值

1.1 AR 技术以“趣味性”为前提，培养主动学习的意识 兴趣作为影响学生学习积极性的重要因素，能形成获取知识强大的内在推动力。而提高学习兴趣的关键是创建一种趣味的学习情境。AR技术通过多项技术的整合（显示、传感、多媒体技术等）将生物学教学资源转化为直观化的数字内容（3D 影像、声音等），与真实环境进行无缝融合，对中学时段的学生具有一定的吸引力。尤其能激发学生“自主学习”的意识，提高学生学习的主动性，增强学习效果。

1.2 AR 技术以“沉浸性”为核心，构建身临其境的体验 AR 技术打破了虚拟与现实的界限，能在同一时空里，将虚拟的学习模型置于真实的教学课堂中，为学习者提供眼观、耳听、手控等真实感受。通过构建仿真的学习情境，学习者能沉浸其中，增强学习的热情，唤起学习的灵感，获取全面的知识训练。“沉浸性”的学习方式，使学习者身临其境，产生前所未有的认知，积极愉快的情感，主动探究的行为，极大地提高教学效果。

1.3 AR 技术以“交互性”为关键，创设科学探究的环境 AR 技术将虚拟信息叠加到真实世界的同时，学习者可对快速生成的学习对象进行操作与旋转，进行实时交互。与传统的静态学习方式相比，其突出的特点是提高学习的参与度，通过创设的探究情境，激发学习兴趣；更多地强调在教学中提升学习者的感性认知与体验，提供一种平等交流、自主互动的学习方式，增强动手操作能力［3］。

1.4 AR 技术以“可视性”为驱动，实现实践课堂的教学 AR 技术运用多媒体手段将教材中平面化的文字与图片，以3D 模型的形式呈现，使抽象事物变得形象直观，有效提高了学习者对知识的理解和记忆。知识的“可视性”可明晰呈现传统课堂难以实现的生命现象，使学习者从被动接收转变为主动观察，将理论知识与实践经验相联系，有效提高学习者信息处理及传输的效能，更有利于提升学习质量。

2 AR 技术在生物学教学中的应用案例

目前，国内、外越来越多的科技公司将视线转移至开发AR 教育产品，包括AR 技术全套解决方案和工具。大量人力、物力及创新技术的投入，使AR 技术成为未来几年最具发展潜力的教育工具之一。本文以Z Space 为案例，展示AR 技术在生物学教学中的应用。Z Space 是由美国InfiniteZ公司开发的一款多功能AR 教学解决方案，拥有独特的STEAM（科学、科技、工程、艺术、数学）教育类内容，操作简易，允许学生对虚拟的3D 物体进行操控，其产品正在国内中、小学应用推广。

在中学生物学的教学中，存在2 个突出的教育问题： 一是教师对于复杂的生命现象及生物结构，难以用语言清楚表达，即使借用生物模型、图片，提供了直观的画面，仍欠生动、真实；二是学生在实验操作中，实验时间难以掌控及实验效果差，不能深入开展探究，以及深刻理解实验背后蕴含的生物学知识。Z Space 通过创建虚拟的3D 影像，将仿真的生物模型带入课堂，可以很好地解决这些传统课堂上存在的问题［4］。例如，在苏教版7年级下册第10 章第2 节“观察心脏结构”的教学中，使用Z Space 开发的“人体解剖图谱”程序，可实现实验探索性教学。“人体解剖图谱”程序内含人体4 600 多种解剖结构，并将器官与结构处理为3D 可视化模型。如图1所示，学生通过使用遥控笔将心脏模型带入现实，可以与模型进行实时互动。通过旋转操作，可从任意角度观察立体的心脏结构，甚至可进入心脏的内部，观察4 个腔及其厚薄，以及与动脉血管和静脉血管的薄厚差异。学生以小组探究的方式，可深入剖析瓣膜结构及其开口方向，观察动态的血液在心脏内的流动。

相较于实物教学、模型教学，AR 技术更加形象地展示了心脏的形态和结构，强调了真实事物的动态效果。快速生成的可实时互动的3D 模型，使复杂难操作的生物学实验变得新颖有趣，对学生更具有吸引力。从教学效果分析，AR 技术调动了学生的积极性，增强了学生的感性认识，加深了学生对知识的理解。

3 AR 技术在生物学教学中的应用展望

3.1 基于“探索性学习”落实课程标准的教育理念 探究性学习是指在学习过程中学生自主构建知识体系，注重学习的过程性、开放性、实践性。在生物学课程标准中明确要求，大力倡导探究性学习，改变传统的学生学习方式，有效引导学生主动参与课程，重点突出创新精神和实践能力的培养。这正与AR 教育产品的设计宗旨相同。目前，已有AR 科技公司基于现实需求，针对中学生物学教学内容，研发以“探索性学习”为教授方式的产品，例如开花植物的研究、人体解剖图谱等。在AR 教学课堂上，学生以问题为导向，通过实际动手操作，观察呈现在眼前的动态仿真模型，并与之进行实时互动，完成由教师引导的整个探究性学习过程。AR 技术在教育领域的应用，可以重构教学策略、改变教学方法，为真正实现课程标准要求的“探索性学习”创造条件。

3.2 基于“多方合作”开发AR 教学资源库 中学生物学不仅有着丰富的知识体系，也包括对自然科学独特的思维方式和探究过程。依据学科特性，AR 教学资源库的构建需要研发人员、教师、学生多方的共同参与［5］。科技公司应继续加大技术的投入，提升体验效果；通过降低产品成本，提高AR 技术的普及度。教师应主动参与，打破固有的教学思维，提高对新技术、新教学模式的认识。学生应乐于接受新颖事物，在实践应用中，多提一些真实的用户感受。一个好的AR 教育产品，应是技术与需求的契合，未来需要多方的共同努力。

3.3 基于“教育价值”建立科学化的评价体系AR 技术作为新兴的信息教学手段，一经推出就受到教育领域的重点关注。对于将AR 教育产品引入学校，尝试在各个学科教学中进行应用，一个关键性问题不容忽视，即产品的应用是否能真正提升学生的学习效果。目前，已有研究将AR 教学方式作为实验组，传统教学方式作为对照组，探究AR技术对于学习成效及情感认知方面的影响。结果表明，AR 技术能提高学生学习的积极性，产生更好的学习体验。但是，国内AR 教育产品的应用尚处于早期阶段［6］，成熟完善的课程评价体系构建仍未确立，亟待对产品的标准化流程、产品的教育价值、教育成效等开展深入探究。

4 结论

综上所述，AR 技术开创了生物学教学的新模式，以其突出的技术特性体现出强大的教育价值。虽然国内AR 教育产品刚刚起步，但由于教育发展及改革的需要，未来的发展前景被一致看好。AR 产品将以技术革新进行产业升级，在教与学之间寻求创新，进一步确立产品的标准化，从而实现量产化，真正将“虚实结合”“身临其境”的教学模式带入课程。