增强现实技术(AR)在生物学教学中的应用

刘春生

摘要 从AR的概述、基于图像和基于位置的AR教学、AR教学的意义三个方面进行分析，并探讨了AR在生物学教学的价值。

关键词 增强现实技术 生物学教学 学习动机

中图分类号C633. 91

文献标志码B

信息技术时代正在引发教育的变革。增强现实技术（Augmented Reality，AR）是种新兴的技术，在过去的十年里AR已经成为教育研究的热门话题。将AR应用于生物学教学，能激发学生的学习兴趣，进而创造更高效的学习成果。

1 AR的概述

1.1 AR的涵义及其特征

AR以真实场景为基础，叠加计算机产生的虚拟景象技术，将虚拟的对象添加到真实的情境。它包括三个基本属性：将真实环境中的真实对象和虚拟对象结合起来、以交互方式实时运行、将真实对象和虚拟对象在三维空间整合。AR的诞生是为了弥补虚拟现实（Virtual Reality，VR）完全沉浸于虚幻世界的不足，是VR技术的延伸。

AR具有可视化、沉浸性、交互性等鲜明特征。可视化是指学生能够通过多种不同的视角来观察虚拟的3D模型，进而增强对虚拟事物的理解。沉浸性是指通过创设仿真的学习情境，使学生沉浸在虚拟的学习环境中，进而提高学生的学习积极性，促进其通过主动学习建构自己的知识体系。交互性则是指AR技术将虚拟信息与真实世界融合的过程中，学生可对学习对象进行旋转、放大、缩小等操作，与学习对象进行实时交互。与传统的静态学习方式相比，AR教学提高了学生学习的参与度。

1.2 支持AR的工具及设备

国内外已有多家技术公司提供了支持AR开发的基础工具。使用者无需理解底层软件开发程序，只需要将AR模块添加到已有的应用程序中，就可以通过已有的基础工具，设计开发属于自己的AR软件产品。目前广泛使用的AR制作工具包括：Metaio SDK、Wiki-tude SDK、Vuforia等。

此外，也有很多公司开发出AR整合到移动设备的APP，但并不是专门为中学生物学设计，因此需要教师挖掘其中恰当的内容以服务于生物学教学。这些APP中，具有代表性的包括Plantale，它是一款运用AR技术了解植物生长过程的学习软件。它可以让学习者快速观察到种子萌发、授粉、果实的形成等植物生长的不同阶段，了解植物最佳的生长条件，还可观察植物根、茎、叶和花等复杂结构的内部解剖图;Frog-gipedia，它是以AR形式提供青蛙解剖过程的软件。通过Froggipedia，学习者可以观察青蛙内脏的位置，通过旋转、放大、缩小等操作进行3D虚拟解剖。此外，还可观察由蝌蚪到青蛙的整个变态发育过程;WWF Free river是由世界自然基金会开发的AR技术。它可以将河流以动态的形式呈现在任意平面上，学习者可以通过修建和拆除大坝，体会生态平衡对人类生活的影响。其他适用于中学生物教学的APP还包括Quiver、Jig space、Complete anatomy等。

从硬件角度看，目前支持AR技术的设备可分为三类：①移动设备，如智能手机和平板电脑;②固定设备;③头戴式显示器。由于头戴式显示器仍十分昂贵并且相关技术尚未成熟，因此这项技术目前在教育中较少使用。相比之下，利用智能手机开展AR教学的使用成本相对较低，且方便快捷。

2 基于图像和基于位置的AR教学

中学生物学具有抽象性和微观性的特征。在传统的教学过程中，抽象的生物学概念和复杂的生命现象对学生学习生物学具有挑战，即使教师借助實物模型、图片、动画等也会使学生产生距离感。相比于信息化讲授式教学，AR体验式教学更能为学生创设真实的学习环境，微观抽象的概念和生物学现象能立体地呈现在学生眼前，有利于学生对生物学概念理解，进而发展学生的科学思维。

根据AR的学习环境，可以将AR分为基于图像的教学和基于位置的教学，这两类教学方式在某些教学内容中可以混合使用。

2.1 基于图像的教学

基于图像的AR教学是将抽象的生物学概念转化为真实的元素，其作用是丰富学习资料，促进学生对科学概念的理解和空间认知。

例如，在2019年版人教版《必修1.分子与细胞》第三章第二节“细胞器之间的分工合作”中，通过AR提供植物细胞和动物细胞显微结构的学习环境。学习时不仅呈现出各个细胞器的立体结构，还呈现出细胞质的流动。学生可通过指尖进行旋转、放大、缩小等操作进而观察叶绿体、线粒体、内质网等细胞器的形态结构。在拖动任意的细胞器时，会播放该细胞器的特征及功能。在“实践·探究”栏目中的“用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动”，学生仅需观察AR学习环境中线粒体和细胞质的流动就可完成学习任务，无需借助实验设备。在细胞器之间的协调配合部分，分泌蛋白的合成与运输过程更为抽象。仅借助传统的Flash动画，学生会产生距离感，不利于学生对分泌蛋白的合成和运输整体过程的掌握。在AR的学习环境中，学生可点击“分泌蛋白的合成和运输”按钮，就可身临其境地观察，分泌蛋白在核糖体中以氨基酸为原料进行多肽链的合成，接着转移到粗面内质网继续合成加工、折叠，形成具有一定空间结构的蛋白质;再由内质网鼓出形成囊泡，包裹着蛋白质离开内质网到达高尔基体进一步加工修饰;最后由高尔基体膜形成包裹着蛋白质的囊泡，转运到细胞膜，与细胞膜融合，将蛋白质分泌到细胞外。

在生物学教学中进行AR体验式教学，学生不是单纯地观看教师在课堂中演示动画，而是更多地参与到整个学习过程中，通过手控、眼观、耳听等多感官的冲击，体会植物细胞和动物细胞中细胞器的形态结构及分工合作。在这个过程中，学生对知识的获取不再是被动接收，而是主动观察，提高了学生对科学概念的感性认识，进而促进学生对科学概念的理解。

2.2 基于位置的教学

基于位置的AR教学通常是通过移动装置和地理定位系统，当学习者到达确切的位置时，就可以将相应的信息进行联系。基于位置的AR通常用于开展探究性学习，更注重学习者与真实环境的交互。

例如在2019年版人教版《必修2.遗传与进化》第六章第二节“自然选择与适应性的形成”中，在AR提供的学习环境中，学生可扮演达尔文乘坐贝格尔号进行环球航行。每当到达特定的位置，会有相应的信息提示学生观察化石、鸟类等生物的性状，会播放达尔文到达相应位置的想法。在进入AR环境前，教师需使学生以达尔文踏上航行之旅前的观点进入情境，即认同上帝设计了大自然的生物，认可物种不变论。

场景一：体验达尔文由嘲鸫标本确定物种是进化的。学生可经过“航行”到达加拉帕戈群岛，收集岛上不同喙的嘲鸫，观察不同嘲鸫进食的区别。播放达尔文的思考“这些嘲鸫长像如此相似，却又存在不同。这些鸟可能是同一物种的变种，但这种猜想似乎与物种不变论存在矛盾”。接着，学生模拟达尔文“回到”英国，将嘲鸫的标本交由英国顶尖博物学家验证。博物学家告诉达尔文“嘲鸫属于不同的物种”。此时，播放达尔文的思考“嘲鸫属于不同的物种，那么它们可能是由同一物种演化而来，这样物种就是可变化的”。

场景二：体验达尔文由马尔萨斯的人口论，提出自然选择是物种进化的原因。学生模拟达尔文阅读马尔萨斯对人口变化的观点：如果没有战争或疾病的影响，人口将会持续增加，直到食物用尽为止。到时将会出现生存斗争，只有聪明、强壮和精力充沛的人才能活下来，柔弱懒散的人将会灭绝。资源競争对优秀者较为有利。此时，学生耳边响起达尔文的思考“假设物种可以随时间改变，在漫长的时间变化中，一些物种会随着时间灭绝，同时也会有新的物种形成。生存斗争不仅存在于不同的物种，还可以存在于相同物种。在有限的自然资源中，生物在生存繁殖上略占优势的特征，较有可能代代相传下去。久而久之，这些特征就会适应自然而改变，进而带来了物种的进化。”

在AR情境下，学生跨越了时空的限制，跟随达尔文进行环球旅行，经历了达尔文在物种进化时的思想转变的过程，体会到达尔文在研究物种进化过程时的敏锐的观察力，尝试体验科学家进行探究时的思维方式，发展了学生的科学思维。

3 AR应用于生物学教学的意义

3.1 增强学生的学习动机

学习动机是学生学习的内在推动力，而学习环境是影响学生学习动机的重要因素。通过AR技术将生物学教学内容转化为可视化的3D图像、视频等内容，与真实场境进行叠加融合。Pedaste认为在探究性学习的背景下，AR能使学习者具有更高的动机和更积极的情绪。段延等在教学实践中也发现AR技术在实验教学中对提高学生的学习动机、培养积极主动的探索精神具有独特的优势。

3.2 有利于学生学业成绩提高

AR在课堂教学的过程中能将抽象的生物学概念转化为直观的元素，促进学生对抽象概念的理解。许多研究表明在科学教育中使用AR技术有利于提高学生的学习成绩。如李青等人开发了基于AR的移动学习应用程序AR Tool，将其应用于“微波技术与天线”课程教学。实验结果表明.进行AR教学的实验组学习成绩远高于对照组。张韶宸等人对111名五年级学生采用基于AR的翻转学习模式，实验结果表明基于AR的翻转学习指导方法能有效提高学生的学习成绩。

3.3 降低教学成本

在中学生物学教学的过程中会涉及大量的实验仪器和设备等，且存在实验时间、实验效果难以掌控的现象。利用AR技术可以在虚拟的实验环境中完成实验教学，可极大地降低对实验仪器、设备的投入成本，增加实验的可操作性和实验结果的准确性，节约教学成本。

4 小结

从感知角度来看，AR不仅拓展了人类对微观世界的认识能力，还能打破了现有空间的限制，重视生物学史中重要的探究场景。这使得生物学教学可以呈现出多样化、形象化、立体化的特征，提高了学生的学习兴趣，促进学生对生物学概念的理解，经历了科学家进行科学探究的思维过程。尽管AR在生物学教学中已经显示出巨大的潜力，但教育工作者仍需了解如何设计和利用AR进行教学，促使AR更好地融入生物学教学。

参考文献：

[1]

Akgayir M， Akgayir G. Advantages and challenges associat-ed with augmented reality for education：A systematic review ofthe literature[JI Educational Research Review， 2017， 20： 1-11.

[2]

Azuma R T.A survey of augmented reality [J]. Presence：Teleoperators&Virtual Environments， 1997， 6（4）： 355-385.

[3] Azuma R，Baillot Y，Behringer R，et al_Recent advancesin augmented reality [J]. IEEE computer graphics and applica-tions， 2001， 21（6）： 34-47.

[4]林晓凡，朱倩仪，吴倩意等.增强现实体验式教学资源的科学教育应用：策略与案例[J]中国电化教育，2019，（9）：60-67.

[5]段延，倪晨，吴天刚等.基于移动增强现实的物理虚拟实验研究与设计[J].物理与工程，2017，（S1）：224-228+233.

[6]李青，张辽东.基于增强现实的移动学习实证研究[J].中国电化教育，2013，（1）：116-120.

[7]张韶宸，黄国祯，莫灿.基于增强现实的翻转学习设计方法对学生学习的影响[J].教育教学论坛，2020，（5）：201-203.