管理者视角下的虚拟现实技术在教学新产品开发中的运用

摘要：现代科学技术的飞速发展，使得今天课堂教学的手段更加丰富 ，而在全面执行“双减”的政策背景下，虚拟现实技术在实验教学产品（以高中生物学科为例）中的应用，极大地拓宽了师生的眼界，多角度、多感官、近距离的观察，增强了身临其境的感受;缜密设计的人机互动，辅以美妙的背景解说，既巩固了学生的基础知识，又训练了他们的理性思维和科学研究态度。

关键词：经济管理;虚拟现实技术;实验教学

大家都知道，高中阶段生物学课程教学内容中微观内容多、概念比较抽象、难以理解，必须借助一定的设备器械，才可能得以一窥峥嵘。为了满足生物学科教学的实际需求，合理地使用现代信息化的技术设备和教学手段，我们在课堂教学中适时引入SR（VR技术发展的新阶段）生物学教学系统，进行课程预习、教学和复习等活动。SR生物学教学系统对标教育部《教育信息化2.0行动计划》的要求，深度挖掘育《高中生物课程标准》和生物学科教育资源，开发出一系列教学课程，形成具体落地解决方案，较好地满足了日常教学的需求。老师教育和引导学生使用SR生物学教学系统教学课件的过程，也是一个让学生亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设和发现规律的过程。以高中生物《必修2--遗传进化》中遗传信息的《转录与翻译》为例，这部分内容，既是难点，更是重点。我们在课堂教学设计时，就是由老师根据课本所设定的教学目标，做出如此安排。

1、SR生物学教学系统教学过程：在转录和翻译这一节课程中，通过学情分析，我们要求学生能够掌握mRNA、tRNA、密码子和反密码子等概念， 而且要理解DNA与mRNA、mRNA与tRNA、tRNA与氨基酸、密码子与反密码子等之间的相互关系，以及转录、翻译的动态过程，对大部分学生来说，掌握和理解它们是相当困难的。《转录和翻译》SR课件针对师生在教学中可能遇到的教学重点和难点，设计了一个虚拟的、全视角的360°的立体3D场景，生动地模拟呈现了细胞核和核糖体内部的各种运动，帮助学生近距离观察细胞核内部和核糖体内部的转录和翻译活动，輔以生动的语音解说，通过多角度和视觉、触觉、听觉等感官刺激，让孩子们亲身体验微观世界中转录、翻译的过程，对转录、翻译形成一个直观动态的印象，方便他们更好地理解，加深记忆。在使用SR生物学教学系统教学时，老师在一旁做相应的解释与提示的工作，随时暂定、复位、重播，提出问题，找寻答案，把学生难以理解的画面进行反复播放，或者加深印象;通过人机互动，探索更多知识。在利用SR生物学教学系统开展的教学活动时，学生可以反复观摩碱基互补配对原则这段影像，同时，在理解并掌握：双链DNA 中的一条链作为编码链，一条链作为非编码链并作为转录的模板转录生成mRNA的重要知识点的情况下，结合教材，再提出一系列问题：即转录和DNA复制有何共同之处？转录和DNA复制的酶，有何差异？通过鼓励学生反复观看本节课的重点和难点的动画模拟，让学生通过SR技术体验微观世界中转录、翻译的过程栩栩如生的演绎，因而对转录、翻译过程有一个近似实景的动态印象和更加全面完整的认识。等做完一轮教学活动后，老师可以让学生在黑板上再写出一组有关转录翻译的概念和DNA与mRNA、mRNA与tRNA、tRNA与氨基酸、密码子与反密码子等之间的相互关系的板书，这样就把信息化技术手段、课程标准和手头教材三者有机的结合起来，让学生亲历获取信息、寻找证据等过程，巩固所学的生物学知识，从而达到最优的教学结果。

再如，在使用转录翻译软件时，还可以结合教材上相关科学家，如克里克和尼伦伯格的故事，帮助学生像科学家那样思考，体验破译遗传密码的科学过程。所有这些，都体现出SR生物学教学系统对于运用现代先进的科学技术，以及对课标和教材知识的深度结合，帮助学生养成理性思维的习惯，形成积极的科学态度，进而发展终身学习的能力等方面，是有积极促进作用的。

2、《转录翻译》教学课件背景知识简介：转录过程中，细胞核的DNA以非编码链（又称模板链）与RNA聚合酶结合并使双链解旋，此时细胞核中游离的RNA与DNA模板暴露的单链碱基相互结合，在RNA聚合酶作用下形成小链的mRNA，翻译过程中mRNA通过核孔离开细胞核（图1）与蛋白质“装配机器”核糖体结合成“蛋白质工厂生产线”并通过密码子与游离的“搬运工”tRNA所携带反密码子互补配对，同时“搬运工”tRNA还识别并转运一种游离的氨基酸。SR生物学教学系统向学生生动形象地呈现出转录和翻译的全部过程。并且， 课件中还特别设计一段DNA 编码链的碱基序列：CCAAAGATC。通过编码链，我们可以推导出非编码的碱基序列，并通过mRNA的知识点，推导得到相应的mRNA碱基序列;通过tRNA识别并转运的氨基酸的密码子，可以查找到tRNA所携带的氨基酸类型（图2）

3、SR生物学教学系统的技术优势：该系统能够方便而高效地增强人机、师生互动，在教学中活动中老师、学生都可以方便地使用SR生物教学系统，而不必依靠任何外部设备，如头盔或3D眼镜等，就可以经行视觉、听觉、触觉等多种感官教学体验活动，从而避免了对设备的依赖性。同时，SR生物教学系统对于教学场地、教学时间、辅助设备和公共安全等方面都没有设置任何苛刻条件和要求极大降低了设备使用难度。教师学生可以随时随地，在任意距离条件下使用SR生物教学系统进行教学活动。SR生物教学系统简洁而又高效，提供便捷式菜单，课程各个环节的设计，都由资深生物学科教师和教育部专家层层把关，把课本的所有相关知识点都简单直观地通过SR系统呈现出来， 足以满足学生获得基础生物学知识需求。这样方便而又高效的教学系统，可以激发学生自主学习，推动教学成绩提高。

4、生物学的发展给生物学教学提出新要求：生物学研究发展的历史经历了从现象到本质、从定性到定量的发展过程，也与科学技术的发展史有着密切的相关性。技术和设备的飞速发展，推动着生物学在微观和宏观两个方向都得到迅速的发展，并向着研究领域的融合和趋向于更加接近自然本质的方向发展。时间进入21世纪，科学和技术发展格外活跃。随着信息技术和工程技术的结合日益紧密，正在对社会、经济甚至人类日常生活产生越来越大的影响，特别是对教育领域的要求和影响正在逐步显现。这就给生物学教学提出了新的要求和目标。在最新修订的《普通高中生物学课程标准》中明确提出：高中教育阶段的生物学课程是科学领域的学科课程，其精要是展示生物学的基本内容，反映自然科学的本质。它既要让学生获得基础的生物学知识，又要让学生领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法。生物学课程期待学生主动地参与学习过程，在亲历提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设和发现规律等过程中习得生物学知识，养成理性思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习的能力。新课标中强调重点培养学生设计实验、动手操作、收集证据等科学探究的能力，教师在指导学生完成本模块每项教学任务时，除了创造实验条件和参与学生讨论外，应适当补充相应资料或引导学生自己搜集相应资料，引导学生相对系统地完成有关的学习内容[1]。要达到这样的教学目标，无论在教学方法和教学形式上都要发生重大的改变，并随着之越来越丰富和多样，教育信息化在生物学教学中的地位和价值也会日益凸显。教育部在2018年发布的《教育信息化2.0行动计划》中专门指出：坚持融合创新。发挥技术优势，变革传统模式，推进新技术与教育教学的深度融合，真正实现从融合应用阶段迈入创新发展阶段，不仅实现常态化应用，更要达成全方位创新[2]。

SR生物学教学系统是基于SR信息化技术手段，并邀请多名教育系统生物学科专家、一线教师加盟，历经数年，深度挖掘育《高中生物课程标准》和生物学科教育资源，结合教育学的特点和生物学科核心素养要求，成功研发出来的。该系统能够精准实现生物学知识的传授，并能带来超乎寻常的立体化沉浸式体验。可以更有效地落地实现教育部提出的课改新理念和新要求。（图3）

5、传统教育方法难以适应是新的教学理念的需要：传统教学情景中，教学技术手段相对落后，还存在大水漫灌的状况，导致学生对所学内容难以深刻理解，难以进行深入探究的客观情况发生。基于现代生物学高度发展趋势和生物学教学新理念的现实要求，在教学设计上特别有针对性地进行创新，适时引入SR技术，以及相关的课程设计，研发并推广使用“SR生物学教学系统”是一个较好的尝试。所谓SR（Stereoscopic mixed Reality）技术，又称立体混合现实技术，是虚拟现实技术发展的一个新的阶段也是最前沿的人工智能技术。与之相比较的是上一代VR（Virtual Reality）技术，即虚拟现实技术，是主要依靠电脑来模拟一个三维的虚拟世界，创造出真实的体验效果，要求体验者必须配带上头盔（3D眼镜），只有依靠头盔才能有视觉、听觉、触觉等多种感官体验，体验者才能置身于虚拟的三维世界中。相对于VR/AR/MR等技术，SR立体混合现实技术可以让体验者摆脱头盔、眼镜等设备束缚，实现全场景、全终端应用，并可以通过体感设备轻松实现人机交互，全程开启近似游戏化的教学模式，增强了课程粘性。

6、SR生物学教学系统硬件配置及相关参数：SR生物学教学系统为了达成最好的体验效果，在产品的上游硬件设备的上，一开始就瞄准国内最顶级的上游供应商，借力“3D+“战略，打造以裸眼3D显示为核心的SR立体混合现实平台，并结合高中生物课程教育教学需要，进一步的技术研发和创新。SR生物学教学系统创造虚实融合、梦幻和现实交互的“物化”体验，实现虚拟数字世界与真实物理世界的无介质融合，让人们以最自然的方式（眼睛、手势、声音、意识、触觉等）仅使用五官能够与虚拟内容进行交流与互动。硬件标准和配置也是最高的：KD86D502D1，采用第二代柱镜光栅技术的裸眼3D显示设备，内置Android5.0操作系统及OPS电脑，可实现4K分辨率裸眼3D显示器，支持红外28点互动触控，不管你从哪个角度望向屏幕，3D效果都不会打折扣。这款显示屏，相比于传统显示屏能达到大于90%的透过率。截止到目前，是国内单屏最大、集成技术最先进、可实现功能最多的显示终端。（图4）

7、该产品的市场效果反馈：该产品一经推出，就受到市场极大的欢迎，反应强烈。北京市教育科学研究院基础教育教学研究中心专门邀请研发单位和项目学校在全市学科实验教学与应用技术专题研讨会上分享研发历程、使用心得和教学成果，受到与会专家和老师们一致的好评。（图5、6）

8、SR生物学教学系统的特点：该系统产品的优势与特点：SR生物学教学系统作为一款辅助教学系统，具有有用好用两大优势和直观高效、突出重点、引起兴趣、方便使用四大特点。（图7）

SR生物学教学系统研发的核心理念是“传统实验虚拟化，微观构成可视化，生命现象动态化”，立足于解决高中生物学教学中的刚性需求，切实帮助减轻老师教学负担，帮助学生建立完整的生物学概念和动态理性的思维方式。特别是在SR生物探究实验室的整体设计及技术解决方案中，分别从点、线、面来设置三个教学子系统：AR生物学教学系统是点（重要知识点）;STEM生物学教学系统是线，将教学内容，教学关键节点，教学过程参与者（学生，教师，家长）链接起来，打通生物学教学过程的知识隔阂;SR生物学教学系统是面，是重点内容和知识范围动态呈现。（图8）

当然，这三个教学子系统并不仅仅限于课本内容的展示与探究。在产品的研发过程和使用过程中，我们一直都在思考如何把现代教育技术应用和未来信息科技发展有机地整合在一起。此前教育界的许多有识之士都已经预言过，教育的未来将和科技之间产生空前的相互影响，因此我们在设计方案时特别引入了全国教育信息技术研究重点课题《面向师生的VR资源制作工具的开发与应用研究》。通过课题研究，我们将体验信息技术大大改变教育的未来，信息技术能够使现代教育变得更加便捷与高效，使得学生不仅能够通过观看视频，实现教授课程内容中的人机交互，来了解生物学科的基础知识内容，而且还能够利用国家级课题提供的简单易上手的VR制作工具，积极主动的参与到课件的设计和制作中去，通过亲手设计把自己的猜想变成动画及模型;有兴趣的同学还可以直接连接3D打印机，把设计变成实际作品，这样动手的体验效果，将远胜于传统教学手段中隔着玻璃板和显微镜的观察方式，极大地提高了课堂教学的效率。不仅如此，通过课题训练，师生对于参与国家级重点课题，显示出极大的热情与期待，并从“大胆设想，小心求证”的训练中获得正确的科研态度，恰当的方式方法，和丰富的科研成果。（图9）

9、SR生物学教学系统未来展望：展望未来，从市场的实际需求来看，SR生物学教学系统的面世，及时有效的填补了高中生物探究课程的市场空白，取得了较好的使用效果，和较强大的市场需求。我们研发团队拥有优秀的信息技术开发能力和强大的课程资源，一方面立志于服务于课堂教学活动，改进课堂教学方式，增加师生间和生生间的互动交流，提高课堂教学效率;另一方面立志于服务于学生的自主学习活动，让学生利用各种生物学信息资源，开展自主学习，拓展学科视野。在疫情防控的特殊时期，我们将进一步研发线上教学与线下辅导紧密结合的内容，开发出更多服务于五育并举和综合素养提升的课程，增加拓展式、研究式、阅读性的学习内容，增强线上学习的自主学习能力（所以产品的新颖性尤为重要），增加产品粘性，弥补自主学习能力培养的短板，寄希望于为教育改革发展的新方向探索助我们的一臂之力。

参考文献

[1]（P4）参见中华人民共和国教育部制定的《普通高中生物学课程标准》（2017版2020年修订）.

[2]（P4）参见中华人民共和国教育部《关于印发<教育信息化2.0行动计划>的通知》，发文字号：教技（2018）6号.

【作者简介】丁安国，1970年12月出生，男，汉族，安徽合肥人，安徽工商管理学院2019級MBA学员