虛擬現(xiàn)實技術在昆蟲學教學中的應用前瞻

高宇

(吉林農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，長春130118)

摘要：隨著電子計算機和通信技術的發(fā)展，人類社會已經(jīng)進入了信息化的社會。傳統(tǒng)昆蟲學教學模式的局限性顯得越來越突出，已經(jīng)不能滿足教學需求。解決該問題的有效手段之一，就是應用虛擬現(xiàn)實技術建設虛擬昆蟲教學系統(tǒng)輔助理論和實踐教學。利用虛擬昆蟲教學系統(tǒng)，可實現(xiàn)高校課堂教學的真實性、連續(xù)性和交互性，這對于提高高等農(nóng)業(yè)教育教學質量、促使高校教師轉換角色和共享優(yōu)質高等教育資源等均具有很大的促進作用，在昆蟲學教學中具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術;虛擬昆蟲教學系統(tǒng);昆蟲學教學

收稿日期:2014-06-21

基金項目:吉林省教育科學”十二五”規(guī)劃項目(GH12145)；吉林農(nóng)業(yè)大學專項校本研究課題(2014zx10)

作者簡介:高宇(1983-)，男，吉林長春人，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)昆蟲與害蟲防治方面的教學與研究。

中圖分類號：G642文獻標志碼：A

隨著電子計算機和通信技術的發(fā)展，人類社會已經(jīng)進入了信息化的社會。傳統(tǒng)昆蟲學教學模式的局限性顯得越來越突出，已經(jīng)不能滿足教學需求。虛擬現(xiàn)實(Virtual reality，簡稱VR，又譯作靈境、幻真)是利用電腦模擬創(chuàng)造一個三維空間的虛擬世界，為參與者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓其如同身歷其境一般，可以及時地、無限制地觀察三維空間內的事物。[1]應用虛擬現(xiàn)實技術建設虛擬昆蟲教學系統(tǒng)，能有效克服當前昆蟲學理論和實踐教學中的諸多難題，與傳統(tǒng)高校課堂教學中的掛圖、展板和多媒體技術相比，能更好地實現(xiàn)高校課堂教學的真實性、連續(xù)性和交互性，幫助學生更深入具體和形象地理解與掌握相關知識內容。這對于提高高等農(nóng)業(yè)教育教學質量、促使高校教師轉換角色和共享優(yōu)質高等教育資源等均具有很大的促進作用。因此，應用VR技術建設虛擬昆蟲教學系統(tǒng)在昆蟲學教學中具有廣闊的應用前景，對于高等農(nóng)業(yè)院校昆蟲學教學的多元化教育和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1虛擬現(xiàn)實技術和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

《The International Journal of Virtual Reality》上的“虛擬現(xiàn)實術語詞匯表”中，對“VR”的定義是“一種創(chuàng)建人工世界的計算機系統(tǒng)”[2-3]。具體地說，VR是根據(jù)人類感覺的生理和心理特點，由計算機創(chuàng)造的三維立體圖像[4]22。VR技術是一門涉及計算機、圖像處理與模式識別、語音和音響處理、人工智能技術、傳感與測量、仿真、微電子等技術的綜合集成技術，主要涉及三個研究領域，即通過計算機圖形方式建立實時的三維視覺效果、建立對虛擬世界的觀察界面、使用虛擬現(xiàn)實技術加強諸如科學計算技術等方面的應用。[5]

基于VR技術建立虛擬現(xiàn)實平臺(Virtual Reality Platform，簡稱VRP)，即采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，從而使人產(chǎn)生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗。[4]23一個完整的VRP由虛擬環(huán)境、以高性能計算機為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)、以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構成。它具有沉浸性、交互性、多感知性和構想性等基本特征。

2虛擬現(xiàn)實昆蟲教學系統(tǒng)對教學促進作用

將昆蟲學理論與VRP相結合，建立虛擬現(xiàn)實昆蟲教學系統(tǒng)(Virtual Reality Instructional System of Entomology，簡稱VRISE)，作為一種輔助教學的技術手段，其研發(fā)目的應始終圍繞著如何更好地提升教學效果。利用VRISE將豐富昆蟲學的教學手段，提高高等農(nóng)業(yè)教育教學質量，促使高校教師轉換新角色，還有利于共享優(yōu)質高等教育資源。

2.1提高高等農(nóng)業(yè)教育教學質量

(1)觀察了解現(xiàn)實世界的昆蟲生活史可能需幾個月，甚至一整年的時間。利用VRISE可將昆蟲的生活周期縮短至數(shù)分鐘以內，這樣就能部分地替代在現(xiàn)實世界難以進行的或者費時、費力和費資金的實驗，還可使教學過程更形象、直觀、生動，極大地提高了教學效果，激發(fā)了學生的學習興趣，因此，VRISE有助于縮短教學周期。

(2)昆蟲學實驗需要大量實驗儀器設備和昆蟲標本，尤其是對于較為復雜的昆蟲生理學實驗、觀察較難采集到的稀少昆蟲種類，要完成這些教學任務，需要購置儀器設備和更新陳列標本、教具等。而虛擬農(nóng)業(yè)儀器因其成本低廉、操作使用與傳統(tǒng)儀器基本相同，可以替代傳統(tǒng)的儀器設備；虛擬昆蟲可從活體昆蟲上獲得圖像，經(jīng)過三維數(shù)字處理形成可視化虛擬昆蟲圖像，學生可反復觀察學習昆蟲的形態(tài)結構。這樣就可彌補昆蟲標本種類和數(shù)量不足、硬件設施不足等諸多問題，因此，VRISE有助于節(jié)約教學成本。

(3)學習投資是一種生產(chǎn)性投資，可以計算投入和產(chǎn)出，同樣存在著成本效益關系，并且學習成本與學習收益的對比關系是學生好學或厭學的一個重要原因。[6]利用VRISE降低學生的學習成本，可以有效地提高學習收益和教學效果。從學習成本的構成上看，有助于降低時間成本(如學生對課程進行預習、上課、閱讀材料、完成作業(yè)與實驗所花費的時間)與物質成本(學生在上述過程中所耗費的各種學習費用、教材費用、實驗材料損耗等支出)；從學習成本的來源看，可分為來自家庭、社會、教師以及學生自身的成本，有助于降低各渠道來源的學習成本[7]，因此，VRISE有助于降低學習成本。

2.2促使高校教師角色轉換

利用VRISE可以使學生按自身實際情況選擇不同的學習方式、學習進度和學習途徑，以達到最佳的學習狀態(tài)，這些優(yōu)點是傳統(tǒng)教學方式難以達到的，這就需要有經(jīng)驗且受過專業(yè)訓練的教師的有效指導。[8]因此，在VRISE教學中，教師如何確定自己的位置尤為重要。

(1)教師的主要職能將由“教”轉變?yōu)椤皩А?，更多地體現(xiàn)在引導方向，通過創(chuàng)設豐富的虛擬教學情景，激發(fā)學生獲取知識和能力的動機，幫助學生決定適合自身需要、實際的學習目標，發(fā)展學生認知、判斷、選擇能力，培養(yǎng)良好的學習習慣。

(2)隨著知識更新速度成倍加快，教師不僅要關注所教學科的知識，還要獲取其他領域的最新成果和動態(tài)，不斷地更新和改造自己的知識結構和教育技術，成為一名積極主動的終身學習者，并以這種態(tài)度來影響、組織、輔導、幫助學生克服學習惰性。

(3)在課堂上引入VRISE后，師生關系發(fā)生了巨大轉變，教師與學生的合作關系更加開放，教師可以通過虛擬教學資源與學生進行正式或非正式的交流和討論，在這種環(huán)境中相互尊重與信任是合作的基礎。建立創(chuàng)新開放式師生合作課堂教學模式。

2.3共享優(yōu)質高等教育資源

(1)虛擬教學資源是高校教育資源的重要組成部分，利用信息技術將所有分散的昆蟲學教學資源整合和集成統(tǒng)一的信息和知識體系，構建一個無限的虛擬現(xiàn)實昆蟲學教學大環(huán)境。由于高等教育具有較強的專業(yè)性，教育資源主要為特定教育目標的教學、科研及生產(chǎn)服務，服務對象的范圍包括從事本專業(yè)及其相關領域的教師、學生、科研人員和技術推廣人員，以及具有相應的教育需求的教育對象等。在一定時期和一定社會條件下，通過公正合理地社會共享，使高校教育資源得到充分的利用。

(2)昆蟲學科普是一種信息傳播過程，具有教育、文化、娛樂等諸多功能。VRISE可以作為昆蟲學科普的重要載體和媒介。比如，在自然(昆蟲)博物館中陳列螳螂、螞蟻、蝗蟲等各種放大的昆蟲模型，對體形纖小的昆蟲進行了藝術的夸張；在放大的螞蟻洞穴景觀中，觀眾可以觀賞到螞蟻搬家、繁衍等生命活動等；昆蟲復眼模型讓觀眾能體驗到昆蟲復眼在視物時的特殊效果。[9]

3虛擬現(xiàn)實昆蟲教學系統(tǒng)的應用前景

3.1虛擬昆蟲的研究現(xiàn)狀

虛擬昆蟲是基于昆蟲學原理建立的三維模型，即應用計算機模擬昆蟲在三維空間中的生長發(fā)育、行為活動等狀況。例如，Sommerer和Mignonneau于1993年構建了其首個交互式裝置“A-Volve”，這些人工生物會“活”起來，還能不斷演化；參與者還可在觸摸屏上設計人工生物的外形；1995年構建了交互式裝置“Photoropy”，參與者可以喂養(yǎng)和復制虛擬昆蟲；1996年又構建了交互式裝置“GENMA-Gentic Mignonneau”，參與者能通過操控虛擬生物的基因，實時地創(chuàng)造和修改人工昆蟲的形態(tài)。[10]Beer用軟件構造了在二維世界中具有簡單行為的虛擬昆蟲——蟑螂。[13]我國學者也建立了自動化制作昆蟲三維模型的方法；[14]并通過對不同發(fā)育時期家蠶的各個組織器官的標準圖譜的收集、歸類、編輯、整合，獲得了家蠶的解剖學和生理學等方面的基礎數(shù)據(jù)，正在構建三維可視數(shù)字化家蠶；[15]而且設計并實現(xiàn)了昆蟲躲避算法和捕捉算法，使得用戶能手持真實的捕蟲網(wǎng)來捕捉虛擬昆蟲，并能感覺到昆蟲的智能性。[16]但目前這些研究開發(fā)都是針對科學研究，而以教學為目的的應用開發(fā)寥寥無幾，更沒有針對農(nóng)學類專業(yè)課程教學的需求為研發(fā)點，以輔助教學為目的的虛擬昆蟲資源，在昆蟲學教學領域尚屬于“未來科技”，僅處于探索階段。

32虛擬現(xiàn)實昆蟲教學系統(tǒng)的應用前景

師生打開VRISE后，就能看到、聽到和觸到VRISE中的虛擬實踐教學基地、虛擬昆蟲標本館、虛擬昆蟲學開放實驗室、虛擬農(nóng)業(yè)儀器、虛擬昆蟲學電子文獻庫等教學資源，甚至能進行語言交流，而無須到實驗田里進行實踐操作即可完成“教”和“學”，還可多次重復且自如地在其中漫游，這樣不僅可以激發(fā)學生的學習興趣和主動認知意識，讓學生更直觀了解所學知識，加深學生對教學內容的理解與掌握，還有助于教師更為深入地解析昆蟲學知識。

(1)建立和發(fā)展多樣化的實踐教學基地，有效提升學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。利用VRISE建立多種模式的虛擬實踐教學基地，參與者可以從任意角度觀察虛擬農(nóng)場中不同害蟲個體的活動過程，并可通過改變環(huán)境條件和管理措施，觀察不同害蟲種群的變化，進行農(nóng)林害蟲綜合治理。這樣有助于深度解析抽象的農(nóng)業(yè)基礎理論，以滿足實踐教學的需求，達到傳統(tǒng)教學手段難以實現(xiàn)的效果。

(2)昆蟲標本是教學和科研的重要材料，采制昆蟲標本是學習和研究昆蟲的基礎工作。利用VRISE建立虛擬昆蟲標本館，展示內容豐富的虛擬昆蟲標本，參與者只需點擊鼠標，足不出戶即可觀看昆蟲標本室的展覽，還可將昆蟲實體展廳進行數(shù)字化并放到互聯(lián)網(wǎng)上，制作昆蟲展廳環(huán)視，增加觀眾感興趣的內容實現(xiàn)實體展廳，虛擬昆蟲標本與虛擬展廳的有機結合，激發(fā)參與者了解昆蟲學知識的熱情。[9]這樣可以解決諸如：采集制作大量、理想的標本，需要一定的采集技術，耗費大量的采集時間；昆蟲標本管理多采用賬簿和卡片的管理方式，其檢索、維護和查閱頗為不便；頻繁地使用會導致標本損壞；傳統(tǒng)昆蟲標本館只能在有限面積的展廳內展示部分昆蟲種類，而且觀眾參觀昆蟲標本展覽也會受到時間、地點、空間等限制。

(3)實驗教學是教學環(huán)節(jié)中最主要的形式之一，開放式實驗教學能夠大大體現(xiàn)現(xiàn)代開放性教育理念的精髓。[17]利用VRISE建立虛擬昆蟲學開放實驗室，實驗者可以在虛擬環(huán)境中完成現(xiàn)實環(huán)境中各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果等價于甚至優(yōu)于在現(xiàn)實環(huán)境中所取得的效果。例如，昆蟲生理學實驗是專業(yè)基礎實驗課。目前實驗室的硬件設備種類和技術條件，不能滿足創(chuàng)新開放性實驗的復雜性和多樣性需要，制約著教學質量和大學生創(chuàng)新能力的發(fā)展水平。[18]在昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)實驗中，常以蝗蟲或家蠶浸泡標本為觀察對象，解剖時氣味刺鼻，常使學生失去實驗興趣，嚴重影響教學效果；在觀察昆蟲組織、細胞的形態(tài)結構和生理、毒理變化等實驗時需要制備石蠟切片，這種技術是最為廣泛應用的方法，但操作比較繁瑣，實驗時間比較長；而建立虛擬昆蟲學實驗室，可以有效彌補因實驗場地、實驗設備、教學經(jīng)費等方面的不足。

(4)農(nóng)業(yè)教育教學須購置大量的測量分析儀器，因所需投資巨大，很難滿足教學和科研工作的需要。利用VRISE構建虛擬農(nóng)業(yè)儀器，將信息技術與電子儀器相結合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式，它可以由用戶自己定義、自己設計，以滿足不同的要求。一臺虛擬儀器可以完成數(shù)臺甚至成套儀器所能完成的全部功能，加之通用性好、易于升級和擴展，操作使用與傳統(tǒng)儀器基本相同。因此，使用虛擬農(nóng)業(yè)儀器不但可以節(jié)約大量儀器設備的經(jīng)費投入，還能夠提高科研質量和效率，極大地改善現(xiàn)有實驗教學條件。[19]

(5)昆蟲學是一門歷史久遠但又是蓬勃發(fā)展的學科，其基礎學科和應用學科分別列在生物學、農(nóng)學、林學等多個一級學科內，還有養(yǎng)蜂學、養(yǎng)蠶學等學科。[20]傳統(tǒng)的昆蟲學文獻在圖書館藏中的分布極為復雜，因而存在文獻資料搜尋困難的問題。利用VRISE建立虛擬昆蟲學電子文獻庫，基于多媒體合成技術、圖像識別技術、傳感識別技術和曲面合成技術，將昆蟲學的圖片、文字、動畫等映射到各種規(guī)格的書本模型上，通過人的肢體動作和計算機多媒體合成技術來完成電子書的頁面翻轉。只要參與者伸手做出翻書的動作，這本虛擬圖書就會翻頁，形象生動地展示昆蟲知識。建立虛擬昆蟲學電子文獻庫可以有效解決這個難題，還可為昆蟲學教學和科研資源共享和傳播起到積極的作用。

4結語

基于VR技術創(chuàng)建VRISE不僅可以反映現(xiàn)實狀況，還可以在很大程度上擺脫自然條件中空間和時間的局限性。利用VRISE輔助昆蟲學教學，讓學生足不出戶就能閱覽浩如煙海的昆蟲學文獻，賞鑒千姿百態(tài)的昆蟲世界，完成各種各樣的昆蟲學實驗，獲得與現(xiàn)實世界一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。通過VRISE展現(xiàn)昆蟲世界，能解決現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的教學環(huán)節(jié)，縮短教學和實驗周期，節(jié)約教學成本，使基礎理論教學從枯燥乏味的二維空間轉向絢麗多姿的三維世界，實驗空間從狹小的物理空間向廣闊的虛擬空間擴展，為昆蟲學教學提供先進的教學和科研手段，在昆蟲學教育教學領域內有著極其巨大的應用前景。

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責任編輯：劉琳

Preview for Virtual Reality Technology in Entomology Teaching

GAO Yu

(College of Agriculture, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Abstract：With the development of computer and communication technology, human society has entered the information society. Limitations of the traditional teaching mode of entomology become increasingly prominent and unable to meet the teaching needs. One of the effective means to solve this problem is to build virtual insects teaching system assisting theory and practice teaching by using virtual reality technology. The teaching system of using virtual insects can achieve authenticity, continuity and interactivity in classroom teaching, which not only improves the teaching quality of higher agricultural education, but also promotes college teachers to switch roles and share qualified higher education resources, etc., having broad application prospects in entomology teaching.

Keywords：virtual reality technology; virtual reality instructional system of entomology; entomology teaching