金彩云 劉鑫 李耀鋒

摘要：VR/AR技術由于其虛實沉浸性、實時交互性和三維構想性的特點，在教育領域已經得到了一定的應用。文章在分析了目前生物課程教學中的不足之處后，為了改進中學生物課堂教學現(xiàn)狀，并將基于VR/AR技術的zSpace設備有針對性地應用到生物課程中，對中學生物課程的課堂教學重新進行了設計。以七年級生物教材中的“呼吸系統(tǒng)”為例在課堂中進行了實踐應用，并且取得了較好的教學效果，最后對VR/AR技術服務于中學生物課堂的優(yōu)勢進行了總結。

關鍵詞：VR/AR;中學生物課程;教學設計;zSpace

中圖分類號：G434 ? ? ? ?文獻標志碼：B ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2020）06-0093-04

一、引言

虛擬現(xiàn)實技術（VR）就是采用計算機技術生成逼真的視覺、聽覺、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，從而產生親臨等同真實環(huán)境的感受和體驗[1]。增強現(xiàn)實技術（AR）是虛擬現(xiàn)實技術的延伸，它可以用來模擬對象，讓學習者在現(xiàn)實環(huán)境背景中看到虛擬生成的模型對象而且這一模型可以快速生成、操縱和旋轉[2]，VR/AR技術具有虛實沉浸性、實時交互性、三維構想性等特點。政府也大力推廣政策扶持VR/AR產業(yè)的發(fā)展，推動VR/AR技術體系與產業(yè)格局的初步形成。2016年4月，工業(yè)和信息化部電子技術標準化研究院發(fā)布了《虛擬現(xiàn)實產業(yè)發(fā)展白皮書》，旨在剖析虛擬現(xiàn)實產業(yè)在國內外發(fā)展現(xiàn)狀、研發(fā)情況和產品情況，以及當前虛擬現(xiàn)實的標準化進展情況和需求，分析未來發(fā)展趨勢、應用及相關政策建議[3]。目前，我國虛擬現(xiàn)實仍處于初級階段，市場規(guī)模處在較小的水平，但市場規(guī)模增速非?？?，數據顯示，2015年以來我國虛擬現(xiàn)實市場規(guī)?？焖侔l(fā)展，預計到2021年將達到544.5億元[4]。VR/AR目前已經開始在電影、游戲、醫(yī)療、工程設計等領域得到廣泛應用[5]。與此同時，將VR和AR技術引進教育領域，以豐富教育資源和促進教學理念完善與教育方法改進，最終達到提升教學效果的目的，這也是當前教育改革的熱點之一。

二、VR/AR技術在教育領域中的應用現(xiàn)狀

隨著信息技術的發(fā)展，當前的學習和教學環(huán)境已經發(fā)生很大的變化，學習方式由單向化、固態(tài)化、靜態(tài)化走向動態(tài)化、情景化、個性化、社會性和非正式性。張志禎等提出VR有重塑教育的潛力，通過體驗、探究、訓練、矯正、交流、創(chuàng)作與游戲等七大教育功能，學生在虛擬世界中的學習能力與創(chuàng)作熱情大大提高[6]。VR/AR技術改變傳統(tǒng)基于PPT的文本、圖像等二維平面教育環(huán)境，利用逼真的三維交互環(huán)境展示教學內容，把被動傳輸式學習變?yōu)榧ぐl(fā)學習興趣和保持學生注意力的主動式探索學習，從而提高教學效率，發(fā)展學生的想象力、創(chuàng)造力和提高操作技能。例如，魏久鴻等利用VR/AR技術進行教學，通過開發(fā)“細菌和病毒的遺傳”課件研究桌面虛擬現(xiàn)實技術及其交互性，在實際教學應用中收到了較理想效果[7]。

生物學科中存在很多繁雜而無法梳理、難以想象卻又缺乏直接經驗支持的微觀現(xiàn)象以及離學生生活較遠的抽象模型，然而對于這樣的教學內容，傳統(tǒng)生物課堂往往以圖片展示、書本閱讀和教師的講解為主，學生只能在腦海中進行想象，對生物微觀模型缺乏明確的認識，這是生物教學需要解決的一個難點。另外實驗探索也是生物教學的一大阻礙。VR/AR技術不僅支持學生身臨其境地體驗這些現(xiàn)象和模型，還幫助學生零距離、全方位地觀察實驗對象，通過解剖模型、重組模型與虛擬環(huán)境進行交互。例如，在zSpace桌面交互系統(tǒng)中自備的教材中，學生在學習“線粒體”這章時可以全方位、不限空間地觀察線粒體細胞結構，對其內部結構的認知也不再是抽象的、靜態(tài)的，甚至學生可以從基因的角度重構線粒體，體驗創(chuàng)造的樂趣。

三、VR/AR技術對中學生物課堂的改變

1.傳統(tǒng)生物課堂的不足

傳統(tǒng)生物課堂的設計需要考慮教學目標、教學內容、教學過程以及師生角色四個部分。教師以教學目標為依據，分析教學內容，劃分教學重點和教學難點，安排學生在課堂中的教學活動。在傳統(tǒng)生物課堂中，由于客觀條件的限制，教學方法以教師呈現(xiàn)PPT、音頻和視頻等教育資源的講授法和問答法為主，因此在師生角色中，教師為傳授者，學生為接受者。傳統(tǒng)生物課的課堂設計如圖1所示。

通過對傳統(tǒng)生物課程的課堂設計進行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)生物課堂在教學目標、教學內容、教學過程以及師生角色四個維度上都存在不足：①在教學目標中，教學實踐缺乏。生物是一門實踐性較強的學科，以呈現(xiàn)內容為主要教學方式的傳統(tǒng)生物課堂往往只能幫助學生了解生物知識，無法鍛煉動手能力，培養(yǎng)觀察力、學習力、實踐力和創(chuàng)新力。②教學內容碎片化。在傳統(tǒng)生物課堂上，教學內容的唯一來源就是課本，但是大部分課本中知識點的講解分散，教學內容各個單元之間前后關聯(lián)性差，教學呈現(xiàn)碎片化。③在教學過程中教學手段單一。教學目標多元化且生物課程內容廣泛，因此教師也不能采用單一的教學方法。多元化的教學目標和多樣性的教學內容決定了教師教學方法不能只采用講授式和問答式。④學生在師生關系中處于被動地位。傳統(tǒng)生物課堂中，只重視教師的“教”而忽視學生的“學”，學生是外在刺激的被動接受者，主動探索知識的機會不多，往往內在動機弱，在學習中處于被動地位。

2.基于VR/AR技術的中學生物課堂設計

基于VR/AR技術的課堂由虛擬教學環(huán)境、教學資源、教師、學生等元素組成。VR技術提供虛擬環(huán)境，AR技術作為VR技術的延伸，是真實情景與虛擬情景交叉的橋梁，有助于學生快速聯(lián)結知識與模擬情景，促進學生對生物中宏觀、微觀知識的理解。因此基于VR/AR技術的課堂設計既要考慮到VR和AR的優(yōu)勢，也要重視傳統(tǒng)生物課堂中的元素，包括教學目標、教學內容、教學方法、師生角色等。綜合以上考慮筆者建構了圖2所示的基于VR/AR技術的中學生物課堂設計方案。

（1）VR/AR技術支持下的虛擬課堂首先要考慮逼真的教學場景。學習情境理論認為學習者的學習是在情境中進行意義建構，所以在進行課堂設計時要確定場景需求，要明確教學場景需要的物品，利用VR技術進行對象建構。同時營造良好、和諧和愉悅的課堂氣氛也是場景設計中的重要環(huán)節(jié)，只有學生感到身心愉快才能主動進行探索學習。

（2）虛擬課堂需要良好的互動體驗。VR技術能還原歷史場景、模擬真實場面，也能虛構未來空間。但是僅僅只有沉浸性體驗是不夠的，還要利用AR技術進行界面設計，讓學生通過互動進行情景與知識串聯(lián)，形成整體認知能力、系統(tǒng)分析與綜合設計能力。在虛擬課堂中，除了師生交互，最主要的就是學生在虛擬環(huán)境中主動進行實時交互，獲得反饋信息，不斷體驗、發(fā)現(xiàn)和探索。

（3）虛擬課堂需要融合課程內容。分析課程內容，明確課程目標，規(guī)劃教學活動，進行教學評價是傳統(tǒng)課堂設計的基本內容，技術為教育服務就是在這個基礎上彌補傳統(tǒng)課堂的不足，而不是推陳出新，無視教育規(guī)律。VR/AR技術支持下的課堂首先要以內容為核心，進而安排活動任務，完成教學目標。例如，在zSpace桌面交互系統(tǒng)里自備的教材《生物細胞》課程中，學生可以在沉浸性的虛擬課堂中觀察細胞的生長、死亡、縮小和放大，VR/AR技術的使用更好地幫助學生體驗和觀察細胞的變化并沒有喧賓奪主。

（4）虛擬課堂需要重視師生角色定位。在虛擬課堂中，項目式學習是最常采用的，教師是學生課堂學習的指導者，但這并不意味著學生是課堂的主人。在沉浸性虛擬環(huán)境下，學生以個人或小組形式收集資料、自主探索、獲得知識，但是師生交流和師生答疑等活動也必不可少。最后學生要在自評、他評以及師評中進行分享交流和多元反思。

3.結合案例分析VR/AR技術支持下的中學生物課程教學

研究針對基于VR/AR技術的生物課程中“呼吸系統(tǒng)”這一教學設計進行分析，闡述這一課時的教學活動，分析在VR/AR技術支持下生物課程的特點。研究使用了一款基于VR/AR技術的設備——zSpace，這是一款沉浸式桌面交互系統(tǒng)，能讓使用者在高度的沉浸感和交互感下更加有效地進行學習。

基于zSpace的“呼吸系統(tǒng)”的教學內容融合了VR和AR技術，帶領學生在呼吸系統(tǒng)中旅行并研究呼吸系統(tǒng)如何實行有效氣體交換，本課的教學活動分析如圖3所示，主要包括四個方面的內容：

（1）虛擬教學環(huán)境設計激發(fā)學生興趣，化被動學習為主動學習。傳統(tǒng)“呼吸系統(tǒng)”教學結合圖片和視頻展示呼吸系統(tǒng)圖和肺的功能，但是學生對呼吸系統(tǒng)的立體結構不夠了解，此時教師利用zSpace桌面式VR/AR設備全方位展示呼吸系統(tǒng)的結構，利用AR模型對呼吸系統(tǒng)進行分解，使學生觀察胸腔的結構和氣體在呼吸系統(tǒng)中的交換過程，這比圖片和視頻展示更加直觀，更容易激發(fā)學生的主動性與積極性。

（2）互動體驗設計促進教學方式多樣化。VR/AR技術支持下的生物課堂教學方式多樣，項目式和探索式的學習方式對學生提出了對各單元知識點系統(tǒng)化加工整理的任務。為完成不同階段任務，學生以小組合作的方式進行體驗、發(fā)現(xiàn)和探索，但在學習過程中，教師不斷指導學生對模型進行游戲交互，從不同層面和角度觀察三維生物模型，幫助學生真正體會和理解相關知識。

（3）課堂內容設計促進教學內容系統(tǒng)化。VR/AR技術輔助呈現(xiàn)課堂內容，在VR/AR技術支持的教學實踐中，利用VR的可視化技術將生物模型顯示出來，學生在課堂上以沉浸式體驗觀察呼吸系統(tǒng)模型的三維結構，同時學生為完成任務必須找到知識點的連接點和生長點，形成系統(tǒng)的、不斷生長的知識結構，促進教學內容系統(tǒng)化。

（4）師生角色分析促進學生實踐能力的培養(yǎng)。在VR/AR技術支持的生物課堂中，教師由主導者變成輔助者，學生通過項目式和合作式的學習方式掌握呼吸系統(tǒng)的相關知識，并將所學知識融入到整個知識體系中去解決問題，使動手能力、合作能力和思維能力得到提高。除此之外，學生還能產生高自我效能感，具體表現(xiàn)在學生對于zSpace桌面系統(tǒng)中提出的問題表現(xiàn)出積極態(tài)度，通過參與到小組合作中，詢問教師，利用設備檢索知識等方式解決問題，在動手操作中建立更完整的知識體系，鍛煉實踐能力，有效建立學習的熱情和信心。

四、基于VR/AR技術的中學生物課堂的優(yōu)勢

通過對基于VR/AR技術的生物課堂與傳統(tǒng)生物課堂進行對比，筆者總結了VR/AR技術服務于課堂在教學目標、教學內容、教學過程以及師生角色四個維度上的優(yōu)勢。

1.教學目標上，有利于培養(yǎng)學生實踐能力

在VR/AR技術建立教學框架后，整合有效的教育資源，學生的學習過程不受時間、地點和成本的限制。與傳統(tǒng)的計算機導入文本、圖片、音頻與視頻的教學模式不同，VR/AR支持的生物課堂以項目式學習進行實踐探索，學生通過佩帶和操作VR眼睛和數據手套等相關設備，可以在虛實結合的環(huán)境中進行實踐交互，鍛煉學生的操作能力并培養(yǎng)其合作精神。

2.教學內容上，有利于教學內容系統(tǒng)化

就生物這門課程而言，系統(tǒng)性不僅體現(xiàn)在知識點難易和呈現(xiàn)順序上，而且也表現(xiàn)在知識點的串聯(lián)方面。沉浸性的虛擬體驗和探索式的自主學習幫助學生將各知識點串起來，對生物形成整體的認知能力、系統(tǒng)分析與綜合設計能力。

3.教學過程上，有利于教學方式多樣化

VR/AR技術支持多方共同參和創(chuàng)造，以協(xié)同方式、小組合作、項目式學習和探索式等教學手段打破了傳統(tǒng)生物課堂以教為中心的單一教學模式。實際上，這種探究教法對教師的挑戰(zhàn)更大，探究教學的實施對教師在教學理念、教學實施與評價上有更大的要求，需要各方面的支持以及反復的實踐、反思和學習。

4.師生角色上，有利于學生化被動為主動

美國緬因州的國家訓練實驗室研究顯示了不同學習方式的學習者在兩周后的平均學習保持率不同[8]。被動式學習下，兩周以后的學習內容只能留下5%，而采用主動式學習可以記住75%。VR/AR技術除了增強構建真實的教學情境外，最大的優(yōu)勢就是其交互功能，好玩的、有趣的交互促進教學游戲化，更容易激發(fā)學生主動學習。VR和AR技術整合了無形的“情”和有形的“境”，學生由情入境、情景交融，產生樂學與愿學的欲望，提升學習效率。

隨著VR/AR技術的發(fā)展以及在教育領域中的深入應用，VR/AR技術解決教育中問題的價值逐漸顯現(xiàn)。在VR/AR技術的幫助下，學生以主動學習的方式走進設定的虛擬情境中進行交流互動，教學效果遠勝于傳統(tǒng)課堂上師生之間的問與答，VR技術提高了教育效率，同時也降低了訓練成本與風險性。當前，越來越多的教師都在研究如何利用VR/AR技術服務于教育，不僅僅需要學校購置硬件設備、建立物聯(lián)網系統(tǒng)，還需要研究者把目光聚集到VR/AR技術融入課程，利用VR/AR技術為學生構建一個新的智慧教育環(huán)境。

參考文獻：

[1]張建武，孔紅菊.虛擬現(xiàn)實技術在實踐實訓教學中的應用[J].電化教育研究，2010（4）：109-112.

[2]蔡蘇，王沛文，楊陽等.增強現(xiàn)實（AR）技術的教育應用綜述[J].遠程教育雜志，2016，34（5）：27-40.

[3]虛擬現(xiàn)實產業(yè)發(fā)展白皮書[DB/OL].http：//www.cbdio.com/BigData/2016-09/18/content_5266551.htm.

[4]2019中國虛擬現(xiàn)實（VR）市場現(xiàn)狀及發(fā)展前景預測[DB/OL].https：//www.sohu.com/a/324300556_120135108.

[5]溫曉君.2017中國虛擬現(xiàn)實產業(yè)走勢[J].中國經濟報告，2017（8）：65-67.

[6]張志禎.虛擬現(xiàn)實教育應用：追求身心一體的教育——從北京師范大學“智慧學習與VR教育應用學術周”說起[J].中國遠程教育，2016（6）：5-15+79.

[7]魏久鴻，王麗萍，李冬哲，等.桌面虛擬現(xiàn)實技術在“細菌和病毒的遺傳”課件中的應用研究[J].現(xiàn)代教育技術，2010，20（7）：140-142.

[8]學習金字塔是美國緬因州的國家訓練實驗室研究成果[DB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/31a2f 275580216fc700afd76.html.（編輯：魯利瑞）