佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山 528000

引言

2013年，一款為電子游戲設(shè)計(jì)的頭戴式顯示器Oculus Rift經(jīng)眾籌開發(fā)問世，因其技術(shù)上的革新與飛躍，人們的視野被重新拉回到了VR領(lǐng)域。此外人驚喜地發(fā)現(xiàn)，VR所需的配套技術(shù)在近年來已經(jīng)默默地實(shí)現(xiàn)了重大的突破。其中最突出的是5G技術(shù)的快速發(fā)展和算力的提升，困擾著VR技術(shù)的清晰度、延遲、舒適度、成本等問題都將被極大改善，這將會(huì)促進(jìn)VR技術(shù)設(shè)備在教育行業(yè)快速普及。

VR技術(shù)運(yùn)用于教學(xué)中可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)造便于學(xué)生理解抽象的、缺乏生活聯(lián)系的知識(shí)。而生物學(xué)科的教學(xué)涉及生物結(jié)構(gòu)、遺傳發(fā)育、生物實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，并包含大量微觀、宏觀的抽象模型，學(xué)生很難通過觀察現(xiàn)實(shí)生活來學(xué)習(xí)并理解知識(shí)。VR技術(shù)以其“3I”特性能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)生物教學(xué)手段的不足，幫助學(xué)生更好地理解抽象概念與實(shí)驗(yàn)。

1 VR技術(shù)分析

1.1 VR技術(shù)及其特征

在國際上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被稱為Virtual Reality，簡稱VR。在國內(nèi)也稱靈境技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的技術(shù)，利用多種物理傳感器，以用戶的感官為中心，為用戶創(chuàng)造一個(gè)具有視覺、觸覺、聽覺、甚至嗅覺的有高度真實(shí)感的三維虛擬環(huán)境，用戶可以通過硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互，使用者具有獨(dú)立性，可以為用戶帶來身臨其境的沉浸式體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最突出的三個(gè)特征簡稱“3I”，分別為沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、構(gòu)想（Imagination）。

沉浸性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最主要的特征，當(dāng)使用者感知到虛擬環(huán)境的刺激時(shí)，其感知會(huì)產(chǎn)生思維共鳴，從而造成心理沉浸，給使用者身臨其境的深度沉浸體驗(yàn)。

交互性指VR使用者可以通過硬件設(shè)備與構(gòu)建的虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行操作，同時(shí)虛擬環(huán)境按照編定的程序通過設(shè)備給予使用者信息反饋，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互。

構(gòu)想性指資源開發(fā)人員可以通過建模來建構(gòu)我們客觀世界不存在的場景，以此來延伸使用者的感知范圍，因此也稱為想象性。

1.2 VR設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

處理器。處理器是VR系統(tǒng)的核心，根據(jù)陀螺儀數(shù)據(jù)來計(jì)算適用者的姿態(tài)定位，為跟上使用者的動(dòng)作，VR顯示設(shè)備的刷新率需要達(dá)到90Hz以上才能避免因刷新頻率低跟不上使用者視覺變化而產(chǎn)生的眩暈感。高刷新率和大量瞬時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)都需要依靠強(qiáng)大性能的處理器運(yùn)算，所以VR設(shè)備的處理器芯片性能指標(biāo)至關(guān)重要。

顯示器。根據(jù)處理器的處理結(jié)果，實(shí)時(shí)分別為用戶呈現(xiàn)左右眼圖像。顯示器的分辨率也是影響顯示效果的一個(gè)因素，分辨率低于12600×6000就會(huì)產(chǎn)生紗窗效應(yīng)。VR眼鏡（人眼會(huì)直接看到顯示屏的像素點(diǎn)，就好像隔著紗窗看東西一樣）[2]。目前市場主流顯示器配置達(dá)到了雙目3k屏（2880x1600），紗窗效應(yīng)能夠有效緩解。

凸透鏡。VR設(shè)備的顯示器距離人眼過近，人眼難以聚焦顯示器。凸透鏡片的目的就是通過折射光線，將顯示器上面的圖像正確拉近到人眼視網(wǎng)膜的位置，是使用者能輕松看清幾乎貼在眼前的顯示屏。

陀螺儀。檢測使用者的實(shí)時(shí)動(dòng)作，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，傳遞給處理器，輸出符合使用者視角的畫面，能檢測3dof（degree off reedom，即自由度，指三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的自由度）的數(shù)據(jù)。在更復(fù)雜的VR設(shè)備中，陀螺儀配合其他傳感器、攝像頭一同定位使用者的空間姿態(tài)，轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)6dof（除了三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度外，再加上位置相關(guān)的三個(gè)自由度，即上下、左右、前后）的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

1.3 VR設(shè)備分類

目前根據(jù)VR設(shè)備的具體實(shí)現(xiàn)方式，將VR設(shè)備分為三大類：

手機(jī)盒子（嵌入機(jī)，Screen less Viewer）。是體驗(yàn)VR入門設(shè)備?；径际?dofVR。它利用使用者的手機(jī)來完成處理器、顯示器、陀螺儀的工作，而VR眼睛本身只提供一個(gè)凸透鏡，和自身的支架作用，效果較差，但成本極低。

圖1 手機(jī)盒子VR設(shè)備結(jié)構(gòu)

VR頭戴顯示器（PC VR,TetheredHMD）。相對于入門體驗(yàn)級(jí)的手機(jī)盒子，VR頭戴顯示器則是較為高端的VR設(shè)備。它依靠電腦的CPU和顯卡運(yùn)算，能達(dá)到優(yōu)秀的顯示效果。借助傳感器、和定位攝像頭能實(shí)現(xiàn)6dof的圖像顯示。

圖2 頭戴式VR設(shè)備結(jié)構(gòu)

一體機(jī)（StandaloneHMD,AllinoneHMD）。一體機(jī)使用移動(dòng)芯片（如高通驍龍系列）來進(jìn)行突刺昂定位和運(yùn)算。不需要額外插入手機(jī)，擺脫了外部設(shè)備的束縛，有很強(qiáng)的便攜性。但目前大部分一體機(jī)都是頭部3dof+手柄3dof，位置空間的數(shù)據(jù)需要依靠手柄來捕捉。

圖3 VR一體機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)

2 傳統(tǒng)生物教學(xué)模式的局限性

初中階段生物教學(xué)的內(nèi)容主要研究生物的結(jié)構(gòu)、生理行為、遺傳發(fā)育生態(tài)系統(tǒng)等內(nèi)容，其中包含了很多抽象的模型結(jié)構(gòu)，如動(dòng)植物的細(xì)胞模型，生物圈的概念等。傳統(tǒng)生物教學(xué)一般采用幻燈片加語言描述的方式進(jìn)行教學(xué)，但往往教師的教學(xué)資源陳舊，清晰度不高，可視角度不佳，導(dǎo)致學(xué)生的直觀體驗(yàn)不佳，只能被動(dòng)地接受知識(shí)，對于知識(shí)的理解不夠透徹，不利于掌握知識(shí)。

此外，生物學(xué)科中的宏觀與微觀世界由于難以與學(xué)生的實(shí)際生活聯(lián)系，而且學(xué)生缺乏直接經(jīng)驗(yàn)的支撐，對這類間接的抽象知識(shí)的學(xué)習(xí)往往停留在死記硬背的層面上，并沒有達(dá)到理解記憶的程度。這類知識(shí)的教學(xué)對于教師來說也是教學(xué)難點(diǎn)，只能依靠教師直觀語言的講解和一些圖片來進(jìn)行教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)科教學(xué)的一大重點(diǎn)，很多生物實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)條件不達(dá)標(biāo)，時(shí)間周期長，操作危險(xiǎn)系數(shù)高，失誤率高等原因，不能在日常教學(xué)工作中進(jìn)行，往往用教師的語言講解配合相關(guān)視頻資料進(jìn)行替代，學(xué)生缺乏實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，不能很好地深入理解知識(shí)。

3 VR技術(shù)在生物教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義認(rèn)為，一個(gè)學(xué)習(xí)主體在學(xué)習(xí)知識(shí)時(shí)，并不是簡單被動(dòng)地吸收，而是要加進(jìn)自己的認(rèn)知和反映在里面，有意義的建構(gòu)是整個(gè)學(xué)習(xí)過程的最終目標(biāo)。教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的輔助者，教師要綜合外界環(huán)境的作用，幫助和促進(jìn)學(xué)生的有意義建構(gòu)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造出虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境，給予學(xué)習(xí)者以各種感官多維度的信息刺激。并且學(xué)習(xí)者可以與虛擬環(huán)境中的各種對象進(jìn)行操作，系統(tǒng)給予反饋[3]。在基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的虛擬三維學(xué)習(xí)環(huán)境能使學(xué)習(xí)者獲得最大限度地控制和操作整個(gè)環(huán)境地自由度，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使學(xué)習(xí)者能夠主動(dòng)地探索未知地新知識(shí)，并且學(xué)習(xí)者的行為能影響虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中事件的發(fā)展方向，能使學(xué)習(xí)者獲得更深刻的體驗(yàn)，更好地理解驗(yàn)證概念，學(xué)習(xí)新知識(shí)，獲取事物的內(nèi)在聯(lián)系，從而達(dá)到有效的意義建構(gòu)。

3.2 具體應(yīng)用與教學(xué)實(shí)踐

（1）創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

建構(gòu)主義中的情境是指以生動(dòng)具體的形象為主體的各種學(xué)習(xí)場景，一般分為教學(xué)情境和學(xué)習(xí)情境[5]。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師通常采用情景模擬和實(shí)地實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的方式來創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境。情景模擬往往依靠教師單獨(dú)完成，成本有限，情景模擬不能全覆蓋新知識(shí)，效果難以達(dá)到最佳。而實(shí)地實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)具有空間局限性，難以常態(tài)化開展。初中階段，學(xué)生的記憶認(rèn)知飛速發(fā)展，對直觀形象的記憶與理解要優(yōu)于對抽象材料的記憶?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建的虛擬學(xué)習(xí)場景不僅能實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)具象化，抽象原理可視化，而且能夠建立虛擬實(shí)習(xí)場所，讓學(xué)習(xí)者身臨其境更加直觀的觀察學(xué)習(xí)內(nèi)容與過程。如在學(xué)習(xí)動(dòng)植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)中運(yùn)用VR技術(shù)，能夠讓學(xué)生更加直觀的觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)了解細(xì)胞各機(jī)構(gòu)的功能，在提升實(shí)際操作動(dòng)手能力的同時(shí)，也能充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物的興趣，為生物學(xué)科的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)，給予直觀體驗(yàn)

在傳統(tǒng)的生物教學(xué)中，教師使用的現(xiàn)代化教學(xué)手段往往只有PPT課件，教師僅能通過圖片將細(xì)胞結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)給學(xué)生。但是借助相關(guān)VR設(shè)備能給予學(xué)生身臨其境的感受，如人教版初中生物七年級(jí)上第二單元《動(dòng)物細(xì)胞》與《植物細(xì)胞》的教學(xué)，借助VR設(shè)備與相關(guān)的教學(xué)資源，就能進(jìn)入細(xì)胞場景之中，以第一視角直觀觀察各個(gè)細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及其功能，體驗(yàn)細(xì)胞單獨(dú)的生命活動(dòng)歷程。在宏觀上，學(xué)生可以足不出戶就能穿越大氣層觀察生物圈的組成，可以瞬間淺入海底，去探索《海底兩萬里》的世界。這些真實(shí)的虛擬場景給予了學(xué)生主動(dòng)性，使其主動(dòng)探索，理解記憶相關(guān)知識(shí)，突破傳統(tǒng)教育的教學(xué)難點(diǎn)。

（3）仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行知識(shí)發(fā)生過程教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是初中生物學(xué)科教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)邏輯思維和科學(xué)探究能力的重要途徑。二在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多實(shí)驗(yàn)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、時(shí)間、場地、安全性等因素并不能切實(shí)實(shí)施，而VR技術(shù)的引入就可以在充分保障學(xué)生安全的前提下，打破時(shí)間空間的限制。借助VR技術(shù)，生物課堂可以將科學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)還原。學(xué)生跟隨科學(xué)家的腳步逐漸探索，一同完成經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生知識(shí)發(fā)生的全過程，以更好地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家刻苦鉆研、用于開拓創(chuàng)新的精神以及探究實(shí)踐能力。

4 結(jié)束語

隨著VR技術(shù)與硬件的高速發(fā)展，眩暈、疲勞等使用者生理上不適被極大的改善，將VR技術(shù)引入初中生物課堂，豐富了教師的教學(xué)手段，使得傳統(tǒng)生物教學(xué)中抽象知識(shí)點(diǎn)教學(xué)變得更加直觀、容易。VR技術(shù)體驗(yàn)的沉浸性、直觀性符合初中階段學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的特點(diǎn)，能夠幫助學(xué)生接觸到平時(shí)難以接觸的世界，直觀的觀察所學(xué)知識(shí)和過程以更好的理解記憶。