劉語(yǔ)柔,紀(jì)海林,呂之韻,駱巖林*

(1. 北京師范大學(xué)人工智能學(xué)院,北京 100875;2. 北京師范大學(xué)教育學(xué)部,北京 100875)

1 引言

我國(guó)教育部于2012年頒布的《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中明確提出:“生物學(xué)課程期待學(xué)生主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)過(guò)程,在親歷提出問(wèn)題、獲取信息、尋找證據(jù)、檢驗(yàn)假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律等過(guò)程中習(xí)得生物學(xué)知識(shí),養(yǎng)成理性思維的習(xí)慣,形成積極的科學(xué)態(tài)度,發(fā)展終身學(xué)習(xí)的能力?！盵1]這一段論述充分說(shuō)明,在義務(wù)教育階段中,生物教學(xué)不僅需要讓學(xué)生習(xí)得扎實(shí)的生物學(xué)知識(shí),還要讓學(xué)生經(jīng)歷過(guò)程,鍛煉理性思維、自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,培養(yǎng)真正意義上的創(chuàng)新型人才。而生物學(xué)科中有許多抽象的模型或生物現(xiàn)象,傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往難以展現(xiàn),導(dǎo)致學(xué)生難以理解和想象。除此之外,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式往往受現(xiàn)實(shí)條件限制,且耗費(fèi)材料多、操作難、不具有可重復(fù)性。因此,在K12生物教學(xué)中引入信息技術(shù),改進(jìn)教學(xué)模式,提升教學(xué)效率是具有重大意義的。

當(dāng)今中小學(xué)中,盡管大多數(shù)教室里都配備有多媒體設(shè)備,教師會(huì)通過(guò)制作PPT來(lái)進(jìn)行教學(xué),但幻燈片往往只能展現(xiàn)二維的平面圖,不能滿足三維立體圖的呈現(xiàn)效果。課件與學(xué)生之間缺乏交互,很多知識(shí)點(diǎn)都是以形式化的方式進(jìn)行傳授,不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng),進(jìn)而影響教學(xué)效果。近年來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,以下簡(jiǎn)稱VR)與教育的融合不斷加深,VR在細(xì)分學(xué)科教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)日益凸顯。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因其具有沉浸性、交互性、多感知性、動(dòng)態(tài)性等基本特征,尤其是在促進(jìn)師生交流互動(dòng)、活躍課堂氛圍等方面的獨(dú)特作用,被眾多知名學(xué)府紛紛引入到課程教學(xué)中來(lái),2017年1月19日國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的通知里再次提到“要全力推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合,綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索未來(lái)教育教學(xué)新模式”[2]。但是當(dāng)前三維虛擬沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境在生物學(xué)科中的研究與應(yīng)用并不多。

生物作為基礎(chǔ)學(xué)科中的重要學(xué)科之一,其學(xué)習(xí)主要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。然而,生物這一學(xué)科的學(xué)習(xí)特點(diǎn)導(dǎo)致許多實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)模型較為抽象,老師也無(wú)法在有限的課堂上為同學(xué)們進(jìn)行展示,傳統(tǒng)的教學(xué)方式并不能取得良好的學(xué)習(xí)效果。因此,針對(duì)上述生物學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題與困境,本文利用VR技術(shù)搭建一個(gè)沉浸式生物學(xué)習(xí)環(huán)境,希望能夠?qū)崿F(xiàn)生物學(xué)習(xí)過(guò)程中更高的沉浸性與交互性,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

本文以人體循環(huán)系統(tǒng)為例,選取“心臟推動(dòng)血液循環(huán)”這一典型案例,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)集循環(huán)系統(tǒng)模型展示、動(dòng)態(tài)生理過(guò)程仿真、交互式虛擬教學(xué)于一體的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境,提供生物教育典型示范。

全文安排如下,第一部分介紹相關(guān)工作,第二部分詳細(xì)介紹主要技術(shù),第三部分進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià),最后一部分是總結(jié)和展望,提出未來(lái)發(fā)展思路與方向。

2 相關(guān)工作

2.1 沉浸式學(xué)習(xí)

20世紀(jì)80年代,虛擬現(xiàn)實(shí)被提出,是一種創(chuàng)建虛擬情境和體驗(yàn)的技術(shù),作用于用戶視覺(jué)、聽覺(jué)、力/觸覺(jué),使其“沉浸”于其中。近年來(lái),越來(lái)越多的學(xué)校、教育機(jī)構(gòu)和教師意識(shí)到虛擬世界可以在教育教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮作用,因此眾多知名學(xué)府紛紛將虛擬世界引入到課程教學(xué)中。然而,三維環(huán)境缺乏教與學(xué)所需要的特定工具和資源,而傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境在形象性和沉浸性方面又顯薄弱。于是,結(jié)合二者特長(zhǎng)的“三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境”呼之欲出。三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境是應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的逼真、直觀的學(xué)習(xí)環(huán)境,具有場(chǎng)景直觀性、多感知性、自然交互性和沉浸性等特點(diǎn),是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的典型應(yīng)用[3]。

沉浸式學(xué)習(xí)(Immersive Learning)指利用虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)搭建具有極強(qiáng)真實(shí)感且無(wú)外界干擾的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境,在該環(huán)境中,學(xué)習(xí)者可與各種對(duì)象進(jìn)行復(fù)雜、多元的交互[4]。沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境為學(xué)習(xí)者營(yíng)造了一個(gè)逼真的虛擬學(xué)習(xí)場(chǎng)景,通過(guò)提供身臨其境的感受和豐富有趣的交互體驗(yàn),幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)知識(shí)與技能。

近年來(lái),基于VR技術(shù)的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境在醫(yī)學(xué)教育[5]、解剖學(xué)習(xí)[6]和商業(yè)實(shí)踐[7]等領(lǐng)域的應(yīng)用均取得了積極的成果。Cai、Wang和Chiang基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為初中生設(shè)計(jì)了關(guān)于化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以采用交互的方式對(duì)微觀世界中的分子、原子進(jìn)行自由操作、組合和創(chuàng)作,幫助學(xué)習(xí)者對(duì)化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)有更為深入的認(rèn)知[8],利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室可以幫助學(xué)生進(jìn)行物理、化學(xué)、地理和生物等實(shí)驗(yàn),輔助學(xué)生強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能,從而達(dá)到科學(xué)教育的基本目的[9]。Chiang、Yang和Hwang將其運(yùn)用于生物科學(xué)的探究學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。張莉和路虹劍提出將沉浸式VR技術(shù)應(yīng)用于情境創(chuàng)設(shè)、探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,豐富了小學(xué)課堂的科學(xué)教學(xué)模式[10]。相對(duì)而言,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)教育階段起步較晚,應(yīng)用周期較短,在義務(wù)教育階段學(xué)科教育當(dāng)中的應(yīng)用較少[11]。

因此,本文將沉浸式學(xué)習(xí)應(yīng)用于K12生物教育中,旨在幫助學(xué)生更加直觀、形象地掌握抽象的理論知識(shí),從而感受到生物學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。

2.2 人體循環(huán)系統(tǒng)

K12生物學(xué)科的學(xué)習(xí)主要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),但因其較為抽象,且受條件制約,多數(shù)實(shí)驗(yàn)無(wú)法在課堂完成,從而導(dǎo)致教學(xué)困難,學(xué)生難以理解。針對(duì)此類問(wèn)題,本文探索沉浸式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境在K12生物教育中的應(yīng)用需求,決定以人體循環(huán)系統(tǒng)中“心臟推動(dòng)血液循環(huán)”為例,進(jìn)行三維虛擬沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的研究和搭建,該知識(shí)點(diǎn)在生物學(xué)科體系的位置如圖1。

人體循環(huán)系統(tǒng)在人體各系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的地位,涉及的主要器官有心臟、肺和腎臟,如圖2、圖3和圖4?！靶呐K推動(dòng)血液循環(huán)”是人體循環(huán)系統(tǒng)中一個(gè)重要的生理過(guò)程,包括體循環(huán)和肺循環(huán)。其中,體循環(huán)是血液在心臟與全身各組織器官之間的循環(huán)。動(dòng)脈血由左心室射入主動(dòng)脈,經(jīng)各級(jí)動(dòng)脈,到毛細(xì)血管網(wǎng)處進(jìn)行物質(zhì)交換變成靜脈血,再經(jīng)各級(jí)靜脈,最后匯合到上下腔靜脈,流回右心房。肺循環(huán)是血液在心臟與肺之間的循環(huán)。靜脈血由右心室射入肺動(dòng)脈,在肺泡周圍的毛細(xì)血管網(wǎng)處進(jìn)行氣體交換變成動(dòng)脈血,再由肺靜脈流回左心房。體循環(huán)和肺循環(huán)沿各自的路線獨(dú)立進(jìn)行,在心臟處又連通在一起,構(gòu)成完整的血液循環(huán)途徑,保證了體內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸和交換,使人體的各項(xiàng)生理活動(dòng)得以正常進(jìn)行。

圖2 心臟

圖3 肺

圖4 腎臟

3 主要技術(shù)

“人體循環(huán)系統(tǒng)”沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的總體框架如圖5所示,主要包括場(chǎng)景搭建、動(dòng)態(tài)血流模擬和沉浸式交互設(shè)計(jì)三個(gè)步驟。首先,依據(jù)K12生物學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)案例,構(gòu)建相應(yīng)三維模型,搭建虛擬場(chǎng)景;其次,利用Unity粒子系統(tǒng)模擬動(dòng)態(tài)血流效果;最后,編寫C#腳本實(shí)現(xiàn)沉浸式交互設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)者穿戴HTC Vive頭盔和手柄,進(jìn)入VR環(huán)境,完成沉浸式交互體驗(yàn)。

圖5 技術(shù)路線總框架

3.1 場(chǎng)景搭建

本文采用3DsMax軟件對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的主要器官進(jìn)行三維建模,并使用Substance 3D Painter(以下簡(jiǎn)稱,SP)軟件為模型設(shè)計(jì)材質(zhì),最后將模型和貼圖導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中,完成沉浸式生物學(xué)習(xí)環(huán)境的場(chǎng)景搭建。

3.1.1 三維建模

在建模設(shè)計(jì)部分,本文采用宏觀與微觀相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路,宏觀上搭建心臟、肺、腎臟三者的外部整體模型或剖面模型,微觀上搭建肺泡和腎單位兩個(gè)重要微觀功能單位的放大化模型,最后搭建體循環(huán)與肺循環(huán)兩者所涉及的血管網(wǎng)絡(luò)模型,呈現(xiàn)出人體循環(huán)系統(tǒng)的整體模型。

各器官建模過(guò)程相似,下面以心臟剖面模型為例,詳細(xì)描述其建模方法:

首先,將心臟分為四個(gè)主要部分:血管、外部心臟壁、瓣膜與內(nèi)部隔層。為每一部分選擇并創(chuàng)建初始原型,如圖6、圖7和圖8。

圖6 血管、瓣膜

圖7 外部心臟壁

圖8 中間隔層

然后對(duì)每一部分的初始原型進(jìn)行拼接,設(shè)置參數(shù)對(duì)其拼接后形狀進(jìn)行調(diào)整,得到部分初步模型,如圖9和圖10。

圖9 血管的兩個(gè)部分

圖10 外部心臟壁

其次,參照人教版生物教材[12],按照心臟模型各部分邊緣繪制出樣條線。繪制完成后選中樣條線所有取樣點(diǎn),進(jìn)行進(jìn)一步的平滑處理,使模型邊界形狀更為流暢,并進(jìn)一步精確調(diào)節(jié)各個(gè)取樣點(diǎn),使其與教材原型圖片邊界完全重合。并對(duì)預(yù)選好的結(jié)構(gòu)為路徑進(jìn)行放樣,得到剖面模型。

心臟剖面模型如圖11和圖12。其余模型的建模過(guò)程也同上述相似,如圖13、圖14、圖15和圖16。

圖11 剖面 圖12 背面

圖13 腎臟 圖14 腎單位 圖15 肺泡

圖16 肺部模型

3.1.2 虛擬場(chǎng)景搭建

首先,新建一個(gè)Unity 通用渲染管線(Universal Render Pipeline)項(xiàng)目,下載并導(dǎo)入SteamVR插件,將插件中的[CameraRig]預(yù)制體拖入場(chǎng)景,完成VR場(chǎng)景搭建。

其次,將循環(huán)系統(tǒng)所有器官.fbx模型和貼圖導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中,將材質(zhì)添加到模型相應(yīng)部位。需要注意的是,為了能在血管外側(cè)觀察到血流,需要為其添加透明材質(zhì),在加“URP/Lit”材質(zhì)球時(shí),將材質(zhì)類型“Surface Type”設(shè)置為“Transparent”,并調(diào)節(jié)顏色透明度即可。

最后,按照真實(shí)展項(xiàng)場(chǎng)景布置模型位置,并在適當(dāng)位置添加光源。最終,搭建整體血管網(wǎng)絡(luò)后得到循環(huán)系統(tǒng)模型,如圖17。

圖17 循環(huán)系統(tǒng)整體模型

3.2 動(dòng)態(tài)血流模擬

采用Unity中的粒子系統(tǒng)模擬“心臟推動(dòng)血液循環(huán)”中“體循環(huán)”和“肺循環(huán)”兩生理過(guò)程,實(shí)現(xiàn)動(dòng)脈血和靜脈血在血管內(nèi)部沿血管壁流動(dòng)的效果。

首先,為血管模型添加碰撞器組件,為適應(yīng)形狀不規(guī)則的血管模型,采用網(wǎng)格碰撞器組件Mesh Collider,防止血流穿透血管。

然后,利用粒子系統(tǒng)創(chuàng)建粒子。在Unity的Hierarchy視圖點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,在Effects選項(xiàng)中點(diǎn)擊Particle System完成初始創(chuàng)建。然后對(duì)發(fā)射模塊Emission、形狀模塊 Shape、生命周期內(nèi)顏色Color over Lifetime、粒子大小的速度控制Size by Speed、碰撞模塊Collision、渲染器Renderer進(jìn)行勾選。其中,在粒子與血管壁之間設(shè)置碰撞模塊Collision,可實(shí)現(xiàn)碰撞約束效果,同時(shí)設(shè)置粒子碰撞器大小RadiusScale,可使粒子未撞到Collision便產(chǎn)生碰撞,模擬血流效果。

在創(chuàng)建工作完成后,此時(shí)界面已出現(xiàn)粒子噴射口,通過(guò)噴射口三維坐標(biāo)值設(shè)置將其置于血管入口端,如圖18。

圖18 噴射口設(shè)置

在完成噴射口設(shè)置之后,對(duì)血流的各個(gè)參數(shù),如流速、粒子大小、生命周期等進(jìn)行設(shè)置,如圖19和圖20。其中,流速?zèng)Q定血流視覺(jué)效果的快與慢,粒子大小決定了血細(xì)胞視覺(jué)效果的大與小,生命周期決定血流視覺(jué)效果的始點(diǎn)與終點(diǎn)。此外,還可通過(guò)顏色參數(shù)將粒子分段設(shè)置為紅色與藍(lán)色來(lái)分別表征動(dòng)脈血與靜脈血。

圖19 當(dāng)前血流參數(shù)

圖20 詳細(xì)參數(shù)界面

最終點(diǎn)擊運(yùn)行鍵,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)血流效果,如圖21。實(shí)現(xiàn)該效果的偽代碼如表1。

表1 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)血流效果的偽代碼

圖21 最終動(dòng)態(tài)血流效果

3.3 沉浸式交互設(shè)計(jì)

交互設(shè)計(jì)包括場(chǎng)景漫游、手柄交互和語(yǔ)音解說(shuō)三種功能,實(shí)現(xiàn)交互功能的偽代碼如表2。

表2 實(shí)現(xiàn)手柄交互和語(yǔ)音解說(shuō)功能的偽代碼

實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游功能的關(guān)鍵在于控制VR相機(jī)(即[CameraRig]預(yù)制體)移動(dòng),通過(guò)腳本語(yǔ)言獲取操作者按下觸摸板的方位信息,使VR相機(jī)在該方向平移。

然后,為手柄添加SteamVR插件提供的腳本“SteamVR＿LaserPointer.cs”實(shí)現(xiàn)射線效果,設(shè)置射線的顏色“Color”和粗細(xì)“Thickness”等屬性。

最后,通過(guò)Unity C#編程,實(shí)現(xiàn)手柄射線指向某部位并扣動(dòng)扳機(jī)鍵,觸發(fā)文字解說(shuō)和語(yǔ)音解說(shuō)功能。交互腳本偽代碼如表2,當(dāng)手柄射線選中循環(huán)系統(tǒng)的某一具體結(jié)構(gòu)時(shí),該部分高亮顯示,其附近也會(huì)顯示被選中部分的文字講解信息,并播放相應(yīng)的音頻介紹。學(xué)習(xí)者與虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的交互場(chǎng)景如圖22所示。

圖22 交互場(chǎng)景示意圖

4 評(píng)價(jià)

采用HTC Vive產(chǎn)品作為三維交互設(shè)備,如圖23所示。HTC Vive具有高分辨率、定位追蹤、強(qiáng)大的Steam VR平臺(tái)等特點(diǎn),能夠模擬更為真實(shí)的生物學(xué)習(xí)環(huán)境。為評(píng)估沉浸式生物學(xué)習(xí)環(huán)境的效果,本文設(shè)計(jì)了以下評(píng)估實(shí)驗(yàn)。

圖23 HTC Vive示意圖(包括頭盔顯示器和交互手柄)

4.1 問(wèn)卷設(shè)計(jì)

本文將測(cè)試內(nèi)容分為以下6個(gè)方面:感知易用性、體驗(yàn)結(jié)果、感知沉浸性、感知實(shí)用性、學(xué)習(xí)滿意度、學(xué)習(xí)滿意度和自我效能感。每個(gè)方面提供1至6個(gè)問(wèn)題供測(cè)試者回答,共計(jì)問(wèn)題28個(gè)。同時(shí),每個(gè)問(wèn)題均設(shè)置了5個(gè)選項(xiàng),選項(xiàng)內(nèi)容與其得分權(quán)重如表3,通過(guò)最終加權(quán)得分來(lái)評(píng)估本次實(shí)驗(yàn)。

表3 問(wèn)卷問(wèn)題的選項(xiàng)與其得分權(quán)重

表4 信度檢驗(yàn)

表5 效度檢驗(yàn)

4.2 問(wèn)卷評(píng)估

本文參考Huang等人在其研究中對(duì)高性能虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境在大學(xué)醫(yī)學(xué)課程的應(yīng)用情況調(diào)查[13],中文版虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境臨場(chǎng)感量表[14],何聚厚等提出的基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[15],以及測(cè)試眩暈的模擬器病問(wèn)卷 (Simulator Sickness Questionnaire,SSQ) 等相關(guān)量表,設(shè)計(jì)適應(yīng)系統(tǒng)的里克特五點(diǎn)式量表,分為感知易用性、體驗(yàn)后果、感知沉浸性、感知有用性、學(xué)習(xí)滿意度和自我效能感六個(gè)維度,共28題。使用SPSS2.0進(jìn)行信度檢驗(yàn),其內(nèi)部一致性系數(shù)為0.918,進(jìn)行因子分析,其KMO值為0.858,可見問(wèn)卷信效度良好,可以用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

4.3 結(jié)果分析

本文共收集到有效問(wèn)卷64份,每個(gè)問(wèn)題的平均得分?jǐn)?shù)據(jù)如表6。

表6 評(píng)估數(shù)據(jù)結(jié)果

圖24 評(píng)估數(shù)據(jù)條形圖

以上每一道題均使用1～5五個(gè)標(biāo)度打分,依次代表完全不符合、基本不符合、不確定、符合、完全符合(或非常不同意、基本不同意、不確定、同意、非常同意),其中第7、8、12題為反向題。從得分上來(lái)看,將反向題進(jìn)行處理之后,僅有第7題得分為3.56,其余得分全部在4分以上,甚至部分題得分在4.5分以上。

感知易用性方面,所有題得分均在4分以上,說(shuō)明學(xué)生們普遍容易接受VR這一新技術(shù),操作學(xué)習(xí)起來(lái)難度不大,可以自如地進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作,并在場(chǎng)景中進(jìn)行移動(dòng)和操縱,十分靈活。

感知有用性、學(xué)習(xí)滿意度和自我效能感的得分也均超過(guò)4分,說(shuō)明沉浸式學(xué)習(xí)系統(tǒng)確實(shí)可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性和體驗(yàn)感,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,讓知識(shí)變得更加容易接受,同時(shí),學(xué)生也樂(lè)于接受這一新技術(shù),對(duì)學(xué)習(xí)有很高的自信度,有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)和學(xué)習(xí)效果,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和問(wèn)題合作意識(shí)也具有重要意義,符合我國(guó)課程核心素養(yǎng)的要求。

此外,根據(jù)第7題,最大的問(wèn)題在于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引起的不適感,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,接近三分之一的學(xué)生在進(jìn)行操作時(shí)會(huì)感受到不同程度的不適感,通過(guò)查閱蔡力等人的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與視覺(jué)狀態(tài)不一致時(shí),會(huì)出現(xiàn)生理不適狀況[16]。

因此,綜合來(lái)看,除了部分學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)暈動(dòng)癥之外,學(xué)習(xí)者對(duì)于沉浸式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的接受度很高,使用意愿很強(qiáng)。在實(shí)際教學(xué)中有更好的教學(xué)效果,能夠更好地滿足師生需求。

5 總結(jié)與展望

本文自主研發(fā)K12生物課程中“人體循環(huán)系統(tǒng)”的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境,具有高沉浸感和交互性,為用戶提供實(shí)時(shí)的視覺(jué)、聽覺(jué)反饋效果,實(shí)現(xiàn)了血流效果的動(dòng)態(tài)仿真,可觀察到“心臟推動(dòng)血液循環(huán)”中的“肺循環(huán)”和“體循環(huán)”兩動(dòng)態(tài)生理過(guò)程,為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)高仿真度、高互動(dòng)感、可重復(fù)的動(dòng)態(tài)沉浸式實(shí)驗(yàn)環(huán)境。有效提升學(xué)生對(duì)于生物實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣,突破了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件的制約,使抽象的模型具象可感,大大改善生物實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)體驗(yàn),同時(shí)為解決當(dāng)今中國(guó)生物教學(xué)中“實(shí)驗(yàn)難”、“靠想象”甚至“無(wú)實(shí)驗(yàn)”等問(wèn)題提出新的解決思路,也為中國(guó)生物教育界提供生物教育典型示范,在未來(lái)的教學(xué)與學(xué)習(xí)中具有廣闊應(yīng)用前景。

相關(guān)技術(shù)具有很強(qiáng)的拓展性,目前正依此思路進(jìn)一步研發(fā)像“肺泡進(jìn)行氣體交換”、“尿液的形成”等其他學(xué)生難以透徹理解的典型案例。未來(lái),將對(duì)動(dòng)態(tài)仿真觀察過(guò)程中存在的“暈動(dòng)癥”問(wèn)題作進(jìn)一步研究,優(yōu)化防暈措施,進(jìn)一步改進(jìn)和完善沉浸式生物學(xué)習(xí)環(huán)境,并推廣應(yīng)用。