虚拟现实技术在昆虫学教学中的应用前瞻

虚拟现实技术在昆虫学教学中的应用前瞻

高宇

(吉林农业大学农学院，长春130118)

摘要：随着电子计算机和通信技术的发展，人类社会已经进入了信息化的社会。传统昆虫学教学模式的局限性显得越来越突出，已经不能满足教学需求。解决该问题的有效手段之一，就是应用虚拟现实技术建设虚拟昆虫教学系统辅助理论和实践教学。利用虚拟昆虫教学系统，可实现高校课堂教学的真实性、连续性和交互性，这对于提高高等农业教育教学质量、促使高校教师转换角色和共享优质高等教育资源等均具有很大的促进作用，在昆虫学教学中具有广阔的应用前景。

关键词：虚拟现实技术;虚拟昆虫教学系统;昆虫学教学

收稿日期:2014-06-21

基金项目:吉林省教育科学”十二五”规划项目(GH12145)；吉林农业大学专项校本研究课题(2014zx10)

作者简介:高宇(1983-)，男，吉林长春人，博士，讲师，主要从事农业昆虫与害虫防治方面的教学与研究。

中图分类号：G642文献标志码：A

随着电子计算机和通信技术的发展，人类社会已经进入了信息化的社会。传统昆虫学教学模式的局限性显得越来越突出，已经不能满足教学需求。虚拟现实(Virtual reality，简称VR，又译作灵境、幻真)是利用电脑模拟创造一个三维空间的虚拟世界，为参与者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让其如同身历其境一般，可以及时地、无限制地观察三维空间内的事物。[1]应用虚拟现实技术建设虚拟昆虫教学系统，能有效克服当前昆虫学理论和实践教学中的诸多难题，与传统高校课堂教学中的挂图、展板和多媒体技术相比，能更好地实现高校课堂教学的真实性、连续性和交互性，帮助学生更深入具体和形象地理解与掌握相关知识内容。这对于提高高等农业教育教学质量、促使高校教师转换角色和共享优质高等教育资源等均具有很大的促进作用。因此，应用VR技术建设虚拟昆虫教学系统在昆虫学教学中具有广阔的应用前景，对于高等农业院校昆虫学教学的多元化教育和可持续发展具有重要意义。

1虚拟现实技术和虚拟现实系统

《The International Journal of Virtual Reality》上的“虚拟现实术语词汇表”中，对“VR”的定义是“一种创建人工世界的计算机系统”[2-3]。具体地说，VR是根据人类感觉的生理和心理特点，由计算机创造的三维立体图像[4]22。VR技术是一门涉及计算机、图像处理与模式识别、语音和音响处理、人工智能技术、传感与测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术，主要涉及三个研究领域，即通过计算机图形方式建立实时的三维视觉效果、建立对虚拟世界的观察界面、使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。[5]

基于VR技术建立虚拟现实平台(Virtual Reality Platform，简称VRP)，即采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而使人产生亲临等同真实环境的感受和体验。[4]23一个完整的VRP由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。它具有沉浸性、交互性、多感知性和构想性等基本特征。

2虚拟现实昆虫教学系统对教学促进作用

将昆虫学理论与VRP相结合，建立虚拟现实昆虫教学系统(Virtual Reality Instructional System of Entomology，简称VRISE)，作为一种辅助教学的技术手段，其研发目的应始终围绕着如何更好地提升教学效果。利用VRISE将丰富昆虫学的教学手段，提高高等农业教育教学质量，促使高校教师转换新角色，还有利于共享优质高等教育资源。

2.1提高高等农业教育教学质量

(1)观察了解现实世界的昆虫生活史可能需几个月，甚至一整年的时间。利用VRISE可将昆虫的生活周期缩短至数分钟以内，这样就能部分地替代在现实世界难以进行的或者费时、费力和费资金的实验，还可使教学过程更形象、直观、生动，极大地提高了教学效果，激发了学生的学习兴趣，因此，VRISE有助于缩短教学周期。

(2)昆虫学实验需要大量实验仪器设备和昆虫标本，尤其是对于较为复杂的昆虫生理学实验、观察较难采集到的稀少昆虫种类，要完成这些教学任务，需要购置仪器设备和更新陈列标本、教具等。而虚拟农业仪器因其成本低廉、操作使用与传统仪器基本相同，可以替代传统的仪器设备；虚拟昆虫可从活体昆虫上获得图像，经过三维数字处理形成可视化虚拟昆虫图像，学生可反复观察学习昆虫的形态结构。这样就可弥补昆虫标本种类和数量不足、硬件设施不足等诸多问题，因此，VRISE有助于节约教学成本。

(3)学习投资是一种生产性投资，可以计算投入和产出，同样存在着成本效益关系，并且学习成本与学习收益的对比关系是学生好学或厌学的一个重要原因。[6]利用VRISE降低学生的学习成本，可以有效地提高学习收益和教学效果。从学习成本的构成上看，有助于降低时间成本(如学生对课程进行预习、上课、阅读材料、完成作业与实验所花费的时间)与物质成本(学生在上述过程中所耗费的各种学习费用、教材费用、实验材料损耗等支出)；从学习成本的来源看，可分为来自家庭、社会、教师以及学生自身的成本，有助于降低各渠道来源的学习成本[7]，因此，VRISE有助于降低学习成本。

2.2促使高校教师角色转换

利用VRISE可以使学生按自身实际情况选择不同的学习方式、学习进度和学习途径，以达到最佳的学习状态，这些优点是传统教学方式难以达到的，这就需要有经验且受过专业训练的教师的有效指导。[8]因此，在VRISE教学中，教师如何确定自己的位置尤为重要。

(1)教师的主要职能将由“教”转变为“导”，更多地体现在引导方向，通过创设丰富的虚拟教学情景，激发学生获取知识和能力的动机，帮助学生决定适合自身需要、实际的学习目标，发展学生认知、判断、选择能力，培养良好的学习习惯。

(2)随着知识更新速度成倍加快，教师不仅要关注所教学科的知识，还要获取其他领域的最新成果和动态，不断地更新和改造自己的知识结构和教育技术，成为一名积极主动的终身学习者，并以这种态度来影响、组织、辅导、帮助学生克服学习惰性。

(3)在课堂上引入VRISE后，师生关系发生了巨大转变，教师与学生的合作关系更加开放，教师可以通过虚拟教学资源与学生进行正式或非正式的交流和讨论，在这种环境中相互尊重与信任是合作的基础。建立创新开放式师生合作课堂教学模式。

2.3共享优质高等教育资源

(1)虚拟教学资源是高校教育资源的重要组成部分，利用信息技术将所有分散的昆虫学教学资源整合和集成统一的信息和知识体系，构建一个无限的虚拟现实昆虫学教学大环境。由于高等教育具有较强的专业性，教育资源主要为特定教育目标的教学、科研及生产服务，服务对象的范围包括从事本专业及其相关领域的教师、学生、科研人员和技术推广人员，以及具有相应的教育需求的教育对象等。在一定时期和一定社会条件下，通过公正合理地社会共享，使高校教育资源得到充分的利用。

(2)昆虫学科普是一种信息传播过程，具有教育、文化、娱乐等诸多功能。VRISE可以作为昆虫学科普的重要载体和媒介。比如，在自然(昆虫)博物馆中陈列螳螂、蚂蚁、蝗虫等各种放大的昆虫模型，对体形纤小的昆虫进行了艺术的夸张；在放大的蚂蚁洞穴景观中，观众可以观赏到蚂蚁搬家、繁衍等生命活动等；昆虫复眼模型让观众能体验到昆虫复眼在视物时的特殊效果。[9]

3虚拟现实昆虫教学系统的应用前景

3.1虚拟昆虫的研究现状

虚拟昆虫是基于昆虫学原理建立的三维模型，即应用计算机模拟昆虫在三维空间中的生长发育、行为活动等状况。例如，Sommerer和Mignonneau于1993年构建了其首个交互式装置“A-Volve”，这些人工生物会“活”起来，还能不断演化；参与者还可在触摸屏上设计人工生物的外形；1995年构建了交互式装置“Photoropy”，参与者可以喂养和复制虚拟昆虫；1996年又构建了交互式装置“GENMA-Gentic Mignonneau”，参与者能通过操控虚拟生物的基因，实时地创造和修改人工昆虫的形态。[10]Beer用软件构造了在二维世界中具有简单行为的虚拟昆虫——蟑螂。[13]我国学者也建立了自动化制作昆虫三维模型的方法；[14]并通过对不同发育时期家蚕的各个组织器官的标准图谱的收集、归类、编辑、整合，获得了家蚕的解剖学和生理学等方面的基础数据，正在构建三维可视数字化家蚕；[15]而且设计并实现了昆虫躲避算法和捕捉算法，使得用户能手持真实的捕虫网来捕捉虚拟昆虫，并能感觉到昆虫的智能性。[16]但目前这些研究开发都是针对科学研究，而以教学为目的的应用开发寥寥无几，更没有针对农学类专业课程教学的需求为研发点，以辅助教学为目的的虚拟昆虫资源，在昆虫学教学领域尚属于“未来科技”，仅处于探索阶段。

32虚拟现实昆虫教学系统的应用前景

师生打开VRISE后，就能看到、听到和触到VRISE中的虚拟实践教学基地、虚拟昆虫标本馆、虚拟昆虫学开放实验室、虚拟农业仪器、虚拟昆虫学电子文献库等教学资源，甚至能进行语言交流，而无须到实验田里进行实践操作即可完成“教”和“学”，还可多次重复且自如地在其中漫游，这样不仅可以激发学生的学习兴趣和主动认知意识，让学生更直观了解所学知识，加深学生对教学内容的理解与掌握，还有助于教师更为深入地解析昆虫学知识。

(1)建立和发展多样化的实践教学基地，有效提升学生的实践能力和创新精神。利用VRISE建立多种模式的虚拟实践教学基地，参与者可以从任意角度观察虚拟农场中不同害虫个体的活动过程，并可通过改变环境条件和管理措施，观察不同害虫种群的变化，进行农林害虫综合治理。这样有助于深度解析抽象的农业基础理论，以满足实践教学的需求，达到传统教学手段难以实现的效果。

(2)昆虫标本是教学和科研的重要材料，采制昆虫标本是学习和研究昆虫的基础工作。利用VRISE建立虚拟昆虫标本馆，展示内容丰富的虚拟昆虫标本，参与者只需点击鼠标，足不出户即可观看昆虫标本室的展览，还可将昆虫实体展厅进行数字化并放到互联网上，制作昆虫展厅环视，增加观众感兴趣的内容实现实体展厅，虚拟昆虫标本与虚拟展厅的有机结合，激发参与者了解昆虫学知识的热情。[9]这样可以解决诸如：采集制作大量、理想的标本，需要一定的采集技术，耗费大量的采集时间；昆虫标本管理多采用账簿和卡片的管理方式，其检索、维护和查阅颇为不便；频繁地使用会导致标本损坏；传统昆虫标本馆只能在有限面积的展厅内展示部分昆虫种类，而且观众参观昆虫标本展览也会受到时间、地点、空间等限制。

(3)实验教学是教学环节中最主要的形式之一，开放式实验教学能够大大体现现代开放性教育理念的精髓。[17]利用VRISE建立虚拟昆虫学开放实验室，实验者可以在虚拟环境中完成现实环境中各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在现实环境中所取得的效果。例如，昆虫生理学实验是专业基础实验课。目前实验室的硬件设备种类和技术条件，不能满足创新开放性实验的复杂性和多样性需要，制约着教学质量和大学生创新能力的发展水平。[18]在昆虫的神经系统实验中，常以蝗虫或家蚕浸泡标本为观察对象，解剖时气味刺鼻，常使学生失去实验兴趣，严重影响教学效果；在观察昆虫组织、细胞的形态结构和生理、毒理变化等实验时需要制备石蜡切片，这种技术是最为广泛应用的方法，但操作比较繁琐，实验时间比较长；而建立虚拟昆虫学实验室，可以有效弥补因实验场地、实验设备、教学经费等方面的不足。

(4)农业教育教学须购置大量的测量分析仪器，因所需投资巨大，很难满足教学和科研工作的需要。利用VRISE构建虚拟农业仪器，将信息技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式，它可以由用户自己定义、自己设计，以满足不同的要求。一台虚拟仪器可以完成数台甚至成套仪器所能完成的全部功能，加之通用性好、易于升级和扩展，操作使用与传统仪器基本相同。因此，使用虚拟农业仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入，还能够提高科研质量和效率，极大地改善现有实验教学条件。[19]

(5)昆虫学是一门历史久远但又是蓬勃发展的学科，其基础学科和应用学科分别列在生物学、农学、林学等多个一级学科内，还有养蜂学、养蚕学等学科。[20]传统的昆虫学文献在图书馆藏中的分布极为复杂，因而存在文献资料搜寻困难的问题。利用VRISE建立虚拟昆虫学电子文献库，基于多媒体合成技术、图像识别技术、传感识别技术和曲面合成技术，将昆虫学的图片、文字、动画等映射到各种规格的书本模型上，通过人的肢体动作和计算机多媒体合成技术来完成电子书的页面翻转。只要参与者伸手做出翻书的动作，这本虚拟图书就会翻页，形象生动地展示昆虫知识。建立虚拟昆虫学电子文献库可以有效解决这个难题，还可为昆虫学教学和科研资源共享和传播起到积极的作用。

4结语

基于VR技术创建VRISE不仅可以反映现实状况，还可以在很大程度上摆脱自然条件中空间和时间的局限性。利用VRISE辅助昆虫学教学，让学生足不出户就能阅览浩如烟海的昆虫学文献，赏鉴千姿百态的昆虫世界，完成各种各样的昆虫学实验，获得与现实世界一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。通过VRISE展现昆虫世界，能解决现实中无法实现的教学环节，缩短教学和实验周期，节约教学成本，使基础理论教学从枯燥乏味的二维空间转向绚丽多姿的三维世界，实验空间从狭小的物理空间向广阔的虚拟空间扩展，为昆虫学教学提供先进的教学和科研手段，在昆虫学教育教学领域内有着极其巨大的应用前景。

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责任编辑：刘琳

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