VR系统与生物教学的融合点初探

王燕洁+王柏松+张爽+钟永江

摘要：本文概括性地介绍了虚拟现实（Virtual Reality）技术，包括其基本的硬件设备、特征等，进一步阐述了VR技术的优势和劣势。并基于此，对VR技术能够支撑传统生物教学中存在的困难点进行了有针对性的分析，最后总结梳理出开发应用VR技术能实现信息化融合课堂的可行性设计思路。

关键词：虚拟教学；VR系统；生物教学；信息化

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）24-0042-03

VR系统概述

VR（Virtual Reality，简称VR），就是虚拟现实。它是指综合利用计算机图形系统、各种现实及控制等接口设备，在计算机生成的可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。虚拟技术可以帮助完成对现实世界的抽象、模拟和仿真。也就是说，我们通过VR系统看到的、感受到的，或者与之互动交互的物体和场景都是虚拟的，不存在的。

VR系统有一套专业的外部设备，如3D眼镜、电子笔等，还有一种新型的3D显示器——zspace（所有利用VR技术研发出的产品都需要在zspace设备前才能使用和操作。zspace不仅是显示屏，还是追踪器，可以跟踪3D眼镜和电子笔两个装备，并在人体携带这些装备后通过跟踪人体头部和身体的动作调整人们看到的3D虚拟图像）。除了基本的硬件构成，VR系统还包括其他的虚拟现实设备，如头盔式眼镜、数据手套、力反馈装置等。这些VR设备都是浸入式的，它们能为用户创造一个近乎真实的、身临其境的体验，包括视觉、听觉、力觉、触觉、运动等多方面的感知，让用户觉得自己是计算机系统所创建的虚拟世界中的一部分，用户由观察者变成参与者，沉浸其中并能通过肢体的运动参与虚拟世界的活动。但鉴于目前技术的局限性，在现有的VR系统与应用中，较为成熟的主要是视觉沉浸，还有听觉和触觉沉浸技术。

VR系统除了能提供沉浸感外，其最大优势是强大的交互体验。操作者通过与虚拟时空中的画面进行实时交互，如同在真实世界中一样。有业内人士指出：在不远的将来，我们只需在家里安装虚拟现实设备，便可以足不出户地穿梭于各个虚拟场景，如时而在商店的衣帽间里试穿新衣，时而在足球场上观看比赛，时而化身为新闻事件的“现场目击者”等，这种通过三维建模技术模拟出的场景的交互，以其强大的真实性和表现力，拓展了用户的生产、生活，甚至是情感思维等范畴。

VR系统在生物教学领域的融合点分析

作为一种高新的虚拟现实技术，VR系统进入到教育教学领域能在哪些方面发挥作用呢？相对于常规的教学方式，它有哪些优势和劣势？首先，我们来看看在常规的生物教学中存在哪些困难，这些困难能不能通过VR技术来解决。

1.传统生物教学存在的困难点分析

生物学科主要研究生物的结构、生理行为、遗传发育等内容，其中涉及很多微观、抽象的模型结构，这些模型大多数距离学生的生活实际较远，学生对其缺少感性的认识。在常规课堂中，教师一般都是通过口头讲述或者借助图片、动画和模型教具来进行讲解，但常常会出现观察角度和结构叠加导致学生看不到或看不清的问题，即便是在普通的3D模型中通过设置透明、半透明或者高光、哑光等方式将内外不同的结构进行差异化显示，也仅仅是可以观察到大概而已，不能实现近距离的解剖式观察，学生对物体还是停留在观摩层面，缺乏实时的交互体验操作。

除了模型结构类知识外，学生对生物学科中微观世界的探索也常常望而生畏，繁杂又难以与实际生活相联系，抽象又没有直接经验来支撑，只能在脑海中通过想象尽可能去还原不可见的微观现象，甚至有些内容都没有统一的标准，所以学生难以对微观内容有一个正确且清晰的认识，是一个急需解决的学习困难点。

当然，在生物教学中，很重要的一部分也是常规教学中一个很大的障碍是实验教学。生物实验中有很多内容在常规条件下，由于受到实验条件没有严格规范、实验过程不可控、实验操作比较危险等因素影响而不易在常规教学中呈现，而且有些研究对象还是一些生物微观层面的结构或过程，常规实验显示不出来。对于这些难以开展的实验，传统教学往往以书本阅读或者教师讲解的方式代替真实的实验操作。有一些已经构建多媒体教学环境的学校为了能突破这一教学难点，也会利用一些简单的软件对实验进行模拟，通过直观形象的原理演示和现象模拟辅助教学，但利用虚拟实验软件进行模拟或演示对很多概念或者原理的认识并不一定能收到理想的效果，学生缺乏实际的实验操作和真实的感知体验，无法深入地理解和把握知识点。

2.VR系统辅助生物教学的优势

（1）立体层次感强，有很好的出镜效果，拓宽了学习的空间感

常规的结构模型仅能够实现简单的观摩，而VR技术不仅能将立体的结构模型按照教学的需要一层层地剥离开，单独进行细微观察，而且还可以拖出屏幕，零距离、全方位、不受空间限制地进行自由体验。

例如，在学习《植物细胞》一课时，学生可以借助VR技术构建的植物细胞模型从最外层的细胞膜进入到细胞质，在近乎真实的胶质状的细胞质中，与其间的各种细胞器近距离接触，每一种细胞器从外观到内部发生的分子水平的生理反应都可以尽收眼底，再从细胞核到细胞核里面的核膜、核仁、核质和染色体，一切都真实可触，那感觉就像拿着一个真实的细胞在进行观察，细胞的结构和功能清晰可见，甚至对于染色体这样在空间上有复杂联结的物质，其组成也不再是抽象、静态的概念上的认知，学生可以从更微小的基因片段和一个个蛋白质拆解来进行俯瞰，以便更直观地进行沉浸式的体验和感知。

（2）逼真的画面效果，身临其境的感官体验，让学习更高效且安全

针对在生物学科中一些微观不可见的原理演示，或者因实验条件比较苛刻、实验操作比较危险而不易实现的内容，VR技术能对画面进行模拟仿真宏观再现，其高度的逼真性和现实体验感让效果更为真实。相较于一般的动画演示，VR技术以其高精度的虚拟仿真性和超强的感官体验彻底改变了在实际教学中只能凭记忆、想象、简单的模拟等教学方式去掌握这些观察困难且不易理解的内容的状况，增强了教学效果。

例如，在《探究蚂蚁的通讯》实验中，由于蚂蚁是活体，不好饲养，而且如果脱离了蚂蚁的自然生存环境，在室内模拟蚂蚁是如何通讯并不是很容易的事情，很难反映蚂蚁的真实行为过程；而在室外实验，蚂蚁的行动方向不易受到控制，效果也不明显，它们到底是通过气味信息素传递的信息还是通过侦查蚁的行进路径传递的信息？在这个探究活动中，利用VR技术的虚拟仿真性不仅能够营造出蚂蚁通讯的自然环境，而且能将肉眼看不见的蚂蚁的通讯方式真实地再现，学生在创设的近乎真实的情境中体验、感知、发现和探究，在头脑中形成形象化的概念，从而实现对该部分内容的高效学习。

（3）丰富的交互方式，激发学生的学习兴趣

除了知识上的直观感知和模拟可能发生的真实情境外，VR系统还能设置一些和学生互动的交互功能，通过一些外置或者内嵌的虚拟工具或者设备让学生进行操控。好玩的、有趣的功能，或者是在现实生活中实现不了的操作或者功能，这些都可以通过VR技术的虚拟交互性来实现，让学习过程游戏化、情境化，最大程度地激发学生的学习兴趣。

例如，在《蜂鸟的外部形态》一课的教学中，我们可以借助VR技术让学生进入一个虚拟的丛林中，边观察鸟的外部形态，边用画笔勾勒出鸟的流线型轮廓，还可以让学生摘掉鸟身体上不同部位的羽毛，观察丢掉正羽或绒羽后对飞行产生的影响等，这些让学生亲自体验的有趣环节，在某种程度上真正做到了寓教于乐，使学生能主动学习，乐于学习。

3.VR系统在生物教学中的局限性

VR技术在生物教学中有着不可替代的优势，但它的劣势也是不容忽视的。其主要体现在操作上有局限性。有过操作体验的人会有这样的感觉：电子笔必须对准你要拖拽的物体才能实现移动或者其他操作。VR系统不同于单机版的3D模型，它是三维空间，有横向和纵向空间的延伸，所以电子笔需要反复去校准那个定位点，使用起来没有鼠标灵活。而且人长时间佩戴3D眼镜会有眩晕感，容易疲劳。

那么，如何在生物教学中发挥VR系统的独特优势，规避其劣势呢？我们在利用VR技术支撑生物信息化教学时，如何选择和设计理想的VR工具和软件，从而实现教学效果的最优化呢？

开发与应用VR技术的可行性思路

1.注重素材的筛选

从优势上来说，由于VR技术的亲视感和空间层次感，一些立体效果比较明显的三维结构用VR技术观察，效果就会比较好，尤其是一些较复杂的、需要从宏观到微观进行层层剥离的结构，也包括宏观上不可见的，如地理上不同天体的运动。再如，一些要表现场景效果或操作现象类的知识都可以借助zspace的逼真效果呈现。

2.开发思路精简化

（1）内容和功能设置上要精而简，勿大而全

对于一些内容较复杂、功能较繁琐的内容，不建议使用VR程序。原因有两个：一是时间的成本较大。从程序设计上来说，在VR系统中一个简单的模型的大小调整也会涉及较大的程序运算量。二是从使用者的体验感来说，不宜长时间学习使用。而且就目前VR系统的普及度来讲，不太可能实现教室内人手一台zspace机器。一般来讲，一个头盔式显示器加主机的成本要上万元，这在一些专业领域，如军事、航空、航天等尚可承受，但对于普通消费市场来说，还是让人望而却步。所以在较长时间内，zspace只可能作为课外学习的一种辅助工具应用于教学，所以内容和功能精简化是需要考虑的因素，哪怕一个程序就讲一个知识要点，这样容易让学生在短时间内理解，也便于应用。

（2）操作上尽可能避免对空间有精确要求

近乎真实情境的立体空间是VR系统的优势，但也不可避免地成为其操作环节上的限制因素。尤其是对空间定位有较大要求的操作，校准的时间往往会让学生没有耐心进行下去，即便它的画面效果和功能设置非常精致和齐全。

例如，“滴加试管溶液”是一个简单的操作，如果是单机版的.exe格式，只需要在平面上点击或者拖动鼠标就能轻松实现，但zspace可能需要来回点击N多次才能锁定在要定位的物体上，恰到好处地把溶液按照操作要求在位于试管的正上方滴入到试管中。

综上所述，并不是所有的3D工具都适用于VR系统的开发，需要考虑其应用和效果的局限性。但我们也相信，随着VR技术的不断发展和完善，它一定能帮助我们解决更多的教学难题。