虚拟现实VR技术在生物教学上的应用研究

罗秋娴

摘要：生物学亦称生物科学或生命科学，是研究生物各个层次的种类、结构、功能、发育和起源进化以及生物与周围环境关系的一门自然科学，研究的对象具有种类的多样性，但大多数情况下却难以亲身触摸，从而学生对其科学规律的把握也产生了一定的难度。虚拟现实（VirtualReality，VR）技术可利用电脑完整的构造出一个与现实环境完美吻合的虚拟环境，让学生身临其境，进一步增加生物课堂教学的真实感，通过触觉、视觉及听觉等全方位认识生物知识，掌握最新的技能和学习未知的知识，VR技术在生物教学上的应用有十分广阔的前景。本文通过对虚拟现实技术的主要特征和基本定义的介绍，同时对VR技术应用于生物教学的理论基础进行了深入分析，并提出了现有问题及展望，最终达到使VR技术与现代生物教学完美结合的目的。

关键词：VR技术；生物教学；应用；研究

近年来，虚拟现实VR（VirtualReality）技术是迅猛发展的一门新兴技术，八十年代末期首次提出，是当前热门的研究领域之一[1]。在生物教学过程中，VR技术通过使学生戴上数据手套和头盔显示器等交互先进设备，从而使其置身于虚拟生物环境中，成为该环境中的一份子。学生与虚拟生物环境中的各种研究对象的互动，就类似于在现实生物环境内一模一样。当学生触摸物品时，仿佛有现实世界中的触感；当其移动头部时，虚拟生物环境中的景象也实时地跟随其的移动而变化，当学生拿起物体，便可使物体随着手的移动而进行定向运动，同时还可以听到三维仿真声音[2]。将虚拟现实技术引入教学中是虚拟现实技术应用的重要领域，也是教学辅助手段改革的一个重要方面。生物教学过程中呈献知识信息是极为关键的环节，而VR技术在呈献知识信息方面有着独特的优势，它不仅可以在广泛的科目领域提供无限的体验，从而加速和巩固学生学习知识的过程；另外，利用VR技术的一系列优点，与现代生物教学的完美融合，能更好的使学生掌握课本知识，并能身临其境的感受原本抽象的理论知识，使生物教学的质量大幅度的提升，由此看来，VR技术在教育领域有非常重要的发展前景。

一、VR技术概述

1.VR技术的基本定义

虚拟现实（VR-VirtualReality）技术是在计算机仿真技术、计算机图形学多媒体技术以及传感技术、人机接口技术的基础上发展起来的新型技术，又称灵境技术，在生物教学过程中，学生可以操纵分子模型，观察分子的复杂结构；学生以最真实的方式与虚拟环境中的生物研究对象进行相互和体验作用，从而产生身临其境的感受和体验。VR技术的基本定义为使用者可通过自然动作来与虚拟环境发生交互作用；VR技术中的实体并不是客观实际存在的，而是由电脑通过相应的计算方法来生成的；VR技术需要依靠专业的传感设备来进行交互作用[2-3]。

2.VR技术的特点

VR技术具有多感知性、交互性、临场性和构想性、沉浸性的特点。

（1）多感知性。多感知性是指由于VR系统中拥有触、视、动及听觉的传感及反应装置。因此，使用者在虚拟环境中可以获得触觉、视觉、动觉和听觉等多种感知，从而达到身临其境的逼真体验[3]。

（2）交互性。交互性指的是使用者利用计算机的输入设备向VR软件发出指令，VR软件接受到指令，并智能的做出精确分析，进而更新虚拟世界[3]。

（3）临场性。临场性的意思是在参与者与虚拟世界进行交互的同时，由于在头盔显示器、数据衣及数据手套的共同作用下，虚拟系统将使用者置身于一种隔离的环境中，并在这种环境中使用者的眼、语言、头、手及身体的运动都会使虚拟环境中的声音与图象实时地随之变化[3]。

（4）构想性。构想性主要是指在计算机图形学的基础上实现真实场景的三维立体显示[3]。

（5）沉浸性。沉浸性又稱临场感或存在感，是指用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中，利用一切感觉去体会该环境，让用户如同在现实世界中的感觉一样。在此情境下用户可以更清晰地观察所研究的对象，将抽象的数据信息变换为现实的体验，从中获取知识[3]。

二、VR技术在生物教学中的运用

利用VR技术不仅仅可极大的使教师的教学更方便，而且可为学生提供更加丰富多彩的学习资源以及更与众不同的新型学习方式。例如在生物教学过程中将一些原本抽象的概念，在虚拟环境的模拟下逼真呈现，使教师和学生可使其具体化，从而大大提高了学生的掌握能力及理解能力。

1.VR技术在生物教学中的应用优势

（1） VR技术能完善生物教学硬件的不足。在生物现实的教学过程中，经常会遇到实验场地、实验工具、教学经费等等一系列的限制，从而使一些必要的实验活动和教学环节无法及时开展。如在讲述分子结构时，虚拟生物分子模型可以虚拟DNA四大碱基的双螺旋结构并形象地展示各碱基的配对所构成的复杂结构。使学生身临其境，增加学习兴趣，乐在其中。

（2） VR技术可模拟显现现实存在。在普通的教学过程及实验过程中，很难呈现生物的复杂结构，例如细胞的组成，分子的结构等微观世界的呈现，针对这些生物研究问题，完全可以利用VR技术，构建模型，对有关对象进行深入研究。这种教学方式通过短片的方式在教学中收到了较好的效果，但也有它的不足，学生作为学习的主体，只能在旁观者的角度来被动参与；而通过沉浸型VR技术，学生们可以真正获得置身于现实的感觉，甚至能融入到实验过程中，不论针对课程教学还是科普教育来说，这种方式的成效是极为明显的，更受学生们的欢迎。

（3）VR技术有利于打破时间、空间对教学的限制。VR技术可以将一些长时间或长期的变化过程压缩到可接受的时间里呈现给学生。像细胞内部构造等知识的教学或实验研究就能够得以形象的进行。使学生可以形象直观的了解细胞组成和内部结构及成分的详细情况。

2.VR技术给生物教学带来的转变

在VR技术诞生前，学习主要方式有两种：（1）通过实践作用于现实世界进行学习；（2）利用课本、课堂进行间接学习[4]。随着日新月异的现代信息技术发展，VR技术的出现为人类提供了一个虚拟世界，使得我们可以更好地学习知识。VR技术作为一种全新意义上的教学媒体应用于生物教学，将促使教育环境、教育形态和教学过程的基本要素及相互关系发生重大变化[5]。endprint

（1）生物教学观念的变化。传统的生物教学是以老师为主要中心，处于被动的学习的为学生群体。由老师对生物教学内容、结构、教学方法来进行单方面的决定，VR技术彻底颠覆了传统生物的教学方式，使教师成为主导角色，让学生担任主体角色。VR技术一方面为创造以学生为中心的别出心裁的教学的环境提供了可能，另一方面以教师为中心的授课形式将会被颠覆。使学生真正成为学习的主人。将VR技术引入教学，改进生物教学方法，将学生的学习主动化，使教学观念发生了极大的变化[6]。

（2）生物教学内容的变化。由于VR技术的引用，从内在结构和外在形式上看，生物教学内容均产生了极大的变化。从外在形式来看，由现有人机交互功能的VR技术代替原先的录音、录像[7]；另外可以借助VR技术系统的强大功能，对一些微观实验及实现不了的模型，进行虚拟仿真建造。学生在使用VR技术后，可进一步接近人类认知特点的方式去构建知识框架、组织教学内容。

VR技术不仅能将生物教学内容的组织形式和内容呈现的复杂性和多样性高效的结合起来，并能为学生提供一种开放且动态的认知新模式，这其中既包含了生物学科的基本内容，与此同时也包括了生物学科内容的逻辑关系[8]。

（3）生物教學手段的变化。生物教学手段直接对生物教学效果产生影响，是保证教学任务的重要途径。VR技术使得生物教学手段更具科学化，同时能够更直观、形象地使多重感官接受刺激，并获得大量有效地视听觉学习材料[8]。VR技术为学生提供了丰富多彩、直观形象的学习思维材料，让学生观察到在现实生活中无法直接观察到的生物研究对象。

三、VR技术在生物教学应用中存在的问题及展望

1.VR技术存在的问题

VR技术的自由度及灵活性均不强[9]，在一定程度上，很难使学生将已建立的知识结构迁移至新的知识结构中去。使用VR技术后，多种媒体的信息通过网络的超链接，就可以接近人类认知特点的方式去组织和展示教学内容、构建知识结构，这种网状的信息组织方式是一种非线性结构，链是知识之间的层级逻辑关系。

（1）VR技术的效果待加强。我们现阶段掌握的VR技术多表现在几何方面，对逼真的道具模型仍显缺少；在感知方面，VR技术研究更多的表现在听觉上，在触觉方面的研究还是较少，真实性与实时性有待进一步加强，其虚拟的效果还存在不足[9]。与真实世界相比，虚拟世界在真实程度方面还有差距，无法提供真实环境的全部感官刺激，也无法达到如真实世界的真实程度。

（2）VR技术的社会性障碍。人的社会性决定了人与人之间交往的重要性[10]，即使是通过电脑参与社会活动其交往也仍然存在不足。由于VR技术进入生物教学的飞速发展和先进技术手段的大范围应用，使得我们对这个问题的看法越来越明确，越来越理性。直接交往不可能被人机交往所替代[10]，长时间操作电脑，可能会间接导致学生的人际交往能力大幅下降，这种情况应得到广泛重视，进而避免不良后果的产生。

四、总结

将VR技术应用于生物现代教学中，具有非常明显的优越性。VR系统可以建构许多虚拟人物参与教学交互，这些虚拟人物可以由电脑模拟，也可以由师生自我扮演。通过这种方式，老师可以改变把课本转移到屏幕的教学方法，通过计算机建构个性化的虚拟环境。可以预言虚拟现实技术将是继多媒体、计算机网络之后，在现代教育教学过程中最具有应用前景的技术之一。

参考文献：

[1]Barbara，Sommer，Robert sommer，Avirtual Lab in reaearch methods[J].Teaching of psychology，2003（30），143-147

[2]Prisciua Norton，karinm，Wiburg，吴洪健译.信息技术与教学创新[M]，中国轻工业出版社，2002，07

[3]百度.虚拟现实技术.http：//http：//www.wenkuxiazai.com/view/95269.

[4]梁琨，黄小丽.虚拟现实技术在教育中的应用探讨[J].软件导刊，教育技术；（3），2008.92

[5]许维新，郭光友，魏吉庆.现代教育技术应用基础[M].科学出版社，2004，5

[6]杨景武.基于平面图像的虚拟现实技术[J].现代教育杂志，2005（5）

[7]余卫红，陈超.虚拟现实技术在教育教学中的应用及思考[J].软件导刊.教育技术，2012，8

[8]袁振国.教育研究方法[M].高等教育出版社，2000，7

[9]赵士滨.虚拟现实技术进入高校教学的研究与实现[J].电化教育研究；（2）.2001

[10]张剑平.虚拟现实技术的理论与应用[M].现代教育技术出版社，2003，8

[11]朱斌.VR技术及其在现代教学中的应用[J].中国教育信息化，2007，05

（作者单位：广东省广州市从化区从化六中510925）endprint