增强现实技术探秘微观细胞

蔡苏 李毓檀 赵茜 聂猛

【摘 要】细胞部分的学习在中学生物教学中比较重要。然而，细胞结构微小且复杂，光学显微镜无法进行清晰的观察；光合作用和呼吸作用影响因素的探究实验在课堂中受到客观条件限制难以进行。本文介绍了增强现实（AR）技术对细胞结构教学的实验案例，展示了AR技术既能展现微观的细胞结构，亦能通过自主探究培养学生的实验精神与科学素养。

【关键词】增强现实；生物学习；细胞结构；教育技术

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2018）012-066-03

中学生物中细胞结构教学情况分析

细胞对于生物学习意义重大。认清细胞结构的形态，把握细胞结构的功能，进而理解“形态与功能相适应”的生物学思想，才能深入学习如光合作用、呼吸作用等生命活动的影响因素与生态价值。线粒体、叶绿体、核糖体等细胞结构形态复杂，而中小学阶段做生物实验所使用的光学显微镜，只能看到形态，无法看清楚结构。对于学生来说，通过二维的资料构建三维的细胞结构存在一定的难度。

光合作用和呼吸作用在整个生物学习中也占有十分重要的地位。而两个反应有很多内外部影响因素，各因素间又相互影响，较难控制单一变量。在实验室中，学生无法对光照强度、水分、二氧化碳等因素进行简便精确的控制，且实验结果不易观察。这一系列的限制因素导致了实际教学中不得不放弃这一部分的实验，而采用“直接灌输”的教学模式。

计算机辅助下的细胞结构教学

1.3D建模辅助细胞结构教学

传统教学中，除展示图片之外，教师往往还会让学生使用橡皮泥动手做动植物细胞结构，过程较为复杂，且手工实物模型往往与真实的细胞结构相差甚远。在计算机辅助教学的趋势下，蔡树华等人[1]提出让学生利用3ds Max软件制作生物虚拟模型，让学生在动手的过程中去学习。但是对于中小学生来说，熟练使用3ds Max软件困难较大，可行性不强。

2.虚拟现实技术辅助细胞结构教学

虚拟现实技术因其沉浸性与体验性，能够形成一个更生动立体的教学环境，使得学生能够在微观或者宏观层次上更好地认识生物构造。Angus P.R. Johnston等人[2]提出Oculus Rift和HTC Vive等虚拟现实设备可实现细胞在3D虚拟环境中的可视化与交互操作，并应用成像技术构建了细胞的三维虚拟模型。该研究表明，在沉浸式的学习环境中，学生对细胞结构的理解有了显著的提高。但是虚拟现实技术对设备要求较高，许多学校都没有条件配备相应的教学设备。

3.增强现实辅助细胞结构教学

增强现实的技术特性[3]，加上仿真3D模型，可以实现细胞结构从抽象到具象的进步。O'Connor[4]等人开发了一款细胞识别和可视化的成像系统，将增强现实头戴式设备与数字全息显微镜相结合，用于卫生医疗工作中的细胞研究。将传统光学显微镜难以观察到的细胞结构展示出来，学生可通过人机交互仿佛亲手触碰到这些结构一样。AR技术还使得在探究光合作用和呼吸作用影响因素时控制单一变量成为可能，且可以灵活调整各参数的数值。正如Labov， Jay B[5]等人提出的21世纪的生物教育中需要渗透数学思维与科学研究素养，这两种生物反应的表现形式做到了定性研究与定量研究相结合，培养了学生的探究精神。

“VR/AR+教育”实验室关于增强现实辅助生物教学的实证案例

作为国内最早开展课堂AR教学并持续探索的团队，北京师范大学教育技术学院“VR/AR+教育”实验室设计和开发了基于AR技术的细胞结构、呼吸作用、光合作用三款教学软件。

1.软件简介

（1）细胞结构

将细胞结构的AR卡片依次置于摄像头视野内，当屏幕出现虚拟的细胞结构模型时，开始观察。以“高尔基体”为例：将“高尔基体”识别图放在摄像头前，将会在真实空间中出现虚拟的高尔基体模型。学生可通过手指在屏幕上进行三种交互操作：放大模型，旋转模型，或手拿桌上的卡片，360°全方位地观察细胞结构的形态。完成观察后，可点击左上角的“功能”按钮，出现细胞结构对应的功能。学习完毕后，点击“Back”按钮，文字消失，此时教师可测试学生的学习情况。

（2）光合作用

软件“光合作用”左上角出现三个影响因素及对应滑竿，未识别到AR卡片时不出现影响因素数值。识别到卡片时，出现数值，叶绿体模型内部出现多个黄色球状物质（代表生成的有机物），且有向外溢出的气泡（代表光合作用生成的氧气）。控制其余两个因素不变，从1至6调节“光照强度”滑竿，观察溢出气泡和黄色球状物质大小变化，进行定性的描述；观察右上角氧气数值的变化进行定量探究。“温度”和“二氧化碳浓度”的探究方式相似。

（3）呼吸作用

软件“呼吸作用”的使用方法与“光合作用”相似，通过AR软件可探究水分、温度和氧气浓度对呼吸作用的影响。

2.实验过程

本案例实验对象为某中学七年级的100名学生，分为实验班A和对照班B各50人。实验班使用基于AR的教学软件进行教学，如图1所示。对照班通过分析材料与小组讨论进行教学。

在课程开始前，A、B班的同学均填写了“生物学习态度问卷”与“探究题目问卷”，以期排除两个班的学生存在的差异。从三维目标中的“情感态度价值观”探究学生原来对于生物学习的态度；从“知识与技能”出发，设计了两道关于光合作用和呼吸作用影响因素的探究题目，测试学生对该部分知识的初始掌握情况。课程结束后，实验班与对照班学生填写后测问卷，检验两种不同的教学方式下学生对于生物学习的态度和生物知识的掌握有无显著差异。我们还对学生代表和校方老师进行了访谈。

3.实验结果

从A、B班前测的结果来看，两个班在生物知识与生物学习态度上无显著差异，且A、B班的学生均对细胞结构、光合作用和呼吸作用影响因素这部分知识掌握情况较差。对后测进行显著性差异分析，两班存在显著性差异，且实验班在知识掌握情况和学习态度方面的平均分明显高于对照班，特别是对于细胞结构形态与功能的掌握。说明AR教学效果远好于传统教学方式，学生在自己动手操作、亲眼看到实验变化、亲身探究得到实验结果的情况下，对知识的掌握更加牢固清晰，对生物学习的积极性也充分被调动。

结 语

本研究将增强现实技术与中学生物教学相结合，拓宽了增强现实技术在教学领域的应用。利用增强现实技术实现了生物细胞结构的可视化，增强了用户对细胞深层的认识，通过将虚拟仿真的细胞結构直接在真实环境中进行直观呈现。同时降低了学校课堂中进行生物实验教学的门槛，提高了学生实验学习、自主探究、合作学习的意识，同时也为生物教学提供了新的研究方向和手段。因此，将增强现实技术与生物教学相结合有着非常重要的理论意义和实际应用价值。

参考文献

蔡树华.虚拟模型在中学生物学教学中的设计与应用的四个案例[D].云南师范大学，2016.

Johnston A P R， Rae J， Ariotti N， et al. Journey to the centre of the cell： Virtual reality immersion into scientific data[J]. Traffic， 2018， 19（2）： 105-110.

蔡苏，王沛文，杨阳，刘恩睿.增强现实（AR）技术的教育应用综述[J].远程教育杂志， 2016， 34（05）：27-40.

OConnor T， Rawat S， Markman A， et al. Automatic cell identification and visualization using digital holographic microscopy with head mounted augmented reality devices[J]. Applied optics， 2018， 57（7）： B197-B204.

Labov J B， Reid A H， Yamamoto K R. Integrated biology and undergraduate science education： a new biology education for the twenty-first century？[J]. CBE—Life Sciences Education， 2010， 9（1）： 10-16.