VR技术在初中生物教学中的应用分析

佛山科学技术学院 广东 佛山 528000

引言

2013年，一款为电子游戏设计的头戴式显示器Oculus Rift经众筹开发问世，因其技术上的革新与飞跃，人们的视野被重新拉回到了VR领域。此外人惊喜地发现，VR所需的配套技术在近年来已经默默地实现了重大的突破。其中最突出的是5G技术的快速发展和算力的提升，困扰着VR技术的清晰度、延迟、舒适度、成本等问题都将被极大改善，这将会促进VR技术设备在教育行业快速普及。

VR技术运用于教学中可以利用虚拟现实的创造便于学生理解抽象的、缺乏生活联系的知识。而生物学科的教学涉及生物结构、遗传发育、生物实验等内容，并包含大量微观、宏观的抽象模型，学生很难通过观察现实生活来学习并理解知识。VR技术以其“3I”特性能够很好地弥补传统生物教学手段的不足，帮助学生更好地理解抽象概念与实验。

1 VR技术分析

1.1 VR技术及其特征

在国际上，虚拟现实技术被称为Virtual Reality，简称VR。在国内也称灵境技术。虚拟现实技术是以计算机技术为核心的技术，利用多种物理传感器，以用户的感官为中心，为用户创造一个具有视觉、触觉、听觉、甚至嗅觉的有高度真实感的三维虚拟环境，用户可以通过硬件设备实现与虚拟环境的交互，使用者具有独立性，可以为用户带来身临其境的沉浸式体验。

虚拟现实技术最突出的三个特征简称“3I”，分别为沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、构想（Imagination）。

沉浸性是虚拟现实技术最主要的特征，当使用者感知到虚拟环境的刺激时，其感知会产生思维共鸣，从而造成心理沉浸，给使用者身临其境的深度沉浸体验。

交互性指VR使用者可以通过硬件设备与构建的虚拟环境中的对象进行操作，同时虚拟环境按照编定的程序通过设备给予使用者信息反馈，实现人机的交互。

构想性指资源开发人员可以通过建模来建构我们客观世界不存在的场景，以此来延伸使用者的感知范围，因此也称为想象性。

1.2 VR设备的基础结构

处理器。处理器是VR系统的核心，根据陀螺仪数据来计算适用者的姿态定位，为跟上使用者的动作，VR显示设备的刷新率需要达到90Hz以上才能避免因刷新频率低跟不上使用者视觉变化而产生的眩晕感。高刷新率和大量瞬时姿态数据都需要依靠强大性能的处理器运算，所以VR设备的处理器芯片性能指标至关重要。

显示器。根据处理器的处理结果，实时分别为用户呈现左右眼图像。显示器的分辨率也是影响显示效果的一个因素，分辨率低于12600×6000就会产生纱窗效应。VR眼镜（人眼会直接看到显示屏的像素点，就好像隔着纱窗看东西一样）[2]。目前市场主流显示器配置达到了双目3k屏（2880x1600），纱窗效应能够有效缓解。

凸透镜。VR设备的显示器距离人眼过近，人眼难以聚焦显示器。凸透镜片的目的就是通过折射光线，将显示器上面的图像正确拉近到人眼视网膜的位置，是使用者能轻松看清几乎贴在眼前的显示屏。

陀螺仪。检测使用者的实时动作，转化为数据，传递给处理器，输出符合使用者视角的画面，能检测3dof（degree off reedom，即自由度，指三个转动角度的自由度）的数据。在更复杂的VR设备中，陀螺仪配合其他传感器、摄像头一同定位使用者的空间姿态，转化数据，能够实现6dof（除了三个转动角度外，再加上位置相关的三个自由度，即上下、左右、前后）的数据监测。

1.3 VR设备分类

目前根据VR设备的具体实现方式，将VR设备分为三大类：

手机盒子（嵌入机，Screen less Viewer）。是体验VR入门设备。基本都是3dofVR。它利用使用者的手机来完成处理器、显示器、陀螺仪的工作，而VR眼睛本身只提供一个凸透镜，和自身的支架作用，效果较差，但成本极低。

图1 手机盒子VR设备结构

VR头戴显示器（PC VR,TetheredHMD）。相对于入门体验级的手机盒子，VR头戴显示器则是较为高端的VR设备。它依靠电脑的CPU和显卡运算，能达到优秀的显示效果。借助传感器、和定位摄像头能实现6dof的图像显示。

图2 头戴式VR设备结构

一体机（StandaloneHMD,AllinoneHMD）。一体机使用移动芯片（如高通骁龙系列）来进行突刺昂定位和运算。不需要额外插入手机，摆脱了外部设备的束缚，有很强的便携性。但目前大部分一体机都是头部3dof+手柄3dof，位置空间的数据需要依靠手柄来捕捉。

图3 VR一体机设备结构

2 传统生物教学模式的局限性

初中阶段生物教学的内容主要研究生物的结构、生理行为、遗传发育生态系统等内容，其中包含了很多抽象的模型结构，如动植物的细胞模型，生物圈的概念等。传统生物教学一般采用幻灯片加语言描述的方式进行教学，但往往教师的教学资源陈旧，清晰度不高，可视角度不佳，导致学生的直观体验不佳，只能被动地接受知识，对于知识的理解不够透彻，不利于掌握知识。

此外，生物学科中的宏观与微观世界由于难以与学生的实际生活联系，而且学生缺乏直接经验的支撑，对这类间接的抽象知识的学习往往停留在死记硬背的层面上，并没有达到理解记忆的程度。这类知识的教学对于教师来说也是教学难点，只能依靠教师直观语言的讲解和一些图片来进行教学。

实验教学是生物学科教学的一大重点，很多生物实验由于实验条件不达标，时间周期长，操作危险系数高，失误率高等原因，不能在日常教学工作中进行，往往用教师的语言讲解配合相关视频资料进行替代，学生缺乏实践操作经验，不能很好地深入理解知识。

3 VR技术在生物教学中的应用

3.1 理论基础

建构主义认为，一个学习主体在学习知识时，并不是简单被动地吸收，而是要加进自己的认知和反映在里面，有意义的建构是整个学习过程的最终目标。教师是学生学习的辅助者，教师要综合外界环境的作用，帮助和促进学生的有意义建构。借助虚拟现实技术可以为学习者创造出虚拟的学习环境，给予学习者以各种感官多维度的信息刺激。并且学习者可以与虚拟环境中的各种对象进行操作，系统给予反馈[3]。在基于虚拟现实技术构建的虚拟三维学习环境能使学习者获得最大限度地控制和操作整个环境地自由度，充分调动学生的学习兴趣和积极性，使学习者能够主动地探索未知地新知识，并且学习者的行为能影响虚拟学习环境中事件的发展方向，能使学习者获得更深刻的体验，更好地理解验证概念，学习新知识，获取事物的内在联系，从而达到有效的意义建构。

3.2 具体应用与教学实践

（1）创设情境，激发学生学习兴趣

建构主义中的情境是指以生动具体的形象为主体的各种学习场景，一般分为教学情境和学习情境[5]。在传统教学中，教师通常采用情景模拟和实地实习实训的方式来创设学习情境。情景模拟往往依靠教师单独完成，成本有限，情景模拟不能全覆盖新知识，效果难以达到最佳。而实地实习实训具有空间局限性，难以常态化开展。初中阶段，学生的记忆认知飞速发展，对直观形象的记忆与理解要优于对抽象材料的记忆。基于虚拟现实技术搭建的虚拟学习场景不仅能实现理论知识具象化，抽象原理可视化，而且能够建立虚拟实习场所，让学习者身临其境更加直观的观察学习内容与过程。如在学习动植物的细胞结构中运用VR技术，能够让学生更加直观的观察细胞结构，动态了解细胞各机构的功能，在提升实际操作动手能力的同时，也能充分激发学生学习生物的兴趣，为生物学科的学习打下坚实的基础。

（2）虚拟现实，给予直观体验

在传统的生物教学中，教师使用的现代化教学手段往往只有PPT课件，教师仅能通过图片将细胞结构呈现给学生。但是借助相关VR设备能给予学生身临其境的感受，如人教版初中生物七年级上第二单元《动物细胞》与《植物细胞》的教学，借助VR设备与相关的教学资源，就能进入细胞场景之中，以第一视角直观观察各个细胞结构以及其功能，体验细胞单独的生命活动历程。在宏观上，学生可以足不出户就能穿越大气层观察生物圈的组成，可以瞬间浅入海底，去探索《海底两万里》的世界。这些真实的虚拟场景给予了学生主动性，使其主动探索，理解记忆相关知识，突破传统教育的教学难点。

（3）仿真实验，进行知识发生过程教学

实验教学是初中生物学科教学的重要组成部分，是培养学生科学逻辑思维和科学探究能力的重要途径。二在实际的实验教学中，很多实验因为实验设备、时间、场地、安全性等因素并不能切实实施，而VR技术的引入就可以在充分保障学生安全的前提下，打破时间空间的限制。借助VR技术，生物课堂可以将科学家的经典实验还原。学生跟随科学家的脚步逐渐探索，一同完成经典实验，让学生知识发生的全过程，以更好地培养学生学习科学家刻苦钻研、用于开拓创新的精神以及探究实践能力。

4 结束语

随着VR技术与硬件的高速发展，眩晕、疲劳等使用者生理上不适被极大的改善，将VR技术引入初中生物课堂，丰富了教师的教学手段，使得传统生物教学中抽象知识点教学变得更加直观、容易。VR技术体验的沉浸性、直观性符合初中阶段学生认知发展的特点，能够帮助学生接触到平时难以接触的世界，直观的观察所学知识和过程以更好的理解记忆。