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计算机应用

探索VR技术在初中生物学教学中的应用

发布时间:2022-02-16   |  所属分类:计算机应用:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏
 摘要:虚拟现实技术作为虚拟与现实相互结合的实用技术,以其沉浸性、交互性等突出特征促进了教育方式的变革。本文以"人体的神经系统"一节为例,从仿真模拟生物微观立体结构,全方位地展现生物宏观立体结构两个角度,提升学生的学习兴趣,从而深化理解相关知识。并对VR技术在初中生物学教学中的应用,进行了初步的探索。
 
  关键词:虚拟现实技术;神经系统;初中生物学;应用;
 
  虚拟现实技术(Virtual Reality,简称:VR),是20世纪发展起来的一种虚拟与现实相互结合的实用技术。因为VR技术实现了对现实世界的模拟,所以往往使用者在体验的时候,会在这种虚拟与现实交织的世界中产生思维共鸣,并沉浸其中,感觉如同进入真实的世界[1].2019年世界VR产业大会上发布的"虚拟现实产业发展白皮书(2019年)"中指出,中小学教育可结合虚拟现实沉浸式教学的体验,解决课堂教学中过于抽象的、难以理解的知识点,进而改变平时的"以教促学"的学习方式,使学习者通过自身与信息环境的相互作用来获得知识,提高学生对课程的学习兴趣。笔者有幸地参与了"人体的神经系统"一节的VR资源的开发,现以"人体的神经系统"一节的部分教学内容为例,探讨VR技术在初中生物学教学中的应用。
 
  1 VR资源的开发
 
  "人体的神经系统"这节课的教学重点是神经元的结构和功能特征,以及神经系统的组成和功能,教学难点是神经元的结构特征。神经元是微观的结构,对学生来说既抽象又没有直接经验来支撑;神经系统是宏观的结构,既繁杂又难以获得感性认识。这些都成为了"人体的神经系统"的学习困难点。VR技术所具有的身临其境的真实感和超越现实的虚拟性,以及使学习者沉浸其中、超乎其上的现实仿真功能,在一定程度上可以解决这些学习的困难点[2].因此,这节课的VR资源的开发就从神经元和神经系统这两方面入手,初步设想是开发出神经元和神经系统的VR视频,以及可以立体呈现神经系统宏观结构的VR软件。
 
  对于神经元和神经系统的VR视频的开发,笔者利用下载的具有3D效果的神经元及神经系统视频作为蓝本,并配以VR视频制作要求,然后将这些资料提供给VR技术人员进行VR视频的开发。为了提高学生对神经元的学习兴趣,VR技术人员还开发了神经元结构的VR拼图练习。因为"神经系统的组成和功能"的相关知识点琐碎又繁杂,所以笔者在进行开发设计时提出,在神经系统这个大模块的基础上,划分出大脑、小脑、脑干、脑神经、脊髓和脊神经这6个小模块,每个模块都包含知识区和模型区。其中,每个模块的知识区中罗列了该模块的主要知识点,供学生自主学习;模型区中呈现了该模块所包含的结构的仿真模型,供学生观察解剖。学生在使用时可以通过操控VR设备中的光标,从而实现在知识区和模型区自由切换。就这样,在笔者和VR技术人员的相互配合和共同努力下,开发出了包括神经元和神经系统的VR视频、神经元的拼图练习以及"神经系统VR生物课堂"在内的一套适用于初中生物学课堂的VR软件。
 
  2 VR技术在初中生物学教学中的应用
 
  "人体的神经系统"这节课的活动理念就是"神经系统的VR探索之旅",所设计的两个课堂活动分别用到了前期所开发的神经元和神经系统的VR资源,从而尝试利用VR技术的优势来解决这节课的学习困难点(电子资源)。
 
  2.1 仿真模拟生物微观立体结构,在交互式、沉浸式体验中提升兴趣、化解难点
 
  神经元的结构特征是"人体的神经系统"这节课的重点,也是难点。本节课所设计的课堂活动一是"观察神经元,分析神经元的组成和功能",活动要求是学生佩戴VR设备,观看神经元VR视频以及完成VR中的神经元拼图练习,并结合苏科版《生物学》八年级(上)第32页图16 1神经元和神经纤维的结构模式图及第54页信息库中神经元的相关内容,完成活动单上的概念图,并根据神经元的结构特点,推测神经元的功能。
 
  活动一中应用VR技术的具体操作:教师打开神经元VR软件,再通过VR技术人员运用相应设备所构建的局域网,调控学生所使用的VR设备,使其处于控制模式。学生每2位1台VR头戴式设备,1位学生先佩戴VR设备,观看神经元VR视频,并进行神经元的拼图练习;另1位学生先自主学习教材中神经元的相关内容,然后再使用VR设备。在活动一最后的展示交流部分,有1个环节是神经元拼图练习的展示,由1个学习小组派出2位学生来进行展示,教师把他们所用的VR设备的场景投屏到电子黑板上,1位学生佩戴VR设备进行拼图练习,另1位学生讲解拼图过程。这样大家就可在电子黑板的大屏幕上看到整个拼图过程。
 
  活动一中应用VR技术的意图:教材上的神经元模式图不够生动,即使播放视频也给人以距离感,而VR技术模拟出的神经元立体感强,给人以很强的视觉冲击力。学生戴上VR设备观察虚拟的微观世界中的神经元,会有身临其境之感,学习的兴趣也会更加浓厚。学生仿佛置身于神经元所构成的网络中,一个个外形奇特的神经元近在眼前,好像伸手就可以触摸到。白色的光点在神经元之间一波波地闪过,让学生更深刻地感受到神经元在接收到刺激之后,产生了兴奋,并在彼此之间传递着兴奋。在观看了神经元的VR视频后,再进行神经元的拼图练习,使学生在有趣的VR拼图练习中不知不觉地掌握了神经元的结构特征。并且,学生可以重复观看VR视频,重复进行VR拼图练习,这样的重复体验可以进一步提高学生对神经元的结构特征的掌握程度,从而化解这个难点。
 
  2.2 全方位展现生物宏观立体结构,在交互式、沉浸式体验中化繁为简、深化理解
 
  本节课所设计的课堂活动二是"观察神经系统的组成,分析神经系统各部分的结构及功能".活动要求是学生佩戴VR设备,学习神经系统、大脑、小脑、脑干、脑神经、脊髓和脊神经这7个模块的内容,以及观看神经系统VR视频,并结合教材第33-35页上的内容,完成神经系统及脑的组成概念图,并讨论相关的几个问题。
 
  活动二中应用VR技术的具体操作:教师演示神经系统VR软件的使用方法,然后学生戴上VR设备,点开神经系统VR生物课堂,可以看到7个学习模块,接下来选择所要学习的模块。进入该模块后,可以先进入知识区进行知识点的浏览,再进入模型区对模型进行各种观察操作,如上移、下移、移近、移远和旋转等。还可对模型进行解剖操作,将模型各部分分离开来,也可以将分离的各部分再组合在一起,操作的灵活度和自由度非常大。
 
  例如,在观察神经系统的组成的时候,学生可以首先进入神经系统这个模块,在该模块的知识区浏览相关的知识点,进行自主学习。然后进入模型区观察栩栩如生的神经系统立体模型,再移动模型,找到神经系统的中枢部分和周围部分。接着,学生可对神经系统的中枢部分之一---脑进行解剖操作,分离出大脑、小脑和脑干,观察好后再把脑的各部分组合在一起。为了对神经系统的各部分有更清晰和全面的认识,学生可进入6个小模块进行进一步的观察和操作。如进入脊髓这个小模块,结合知识区所列出的知识点,在模型区重点观察脊髓的灰质和白质的分布特点,并与大脑进行比较。然后,学生可观看极具动感和逼真效果的神经系统VR视频,从而获得更深刻的体验。在活动二最后的汇报交流环节,由于神经系统VR的软件容量过大,学生的VR设备中的相关的场景不能实现投屏。于是,教师可挑选学生代表上讲台,利用实现投屏的教师电脑上的VR软件进行汇报交流。
 
  活动二中应用VR技术的意图:人体的神经系统是一个比较复杂的、具有神秘感的结构。神经系统VR生物学课堂的这些功能,打破了以往生物学课堂上的观察和操作的局限,可以全方位立体展现神经系统的宏观结构,使学生能更为细致地观察这些结构,并且在观察时可以做到抽丝剥茧、层层深入,从而使学生对所学知识点有了更深层次的理解。
 
  3 VR技术应用时的体会与反思
 
  在VR资源的开发及VR技术的应用过程中,也遇到一些问题和阻碍。如现有的适用于初中生物学教学的VR资源非常少,加上开发一个生物学VR资源需要生物学教师、VR技术人员共同的合作,这些就造成开发周期较长的这个问题。理想的VR技术应该具有视觉、听觉和嗅觉等一切人所具有的感知功能,而目前的VR技术在教学上还没有达到,仅限于视觉和听觉这2种感知功能。要使VR模型或场景在形象性、科学性、趣味性和美观性等方面达到一定的要求,这样才能使开发出来的资源既符合设计者的思路,又满足应用者的需求,最终发挥出VR技术的真正优势[3].
 
  参考文献
 
  [1]刁玮。虚拟现实技术在高中生物教学中的应用[J] .高师理科学刊, 2018,38(4):104-106.
 
  [2]赵法茂。虚拟现实技术在生物学教学中的应用[J] .生物学教学, 2003 ,28(8):23-25.
 
  [3]李静媛,张弛。 VR技术在初中化学教学中的应用初探([J] .基础教育论坛, 2020(23):30-32.

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