虚拟现实技术在生物学教学中的应用.docx

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虚拟现实技术在生物学教学中的应用

虚拟现实技术在生物学教学中的应用

虚拟现实技术在生物学教学中的应用

【摘　要】　虚拟现实是多媒体模拟仿真技术的高级发展和突破，它一经介入教育教学领域，就以其强大的实验模拟功能和使学生沉浸其中，动手操作的鲜明特色为教师呈现教学信息，培养学生的实践能力提供了一个崭新的手段。

它应用生物学教学可以构建虚拟实验室，进行知识发生过程教学和帮助学生探索那些接触不到的领域。

【关键词】　虚拟现实技术模拟实验生物学教学

多媒体技术虽然只有生动的模拟呈现功能，但由于其实现手段上的限制，往往更偏重于对媒体本身的处理，给人的感觉还是有明显的“人工”成分。

并且，当多媒体呈现丰富多彩的教学信息时，学生只是一个被动的旁观者，只能进行观察、思考，很难动手操作，参与其中。

这与建构主义学习论、皮亚杰的活动教学论、自主学习、主体性教学等现代教育理论是不相吻合的，不利于培养学生的创新梢神和实践能力。

20世纪90年以来，一种模拟仿真功能更强大，能使学习者身临其境，亲自动手操作的多媒体技术——“虚拟现实”悄然进入教育领域，从而克服了多媒体技术的种种不足。

1、虚拟现实的含义

虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，是由多媒体计算机生成的交互式人工世界。

它综合了对视觉、听觉、触觉、运动觉、体觉等感官认知模式的模拟，隔绝真实世界的信息，使人与计算机生成的环境融为一体，让使用者仿佛置身于电脑虚构的空间，感知其中的事物并能与虚构世界的人物、环境进行交流互动，从而产生亲临真实环境的感受和体验。

在虚拟环境中，使用者不再看着计算机屏幕，而是成为屏幕上活动的一部分，成为“虚拟真实”世界的参与者。

虚拟现实的一个重要特征是“沉浸感”。

虚拟现实运用计算机图形。

声音和图像再造逼真的情境，使用者完全沉浸其中而无法将其与真实世界区分开来，从而全身心地投入到人工的一个虚拟现实世界中去，给人很好的“临场感和逼真感”。

使用者的感觉和行动都与人在自然状态下相似，产生与现实中同样的体验，虚拟现实的沉浸功能使操作者从虚拟空间的内部向外观察，而不是作为一个旁观者由外向内观察。

这样可以更真实地注视数据，将注意力的重点集中在观察所研宄的对象和怎样获取知识上；虚拟现实的另一个特征是交互性。

即使用者能通过专用设备（如HMD头盔显示器，数据手套、数据衣、控制球、跟踪设备、三维立体眼睛等），用人类的自然技能在模拟环境里漫游，不仅能强烈地感知而且能动操作虚拟世界中各种对象。

而计算机将仿真现实环境的图像、音响语言和压力等通过人机接口系统作用到使用者的感官，并通过传感器测试及跟踪使用者的行为与反应，随着操作者不同的动作（位置、姿势、方向等）变化，虚拟现实世界也随之改变。

例如：

当使用者用手去抓取模拟环境中的物体时，用户将有抓取东西的感觉，可以感觉到东西的重量（尽管手里并没有实物），现场中被抓起的物体也立刻随着手的移动而移。

因此虚拟现实使人机交互更加自然和谐。

虚拟现实的应用最初是源于对一些特殊环境的需要，如各种高难度和危险环境下的作业训练。

现在已被广泛地应用于飞行训练、工业制造，医学领域以及数字战场各军兵种对抗演练等等。

例如：

在手术前，脑外科医生利用虚拟现实技术可以在一个模拟的“病人”身上排演一个外科手术程序。

首先，通过三维重组技术将人脑CT片输入计算机，形成大脑三维结构模型，当医生手拿模拟手术刀（空间定位红外线发射器）朝颅脑模型肿瘤部位“下刀”时，可立即显示出“手术”部位上下、左右、前后的组织结构变化及受损悄况。

从而可以确定为真实病人手术时最佳的治疗方案。

2．在生物学教学中的应用

虚拟现实是现代仿真技术的高级发展和突破，由于其具有亲临其境的真实感和超越现实的虚拟性以及使操作者沉浸其中，超乎其上的现实仿真功能，推动了虚拟现实技术在教育教学中的发展和应用。

2.1虚拟演练真实实验

生物学实验有的环境要求高，所需仪器、设备、材料价格昂贵；有的实验周期长，耗时多，课堂上实际演示或亲自做这些实验不可能；有的实验现象转瞬即逝，再现性与可见度较差，学生不易观察到；有的实验，教师较难控制实验完成的时间、速度，在具体操作时还有可能得不到期望的结果或者完全失败。

对于一些牵涉到动物解剖或必须用动物作实验材料的实验，如果教师在课堂上喋喋不休地大讲“人与动物和谐共处，保护生物的多样性，保护生态平衡”，但却要求学生每人解剖一只动物，这本身不是很矛盾吗？

况且国际奥林匹克竞赛的实验要水是“不见血”，不破坏动物的生态境。

凡此种种原因，给生物实验造成种种困难，影响实验教学效果。

现在已经开发成功的“虚拟实验室”教学软件可以成功地实现这些实验。

虚拟实验室是指在计算机系统中，采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境。

它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成，实验者可以像在真实的环境中—样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优化于在真实环境中所取得的效果。

在虚拟实验室系统中，运用建模工具和仿真技术模拟出各种仪器、设备和实验材料。

对某些仪器、设备和实验材料，可以采取半实物半仿真的方法，将实物模型和数字化控制面板相结合。

教师呵以先收集足够的真实实验数据，输入计算机后建立相应的数学模型；设置必要的参数，最后将数学模型用虚拟现实技术表达出来。

学生在动手设计虚拟实验时，可以充分利用虚拟器材库中十分丰富的实验器材，自由选择各种试验仪器，配备各种试验药品，根据实验要求进行组合，再设置属性（如数量、浓度）进行实验。

通过输入不同的参数以观察不同的试验结果，进行分析比较。

还可以按照个人的理解进行实验操作，随意控制实验进程，对实验现象进行细致的观察。

如果实验获得满意的结果，系统将给予适当地评价：

如果获得不可行的结果，系统将给出解释或提出警告；如果误操作，计算机也会把破坏性的结果呈现出来。

通过局域网甚至互联网，学生之间，师生之间可交流讨论实验结果，展现各自的实验设计，甚至分工协作完成实验以进行合作学习，交流互动，实现资源共享。

可见，虚拟实验室把学生置身于—个接近真实的学习环境，对学生进行有效的技能训练和操作练习，达到与真实实验相同的效果，它既符合皮亚杰“把实验室搬到课堂上去”的设想与实践，又符合建构主义学习理论关于“学习是一种真实情境的体验”的观点。

例如：

有一个“虚拟人体”的解剖实验室，学生可以做非常逼真的人体解剖实验。

可“剥”开人体的皮肤和肌肉观察骨骼，逐层深入“解剖”观察各内脏器官。

如解剖心脏时，由于虚拟现实技术是用三维立体图像呈现对象，因此学生不仅可以局部放大，定格观察心脏的形态结构，而且可以操纵鼠标使其在三维空间上作任意方向和角度的360°翻转，以观察其不同部位的空间关系，也可以将其切割分解，分层观察。

解剖完毕后，通过器官拆装动画，显微递进动画将解剖器官拼装复原。

如果你对所解剖的“虚拟人体”的轮廓、颜色不满意，可以对其作修改补充，只需点击鼠标便可使木乃伊式的尸体标本恢复正常人体色彩和质感。

通过选择不同的菜单，可以观察心脏的跳动和血液循环的过程。

这叫心房、心室的搏动过程，心脏瓣膜的开关方向及顺序，血液流动的方向，动、静脉血的变化等动态过程都清晰地显现在操作者面前，通过三维立体声耳机，心脏铿锵有力的跳动声，血液流动的“哗哗”声也声声入耳。

2.2进行知识发生过程教学

教会学生思维，发展学生的智力，使学生掌握科学方法，就必须进行知识发生过程教学，即展示知识的来龙去脉。

不仅教给学生科学的结论，而且更注重展示知识的生产者在探索创造知识的过程中理论思维的过程以及研究方法论。

学习前人的知识就是要把前人走过的创新过程再次发现，再次体验。

其教学程序是：

观察实验、发现问题——提出假说——演绎推理—一实验验证——得山结论。

然而，重演科学的发现过程，教师必然要向学生演示科学家曾经做过的—些经典实验，还要引导学生设计实验，验证结论。

由于实验条件的限制，这种培养学生能力的教学方法由于耗时多而不被广泛采用。

现在，虚拟现实技术对教学领域的介入，使我们可利用其强大的实验模拟功能来再现科学家的经典实验。

通过互联网将模拟的仪器、数据和设备以及界面链接到客户的计算机端口上，使世界各地的学生在互联网上做实验。

学生则可以登录虚拟实验室，在教师的指导下设计实验，验证结论。

这样，既节省时间，又节约费用，从而保证知识发生过程教学在课堂中的实施。

否则，盂德尔经过8年的豌豆杂交实验而得出的遗传学定律，如果让学生在课堂上做实验探究这—知识，简直是“天方夜谭”。

例如：

已经开发出的一个叫作“虚拟果蝇”的模拟实验软件，可以使学生通过亲自动手做果蝇交配实验来自己发现盂德尔遗传定律，从而使学生亲身体验知识发生的全过程，培养学生的科学探究能力。

首先，学生选一只雄果蝇和—只雌果蝇作为亲本杂交，两亲本分别具有不同颜色的眼睛（红眼／白眼）和不同形状的翅膀（长翅／残翅）。

过了几秒钟，这一对新婚果蝇就会繁殖出第—代小果蝇，他们中在眼色和翅形上有的像父亲；有的像母亲;有的兼而有之。

计算机提示学生仔细观察这些后代果蝇，对具有不同形状果蝇的数目进行统计并记录结果，然后，从这些果蝇中再选择一些作交配，继续观察、统计第二代果蝇的性状、数日。

最后对实验结果进行分析推测，提出假设，并另行设计—个“测交”实验来验证假设，经过—番教师指导下的自主探究，学生就能独立地“发现”基因的分离规律。

而如果真实果蝇做杂交实验则需要几个星期。

2.3帮助学生探索那些接触不到的领域

在学生同化知识，建构认知结构的过程中有—些知识的背景教师无法呈现，学生也根本接触不到，探索不了，如：

火星表面，不可视的微观世界；还有不可摸、不可入的危险场所。

如果学生对其不能形成感性认识，就很难理解知识，建构知识的意义。

而虚拟现实技术可以创建一个仿真的虚拟世界，使学生如身临其境，为学习者提供—种“替代经验”，弥补各种直接经验的不足，从而突破时空限制，去探索那些接触不到的地点和事物，如“生命起源”。

然而32亿年前，生命起源的原始地球究竟什么样子？

恐怕学生无法直接感知，只能在想象中去认识它。

教师凭借传统教学媒体也很难为学生创设这样一个学习情境。

在这种情况下，虚拟现实技术为学生探索新知提供了一种理想化的认知工具，它可以把远古地球一幅幅巍然壮观的图景模拟出来，展现在学生面前，给学生创设一个想象的情景和氛围：

一面是隆隆火山爆发，熔岩横溢：

一面是大雨倾盆，铺天盖地，雨水聚集而成的原始海洋烟波浩渺，通过数据衣和数据手套上的压力传感器，可以感受到海浪的搏击，试一试海水的温度。

在电闪雷鸣中，非生命的无机小分子生成有机小分子，再经过有机大分子，多分子体系，最后形成原始生命。

再例如：

生物膜的结构是一个流动镶嵌模型，磷脂双分子层与蛋白质镶嵌排列，两者始终处于动态变化之中。

对于这种微观世界的抽象知识，只凭教师的讲述，学生往往难以理解。

如果用虚拟现实技术虚拟—个科学史上设计巧妙的实验，教学难点可迎刃而解。

科学家用不同的荧光染料标记一种特异抗体，再分别与小鼠细胞和细胞膜抗原结合，两种细胞分别产生绿色和红色荧光。

将这两种细胞融合成一个细胞时，开始“一半呈绿色，一半呈红色”，但在37°C下保温40秒后，两种颜色的荧光点就成均匀分布了。

这样学生就不难理解细胞膜的流动镶嵌模型了。

“虚拟现实”确实能“化腐朽为神奇”，将抽象的、深奥的学习内容；具体化、形象化，让学生从科学与艺术相融的视觉信息中感知抽象、理解复杂，从而使探索知识的智力过程大为简化。

参考文献

【1】郭元祥，《综合实践课程设计与实施》，首都师范大学出版社2001年4月

【2】郭元祥，《综合实践活动棵程的理念与实践》，首都师范大学山版社，2002年6月

【3】赵法茂，《网络技术应用》，生生物学教学2003年8月，2006年3