宗 慧 （南京漢開書院 江蘇南京 211800）

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的深度介入，課堂教學(xué)模式正發(fā)生著創(chuàng)新教育者與學(xué)習(xí)者互動(dòng)交流方式的重大變革。在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)，作為一種新型的信息展現(xiàn)形式，將虛擬世界的信息與真實(shí)世界的信息進(jìn)行融合，使學(xué)習(xí)者能在視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等方面得到虛擬疊加現(xiàn)實(shí)的全方位體驗(yàn)，增強(qiáng)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解與認(rèn)識(shí)［1］。目前，AR 技術(shù)作為一種全新的互動(dòng)交流方式，正在教育系統(tǒng)快速地衍生與延伸。

中學(xué)生物學(xué)作為研究生命現(xiàn)象與生物活動(dòng)規(guī)律的入門基礎(chǔ)學(xué)科，具有實(shí)驗(yàn)性與探究性的學(xué)科特點(diǎn)。強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者為主體，能掌握基本實(shí)驗(yàn)操作技能；教育者為主導(dǎo)，能引導(dǎo)學(xué)生探索生物的奧秘。而在傳統(tǒng)的生物學(xué)教育模式中，過(guò)度強(qiáng)調(diào)以教育者為中心，單向?qū)W(xué)習(xí)者進(jìn)行知識(shí)灌輸，以傳授知識(shí)為直接目的，學(xué)生的主動(dòng)性被忽略。在新課程改革不斷推進(jìn)的過(guò)程中，擺脫傳統(tǒng)教育模式的束縛，課堂教學(xué)模式成為改革的重中之重。AR 技術(shù)的出現(xiàn)，提供了一種針對(duì)性較強(qiáng)的人機(jī)互動(dòng)模式，強(qiáng)調(diào)情境學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)方式，為生物學(xué)科的教學(xué)創(chuàng)新帶來(lái)新的契機(jī)［2］。

1 AR 技術(shù)在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

1.1 AR 技術(shù)以“趣味性”為前提，培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí) 興趣作為影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的重要因素，能形成獲取知識(shí)強(qiáng)大的內(nèi)在推動(dòng)力。而提高學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵是創(chuàng)建一種趣味的學(xué)習(xí)情境。AR技術(shù)通過(guò)多項(xiàng)技術(shù)的整合（顯示、傳感、多媒體技術(shù)等）將生物學(xué)教學(xué)資源轉(zhuǎn)化為直觀化的數(shù)字內(nèi)容（3D 影像、聲音等），與真實(shí)環(huán)境進(jìn)行無(wú)縫融合，對(duì)中學(xué)時(shí)段的學(xué)生具有一定的吸引力。尤其能激發(fā)學(xué)生“自主學(xué)習(xí)”的意識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

1.2 AR 技術(shù)以“沉浸性”為核心，構(gòu)建身臨其境的體驗(yàn) AR 技術(shù)打破了虛擬與現(xiàn)實(shí)的界限，能在同一時(shí)空里，將虛擬的學(xué)習(xí)模型置于真實(shí)的教學(xué)課堂中，為學(xué)習(xí)者提供眼觀、耳聽、手控等真實(shí)感受。通過(guò)構(gòu)建仿真的學(xué)習(xí)情境，學(xué)習(xí)者能沉浸其中，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的熱情，喚起學(xué)習(xí)的靈感，獲取全面的知識(shí)訓(xùn)練。“沉浸性”的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)習(xí)者身臨其境，產(chǎn)生前所未有的認(rèn)知，積極愉快的情感，主動(dòng)探究的行為，極大地提高教學(xué)效果。

1.3 AR 技術(shù)以“交互性”為關(guān)鍵，創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究的環(huán)境 AR 技術(shù)將虛擬信息疊加到真實(shí)世界的同時(shí)，學(xué)習(xí)者可對(duì)快速生成的學(xué)習(xí)對(duì)象進(jìn)行操作與旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。與傳統(tǒng)的靜態(tài)學(xué)習(xí)方式相比，其突出的特點(diǎn)是提高學(xué)習(xí)的參與度，通過(guò)創(chuàng)設(shè)的探究情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；更多地強(qiáng)調(diào)在教學(xué)中提升學(xué)習(xí)者的感性認(rèn)知與體驗(yàn)，提供一種平等交流、自主互動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，增強(qiáng)動(dòng)手操作能力［3］。

1.4 AR 技術(shù)以“可視性”為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐課堂的教學(xué) AR 技術(shù)運(yùn)用多媒體手段將教材中平面化的文字與圖片，以3D 模型的形式呈現(xiàn)，使抽象事物變得形象直觀，有效提高了學(xué)習(xí)者對(duì)知識(shí)的理解和記憶。知識(shí)的“可視性”可明晰呈現(xiàn)傳統(tǒng)課堂難以實(shí)現(xiàn)的生命現(xiàn)象，使學(xué)習(xí)者從被動(dòng)接收轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)觀察，將理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，有效提高學(xué)習(xí)者信息處理及傳輸?shù)男?，更有利于提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。

2 AR 技術(shù)在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用案例

目前，國(guó)內(nèi)、外越來(lái)越多的科技公司將視線轉(zhuǎn)移至開發(fā)AR 教育產(chǎn)品，包括AR 技術(shù)全套解決方案和工具。大量人力、物力及創(chuàng)新技術(shù)的投入，使AR 技術(shù)成為未來(lái)幾年最具發(fā)展?jié)摿Φ慕逃ぞ咧?。本文以Z Space 為案例，展示AR 技術(shù)在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。Z Space 是由美國(guó)InfiniteZ公司開發(fā)的一款多功能AR 教學(xué)解決方案，擁有獨(dú)特的STEAM（科學(xué)、科技、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)）教育類內(nèi)容，操作簡(jiǎn)易，允許學(xué)生對(duì)虛擬的3D 物體進(jìn)行操控，其產(chǎn)品正在國(guó)內(nèi)中、小學(xué)應(yīng)用推廣。

在中學(xué)生物學(xué)的教學(xué)中，存在2 個(gè)突出的教育問(wèn)題： 一是教師對(duì)于復(fù)雜的生命現(xiàn)象及生物結(jié)構(gòu)，難以用語(yǔ)言清楚表達(dá)，即使借用生物模型、圖片，提供了直觀的畫面，仍欠生動(dòng)、真實(shí)；二是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中，實(shí)驗(yàn)時(shí)間難以掌控及實(shí)驗(yàn)效果差，不能深入開展探究，以及深刻理解實(shí)驗(yàn)背后蘊(yùn)含的生物學(xué)知識(shí)。Z Space 通過(guò)創(chuàng)建虛擬的3D 影像，將仿真的生物模型帶入課堂，可以很好地解決這些傳統(tǒng)課堂上存在的問(wèn)題［4］。例如，在蘇教版7年級(jí)下冊(cè)第10 章第2 節(jié)“觀察心臟結(jié)構(gòu)”的教學(xué)中，使用Z Space 開發(fā)的“人體解剖圖譜”程序，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探索性教學(xué)?！叭梭w解剖圖譜”程序內(nèi)含人體4 600 多種解剖結(jié)構(gòu)，并將器官與結(jié)構(gòu)處理為3D 可視化模型。如圖1所示，學(xué)生通過(guò)使用遙控筆將心臟模型帶入現(xiàn)實(shí)，可以與模型進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)操作，可從任意角度觀察立體的心臟結(jié)構(gòu)，甚至可進(jìn)入心臟的內(nèi)部，觀察4 個(gè)腔及其厚薄，以及與動(dòng)脈血管和靜脈血管的薄厚差異。學(xué)生以小組探究的方式，可深入剖析瓣膜結(jié)構(gòu)及其開口方向，觀察動(dòng)態(tài)的血液在心臟內(nèi)的流動(dòng)。

相較于實(shí)物教學(xué)、模型教學(xué)，AR 技術(shù)更加形象地展示了心臟的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)了真實(shí)事物的動(dòng)態(tài)效果?？焖偕傻目蓪?shí)時(shí)互動(dòng)的3D 模型，使復(fù)雜難操作的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)變得新穎有趣，對(duì)學(xué)生更具有吸引力。從教學(xué)效果分析，AR 技術(shù)調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

3 AR 技術(shù)在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用展望

3.1 基于“探索性學(xué)習(xí)”落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)的教育理念 探究性學(xué)習(xí)是指在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)體系，注重學(xué)習(xí)的過(guò)程性、開放性、實(shí)踐性。在生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中明確要求，大力倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，改變傳統(tǒng)的學(xué)生學(xué)習(xí)方式，有效引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與課程，重點(diǎn)突出創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。這正與AR 教育產(chǎn)品的設(shè)計(jì)宗旨相同。目前，已有AR 科技公司基于現(xiàn)實(shí)需求，針對(duì)中學(xué)生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容，研發(fā)以“探索性學(xué)習(xí)”為教授方式的產(chǎn)品，例如開花植物的研究、人體解剖圖譜等。在AR 教學(xué)課堂上，學(xué)生以問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)實(shí)際動(dòng)手操作，觀察呈現(xiàn)在眼前的動(dòng)態(tài)仿真模型，并與之進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，完成由教師引導(dǎo)的整個(gè)探究性學(xué)習(xí)過(guò)程。AR 技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，可以重構(gòu)教學(xué)策略、改變教學(xué)方法，為真正實(shí)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)要求的“探索性學(xué)習(xí)”創(chuàng)造條件。

3.2 基于“多方合作”開發(fā)AR 教學(xué)資源庫(kù) 中學(xué)生物學(xué)不僅有著豐富的知識(shí)體系，也包括對(duì)自然科學(xué)獨(dú)特的思維方式和探究過(guò)程。依據(jù)學(xué)科特性，AR 教學(xué)資源庫(kù)的構(gòu)建需要研發(fā)人員、教師、學(xué)生多方的共同參與［5］?？萍脊緫?yīng)繼續(xù)加大技術(shù)的投入，提升體驗(yàn)效果；通過(guò)降低產(chǎn)品成本，提高AR 技術(shù)的普及度。教師應(yīng)主動(dòng)參與，打破固有的教學(xué)思維，提高對(duì)新技術(shù)、新教學(xué)模式的認(rèn)識(shí)。學(xué)生應(yīng)樂(lè)于接受新穎事物，在實(shí)踐應(yīng)用中，多提一些真實(shí)的用戶感受。一個(gè)好的AR 教育產(chǎn)品，應(yīng)是技術(shù)與需求的契合，未來(lái)需要多方的共同努力。

3.3 基于“教育價(jià)值”建立科學(xué)化的評(píng)價(jià)體系A(chǔ)R 技術(shù)作為新興的信息教學(xué)手段，一經(jīng)推出就受到教育領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)于將AR 教育產(chǎn)品引入學(xué)校，嘗試在各個(gè)學(xué)科教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題不容忽視，即產(chǎn)品的應(yīng)用是否能真正提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。目前，已有研究將AR 教學(xué)方式作為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)教學(xué)方式作為對(duì)照組，探究AR技術(shù)對(duì)于學(xué)習(xí)成效及情感認(rèn)知方面的影響。結(jié)果表明，AR 技術(shù)能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，產(chǎn)生更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。但是，國(guó)內(nèi)AR 教育產(chǎn)品的應(yīng)用尚處于早期階段［6］，成熟完善的課程評(píng)價(jià)體系構(gòu)建仍未確立，亟待對(duì)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化流程、產(chǎn)品的教育價(jià)值、教育成效等開展深入探究。

4 結(jié)論

綜上所述，AR 技術(shù)開創(chuàng)了生物學(xué)教學(xué)的新模式，以其突出的技術(shù)特性體現(xiàn)出強(qiáng)大的教育價(jià)值。雖然國(guó)內(nèi)AR 教育產(chǎn)品剛剛起步，但由于教育發(fā)展及改革的需要，未來(lái)的發(fā)展前景被一致看好。AR 產(chǎn)品將以技術(shù)革新進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，在教與學(xué)之間尋求創(chuàng)新，進(jìn)一步確立產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，真正將“虛實(shí)結(jié)合”“身臨其境”的教學(xué)模式帶入課程。