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虚拟现实(VR技术)和虚拟实验室技术在高中生物教学中的应用

作者:计永宝 来源:环县一中信息网 发布时间:2017年01月07日 点击数:414 字号:【

  摘要:以实验室把学生置身于一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,虚拟现实技术(VR)对教学领城的介入, 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; 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。
  关键词虚拟现实  生物技术教学策略
  一、虚拟演练真实实验
  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、实验単元、工具和参考资料组成, 实验者可以像在真实的环境中一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。教师可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实验结果, 进行分析比较。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割实验。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进行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。解割完毕后,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“虚拟人体”的轮廓、颜色不满意,可以对其作修改补充,只需要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的循环的过程。这样,心房、心室的搏动过程,心脏辨膜的开关方向及顺序、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,VR眼镜,心脏铿锵有力的跳动声、血液流动“哗哗”声、心室心房一张一合的动态画面等都也声声入耳和映入眼帘。
  二、进行知识发生过程教学
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。学生则可登陆虚拟实验室,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,从而保证了知识发生过程教学在课堂中的实施。倒如: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孟德尔遗传定律,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,学生选一只雄果蝿和一只雌果蝇作为亲本杂交, 两亲本分别具有不同颜色的眼晴(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一代小果蝇,,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,并另行设计一个“测交”实验来验证假设,经过一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。
  三、 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一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,为学习者提供一种“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国景模拟出来, 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,岩浆横溢; 一面是大雨倾盆,铺天盖地,雨水聚集而成的原始海洋烟波治渺,通过数据衣和数据手套上的压力传感器,以感受到海浪的搏击,试一试海水的温度。在电内雷鸣中,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。

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