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        20周年學術成果集

        學術論文選登 | 利用VR技術優化生物學教學

        作者:leiling發表時間:2020-11-03 閱讀次數:3513

        楊丁  鐘釩  成都嘉祥外國語學校

         

        摘 要:VR教學隸屬于直觀教學法,可將抽象的場景、事物、關系具體化,超越時空的限制,VR在生物教學上的運用情境主要包括場景模型建構和實驗演練學習。教師們對VR教學存在的認知誤區包括將VR理解為一種教學模式、極端化認識、角色扮演的模糊性、忽略具體學情等,VR教學應服務于教學目標,教師作為設計者,對VR的理解直接影響VR教學的發展方向。以《細胞膜流動鑲嵌模型》一節的VR教學環節設計為例展示VR技術對生物教學的優化。

        關鍵詞:VR教學;直觀教學;高中生物;細胞膜

         

        一、VR技術在生物學教學中的運用

        生物學是研究生命現象和生命活動規律的科學,從微觀的細胞水平到宏觀的生態系統,亦或者經典實驗,都因不可視、不可摸、不可入的特點,學生很難深入理解【1】。對于演示實驗,存在教師與學生一對多、距離遠、視角單一等問題,即使是可實際操作的實驗,也因時間、儀器、材料等客觀因素的限制而難以有細致通透的觀察與演練機會。知識建構符合從具體到抽象、從感性到理性的過程,直觀教學是實現這一點的基本保證,即用具體、生動和直接的事物作為感覺傳遞物,通過一定的方式向學生展示,促使學生多維感官產生感覺、知覺和表象,達成高效率學習效果【2】。VR技術屬于計算機技術,是直觀教具中的一種,VR教學屬于直觀教學法中的一種【3】。目前VR技術在生物教學中的實際應用主要包括以下兩類情境:場景模型建構、實驗演練學習。

        (一)場景模型建構

        場景模型建構是對重要真實環境和狀態的還原,包括過去的、現在的和未來的環境場景,也包括微觀、宏觀的事物狀態,突破時空的限制。例如,進行物質循環和能量流動的教學,可真實還原一個生態系統,讓學生體驗到各種各樣的生物關系,并設定條件,若某一因素改變后,整個生態系統會如何變化;再例如,高度仿真某一細胞或某一系統內的生命活動,觀察各細胞器的結構與功能、細胞的分裂分化,觀察系統的代謝過程。這樣的還原增強學生的沉浸感和注意力,幫助學生體驗如何從紛繁復雜的系統中關注到有代表性的特征,捕捉整體的核心關系,培養建構模型的能力。

        (二)實驗演練學習

        教師進行演示實驗時,由于學生較多,學生位置固定,演示節奏由教師控制,演示次數有效等,學生往往看不清教師是怎么做的。一些材料價格昂貴、所需設備高端、周期較長的復雜實驗,學生通常停留于按照步驟操作一遍的程度,很難在動手過程中理解實驗原理和實驗步驟。對于很多在生命科學史上有著重要意義的經典實驗,老師和學生更不可能重復出來,因此,需要VR技術進行實驗的模擬還原,這是現有的PPT、視頻、圖像所不能展示的。

        二、對VR教學的認知誤區

        教師們對VR技術支持下的教育認知誤區主要包括以下四個方面:極端化認知、將VR理解為獨立的教學模式、角色扮演的模糊性、忽略具體的學情。

        (一)將VR教學理解為獨立的教學模式

        教師們對VR的一種認知是,將VR教學作為一種新的教學模式來研究實施步驟和評價標準,教學模式是指能用于構成課程和課業、選擇教材、進行教學的一種計劃或范型【4】。VR作為一種技術,如同視頻、PPT,屬于直觀教具,而VR教學屬于一種具體的、可操作的方法,其地位不足以獨立形成一種模式,VR教學應當和其他教學策略或方法相融合使用。因此,對VR的評價應當屬于方法層面的辯證式評價,即使用條件是什么,有什么優點和缺點,適合于什么樣的學生群體。而方法使用是否得當,完全取決于是否協助達成目標。例如,一位教師期待用VR技術來協助上一堂探究課,但整個教學安排都是先講原理再就原理作事實分析,呈現出從上位概念到下位事實的應用性邏輯,如此,這就不算是一份基于VR輔助的優秀教學設計。因此,將VR教學作為一種獨立的教學模式糾結于開展流程是沒有必要的。

        (二)極端化認知

        教師對VR教學存在極端化認知,表現為兩個方面。一個方面是教師對VR教學抱有極大的期望,將其理解為很陌生的新技術,夸大VR教學的意義和可能性;另一個方面是否定VR技術對教學的改變,認為VR教學沒有什么意義,其作用與PPT播放、視頻播放效果差不多。

        教師不能以苛求完美的態度來面對應用于教學的新技術,僅僅靠一門技術是不可能對教育產生顛覆性革新作用的,VR的準確定位是優化教學,促使一些教師無法展示、學生缺乏體驗的教學情境得以直觀化呈現。VR教學作為一種教學方法,本身沒有好壞之分,只有適用條件和優缺點之分。眾多的教學方法如同木匠手中的榔頭、螺絲刀與鉗子,工具的挑選依賴于手中的任務和所用的材料【5】。

        (三)角色扮演的模糊性

        一線教師在VR教學中的角色扮演主要有兩種錯誤形式,一種是被動接受,另一種是認為技術開發在先。呈現第一種狀態的教師通常認為VR技術沒有什么用,或者因為工作繁忙而懶于研究,因此,通常是學校要求,以應付公開課而使用VR資源。第二種狀態的教師常對VR技術持樂觀態度,也表示愿意借助VR資源進一步優化教學,并且激勵自我以此為契機重新審視教學設計,態度或行動停留于思考如何使用現成的VR資源,沒有主動參與VR資源開發的意識。VR教學發展目前為校企合作模式,即一線教師進行教學設計,并對VR資源有一定的效果構想,由公司技術人員負責資源開發。一份優秀的教學資源往往是教師與技術人員多次協商、共同研發的結果。教師的思維構想要大膽,思維的構想不要太受技術水平的限制,技術在發展與普及中。為推動學校VR教學特色化形成,教師需要結合VR技術在學科中的適用場景,嘗試進行教學設計,與合作單位共同研發優質的VR技術。因此,教師的正確定位為基于教學設計的資源開發者。

        (四)忽略具體的學情

        根據學生學情不同,在具體教學主題上是否要使用VR技術,需要老師做出判斷。例如,學習能力偏弱的班級,學生難以想象出氨基酸的核外電子排布、氨基酸脫水縮合及多肽鏈形成蛋白質的空間立體過程,那么《生命活動的主要承擔者——蛋白質》一節利用VR技術來呈現立體、真實的微觀世界是十分必要的。但對于學習能力較強的班級來講,這樣的教育可能沒有必要。因此,具體到章節的內容、活動等,到底是否需要借助VR技術有賴于教師對學生學情的判斷。

        因此,教師面對優質的VR資源,始終要認識到教育方法服務于教育目標、服務于學生主體地位的中心思想,不可盲目借鑒、照搬,或者為了新鮮而非得為教學冠上VR的名號。

        三、《細胞膜流動鑲嵌模型》的VR教學環節設計

        利用VR技術優化《細胞膜流動鑲嵌模型》教學的原因是:1)細胞膜的流動鑲嵌模型如同DNA分子結構的概念一樣,屬于學生難以理解的抽象概念【6】。2)上課時間緊張,學生要動手制作模型,模擬水-空氣界面的磷脂分子排布、含中心疏水區的單層磷脂分子球狀排布、雙層磷脂分子球狀排布、糖被的排布等,學生的注意力很有可能集中于動手操作上,而缺乏思維層面的思考。3)因為沒有學習基礎,前期材料完全由教師準備,學生在材料多樣化選擇、模型多樣化設計方面沒有自主性;可將動手實操的模型制作放在課后,在保證模型核心結構不變的結構上,充分尊重學生的制作熱情和美化構想。4)本節教學可以很好地展示出VR教學與問題導向式教學的綜合化使用。

        (一)磷脂分子的親水性與疏水性

        “細胞膜流動鑲嵌模型”VR素材中,設計好含親水性頭部和疏水性尾部的磷脂分子,結合洗潔精清潔油脂的原理,仿真磷脂分子一頭結合水分子、一頭結合油脂分子,將不相溶的水分子和油脂分子逐漸混合在一起的過程,由此體現兩性分子的特征。

        (二)水-空氣界面的磷脂分子的排布

        在上一步的基礎上提問,在水-空氣界面上,多個磷脂分子會如何排布?VR素材中設計盛有水的燒杯和無數個磷脂分子,學生可在虛擬世界中,自主擺設在水-空氣界面上擺設磷脂分子。根據學生的擺設效果,糾正學生的認知小誤區。例如,每個磷脂分子的頭部應全部浸入水中,尾部會盡可能逃離水,因此水-空氣的界面剛好位于頭部和尾部的交接處,且眾多磷脂分子會緊密排布在一起。最后呈現已設計好的磷脂分子在水-空氣界面的排布情況。

        (三)模擬含中心疏水區的單層磷脂分子球狀排布

        在上一步的基礎上,繼續提問,如何磷脂分子不能在水-空氣界面進行排布,必須在水中排布,如何排布才能保證頭部親水,而尾部疏水?同樣的過程,由學生動手進行虛擬排布,完成討論和原理講解后,展示已設計好的含中心疏水區的單層磷脂分子球狀排布。

        (四)模擬雙層磷脂分子球狀排布

        細胞內部并不是一個疏水區,水在細胞中的含量最高的化合物。據此模擬出磷脂分子的存在環境,即磷脂分子不可能形成中心疏水區,如果球的中心也是有大量的水的,那么磷脂分子又該如何排布,才能確保親水的頭部和水接觸,疏水的尾部不和水接觸?由學生嘗試進行虛擬排布后,進入評述和講解環節,最后展示已設計好的雙層磷脂分子球狀排布。

        (五)仿真感受細胞膜的流動性和控制物質的進出   

        在磷脂分子球狀排布的基礎上,學生仿真感受蛋白質以鑲、嵌入、貫穿的方式與磷脂雙分子層結合,糖被和糖脂排布在細胞膜外側。根據變形蟲不斷伸出偽足來運動的過程,仿真模擬磷脂雙分子層的流動情況。

        在此基礎上,展示細胞膜控制物質的進出:形成水通道的蛋白質幫助水分子通過細胞膜;載體蛋白幫助葡萄糖通過細胞膜;載體蛋白利用ATP釋放的能量控制著細胞內外的鈉鉀平衡。學生對細胞膜控制物質的進出進行初步體驗,教師可引導學生認識到細胞膜通過多種方式來控制物質的進出,具體有哪些方式就是第三節要學習的內容。

        四、總結

        VR教學不是一種新的教學模式,而是一種直觀的教學方法,將抽象的場景、事物、關系具體化,超越時空的限制。VR教學法有其適宜的教學場景和使用要求,服務于教學目標。教師應該以如同看待其他教學方法的態度來看待VR教學,將其納入到自己的方法體系中,以設計者的角色合理使用之。

         

        參考文獻:

        [1] 和淵, 輦偉峰, 宓奇, 閆新霞. 虛擬現實在中學生物學教學中的應用——基于The Body VR的教學活動設計實踐探究[J]. 生物學通報 2017, 52(06): 39-42.

        [2] 劉恩山. 中學生物學教學論[M]. 北京: 高等教育出版社, 2012: 116.

        [3]劉恩山. 中學生物學教學論[M]. 北京: 高等教育出版社, 2012: 119.

        [4] 鐘啟泉. 現代教學論發展[M]. 北京: 教育科學出版社, 1992: 263.

        [5](美) 約翰.D.布蘭思涪特 等著. 人是如何學習的: 大腦、心理、經驗及學校 擴展版[M]. 程可拉 等譯. 上海: 華東師范大學出版社, 2018: 20.

        [6] 劉恩山. 中學生物學教學論[M]. 北京: 高等教育出版社, 2012: 137.


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