XR技术支撑下的生物学教学价值、应用和展望.pdf

58中小学实验与装备2 0 2 3年第4期第33卷信息技术与学科融合XR技术支撑下的生物学教学价值、应用和展望安徽省芜湖市教育科学研究所（2 410 0 1）吴志强摘要：XR技术创设虚拟现实情境、创建多元整合资源、创新优化课堂讲解等应用，实现生物学教学中激发学生学习兴趣、增强教与学的互动、厚植学生核心素养等目标。XR技术未来可实现知识向素养的教学目标转型、结论标签向过程增值的教学评价转型、同时空向跨时空的教学机制转型。关键词：XR技术；生物学教学；教学价值；XR应用扩展现实（XR)技术利用计算机、互联网等信息技术手段实现真实和虚拟世界间无缝转换的沉浸式交互体验，一般包括增强现实（AR）、虚拟现实（V R)和混合现实（MR）等技术。AR技术通过调整摄影摄像的位置和角度,将目标显示在屏幕上；VR技术可模拟产生一个三维立体空间世界,增加感官刺激，可即时且无空间限制地全方位观察虚拟中的事物;MR技术在显示影像的效果、给予体验者真实体感和体验者与虚拟场景实时交互性方面上更生动具体可靠 。借助XR技术积极探索育人方式，打造一批优质的课程资源应用在生物学课堂教学中,可以起到激起学生学习思考的兴趣、激发学生的潜力、提升教学有效性的效果 2 1XR技术的教学价值计算机技术的发展不断更新出新的仿真技术。按照发展的时间顺序看，XR技术发展依次经历了VR、A R、M R 等,且这些技术仍在快速发展中。如同其他先进技术一样，XR萌芽于人类的科幻作品之中。在皮格马利翁的眼镜万能钥匙等文学作品中，已然出现能够用来感受到虚拟世界的特质眼镜。VR和AR技术实现并产出设备后，主要是为了培训军事飞行员使其更好地掌握飞行技术，利用虚拟现实的低成本实现飞行员快速的成长。后来逐渐将这些技术拓展到游戏、旅游、医学及教育领域。XR技术是突破传统教学育人方式的关键。例基金项目：本文系安徽省教育科学研究项目“厚植核心素养的初高中生物学教学一体化研究”（项目编号：JK22138），安徽省芜湖市教育信息技术研究课题“支撑跨学科主题学习的信息化资源开发与应用研究”（立项号：WH2022004）阶段性成果。如,中学生物学中“细胞的基本结构”一节,讲了细胞膜的结构和功能、细胞器之间的分工合作、细胞核的结构和功能。如果按照传统教学方式，仅仅依靠教师在讲台上讲，配合视频播放，学生不能深刻理解各个细胞器为什么会有这样的作用，他们之间怎么配合，细胞核里面到底长什么样子。传统生物学课堂教学局限性明显,虽可借助一定的现代多媒体手段来辅助，但由于课堂的时限，教学主要还是以基础知识的习得和基本技能的培养为目标。因此，在XR技术飞速发展的当下,运用XR技术激发学生学习兴趣、增强教与学的互动、厚植学生核心素养等成为育人方式的必然选择。XR技术支撑生物学教学实现其特有育人价值。当XR技术遇上教育后，利用XR资源内容精（围绕一个知识点来进行阐述和教学）、容量小（容量大小约几十兆，容易保存和携带）、反馈快（有效即时性互动)的特点，可有效突破传统教学的局限性。XR技术在教学中可以展示给学生的一种新型的教学模式,引起越来越多的教育工作者的关注。尤其是在XR技术支撑下的生物学教学中,将复杂的学科知识进行整体设计，设计出主题明确、知识点有联系、呈现直观的教学项目,如将一些微观世界中的场景,利用XR技术呈现给学生,有利于实现生物学学科教学的特有育人价值。2XR技术的教学应用结合生物学课堂教学的三大要素，即教学环第33卷境、教学内容、教学对象,可以实现XR技术与课堂教学的深度融合，从而达成高效的课堂教学新模式（如图1）。通过XR技术辅助教学活动，创设呈现知识信息的学习环境，学生通过视觉、触觉和听觉，多元接收学习信息，让更多知识来源于直接经验感受。沉浸性与教学环境的结合，可以为学生创设逼真有趣的教学环境，打破传统课堂情境单一的困境,最大限度激发学生的学习兴趣；交互性与教学内容的有机融合，摆脱了传统以教师为媒介的形式,使学生直接与教学内容交互；构想性与教学对象的碰撞，在虚拟空间里会极大激发学生的想象力和探索能力，提升其综合素养。创设情境深度交探究合作观察实施沉漫性创造情境教学环境教增强互动学设XR计学习反馈2.1创设虚拟现实情境的应用创设情境是新时期教学活动中重要的环节,是学生深度学习的重要方式。然而，现实教学中，有很多真实情境受季节、环境、课时等多种因素的影响而难以落实到课堂中。而利用XR技术创设虚拟现实情境，不受上述客观条件限制，很容易实现教学中需要的情境。例如,在学习“细胞的基本结构”时,利用XR技术收集各个细胞器有关的知识,建立一个人体细胞各细胞器的虚拟图书馆,从不同角度分析细胞器的结构和具体功能。通过XR技术,学生能够“亲身”邀游在细胞内部，身边环绕着各种细胞器，能从不同的角度观察到一项项生命活动。再将这些细胞器联系起来,完成对细胞基本结构相关概念的构建。整个教学过程就像看3D电影，学生产生浓厚的学习兴趣，取得较好的教学效果。XR技术实现了将抽象的知识转化为直观、具体的虚拟情境。学生在虚拟现实的情境中,充分感受人类知识的获取过程，对知识本身产生深刻理解进而创新运用。尤其是应用在一些具有危险性的知识学习中,XR技术支撑着虚拟现实,让学生在确保人身安全的状态下收获直接学习体验。2.2创建多元整合资源的应用XR技术可将零散的教学素材进行有效整合，中小学实验与装备2 0 2 3年第4期从而创建多元整合的教学资源。例如，在“发酵工程”的学习中，学生容易出现概念之间形成不了逻辑关系,不能构成体系的问题。利用XR技术,可以依托酿酒,有效整合相关素材，以“不同类型的酒是如何生产的”为情境，组织教学活动，帮助学生构建“发酵工程利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品的大概念 3（见表1）。表1发酵工程的XR技术支撑教学序号XR多元资源的创设XR技术制作酿制黄酒和甜酒的虚拟现实场景。引发学生思考、讨论，提出相关问题：“甜酒曲”1和“红曲米”的区别是什么？酒曲颜色不同是由什么引起的？同样的糯米用不同的酒曲为什么酿出不同风味的酒呢？课交互性教学内容激发探究教学对象构思性XR教学桌面操作头盔设备激光控制反思提升拓展探索知识构建图1应用XR技术的教学模式59学生活动学生在甜酒酿和红曲酒的虚拟现实场景中产生直观感受，进人探究主题的学习。教学堂实施学生思考：酒曲中的酵母菌是否相同，你会开XR技术下，进人微观世界：亲身展哪些工作？提出研究2走进微观世界，查看酒曲上的各方案。学生上台展示：种微生物及其形态和代谢特性。用涂布分离法分离酵母菌的基本流程图。XR技术呈现新场景：通过分离学生完成学案，在XR得到两株不同种类酵母菌。如技术虚拟现实情境下，3何筛选出符合我们要求的菌株？酵母菌的产酒能力如何表示？如何定量检测酒精含量？XR技术显示：大型发酵罐中工4业化生产酒精的场景和过程。借助XR技术,重组资源构建虚拟现实的学习环境,学生直接接触到了酿酒技术的变迁,在学习中与科技发展面对面,与教师和技术人员直接对话。这些整合后的资源，为学生学习、构建完整知识体系提供了坚实基础。2.3创新优化课堂讲解的应用传统生物学课堂一般是“创设问题情境一学生思考作答一教师归纳总结”的对话式教学。遇到先进技术的实验类或复杂的实践类教学内容，一般只能“纸上谈兵”式地开展教学。这些教学方式受教师的教学能力、学生的思维想象力等影响，学生难以通过有效经验对生物学概念进行构建，容易产生迷思概念。传统教学评价以学生课堂表现、阶段性纸笔测试等方式进行，难以发现学生真实的学习情况。XR技术改变这一现状,利用虚拟现实交互式学习环境，带给学生“真实”的学习体验。运用光电比色法测定酒精含量，确定符合要求的酵母菌株。学习发酵罐各结构的功能,理解酶的固定化、酵母细胞的固定化等技术和意义。60例如,在讲解“减数分裂和受精作用”时，学生利用XR技术边观察虚拟情形下的睾丸和卵巢产生精子和卵细胞,边联系减数分裂的过程。整个教学过程中，学生感受生殖细胞形成的途径，层层剖析减数分裂过程中染色体的行为，以及每一个变化过程的目的。这种创新优化后的课堂讲解提高了学生对减数分裂过程的理解，帮助学生切身体会生殖细胞形成的途径，使学生对学习产生浓厚的兴趣,对相关知识留下深刻的印象,从而达到对知识的掌握，提高学习效率。XR技术下的教学应用能够提高学生的学习思维能力,更好的实现教学难点的突破、实验教学的展示以及课堂讲解的优化,加深学生对于知识点的理解，提升学生生物学学科核心素养，有效提高课堂教学的效率。3XR技术的教学展望XR技术支撑下的生物学教学不但为学习者提供交互交流更方便、自主探索更省心、实践实施更安全的学习环境，而且构建一种信息化、数据化、可视化的学习方式。这对未来人才的培养，育人方式的转化都带来无限可能。3.1XR技术实现知识向素养的教学目标转型科学技术的不断创新迭代，生物学知识体系不断发展壮大。新时代的生物学学习目标不能仅仅停留在基础知识和基本技能上,更多的要定位于形成正确的生命观念，具备解决问题的关键能力。要想达成这一目标，教师应该为学生创造更多机会与现实生活中真实的生命现象进行接触，让学生直接面对复杂的生物学事实并尝试解决这些真实的问题。XR技术可以模拟出达成这些目标的系列情境,将冰冷的知识蕴藏在一个个鲜活的素材中，体现在一次次人机、人人的互动之中。通过这种目标转型，养成学生在实践中建立观念、形成思维、树立责任感，实现核心素养目标的达成。3.2XR技术实现结论标签向过程增值的教学评价转型以往的教学评价更多的都是终结性、结论式、贴标签式的评价,这不利于学生的学业发展。例如,传统考试的内容只能通过纸面文字题来呈现，学生作答后，给出分数或等级，这种评价就是根据试卷作答结果给出的终结性标签。试题内容不能真实的将学生带入情境中解决现实问题，评价本身没有对学生的学习过程进行分析。中小学实验与装备2 0 2 3年第4期根据考试的不同要求,应用XR技术模拟出不同虚拟情境试题，让学生面对真实问题，写出具体的问题解决方案，有的还可以在虚拟现实环境下进行动手实践。XR技术可记录考生的阅读、分析、协作等过程，并综合这些过程和相关指标，给出客观公正的过程性评价。由于XR技术的数据化,还可以将不同次的考核进行个体的前后对比，丰富过程性评价的大数据,强化过程性评价的科学性和准确性，引导学生在实践中学习、应用和理解知识。3.3XR技术实现同时空向跨时空的教学机制转型XR技术为学生营造出“身临其境感”和整体的现实体验，这可以增强学生远程学习的热情和意愿。未来教学会向着打破物理空间距离的教学（远程教学）趋势发展。XR技术数字化教学资源网络传输方便可行，学生只要配置基础设备，可以实现在任何场所开展情境化、沉浸式学习。这比单纯利用显示屏进行的视频学习更具有感染力，更能够取得实际效果。学生未来即使在家，也可以跟随教师的远程引导进行深度探究式、互动式学习。作为教育的引导者,学校管理层应该建设跨时空的教学机制，构建更加开放的网络学习生态环境，促进全面育人的教育核心价值落地生根。此外，XR技术在一定程度上还可以促进教育均衡,实现教育的区域互补。无论在偏远山区,还是在教育资源相对欠缺的城镇薄弱学校，学校在配置基本头显交互等设备后，学生就可以通过XR技术和资源，开展虚拟实验、情境探究、沉浸观察、人机交互等活动,享受到与教育发达地区同等的教育资源 44小结XR技术在生物学教学中扮演了重要角色,其独特的表现方式克服了传统教学过程中的某些缺陷,是教育信息化发展的一个重要工具。当然,在推广使用过程中也暴露出一些问题，如技术推广和使用成本较高、过度追求新颖性、趣味性忽视了教学功能、缺乏优质XR资源、教师数字技术能力弱，在教学中应用XR技术存在较大的难度,具体技术在发展学生能力等方面仍略有欠缺。但是，随着教育信息化的推进、教师数字素养的提升、XR资源库的完善，“XR+教育”完成整个教学任务的时刻一定能成为现实,形成在XR技术下开展教学的常态化机制。第33卷未来XR技术可以打造出新型的评价方式。第33卷信息技术与学科融合中小学实验与装备2 0 2 3年第4期61基于传感器的初中物理数字化实验实施策略湖北省松滋市南海镇南海初级中学（4342 0 1)湖北省松滋市电化教育技术装备中心（4342 0 0)摘要：基于传感器的数字化实验是信息技术在实验教学中的一种应用，在初中物理实验教学中开展数字化实验是十分必要的，是教育信息化发展、学生核心素养养成、社会生活和实验教学的需要。在传统实验教学的基础上，合理有效运用传感器辅助教学，可以提高实验的精度、创新实验的设计、提高实验的可视度、增强实验的可操作性和数据的可分析性。关键词：传感器；数字化实验；实施策略董清华赵小艳义务教育物理课程标准（2 0 2 2 年版）指出：教师要充分发挥信息技术的优势，将信息技术有效融合物理教学，创新教学方式，提升教学效率。同时,应鼓励学生将信息技术运用到物理学习中，帮助学生适应数字时代的要求，提升学生运用信息技术的能力。教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见【教基（2 0 19）16 号】也指出“促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，提高实验教学质量和效果”。现阶段，初中理化生实验教学还局限在常规实验的落实，通过开展学生实验、演示实验、课外实验、小实验等，推行启发式、探究式、参与式、合作式等实验教学方式。从常规实验教学情况来看，现有实验教学模式存在实验数据不精准、实验效果不明显、实验过程繁琐、实验探究能力受限制等问题。为改进现有实验教学模式，达到提高教学质量、提升教学效果、培养学生的兴趣和能力及开拓学生的思维目的，将适合实验教学信息化要求的数字化实验引进初中物理实验教学课堂显得十分迫切。+1初中物理教学中引入数字化实验的必要性1.1初中物理教学中引入数字化实验是信息技术发展的必然趋势数字化实验是现代信息技术在理化生实验教学中的一种应用,随着信息技术在教学中应用越来越深人，多媒体课件、实时联网投屏、虚拟实验、AI技术等正在改变我们的课堂，影响课程的开发、教学方法选择、评价方式的改革、学生学习模式的创新。而初中物理数字化实验的开展可以提高物理实验的可视化程度，提高实验数据精准度，缩短实验时间，提高数据可分析性，有利于提高创新性实验、拓展性实验、探究性实验的成功率等。1.2初中物理教学中引入数字化实验是学生核心素养养成的迫切要求在义务教育物理课程标准（2 0 2 2 年版）中，明确指出要“发挥实验的育人功能，促进学生核心素养的养成”。经过梳理,初中物理课程标准中实+3张燕春“生物技术实践”专题复习课的主线式情境教参考文献1吴志强，张冬梅,唐棣.VR和传统教育结合的优势述评和趋势预测J.教育与装备研究，2 0 18,34（0 4）：21-23.2吴志强.XR技术在生物学教学中的应用研究 J.教育与装备研究,2 0 2 3,39(0 6)：49-5 2.学设计 J.生物学教学,2 0 2 2,47(0 1)：41-44.【4 段海望.虚拟现实技术在地球物理学专业课程教学中的应用前景展望：访长安大学地质工程与测绘学院刘致水博士 J.中国科技产业,2 0 19,36 6(12）：7 3-7 4.收稿日期:2 0 2 3-0 5-16