虚拟模型在中学生物学教学中的设计与应用的四个案例.docx

分类号 密级
UDC 编号

硕士专业学位研究生学位论文
论文题目：虚拟模型在中学生物学教学中的设计与应用的四个案例
Four Cases of Design and Application of Virtual Models in Biology Teaching in Middle School

学 院 生命科学学院
专业学位类别 教育硕士
专业学位领域 学科教学（生物）
研 究 生姓名 蔡树华 学 号 13045107003
导 师 姓 名 王重力 职 称 教 授
导 师 姓 名 汪 旭 职 称 教 授

2016年 6 月 7日

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：
年 月 日

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权云南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

学位论文作者签名： 指导教师签名：
年 月 日 年 月 日

摘要

摘要
模型在中学生物学教学中有着悠久的应用历史，也越来越得到重视。而以计算机技术和多媒体技术为载体的虚拟现实技术的极大发展和进步给模型的发展注入了新的活力。虚拟模型应用于生物学教育成为了可能。虚拟模型具有直观性、互动性强、成本低、学生感兴趣等优点。虚拟模型的设计和应用，给我们带来了独特教学工具和崭新的教育思维。
研究以建构主义理论、探究性学习理论为基础，以初中和高中生物课程标准的要求为目标，以3ds max软件、excel软件为主要的设计软件，设计了DNA双螺旋结构的虚拟模型、生物膜的流动镶嵌模型、种群数量的变化模型，研究了如何使用谷歌公司的人体浏览器应用于初中生物教学。部分设计在初中生物学教学中进行了实践，其他的做出了教学设计。通过对虚拟模型在中学生物学教学中的设计与应用研究，辅助中学生物学教学，促进虚拟模型在中学生物学教育中的研究与应用，提高教学质量。
通过课堂实践、调查问卷和统计分析得出：（1）使用虚拟模型应用于生物学教学在技术和实践上是可行的。（2）教师和学生都对虚拟模型很有兴趣。（3）教师通过简单的学习就能使用虚拟模型。（4）虚拟模型需要传统模型的配合。

关键词：虚拟模型 生物教学 3ds max

Abstract
Application of models has a long history in middle school biology teaching, and more and more attention. Computer technology and multimedia technology as the carrier of virtual reality technology to the development of great development and progress model has injected new vitality. It’s possible to apply the virtual model to biology education The virtual model is intuitive, interactive, low cost, and students are interested in it. The design and application of the virtual model has brought us a unique teaching tool and a new educational thinking.
This study based on constructivism, inquiry learning theory and Biology curriculum standard as the goal. 3ds max and Excel were the main design software .I designed the virtual model of the DNA double helix and the fluid mosaic model and the model of population change and the use of Google body browser in junior high school biology teaching. Some designs were used in junior high school biology teaching, others not. Goals of the study are helping biology teaching, promoting research and application of virtual models in high school biology education, improving teaching quality.
Based on teaching, questionnaire and statistical analysis concluded that: Using of virtual models in biology teaching is feasible; Teachers and students are very interested in virtual models; Teachers can learn how to use virtual models easily; Virtual model does not replace the traditional model.
Key words: Biology teaching Virtual models 3ds max
V

目录

目录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出 1
1.1.1 虚拟模型的开发是教育理论和实践发展的需求 1
1.1.2 虚拟模型开发的必要性 1
1.1.3 虚拟模型开发的可行性 2
1.2 课题国内外研究现状 3
1.2.1 国内外生物模型研究的现状 3
1.2.2 虚拟模型应用于生物学教学研究现状 4
1.3 研究方法 5
1.3.1 研究内容 5
1.3.2 研究方法 5
1.4 研究的目的和意义 6
1.4.1 研究目的 6
1.4.2 研究意义 6
1.5 创新之处 7
第2章 研究的理论基础 9
2.1 基本概念界定 9
2.1.1 虚拟现实技术 9
2.1.2 模型 9
2.1.3 模型的分类 9
2.1.4 虚拟模型 10
2.2 研究的理论基础 10
2.2.1 建构主义学习理论 10
2.2.2 探究性学习理论 11
2.2.3 设计生物模型的基本原则 11
2.2.4 虚拟现实技术的特点 11
第3章 虚拟模型相关软件的介绍和基本的设计方法 13
3.1 虚拟模型技术概述 13
3.1.1 制作虚拟模型的软件 13
3.1.2 虚拟模型展示的软件 13
3.1.3 虚拟模型的资源来源与整合 14
3.2 虚拟模型设计方法与应用概述 15
3.2.1 3ds max软件设计虚拟模型流程简介 15
第4章 虚拟模型中学生物学中的设计与应用 21
4.1 教学设计的基本思路 21
4.1.1 创设情境 21
4.1.2 启发思考 21
4.1.3 自主探究 21
4.1.4 协作交流 21
4.1.5 总结提高 21
4.2 初中生物课程和初中学生的特点分析 22
4.2.1 初中生物课的基本特点 22
4.2.2 初中学习者特征分析 22
4.3 DNA双螺旋结构虚拟模型设计和应用 23
4.3.1 制作DNA双螺旋结构模型的各个组成成分 23
4.3.2 一些简单的应用方法 24
4.4 谷歌人体浏览器在《人体的结构层次》中的应用 25
4.4.1 谷歌人体浏览器简介 25
4.4.2 使用方法 25
4.4.3 人教版初中生物七年级上《动物体的结构层次》的教学设计 26
4.4.4 教学设计小结 31
4.5 高中生物课程和学习者特征分析 31
4.5.1 高中生物课程的特点分析 31
4.5.2 高中学习者特征分析 32
4.6 生物膜的流动镶嵌模型的设计和应用 32
4.6.1 流动镶嵌模型的设计 32
4.6.2 基于虚拟模型的《生物膜的流动镶嵌模型》的教学设计 34
4.6.3 设计反思 37
4.7 基于EXCEL的种群数量变化的虚拟模型的设计和应用 38
4.7.1 种群数量变化的数字模型的设计 38
4.7.2 《种群数量的变化》教学设计 39
4.7.3 教学反思 47
4.8 使用虚拟模型应用于教学应注意的问题 48
4.8.1 设计应贴合课程实际 48
4.8.2 课前做好充分的准备 48
4.8.3 掌握好教学过程 49
4.8.4 课后做好总结和修改 49
第5章 虚拟模型应用于初中生物教学的实践与分析 50
5.1 实证研究过程 50
5.1.1 研究对象 50
5.1.2 研究实施时间 50
5.1.3 研究流程 50
5.1.4 教学的过程 51
5.2 实证研究结果的得出 51
5.3 生物教育工作者对虚拟模型的接受程度分析 51
5.3.1 调查目的 51
5.3.2 调查对象 51
5.3.3 调查问卷的编制 51
5.3.4 调查的实施 52
5.3.5 调查数据的统计与分析 52
5.3.6 结论与思考 53
5.4 初中学生对虚拟模型的接受程度分析 53
5.4.1 调查目的 53
5.4.2 调查对象 53
5.4.3 调查问卷的编制 54
5.4.4 调查的实施 54
5.4.5 调查数据的统计与分析 54
5.4.6 调查结论 58
5.5 对模型教学效果的引证 58
5.5.1 概念模型 58
5.5.2 物理模型 58
5.5.3 数学模型 59
第6章 总结与不足 60
6.1 本研究总结 60
6.2 本研究的不足 60
6.2.1 虚拟模型的设计需要专业的人才和团队的合作 60
6.2.2 可借鉴的经验和案例较少 61
6.2.3 设计的虚拟模型太少 61
6.2.4 教学设计与实际联系的不紧 61
参考文献 62
附录 64
致谢 69

第一章绪论

第1章 绪论
1.1 问题的提出
1.1.1 虚拟模型的开发是教育理论和实践发展的需求
（1）学习情境信息化
学习情境的创设是教学活动中重要的一环，虚拟模型能够创建生动的学习情境和互动性的学习环境，有利于激发学生的学习兴趣，促进学生自主思考、发现、探索从而建立新旧知识之间的联系，实现知识的建构。而传统的教学媒体如文字、图片、动画等在学习情境创设方面都有各自的局限性，缺乏互动性和自主探究性。为了能使学习者更好地完成知识的建构，我们需要为学习创建信息化的学习情境。
（2）虚拟模型教育应用
计算机技术和多媒体技术的发展很快，其中的虚拟模型技术在众多领域，如室内设计、工程施工、动画、影视剧的制作中得到广泛应用。而在教育领域，虚拟模型技术也开始应用于实践之中，给我们带来了新的教育思维和教学成果。
针对目前初高中生物教学的现状，考虑到经济性和实用性以及对教育技术的探索，我们可以通过设计一些适合的虚拟模型来应用于初高中生物的教学，从而化微观为宏观、化静态为动态、化复杂为简单，有助于提升学生的学习兴趣，突破重难点，提升学习效率。
1.1.2 虚拟模型开发的必要性
（1）生物学科知识的特点
初中的生物知识主要是关于生命的现象，高中的生物知识主要是关于生命的本质。这些知识很多都建立在实物的基础之上，脱离了实物的讲解往往抽象、难懂、学生缺乏兴趣。生物学科知识的特点决定了生物学科与其他的学科有不同之处，生物学科往往需要大量的辅助的工具，如挂图、视频、实物模型等来辅助，从而化微观为宏观，化抽象为具体、化静态为动态，帮助学生理解和记忆。而虚拟模型作为一种教学工具在这些方面有着巨大的优势，它的展示效果好、使用方便、学生感兴趣，符合生物学科的特点和需求。
（2）课程标准的要求
《义务教育生物学课程标准2011年版）》第四部分中课程资源的开发与利用部分建议教师充分重视信息化课程资源的利用，包括各种教学软件、教育资源等，强调了计算机多媒体的交互性和模拟性在生物学教学中的重要作用，建议教师应在教学中充分利用各种教学软件[1]。
《普通高中生物课程标准（实验）》中指出：教师应与专业人士合作，参与教学资源的开发[2]。
课程标准要求我们要利用好多媒体技术和计算机网络，挖掘出更多的更好的适合中学生物学教学的资源。虚拟模型就是利用计算机技术设计出来的一种教学资源。
（3）节省成本
尽管国家对教育的投入越来越大，但是不可否认，不同学校之间的教育资源还是有不平衡之处。在中学教学中，往往会因为教学经费或课时紧张的原因，而使一些教学模型的使用无法进行。虚拟模型则不存在这些问题，一旦制作完成后就能长期、反复的使用，花费几乎没有。使用虚拟模型可以获得与实体模型相近的效果，可以在保证教学效果的同时，极大节省成本。
（4）学生的兴趣和需求。
现在的学生接触网络、接触信息技术的年龄越来越小，时间越来越长，他们对脱离自己生活环境的东西不太感兴趣。再加上地域的限制，生物课上所教授的东西也许离他们的生活较远，致使有的学生对生物课不感兴趣、觉得知识太难。相反，现在的学生对信息技术的兴趣非常的大。生物虚拟模型正是信息技术与生物知识的结合，实践表明，学生对虚拟模型很感兴趣，希望能在以后的教学中多多使用这种工具。
1.1.3 虚拟模型开发的可行性
（1）理论可行
人教版高中生物必修部分对模型做出了分类和定义，关于模型的研究越来越多，取得了很多成果。虚拟模型和实体的模型没有本质上的不同，广大教育工作者对模型的研究同样可以指导虚拟模型的研究。
（2）技术可行
制作虚拟模型的软件有很多，如3ds max、Maya、CAD等等，各有擅长之处。这些软件的制作效果早已在室内设计、工业设计、动画和影视剧制作等方面得到了证实。软件并没有很高的使用门槛，不是很专业的人士也可以使用和研究。这些软件同样可以设计适用于生物学教学的虚拟模型。若是没有时间或意愿亲自制作虚拟模型，也可以从国内外虚拟模型的专业网站或论坛来购买或是免费下载。如国外的免费的谷歌人体浏览器、Turbosquid公司的收费的生物模型。国内也有相关的虚拟模型论坛，制作或搜集虚拟模型并不困难。
收集或制作好了虚拟模型之后，需要把它展示给学生，展示虚拟模型的软件也有很多。若是在电脑上安装了虚拟模型软件，就能直接打开虚拟模型，进行浏览、修改、等互动性的操作。若是没有安装，则可以使用3D模型浏览器，如Solidworks 浏览器、Supermodel等浏览模型。Arcbort extend 软件可将3D模型整合入PDF格式的文件中，可实现拖动，放大缩小等功能。可见，展示虚拟模型也并不需要很专业的软件，操作并不困难。
1.2 课题国内外研究现状
1.2.1 国内外生物模型研究的现状
美国《国家科学教育标准》把模型和科学事实、概念、原理、理论并列为科学主题。《国家科学教育标准》中，把模型和科学事实、概念、原理、理论并列为科学主题的重点。在9到12年级的内容标准中，把运用逻辑和证据来构造和修改科学解释和科学模型和承认并分析其他解释模型作为进行探究所需要的基本能力；并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力[3]。可见美国的科学教育重视模型和运用模型的方法。
在新一轮课程改革中《普通高中生物课程标准（实验）》首次将模型和模型方法列入了课程目标。课程设计思路方面也加入了有关模型的知识。把“获得生物学基本事实、概念、原理、规律和模型等方面的基础知识”[2]作为课程的具体目标之一，首次在基础知识目标中提到“模型”一词。此外，国家和地方的新高考大纲明确将获得模型方面的知识的掌握水平作为考核对象。这说明新课程突出了过程和方法的重要地位和“模型”的重要性，强调模型思维和构建模型的能力作为对学生的重要性。
国内关于模型应用于生物学教学的研究和实践很多，也取得了很多成果。以“模型、生物教学”作为关键词检索，可以检索到25107篇论文，其中有硕士论文1633篇，博士论文88篇。这些论文大多是从物理模型、概念模型、数学模型这三个方面来进行研究的。如山东师范大学的陶丽萍研究了物理模型在中学生物学中的设计[4]，西北师范大学的韩兴国研究了数学模型在高中生物学教学中的应用[5]。概念模型的研究则相对较少，如福建省南平市普通教育教学研究室的朱晓燕研究了概念模型在“生态系统结构”一节中的应用[6]。
从研究的结果综合来看，模型在教学中的作用有：
物理模型可以帮助学生熟悉对象，微观结构的特点。物理模型操作简单，我们可以不断使用认识到事物的本质。物理模型的构建培养学生的思维能力和分析能力。
概念模型的构建可散概括生物知识，建立相关联知识网络，帮助审查和知识的总结，也有利于学生的知识复习，提高学生的归纳和综合能力的知识。
数学模型以数学形式量化生命现象，利用数学推理来实现的生物现象的研究的目的。数学模型的构建可以培养学生的逻辑推理能力。
国内研究模型教学效果的成果很多，本研究就不再重复，研究重点主要是在设计方面。
1.2.2 虚拟模型应用于生物学教学研究现状
国内研究综述：虚拟模型国内研究较少，以“虚拟模型生物”为关键词检索，能检索出1945篇论文，这些论文大多是以科研为目的。如郭焱、史同鑫等人的烟草植株静态虚拟模型的研究[7]。以“虚拟模型、高中生物教学”为关键词检索，仅能检索出6篇论文。其中应用方面的论文都是近三年来发表的。检索此方向的学位论文只能检索到两篇，东北师范大学的郭嘉琨研究的樱花花序的虚拟模型在中学生物实验教学中的应用[8]，河北大学的李琨研究了X3D技术制作的虚拟模型在初中生物虚拟实验中的应用[9]。这些结果显示目前国内虚拟模型应用于教学方面的研究较少。
应用方面，国内虚拟模型的量很多，但绝大多数都是由室内设计从业人员设计的，与生物教学关联不大，无法直接使用。电子白板是近些年来兴起的教学设备，部分电子白板自带的操作软件中有虚拟模型。如Smartboard品牌的电子白板中自带花的结构、部分动植物的虚拟模型。不过这些软件不能通用，使用范围不广。
国外研究概况：国外的研究比国内的丰富的多，以“virtual model Biology”为关键词检索能检索出21859篇论文。而以“virtual model Biology teaching”为关键词检索能检索出2862篇论文，如美国的Sonia Pujol等人研究了利用虚拟模型来辅助困难的解剖学概念的教学[10]，德国的Friedrich P. Paulsen等人研究了虚拟显微镜在组织学教学中的前景[11]。从论文发表的年份上看，1996年以前就有很多研究发表，而近年来发表的论文逐渐增多。
从实际的应用上来看，国外不仅早已将虚拟模型应用于教学中，而且有一些专业的公司专门从事虚拟模型的制作，走向了精细化、专业化的道路。如Zygote body公司他们制作了大量非常精确的虚拟模型，如人的心脏、谷歌、神经系统、肌肉等，其中很多都是免费的，可供教学和研究使用。Turbosquid公司制作了很多虚拟生物模型用以出售。
1.3 研究方法
1.3.1 研究内容
本研究以建构主义、探究性学习的理论为指导，研究虚拟模型的设计与应用，并在此基础上对虚拟模型进行实践研究。以人教版初中生物七年级上第三章第一节《动物体的结构层次》、DNA双螺旋结构、人教版高中生物必修一第四章第二节《生物膜的流动镶嵌模型》、人教版高中生物必修三第四章第二节《种群数量的变化》为例，设计并应用于初高中生物教学之中。探讨虚拟模型设计和应用的基本方法、应用的可行性、学生对其的接受程度以及存在的问题、改进的方法等。最终的目的是促进虚拟模型在中学生物学教学中的应用。
1.3.2 研究方法
1、文献研究法
为了解模型的研究现状和相关理论笔者阅读了较多文献资料，基于对国内外相关文献的阅读和归纳分析，为虚拟模型的研究找到了理论的指导和案例的参考，虽然没有直接的关于虚拟模型的文献，但通过比较也能找出有用的方法。
2、调查法
问卷调查法是本研究得出结论的重要手段。对我们教学经验少的研究生来说，通过与教师、学生的交流、问卷调查，可以了解教学目标的要求、学生对生物课程的要求、虚拟模型的教学效果。从而改进模型设计和教学设计，使得研究实用不脱离实际。本文使用教师调查问卷和学生调查问卷，教师调查问卷的对象是2016年初在云南师范大学进行国培教育的生物教师，学生调查问卷的对象是昆明市第十六中学的初一的四个班的学生。调查的目的是了解生物教师对虚拟模型的了解和接受程度，学生对生物课和虚拟模型是否感兴趣，虚拟模型是否对他们的学习有帮助。
三人行必有我师，在研究的过程中与其他人的交流很有帮助。作者在实习与代课期间，与江陵中学、昆十六中的教师、学生交流，收获很大。了解了教师、学生对虚拟模型的看法和评价。对调查问卷的编制也很有帮助。
1.4 研究的目的和意义
不断发展的虚拟现实技术正大量应用于电影特效、动漫、游戏等，这些促进了人们这一技术的了解。而电脑性能的提高，3ds Max、Maya等软件的人性化、易操作化使得不具备专业技术的人制作出很好的作品成为了可能。虚拟现实技术既能进行过程的演示也能提供人与设备之间的交互操作，互动性很强。它能使复杂的问题简单化，微观的事物宏观化，使抽象事物形象化、具体化。虚拟现实技术有很多优点，我们尝试着可以将它应用于生物学教学之中。虚拟模型是虚拟现实技术的一个分支和简化，随着虚拟模型技术的不断发展和丰富、教育工具的进步和开发，它将会为我们的生物学教学提供更多的帮助。
1.4.1 研究目的
本研究以探究性学习理论和建构主义学习理论为指导，结合课程标准和课标要求，运用计算机软件设计出虚拟模型，并做出相应的教学设计，在中学生物学教学中进行应用研究，再根据实际情况修改。本研究设计了一些虚拟模型，目的是促进虚拟模型技术在生物学教学中的应用，较为详细的介绍了虚拟模型的资源来源、设计软件、软硬件要求、简单的设计方法、在教学中的应用方法等。希望本研究能给虚拟模型的在教育方面的设计和应用发展尽一份力，使更多的人了解和使用虚拟模型。为促进学生的知识建构、改善教学效果、丰富教学资源提供一些工具、方法和实践结果。
1.4.2 研究意义
（1）响应课程标准的要求，开发教育资源
《义务教育生物学课程标准（2011年版）》第四部分中的课程资源的开发与利用建议中建议充分重视信息化课程资源的利用，包括各种教学软件、教育资源等，强调了计算机多媒体的交互性和模拟性在生物学教学中的重要作用，建议教师应在教学中充分利用各种教学软件。[1]
《普通高中生物课程标准（实验）》中指出：教师应与专业人士合作，参与教学资源的开发。[2]
课程标准要求我们要利用好多媒体技术和计算机网络，挖掘出更多的适合中学生物学教学的资源。
虚拟模型是模型和虚拟现实技术结合的产物，它也是教学资源的一种。而目前国内能应用于生物学教学的虚拟模型还非常少。本文设计和介绍的四种虚拟模型贴合生教学实际，能直接运用于生物学实际之中，丰富了教学资源。
（2）节约成本
尽管国家对教育的投入越来越大，但是不可否认，不同学校之间的教育资源还是有不平衡之处。在中学教学中，往往会因为教学经费、课时紧张等方面的原因，而使一些教学模型的使用无法进行。而虚拟模型一旦制作完成后就能长期、反复的使用，使用的效果与实体的模型相近。在保证教学效果的同时，极大节省了成本。
（3）提高学生的学习兴趣
现在的学生接触网络、接触信息技术的年龄越来越小，时间越来越长，他们对脱离自己生活环境的东西不太感兴趣。再加上地域的限制和日常生活中接触较少，生物课上所教授的东西也许离他们的生活较远，致使有的学生对生物课不感兴趣、觉得知识太难。相反，现在的学生对信息技术的兴趣非常的大。生物虚拟模型正是信息技术与生物知识的结合，实践表明，学生对虚拟模型普遍很感兴趣，希望能在以后的教学中多多使用这种工具。

1.5 创新之处
笔者使用3ds max软件和Excel软件设计出了3个虚拟模型，分别是流动镶嵌模型、DNA双螺旋结构模型、种群数量变化模型，目前国内没有类似的模型。其中流动镶嵌模型和种群数量变化的模型可用于高中生物的教学。本文还研究了谷歌人体浏览器在初中生物学教学中的应用，通过查阅资料发现目前也没有相同的研究。本研究致力于虚拟模型在中学生物学中的设计与应用，开发教学资源，此类研究在国内还非常少。

模型 适用章节
（1）生物膜的流动镶嵌模型 人教版高中生物必修一第四章第二节
（2）DNA双螺旋结构模型 人教版高中生物必修二第三章第二节
（3）种群数量变化的模型 人教版高中生物必修三第四章第二节
（4）谷歌人体浏览器 人教版初中生物七年级上和七年级下

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第2章研究的理论基础

第2章 研究的理论基础
2.1 基本概念界定
2.1.1 虚拟现实技术
“虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是指利用计算机系统、多种虚拟现实专用设备和相关软件构成一种虚拟环境，实现用户与虚拟环境直接进行自然交互和沟通的技术[12]。一项融合了计算机图形学、人机接口技术、传感技术、心理学、人类工程学及人工智能的综合技术[9]。

[美]Grigore C.Burdea和[法]Philippe coiffe 在《虚拟现实技术（第二版）》一书中给出虚拟现实的定义：
“虚拟现实是一种高端人机接口，包括通过视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。”[13]
2.1.2 模型
旧版生物教学论中对模型的定义是：“模型是指模拟生物体的结构特点制成的人工仿制品、实物放大或缩小制品和简约表达生命过程的示意制品”。[14]
2011年版的人教版的高中生物教材必修一中对模型的定义是：“模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性的描述。这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达”[15]。
可以看出在生物学教学论中强调模型是实物产品，类似人教版教材对物理模型的定义。而人教版教材的对模型的定义则有了更广的范围，模型更重要的是原型的本质特征[16]，不再强调是实物。
模型是原型替代物，包含原型的部分性质，不可避免的具有局限性。但是模型可以将复杂的原型简单化，舍掉一些非本质的和次要的细节，突出原型的某一个特征，以构建一个能反映模型本质联系的模型[16]。
2.1.3 模型的分类
人教版高中生物教材《生物·分子与细胞·必修1》中对模型的分类是：物理模型、数学模型和概念模型。
物理模型（Physical model）

指以实物或者图画形式直观表达认识对象的特征，这种模型就是物理模型[15]。如沃森和克里克制作的DNA双螺旋结构模型，利用废旧物品制作的生物膜模型等。
概念模型（Conceptual model）
指以文字表述来抽象概括出事物本质特征，这样的模型就是概念模型[17]。
如人教版高中生物必修三《稳态与环境》中的血糖调节模型，体现了胰高血糖素和胰岛素间的拮抗作用以及各自的反馈调节作用，两者共同维持血糖含量的相对稳定。
数学模型（Mathematical model）
指用来描述一个系统或它的性质的数学形式这样的模型，就是数学模型[18]。
高中生物课程中的数学模型很多，如蛋白质、氨基酸的相关计算，种群数量变化的模型等。
2.1.4 虚拟模型
现阶段虚拟模型还没有一个明确的概念，就作者个人的理解，虚拟模型是使用虚拟现实技术对实物模型、数字模型、概念模型等进行数码化得到的成果。
2.2 研究的理论基础
2.2.1 建构主义学习理论
建构主义学习理论是皮亚杰认知发展理论中的一部分，建构主义的知识观认为知识不是客观事物的反映，而是人们对客观事物的一种解释和假说。知识的获得是一个不断建构的过程，当接受到外界的刺激时会将刺激所含的信息整合到原来的知识结构中，知识的结构也会因为环境的改变而发生重新整合。它不是简单的传递和转移，而是根据以往的学习、工作和生活中获得的经验与原有经验进行整合，最终同化成为自己知识的过程。根据这一理论我们可以看出知识的学习不只是由教师向学生单向的传递，也是学生自己内部的整合和外部教师的教学等相互作用的过程。建构主义学习理论充分强调了学生的主体地位，学习是主动建构知识体系的过程，与传统的被动接收知识的学习形成了鲜明对比。建构主义的教学观认为，教师不是直接将知识简单传递给学生，而是充分考虑学生的原有经验，再将所教的内容转变为新经验整合到学生原有的经验中。
2.2.2 探究性学习理论
探究性学习又称研究性学习，是指在类似于学术研究的情境中学习，学生通过提出问题、做出相应的解释、运用实验等手段进行验证、收集和处理数据从而发现问题，得出自己的结论并与同学交流，最终获得知识，培养能力，发展探究精神与创新能力，它倡导学生的主动参与。探究性学习是高中生物课程的基本理念，是我们生物教学的方法和目的之一。
2.2.3 设计生物模型的基本原则
（1）相似性原则
所谓相似性就是同原型结构本质上相似，它在某种程度上反映着真实性，但我们没有必要也不可能做到模型与原型在结构、功能等诸多方面完全一致，相似不是“复制”[17]。模型的原型可能已经不存在了，人们不能直接的研究，或原型数量有限，不能多次研究，而模型刚好相反，可以反复和直接的研究。若把模型作为研究对象，需要能从对模型的研究结果中反映出原型的相应性质，因此，要求模型与原型具有本质上的相似性。
（2）简单性原则
简单性就是把复杂的事物简单化，保留它的本质特征，形成一个相对简单的模型，通过模型进行研究。模型作为研究手段，并不是原型的复制品，而是根据研究目的，部分地再现研究对象，以便运用己有知识和方法去检验、验证或认识原型[19]。因此要求模型与原型相比，具有明显的简单性。
（3）可重复性原则
任何模型都应具有可重复性，这是采用模型作为研究对象的原因之一。可重复性使得用模型作为研究对象具有低成本，可重复使用等优点。
（4）可验证性原则
模型是原型的替代品，对于原型来说，通过研究模型所得到的结果具有间接性，其研究结果可靠程度受到限制[20]。因此，研究模型得到的结果，正确性或与原型接近的程度需要用原型去检验，因而模型需要具有可验证性。如不具备可验证性，就意味着模型有缺陷，需要修改或重新建立。
2.2.4 虚拟现实技术的特点
1993年，Burdea G在Electro 93 国际会议上提出了虚拟现实技术的特征。即三“I”：Immersion（沉浸）、 Interaction（交互）、 Imagination（构想），如图2.1所示[21]。

图2.1虚拟现实技术三角形
Fig.2.1 The triangle of virtual reality technology
Immersion（沉浸）这意味着用户可以沉浸在计算机生成的环境中，产生“身临其境”的感觉。
Interaction（交互）是指用户与虚拟场景中的对象互相交互的能力。用户进入虚拟环境后，可以通过传感器与虚拟的环境发生交互作用，可以进行互动性的操作，环境亦作出相应的响应。
Imagination（构想）是指用户沉浸在虚拟环境中，与虚拟环境进行交互活动，得到感性和理性的认识，获得新的知识。

第3章软件的介绍及基本的设计方法

第3章 虚拟模型相关软件的介绍和基本的设计方法
3.1 虚拟模型技术概述
3.1.1 制作虚拟模型的软件
能制作模型的软件主要有3ds max、Maya、Excel、Soildworks、AutoCAD等。
（1）AutoCAD是美国Autodesk公司生产的计算机辅助设计软件，可用于用于工业图纸的设计和3D模型的设计。
AutoCAD主要用于建筑图纸的设计和室内设计的建模。但实际上设计虚拟模型的能力也很强。谷歌公司使用AutoCAD软件设计了人的心脏模型，由6000多个多边形组成，极其精细。
使用AutoCAD软件设计模型的操作比较复杂，界面的直观性不强，不适合初学者使用。
（2）Solidworks软件使用也很方便，功能强大，它可以将不同的模型组合在一起，在演示时不同的模型可以旋转、拆卸，十分适合各种机械的结构的讲解。Solidworks还可以将制作成的模型封装成一个独立的可执行文件，故不需专门的模型浏览器来打开它，使用比较方便。
Solidworks软件主要是用于工业上设计机械零件，不太适合于设计生物模型。
（3）3ds max是当前世界上应用很广的建模，动画及渲染设计软件。
3ds max软件对电脑硬件设备的要求不高，多种Windows系统都能使用。它操作也并不复杂，采用所见即所得的操作方式，可以在视口中直接对模型进行修改。它制造模型的效果也很好，不论是大制作的动画电影还是小小的动物模型都能胜任。本研究就是使用此软件进行主要的设计工作。
（4）Microsoft Excel 是微软公司的Microsoft office的组件之一，Excel不仅仅是制作表格的工具，更重要的是可以进行各种数据的处理、统计分析，也广泛的应用于教育领域。Excel中有大量的公式函数，这些公式函数也能辅助我们的教学活动。
3.1.2 虚拟模型展示的软件
虚拟模型制作出来之后，如何方便的展示给学生，甚至不需要特别的说明就能使用，对这样一个新事物是否能迅速的被接受十分重要。本研究为了解决这一问题，尝试了很多展示模型的软件。
Solidworks浏览器是Solidworks软件附带的一个模型浏览器，主要能打开Solidworks软件和CAD软件制作出来的模型。
若是在展示的电脑上安装了3ds Max软件，就能直接打开3ds max制作的模型，若是没有安装3ds ma