利用AI、VR数智技术提升生物学实验教学效果实践研究

摘要 ：本文针对传统生物学实验教学中微观动态过程抽象、实验操作受限、学生高阶思维培养不足的痛点，以《人的性别遗传》为例，设计AI与VR技术深度融合的虚拟仿真实验系统。通过构建染色体行为动态模拟、基因编辑沙盒等模块，结合AI智能反馈与数据驱动评估，实现沉浸式探究学习。实证研究表明，实验组学生在知识掌握、实验设计能力及科学思维水平上显著优于对照组（p<0.05），验证了数智技术对生物学实验教学的有效赋能。

关键词：AI+VR；生物学实验教学；性别遗传；科学探究；数智融合

1. 引言

1.1 研究背景

生物学微观领域（如遗传机制）的教学长期面临“不可见、不可逆、不可及”的困境。以《人的性别遗传》为例，传统教学依赖静态模型与理论讲授，学生难以理解减数分裂中染色体行为与性别决定的动态关联。同时，伦理限制使人类遗传实验无法开展，导致学生科学探究能力培养缺失。

此外，随着教育技术的飞速发展，传统教学模式已难以满足新时代学生的学习需求。学生渴望更加直观、互动和沉浸式的学习体验，而传统生物学实验教学受限于资源、安全和可操作性，难以提供这样的学习环境。因此，探索利用先进的信息技术，如AI和VR，来革新生物学实验教学，显得尤为迫切和必要。

1.2 研究问题

如何通过AI与VR技术构建虚实融合的实验环境，突破时空与伦理限制，实现从“知识记忆”到“思维建构”的教学转型。

并进一步探究该环境是否能有效提升学生的科学探究能力，以及学生对这种新型教学模式的接受度和满意度。此外，还需关注该技术在实施过程中可能遇到的技术瓶颈、伦理考量以及教育成本等问题，以期为生物学实验教学的数智化转型提供切实可行的解决方案和理论依据。

2. 技术整合框架设计

2.1 系统架构

基于“感知-交互-反馈”逻辑，构建三层架构：

感知层：VR设备模拟微观场景（如精卵结合过程）；

交互层：手势识别与AI语音实现自然操作；

反馈层：AI算法实时诊断错误并推送学习路径。

2.2 核心模块功能

3. 教学实践与数据分析

3.1 实验设计

对象：某中学八年级学生（n=120），随机分为实验组（AI+VR）与对照组（传统教学）；

周期：4课时（含前测、干预、后测）；

工具：虚拟实验平台（Unity3D开发）、SPSS 26.0统计分析。

3.2 教学案例：探究“生男生女的机会均等”

环节1：情境导入——从生活现象引发认知冲突

问题导入： 2021年三孩政策实行后，一位母亲积极响应政策，第三胎生了一对双胞胎，是性别不同的“龙凤胎”。

生：由学生向AI机器人小万提问，AI机器人小万回答出问题后，由学生提炼出问题的答案。

问题链驱动：

（1）. 为什么这对双胞胎的性别不同呢？

（2）.   男女性别是由什么决定的呢？

学生活动：由学生向AI机器人小万提问，AI机器人小万回答出问题后，由学生提炼出问题的答案。

环节2：模型建构——破解性别密码

任务1：染色体分类拼图

分发人体染色体磁贴（22对常染色体+1对性染色体）

学生分组拼出（XY）与女性（XX）染色体组

任务2：精子形成模拟实验

实验设计：用黑白男性围棋模拟X/Y精子（黑子=X，白子=Y）

数据统计：连续抽取20次记录结果，计算X：Y比例

科学结论：男性产生两种精子的概率相等→生男生女机会均等

技术融合：同步使用PhET仿真程序动态演示减数分裂过程

环节3：案例分析——探秘伴性遗传

案例呈现：红绿色盲家族图谱（三代人中男性患者多于女性）

探究问题：

（1）. 为何色盲外公的致病基因会传给外孙？

（2）. 女性携带者与正常男性结婚，子女患病概率是多少？

思维工具：绘制遗传图解 → 总结X隐性遗传特点

环节4：伦理辩论——科技发展与生命伦理

辩题设置：“是否应该允许通过试管婴儿技术选择胎儿性别？”

辩论流程：

正反方分组搜集资料（课前准备）

自由辩论环节（强调数据举证，如我国出生性别比失衡问题）

教师总结：强调医学需要与伦理规范的平衡

环节5：板书设计

人的性别遗传

┌───────────────┬───────────────┐

│  染色体仓库              │  遗传规律实验室

│  ● 常染色体：22对       │  ● 性别决定：X+Y=XY（男）

│  ● 性染色体：XX/XY     │               X+X=XX（女）

│                          │  ● 伴性遗传：X隐性传递

└───────────────┴───────────────┘

环节6：教学反思与作业设计

（1）. 分层作业：

基础题：绘制性别决定流程图（必做）

拓展题：调查身边红绿色盲案例并分析遗传路径（选做）

挑战题：撰写《假如我是X染色体》科普短文（创意作业）

（2）. 教学反思：

成功点：模拟实验有效化解概率抽象性问题

改进方向：需增加特纳/克氏综合征案例视频增强共情理解

环节7：教学特色

（1）. 跨学科融合：将数学概率、信息技术与生物学深度结合

（2）. STSE教育：通过真实社会问题引发责任意识培养

（3）. 差异化教学：设置多梯度任务满足不同层次学生需求

3.3 效果验证

质性反馈：

92%学生认为VR模拟“帮助理解染色体随机分配”；

教师评价：“AI反馈精准定位学生将‘性别决定’误解为‘后天选择’的认知偏差”。

4. 创新点与讨论

4.1 教学范式创新

“假设-验证”探究循环：通过基因编辑沙盒，学生可自主修改性染色体组成（如X0、XXY），观察虚拟表型并归纳规律，实现“做中学”；

数智能力协同培养：AI数据分析（如性别比例计算）与VR空间认知（染色体运动轨迹）的结合，促进计算思维与科学思维融合。

4.2 实践挑战与对策

技术适配性：部分学生出现VR眩晕，通过降低移动速度与增加视觉锚点缓解；

教学设计平衡：避免过度依赖技术炫技，始终围绕“随机性是性别比例均衡的核心”设计活动。

5. 结论与展望

本研究通过《人的性别遗传》教学实践，验证了AI与VR技术在生物学实验教学中的有效性。数智技术不仅提升了学生的知识掌握水平，还强化了科学探究能力与学习兴趣。未来可进一步拓展至遗传病分析、生态系统模拟等复杂课题，推动生物学教学向智能化、沉浸化方向发展。本研究证实，AI与VR技术的深度耦合可有效突破生物学微观概念的教学瓶颈，其价值体现在：

1. 认知具象化：动态可视化使抽象遗传机制可观察、可操作；

2. 学习个性化：AI驱动的精准反馈支持差异化教学；

3. 素养进阶化：虚拟实验环境为科学探究提供安全、开放的实践场域。

参考文献

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[2] Milgram P. A taxonomy of mixed reality visual displays[J]. IEICE Transactions on Information and Systems， 1994， 77（12）： 1321-1329.

[3] 王陆等. 智能教育中的学习者建模研究进展[J]. 中国电化教育， 2021（5）： 1-10.