基于数字感知技术的“古生物学”教育教学改革研究

［摘 要］ “古生物学”是结合了生命科学、地球科学相关专业知识的重要专业基础课，是研究地质历史时期的生物及其环境的一门学科，然而课程概念较为抽象，知识点精深庞杂，学生无法很好地理解和掌握。结合教学实际，对该课程当前存在的灌输式教育、实验实习成本高等难点问题进行分析，并有针对性地将数字感知技术融入教育教学过程中，从传统课堂教学方式、校内实验课与野外实习教育等方面开展了一系列教学改革。课程近两年取得了显著的教学成果。本课程的教育教学改革为高校其他地质类专业课程的教学改革提供了重要的借鉴经验和参考价值。

［关键词］ 古生物学；数字感知；教学改革；实践探索

［基金项目］ 2021年度长安大学实验教学改革研究项目“基于虚拟现实技术的地质实验教学资源建设和模式转型”（20211819）

［作者简介］ 张宝文（1988—），女，陕西西安人，硕士，长安大学实验室与设备管理处工程师，主要从事计算机软件开发与地质博物馆管理研究；姚肖永（1982—），男，陕西西安人，博士，长安大学地球科学与资源学院讲师，主要从事古生物学及地层学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）25-0075-04 ［收稿日期］ 2022-09-15

引言

古生物学是以古生物化石为主要研究载体的学科，是地质学的重要分支学科，亦是研究进化理论、生物地层学、生态地层学、古生物地理学及生物矿物学等多种学科的基础。因此，“古生物学”已经成为结合了生命科学、地球科学等相关专业知识的重要专业基础课程［1］。基于本课程的重要程度，我校对课程提出了较高的教学要求：通过课程学习，要求学生掌握扎实的古生物学基本知识，并能够熟练运用、分析和研究具体化石标本。

古生物学不同于现代生物学，相关文献资料和实物数量稀少，部分形态奇异的生物化石甚至违背常识，导致教师课程讲解过程中难以提供大量具象化、系统化的资料。同时，学习古生物学不仅要求学生熟记理论知识，而且需要学生通过实验课程与野外实习勘探，鉴别大量的化石及围岩标本，积累实践经验。本课程对于学习者在理论知识学习和实验、实践方面均具有相当的难度。目前已有部分高校在古生物方面进行了教学改革研究：重庆科技学院建立了古生物化石标本库，并采用科研教学相结合、双语教学的方式［2］；中国石油大学更新了宏观知识理论体系，增加了国内教材缺失门类［3］；河南理工大学因材施教，紧跟地学研究前沿［4］；等等。改革主要在理论教学方面进行，而实践教育改革方面还鲜有提及。如今，数字感知技术（digital perception technology）已成功运用于智慧交通、手术诊疗、文化遗产保护等多个领域，以突破性的感官体验获得了人们广泛的接受与好评，若将之扩展到古生物教育教学中，将带给师生更新、更全面的认知学习体验。本文基于任课教师多年教学经验，对“古生物学”教育教学中暴露的难点问题积极采用数字感知技术对教学方式进行改革优化，取得了较好的教学成果。

一、古生物实验教学中的难点问题

根据任课教师多年的授课经验分析，目前古生物实验教学中主要存在以下难点问题。

1.单方向灌输式课堂教育，缺乏教学辅助资料。“古生物学”课程覆盖范围广，知识体系庞杂，知识点较为碎片化、抽象，且缺乏具有整体性、具象化特征的辅助教学资料。传统课堂教学中绝大多数教师采用单向灌输式教学方式，这种被动式的、单调枯燥的教学模式缺少对学生的吸引力，学生在学习过程中参与度不够，学习效率较低。

2.实验、实习课程成本高昂。校内实验课程基本依托实验室收藏的化石系列典型标本在实验室进行，然而，其中大部分化石由于年代久远、风化剥蚀及挖掘过程产生过损伤，且实验过程中的接触会产生不可避免的磨损，变得不易辨认。为了保证教学质量，实验室会定期淘汰大量废弃标本，定期收集、采购新的化石标本，经济成本高昂。野外实习实践课程通常由教师带领学生赴野外基地进行实地勘察。由于单个基地的标本往往存在同一性，因此需赴不同地区的地质基地实习，对于师生均是体力、耐力的巨大消耗和考验，时间成本和人力成本高昂。

3.学生自主学习能力不足。“古生物学”课程开设在大三学年，本科生入学前两年的公共基础课程较为简单轻松，通常平时上课与考前复习相结合就能轻松通过考试，因此课前预习、课后复习的积极性不高，自学次数较少，养成日益依赖教师授课的学习习惯。线上学习时，学生容易受周边环境影响而走神，不利于培养良好的自主学习能力。骤然开始“古生物学”课程的学习，学生会由于自主学习、思考能力锻炼少，容易陷入难以适应学习强度、不能融会贯通前后知识体系的困境。

二、数字感知技术引入古生物教学实验的可行性

针对以上难点问题，为探索出更适合“古生物学”课程的教育教学方式，结合线上教学带来的影响和“古生物学”课程教学中总结的经验，同时调研数字化技术手段的发展，对数字感知技术引入“古生物学”课程教学的可行性进行了如下分析。

1.线上教学影响教学效果。近三年来，线下课堂时常通过慕课、雨课堂等线上课程平台进行，师生互动率降低，集体效应缺失，学生容易被周围环境影响导致课堂理论学习的效果一般，校内实验课与野外实习课也常被搁浅。

2.古生物教学需要实物复原。研究古生物化石对于了解古动植物、古气候、古地理的生态环境与变化有着重要的科学研究、文化传承、科普教育与观赏价值等意义，其演化具有不可再现的特点。然而，化石究竟是“死”的，能提供的信息是碎片化的、断层的，因此复原古生物对于古生物遗体、遗迹的相似性和差异性等整体研究具有重大意义。但目前就全球范围而言，古生物实物复原过程存在复原难度大、工艺成本高、专业人员少、对古生物的形象认识刻板单一等问题。

3.数字化技术蓬勃发展。自20世纪90年代起，随着各行各业的飞速发展，人们在学习、工作、生活、娱乐中大量运用计算机、互联网，促进了计算机技术的日新月异，图像处理、多媒体技术、人工智能等数字化技术蓬勃发展。

4.数字感知技术的优势。数字感知技术是一种集成图像、视频等多媒体信息，把真实世界与虚拟世界叠加在一起进行互动的技术，主要包括虚拟现实技术（virtual reality，VR）、增强现实技术（augmented reality，AR）与混合现实技术（mixed reality，MR），具有集成真实与虚拟世界、实时交互性好、跟踪定位强、成本低、可远程使用等优点，已广泛应用于军事、医疗、建筑、交通等多个领域，带给人们突破性的观感体验。

因此，将数字感知技术运用于“古生物学”课程教学中，师生可随时互动，既减少了教师解释抽象理论知识耗费的精力，又调动了学生学习的积极性，增加课程参与度，将对课程教学成效的提升提供一定帮助。

三、教学改革方案

针对上述课程难点问题，通过引入数字感知技术，本课程教师探索出一条在课堂教学、校内实验与野外实习等方面“古生物学”课程进行教育教学改革的路线，具体措施如下。

1.在课堂教学中引入增强现实技术。增强现实技术将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成并产生互动。针对传统课堂单向灌输式知识传播教育与教学辅助资料稀少的问题，通过融入增强现实技术对教育方式进行改革，以融媒体形式集成并丰富教学辅助资料，提高师生课堂互动率，以及学生学习兴趣、参与度与学习积极性，激发学生主观能动性与学习内驱力。本次教学改革以课本、课件中出现的古生物化石的照片为原型，将复原模型及动画、文字标题、背景知识、相关视频等信息整合进增强现实软件中，同时加入人机交互操作指令，发布手机平台软件，并由教师指导学生下载安装。教师在授课过程中，讲解到化石及图解照片时，比如蕨类植物化石，指导学生通过手机软件开启摄像头扫描照片，蕨类植物复原模型、动画等相关虚拟信息实时具象化地直接出现并叠加于照片之上。教师可以指导学生通过缩放、旋转、触摸等人机互动，全方位地观察复原模型内部与外部结构，便于教师讲解授课，减少对抽象细节内容的描述工作，同时提升学生的课堂参与度、学习兴趣与知识了解掌握度，增加师生之间的“传+受”互动率。

2.在实验课程中引入混合现实技术。混合现实技术是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境与实时互动的技术。针对实验课程中经济成本高昂的问题，通过引入混合现实技术进行改革，在学生分组自行观看未定名化石标本时提供对应复原信息的多媒体资料，辅助学生对标本进行合理分析，以更迅速、更准确地完成实验课程学习。发布手机软件，将实验室中化石标本对应的复原模型、声音、动画等相关多媒体资源融入混合现实程序中，同时插入空间定位与追踪，软件内容随实物化石位置、角度等信息变化而实时响应，开启摄像头对化石标本进行扫描识别，软件则可呈现出相关辅助资料信息。比如，学生围观贵州龙化石标本时，无论从哪个角度开启程序，均能围绕实物标本显示出贵州龙的复原视频。学生在实验课程中虚实结合进行学习，提高了学习效果。

3.在实习课程中引入虚拟现实技术。虚拟现实技术是指利用计算机生成一种可对参与者直接施加视觉、听觉和触觉感受，并允许其交互地观察和操作虚拟世界的技术。针对线上教学期间野外勘探实习时间与人力成本高昂的问题，融入虚拟现实技术进行改革，可打破时空限制，便于师生线上开展实习课程教育与线下教学的交流互动，改进实习教学效果。通过调研野外实习基地的环境、古生物化石与地质地层等信息，使用建模软件建模与开发建模引擎资源整合，甚至融入通过佩戴头盔手柄进行双眼双手实时操作的虚拟现实引擎，将化石、复原模型、动画、视频等多媒体资源搭载于完全虚拟的古地理古生物世界环境中。发布电脑平台、手机或VR一体机等设备操作软件，在线上教学期间，教师可开展线上野外实习，带领学生操作软件完成学习；线下教学中，也可以随时随地操作，浏览各地的野外实习基地。

四、教学效果

近两年的实践结果证明，本次教育教学改革取得了显著的效果。

1.学生成绩提高。据任课教师统计的期末考试成绩显示，2018级、2019级85分以上的人数比例分别比2017级分别提升了3%与5%，60分以上人数比例分别提升了11%与17%。实验课与野外实习的平时成绩也有所提高。

2.实践能力提升。校内实验课与校外实习过程中，学生的兴趣、积极性均有提升。通过数字感知技术辅助，学生小组观测鉴定标本时对理论知识与实物标本的结合分析更熟练、迅速、有见地，能在教师的引导启发下自主完成学习任务。

3.学生学习态度改善。任课教师考察与调研发现，数字感知软件增加了学生自主学习的兴趣，学生也可以随时随地自行启动软件进行辅助学习。近两届本科生的自主学习意识有所提高，2018级、2019级学生课前预习、课后复习的比例分别比2017级提升了19%与31%。

五、下一步改进思考

虽然近两年来“古生物学”课程教育教学效果有所提升，但仍存在一些不可忽视的问题。学生线上学习时间呈增长趋势，野外实习时间却逐年缩减，教学效果比线下教学较差，仍有个别学生的期末考试成绩低于及格线。

基于该问题，下一步的教学改革拟从以下四点开展：第一，加强线上教学交流实施力度，在微信、QQ、腾讯会议等软件上建班级学习群组、学生研讨小组、不同化石门类兴趣小组等群组，方便师生之间互动研讨沟通，提升线上学习效果。第二，已有数字感知技术软件中的标本数量有限，还需二次开发进行丰富扩展，同时考虑将更多的数字技术，如数字孪生技术扩展到教学课程中来，对化石实物进行数据积累和挖掘，激发学生的自主分析推理能力。第三，收集各大相关高校、地质博物馆、地质公园、勘探实习基地等场所中的古生物化石标本资料，将其整合为电子资料档案，实现社会资源本地化，丰富高校古生物数据库资料，便于教学使用。第四，加强奖励机制，由学院与学校博物馆联合，对成绩优异的学生予以颁发典型化石标本及收藏证书，在博物馆展览活动中展出学生勘探学习的照片，邀请学生组成志愿者小组参加兄弟院校之间联合开展的古生物主题展览会议等活动，参加讲解比赛等，采取多种形式对学生进行激励，激发学生学习古生物的兴趣和斗志。