地理教學中虛擬現實技術的應用初探

江蘇省南京市寧海中學（210024） 俞飛虹

一、虛擬現實應用于課堂教學的優勢及特色

虛擬現實技術（Virtual Reality）又稱VR技術，是一種具有沉浸性、交互性和幻想性的人機交互技術，是綜合了圖形技術、仿真技術、傳感技術、顯示技術、人工智能技術等多種學科技術的三維逼真的虛擬環境。虛擬現實系統可通過以文字、圖形圖像、動畫、聲音以及視頻等多源數據，作為媒介構建虛擬場景的交互系統，為用戶提供視覺、聽覺和觸覺、味覺和嗅覺等感知功能的能力，使得用戶能在虛擬環境中具有較為真實的感受。將虛擬現實技術引入地理教學可在宏觀、微觀場景的可調控觀測視角、跨越不同時空尺度場景的自定義演示，以及具有真實臨場感的教學游戲等方面取得突破。

現實的地理環境紛繁復雜，學生在短時間內往往無法把握其主要特征，這導致學生在分析探究地理事物分布和發展演化規律時具有片面性，難以貫徹地理學的基本特征及整體性。虛擬現實技術把場景的可視化與交互能力作為核心，大大增強了人的臨場感和在虛擬環境中的沉浸性（真實性）、用戶與模擬環境中對象的可操作度和對環境的反饋度（交互性），以及廣闊的可想象空間和認知范圍的可拓展性（構想性）。虛擬現實不單提供了用戶與終端的接口，更可使用戶從虛擬環境獲取新的知識，從而產生新的構想并反饋給系統，進而實現學習-創造-再學習-再創造的過程。

1．虛擬現實技術提供了宏、微觀場景的可調控觀測視角

VR技術借助于計算機和相關設備實現對真實地理環境的模擬與實時交互，為學生從不同側面、不同層次全面分析探究各種環境要素的特征和演化規律提供了可能。目前互聯網上已經出現了許多虛擬現實的網站，充分應用這些網站提供的虛擬現實素材，即可方便地構建出虛擬課堂。如在中國全景旅游網（http://www.chinavr.net）中，可以找到全國各地風景名勝的虛擬現實場景，在旅游、地貌、水文和植被以及經濟文化有關內容的教學時，即可利用該網站引導學生進行自主探究學習(圖1)。

圖1 從不同角度、不同距離觀察南京中山陵的虛擬現實場景

2．虛擬現實技術提供了跨越不同時空尺度場景的自定義演示功能

一些地理現象的發生發展具有很大的時空尺度，它們的演化過程較難在現實環境特別是在課堂教學中觀測探究。如大尺度的大氣運動、深海底部、巖石圈的內部、火山的結構等。借助于VR技術所打造的虛擬地理環境，我們可以根據地理事物的發生發展規律，從時間維度上進行適當的壓縮和拉伸，從而將漫長的緩慢的變化過程變得顯而易見，將迅速發生的變化過程演示得細節突出，從而提高學生學習的效果。圖2給出了基于Forgefx虛擬現實系統的冷鋒天氣過程和板塊構造理論海底擴張過程的演示。通過滑動系統所提供了滑塊，學生可以自由調控鋒面天氣系統和海底擴張的時空過程，從而提供了一個直觀的探究環境。

圖2

二、虛擬現實在課堂教學中的應用實例：太陽系中行星運動

太陽系中的行星運動涉及到行星運動、日食和月食的產生以及地球的自轉和公轉等內容。上述教學內容不僅抽象、時空跨度大，而且知識點繁多，學生一般較難獲得直觀的認識。借助于虛擬現實技術，可以直觀地再現和演示太陽系中行星運動的真實場景與運動特征。

1．基于虛擬太陽系的行星運動特征教學

基于交互虛擬網站Forgefx提供的太陽系虛擬宇宙環境，選擇太陽系中的行星及小行星帶等要素，用細線給出了行星的公轉軌道。通過點選天體獲得選定天體的主要物理特征，并在左側下方展示了該天體的照片，右側上方實時給出了該天體的運動狀況及其與其他天體的相對位置等。通過改變視點位置，使學生能從不同距離，以及側視、頂視或透視等不同方位，迅速掌握太陽系的主要成員及其運動特征。如頂視即可發現行星公轉同一方向，軌道近似圓形，太陽位于其焦點，側視則揭示出行星公轉軌道的共面性特征（圖3）。Forgefx提供的系統雖沉浸感不很強，但所提供的場景已相當直觀。美國Astronautic Technology公司的Al-Falak 虛擬太陽系則包含手套、頭盔、眼鏡等虛擬設備，可使學生獲得更好的臨場體驗。

圖3 頂視圖和側視圖展示的行星公轉軌道的近圓性和共面性

2．基于虛擬現實的月相和日食教學

月相和日食的理解，需要很強的空間認知能力，基于Forgefx的系統，可以營造產生月食和日食的宇宙環境（圖4），象月食、日食這樣現實條件下難得一見的現象可重復演示，為學生的自我探究提供了充分的條件。通過系統所提供的觀察點以及視角的變換，我們更可以從太陽、月球、地球以及整個宇宙環境中觀察不同月相轉換以及日、月食的發生，直觀再現相關知識點。

圖4

三、結論與討論

相對于傳統的語言、圖片以及動畫等相對靜態的教學材料而言，虛擬現實技術提供了靈活的、具有高臨場感、高交互性和廣闊的認知構想性的環境。虛擬現實為教學活動營造的虛擬地理環境與現實的地理環境有所差異。虛擬地理環境創設時，我們可以根據教學內容、教學要求和學生的實際情況，將地理要素進行必要的取舍和再加工。在教學活動中，學生與虛擬環境進行交互探究時，既有利于把握整體特征，又有利于認識主導因素，從而大大提高學生自我探究學習的效率。

現階段，除了在互聯網上尋求虛擬現實的教育資源外，借助專業的軟件如Shockwave3d、Quest3D、VRML和Vir Tools等可以制作簡單的場景?？傊?，應用虛擬現實技術，我們可以營造基于現實世界而超越現實世界的虛擬地理環境，為課堂教學提供自主探究的有效空間，從而可從根本上改變學生學習地理的方式，為新課程的推進提供新的思路。