虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)地理課件制作中的應(yīng)用

周智敏

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality)是利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進(jìn)入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，從而獲得身臨其境的感受和體會(huì)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從誕生之日起就嶄露了它特有的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)、教育、建筑設(shè)計(jì)、軍事訓(xùn)練、體育訓(xùn)練、娛樂游戲等眾多領(lǐng)域。在中學(xué)教育領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用空間。本文主要探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本知識(shí)以及它在中學(xué)地理課件制作中的應(yīng)用。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1 什么是虛擬的現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1989年美國的J.Lanier（后來曾是專做VR產(chǎn)品的VPL公司董事長）提出所謂“虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）”，即用計(jì)算機(jī)技術(shù)來生成一個(gè)逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自然的技術(shù)和某些設(shè)備，對(duì)這一生成的虛擬世界客觀，進(jìn)行瀏覽和交互，國內(nèi)也有人譯為“靈境”“幻真”等。

根據(jù)上述的解釋，虛擬現(xiàn)實(shí)由兩部分組成：一部分為創(chuàng)建的虛擬世界（環(huán)境），另一部分為介入者。虛擬現(xiàn)實(shí)的核心，是強(qiáng)調(diào)兩者之間的交互操作，即反映出人在虛擬世界（環(huán)境）的體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型，如圖1所示：

圖1 概念模型

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征

（1）多感知性

指除了一般計(jì)算機(jī)所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知、味覺感知及嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)，就是應(yīng)該具有人具有的全部感知功能。

（2）存在感

又稱臨場(chǎng)感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該達(dá)到使用戶難以分辨真假的程度。

（3）交互性

交互性是指用戶對(duì)模擬環(huán)境，內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）。

（4）自主性

是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。

2 中學(xué)地理中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2.1 需求分析

縱觀目前上海市中學(xué)各學(xué)科的課程標(biāo)準(zhǔn)，幾乎都提出了“關(guān)注與現(xiàn)代信息技術(shù)整合的”理念，尤其在地理、數(shù)學(xué)、物理等自然科學(xué)類的學(xué)科中，更為突出。

在地理學(xué)科中的自然地理部分，考慮到中學(xué)生的三維立體空間的概念比較薄弱。但僅僅依靠傳統(tǒng)的講授教學(xué)法，配以教材上的平面示例圖，很難理解有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。若采用具有較強(qiáng)的三維立體空間表現(xiàn)能力的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將教材上的平面示例圖變?yōu)槿S立體圖的話，能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)學(xué)生建立空間模型的能力，以及提高學(xué)生進(jìn)行空間推理的水平。

這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，能對(duì)三維立體模型有個(gè)全方位的認(rèn)識(shí)，能主動(dòng)地去發(fā)現(xiàn)問題、探究問題，這樣既調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，又使他們對(duì)所學(xué)知識(shí)有了深刻的認(rèn)識(shí)，同時(shí)提高了他們發(fā)現(xiàn)問題、探究問題的能力，這些都是傳統(tǒng)二維平面動(dòng)畫所不能相比的。

類似地，在數(shù)學(xué)學(xué)科的立體幾何章節(jié)中，可以構(gòu)建各種可交互性的各種立體模型，可以把三維立體幾何與二維平面幾何的有關(guān)知識(shí)聯(lián)系起來，例如：二面角。在物理、化學(xué)和生物等學(xué)科中，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以自主地在其中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等等，這一系列應(yīng)用定能充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)教育中的作用。

2.2 建立虛擬現(xiàn)實(shí)模型

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同，可以采用多種軟件來實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)。部分軟件的功能及優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示：

表1 虛擬軟件的優(yōu)缺點(diǎn)

（考慮到軟件需要適用于中學(xué)老師，因此這里列舉都是普及性的軟件）

靜態(tài)模型采用AutoCAD建模來實(shí)現(xiàn)，AutoCAD的好處就是自帶3D引擎，建立好的模型，可以直接在軟件中進(jìn)行縮放或視角變換。教材中有關(guān)于日食月食發(fā)生的解釋，如圖2所示：

圖2 日食月食發(fā)生的解釋

并不是每次新月都發(fā)生日食，每次滿月都發(fā)生月食，根本原因是黃道面（地球的公轉(zhuǎn)軌道面）和白道面（月球的公轉(zhuǎn)軌道面）由5°9′的夾角，而在一張平面上要表達(dá)兩個(gè)平面的信息很困難。

如圖3所示：

圖3 AutoCAD

AutoCAD中的建模模型，只要通過鼠標(biāo)的旋轉(zhuǎn)，把視圖變?yōu)閭?cè)視圖，那么圖2中的A位置的日、地、月三者的位置關(guān)系就明顯了，三者并不會(huì)完全在一條直線上，所以不能發(fā)生日食或月食。而在 B位置時(shí)，月球恰好運(yùn)行到黃道面和白道面的交線上，才可能發(fā)生日食和月食。

3 使用AutoCAD建立地球三維模型

在自然地理部分中，經(jīng)常會(huì)觸及太陽、地球、月球三者的空間關(guān)系，因此AutoCAD中將其做成一個(gè)組件，今后可以反復(fù)多次調(diào)用。下面就以地球?yàn)槔喴f明一下制作過程。

準(zhǔn)備工作：

1）新建圖層。為了在教學(xué)時(shí)能夠任意顯示或關(guān)閉所需的內(nèi)容，需要將它們繪制在不同的圖層上，如圖4所示：

圖4 新建圖層

2）打開捕捉。確?！皩?duì)象捕捉”和“對(duì)象追蹤”按鈕處于開啟狀態(tài)，如圖5所示：

圖5 打開捕捉

3）建立工作平面。AutoCAD提供了一種可移動(dòng)的坐標(biāo)系，稱為用戶坐標(biāo)系（UCS）。請(qǐng)檢查 “視圖”菜單→“顯示”→“UCS圖標(biāo)”→“開”前是否已打鉤。默認(rèn)情況下它是世界坐標(biāo)系的兩根坐標(biāo)軸，其中Z軸指向屏幕外，如圖6所示：

圖6 UCS圖標(biāo)

這里需要建立一個(gè)新用戶坐標(biāo)系，新坐標(biāo)系的 Y軸與世界坐標(biāo)系的Z軸平行。這里的旋轉(zhuǎn)遵循“右手螺旋定則”，X軸的正方向與右手大拇指的方向一致，4個(gè)手指的方向就是要旋轉(zhuǎn)的方向，如圖7所示：

圖7 旋轉(zhuǎn)

這樣新坐標(biāo)系的 Y軸就指向屏幕外了，與世界坐標(biāo)系的Z軸平行，方向也相同。而新坐標(biāo)系的Z軸的正方向與世界坐標(biāo)系的Y軸的正方向正好相反，效果如圖8所示：

圖8 UCS圖標(biāo)

制作過程：

1、繪制地軸。在剛才已經(jīng)新建了用戶坐標(biāo)系中沿Y軸方向繪制一條長200的線段。在Y軸正方向上的端點(diǎn)就是北極點(diǎn)，另一個(gè)端點(diǎn)為南極點(diǎn)，中點(diǎn)為地球球心。

2、繪制本初子午線。為本初子午線新建一個(gè)圖層，顏色設(shè)置為藍(lán)色。用同樣的方法繪制 180°經(jīng)線，將顏色設(shè)置為黑色。

3、繪制赤道。單擊“繪圖”菜單→“圓”→“圓心、半徑”，鼠標(biāo)在地軸中點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)三角形，按下鼠標(biāo)左鍵，然后輸入100，赤道就畫好了。為赤道新建圖層，設(shè)置為紅色。這樣經(jīng)緯網(wǎng)的框架就搭建起來了，如圖9所示：

圖9 赤道

4、繪制其他經(jīng)線和緯線。如圖10所示：

圖10 經(jīng)緯線

5.美化地球三維模型。我們?cè)诮?jīng)緯線下再建立一個(gè)球體。最終效果，如圖11所示：

圖11 三維地球

4 總結(jié)

通過 AutoCAD的靜態(tài)三維模型建模實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以幫助中學(xué)生在沒有學(xué)習(xí)過立體空間幾何知識(shí)的前提下，在最短的時(shí)間理解有關(guān)知識(shí)，掌握要點(diǎn)，可以說中學(xué)地理學(xué)科是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)教育階段最佳的學(xué)課，能最有效地發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的作用，提高教學(xué)質(zhì)量的，尤其在自然地理部分顯得更為突出。在實(shí)際的教學(xué)應(yīng)用中，，既豐富了教師的 教學(xué)手段和方法，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

但制作此類課件對(duì)于地理學(xué)科的老師有些難度過高，這樣就需要更多此方面的專業(yè)制作人員為一線老師給予培訓(xùn)和指導(dǎo)。

[1]汪成為，高文。靈境（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的理論、實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用。[M]北京：清華大學(xué)出版社2004.10

[2]周躍良。中小學(xué)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)與應(yīng)用。[M]北京：人民教育出版社。2006.8

[3]程光遠(yuǎn)。AutoCAD2008中文版實(shí)用自學(xué)手冊(cè).新手提高篇。[M]北京：電子工業(yè)出版。2009.3

[4]仝兆景，張科，董愛華。虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。[j]教育傳播與技術(shù)。2008.2

[5]曹慧麗，張維。用信息化手段提高實(shí)驗(yàn)室資源利用率。[j]實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2006（5）：86