VR虛擬技術在土壤地理學教學中的應用探索

薛志婧 劉俊娥 李霄云

摘要：本文擬將虛擬現實技術（VR）融入高校地理科學專業《土壤地理學》課堂的教學設計中。通過分析傳統土壤地理學教學模式存在的問題，探討虛擬現實技術在土壤地理學課程教學中的應用優勢，針對教學內容抽象繁雜、學生空間想象力薄弱等問題，應用VR技術中的3D三維立體構型和動態過程環境構建虛擬學習情境，更好地展現《土壤地理學》課程中關于空間和過程的相關內容。將學生自身的感知系統和虛擬學習情境“融為一體”，讓學生在身臨其境獲得知識的同時，更好地激發其學習興趣，開拓思維，培養地理科學素養。

關鍵詞：虛擬現實技術（VR）；土壤地理學；教學模式；虛擬教學情境

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）11-0004-02

一、虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual reality，VR），是一種先進的人機交互技術，又稱靈境技術。是一種以計算機技術為核心而創建的視覺虛擬世界，從特定范圍的虛擬環境中可體驗逼真的視、聽、觸覺一體化效果；是可以從自然視點出發，借助輔助設備對生成虛擬環境的對象進行交互作用、相互影響，從而產生親臨真實環境體驗的沉浸式交互環境[1]。VR技術融合了多媒體計算機技術、傳感技術和仿真技術等，由于其獨有的多感知性、沉浸感、交互性及自主性，被廣泛應用于視景仿真、臨床醫學、軍事模擬、科學可視化等領域[2]。并成為21世紀重要的發展學科以及影響教育領域的重要技術之一[3]。

二、傳統土壤地理學教學模式的存在的問題

土壤地理學是針對地理學專業開授的實踐性較強的必修課程，是綜合自然地理學的重要組成部分。其教學目標是使學生掌握該領域的專業基礎知識、基本原理和理論，提高學生認識土壤、分析土壤的能力，使學生能夠初步利用土壤地理學知識去解決實際生產中的土壤問題，并通過實驗與野外調查，培養學生的動手能力，分析問題、解決問題的能力[4]。在傳統的以授課為主的教學模式中，僅配合板書、PPT、少量圖片和視頻等教學方法，傳播的知識比較晦澀抽象，不利于學生對知識點的掌握。同時，又制約了學生想象力與邏輯思維能力，有礙于對學生地理科學素養的培養，加之高校課程設置改革的影響，土壤地理學課時縮短，基本很難達到預期的教學效果與教學目標[5]。

三、虛擬現實技術在土壤地理學課程教學中的應用優勢

土壤地理學是土壤學與地質學、地理學、地球化學、生態學等學科的交叉學科，是最直接提供土壤本身信息的科學，是探索土壤圈的過去、研究現狀、預測未來、描述它的空間特征和三維變異的基礎學科分支[6]。其教學目的在于理解和回答諸如“土壤是什么？”“為什么如此？”“如何演變？”等問題，即研究地球表層系統中土壤的物質組成、形成機理和演變過程，及其與巖石圈、大氣圈、水圈三大圈層和六大要素之間的相互作用關系。因此，關于空間和過程的問題是土壤地理學的核心內容。

由于空間和過程的教學內容往往是三維的、動態的，一般平面的、靜態的、文本的教學模式無法代替空間和過程效果的呈現。隨著VR技術的不斷革新和發展，把其應用于課堂教學中，將聲音、影像、Flash動畫、三維模型等技術的綜合，使教學情境不再以圖片和簡單的視頻呈現，而是學生頭戴VR設備，沉浸在一個個虛擬的教學情境中，把枯燥、繁雜、抽象的內容生動化，高效快速地獲取所學知識。從而使學生由知識的被動接受者轉變為虛擬環境中的主動參與者[2，3]。

（一）VR技術在土壤地理學空間模塊的應用

VR技術能夠呈現3D結構塑性，即空間模塊。可以為學生創造課堂需要的三維地形、空間旋轉、縮放等立體場景，并將微觀個體的空間結構和宏觀分布進行三維立體展示。如：第二、三章土壤固、液、氣組成及其診斷特性中，涉及到土壤固（礦物質、有機質）、液相（土壤水和溶液）、氣相（土壤空氣）和土壤生物有機體的空間結構。借助VR技術中3D軟件的輔助設計、視頻的可視化編輯，實現從空間格局出發，讓學生由內而外、由小到大對土壤個體進行探索、觀察、分析和了解。同時，借助VR虛擬設備參與虛擬場景，可以360°無死角地觀察每個細節，真正沉浸在虛擬的土壤場景中，身臨其境地穿梭在土壤孔隙的各個角落，觸碰土壤水分的各個存在形式，在螞蟻等土壤生物所留下的穴道里一睹生命的奇跡，把握10-1—10-9m粒徑土壤顆粒的質地和分布。再如第八章土壤分布與土壤分區中，通過調研全球各洲的土壤廣域分布和中國土壤廣域分布，借助Flash和GIS技術制作VR虛擬教學場景，增加學生對土壤的水平和垂直地帶性分布直觀的理解。并通過虛擬教學場景理解土壤發生和形成與地理位置的內在聯系。

（二）VR技術在土壤地理學過程模塊的應用

VR技術能夠呈現虛擬的動態過程環境，即過程模塊。動態的虛擬學習情境可為課堂學習情境創設真實的沉浸感和視覺動態，可以塑造較視頻更為龐大的空間，擺脫平面的限制空間范圍。在3D的空間領域之中，一個成體系的知識系統通過輔助設備更為直觀和全面地展示出來，系統性和邏輯性更強，更有利于學生對知識整體邏輯性的把握。如：第三章土壤流體組成及其診斷特性，涉及到土壤水分平衡與全球水循環，將學生變身成一個水分子，作為降水中的一份子在虛擬情境環境中開始一段旅行：（1）：垂直方向：蒸發/地表徑流/下滲—葉表面吸收/植物根系吸收—入滲進入土壤深層包氣帶—壤中流/地下水；（2）水平方向：海洋、湖泊、河流、陸地表面水分的循環；（3）微觀尺度，水分在土壤孔隙中的形式和動態。再如第五章土壤形成過程，涉及土壤個體發育、系統發育和演替及土壤形成過程，所制作的虛擬教學情境像穿越一樣，將學生帶入第四紀永凍土和冰川的出現、第三紀中期與溫帶闊葉林條件相適應的棕壤等時期，使學生從土壤個體發育的源頭出發，慢慢地體會土壤形成的漫長，感受隨著地形、氣候、植被和水文等成土因素對土壤的影響過程。這一幕幕的虛擬現實場景，打破了傳統課堂學習環境的局限性。引起學生的好奇心，抓住課堂的注意力，調動學生學習的積極性，促進學生對理論知識的思考和把握。

四、結語

在傳統教育模式下，土壤地理學知識是可量化的，而不可量化的部分僅僅通過傳統教學模式的培養始終無法達到預期的教學效果。而VR技術的案列式、啟發式、探究式、討論式等教學方式恰恰是多感知的、交互的、自主的。這些靈活多樣、可塑性強、內容豐富的優勢彌補了傳統教育模式的劣勢。不僅讓學生成為一名觀察者、一名體驗者，而且將枯燥乏味的不可量化部分變得更容易被理解和掌握。同時，激發了學生的學習主動性和積極性，達到更好的教學成果，優化了課堂結構。

參考文獻：

[1]張玥娟，王慧.論VR技術在導游講解實驗教學中的應用[J].實驗科學與技術，2015，13（6）：86-88.

[2]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學，2009，（1）：2-46.

[3]何明雄，李兆延.VR技術在教學中的應用[J].科技與教育，2007，（472）：205.

[4]華珞，王學東.關于“土壤地理學”教學的幾點思考[J].首都師范大學學報，2009，30（3）：44-47.

[5]李俊波，華珞.區域地理過程課堂可視化研究[J].首都師范大學學報，2003，24（3）：96-102.

[6]李天杰，趙燁，等.土壤地理學[M].第三版.北京：高等教育出版社，2004.