基于zSpace的虛擬現實技術在地理教學中的應用

張欣

[摘 要]在互聯網+教育的發展背景下，通過對地理教育領域中運用虛擬現實技術的國內外研究進展的論述，以虛擬現實技術zSpace為例，依據虛擬現實技術的特點，與地理教學內容相結合，探討了虛擬現實技術zSpace在地理教學中的應用，為從事教育教學人員提供參考。

[關鍵詞]虛擬現實技術;zSpace;地理教學

[中圖分類號]G633.55

[文獻標識碼]A

[文章編號]1005-4634（2019）03-0092-04

虛擬現實技術就是采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環境，用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象進行交互作用，相互影響，從而產生身臨其境的感受和體驗[1]。虛擬現實技術可分為三大類：沉浸式虛擬現實系統、桌面式虛擬現實系統和分布式虛擬現實系統。本文以桌面式虛擬現實系統zSpace一體機為例，探討目前虛擬現實技術在地理教學中的應用現狀與問題，并提出相關建議以供參考。

1 概述

1.1 虛擬現實技術zSpace

zSpace是美國硅谷的一家公司在STEM的教育理念下生產出的應用教育的虛擬現實系統一體機，通過虛擬現實環境改變人們探索、研究和設計事物的方式，加深數字化學習體驗深度，提供了一種能激發學生好奇心、增強學生理解能力的終極學習體驗。它的硬件系統包括24英寸高清顯示器、定位筆、3D追蹤眼鏡、2D眼鏡等;軟件有3D工作室、牛頓力學公園等，此系統強調VR的實時性和并發性，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術以及觸覺力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等都有相應的需求，還可通過技術實現圖層疊加、立體動畫、場景漫游等功能。

1.2 國內外研究進展

國外針對虛擬現實技術在教育中的應用主要集中于以下幾方面：（1）將虛擬現實技術用于課堂教學中。Yukiko Inoue教授利用虛擬現實技術和視頻教學做了對比實驗調查，在學習世界地理這一部分內容時，針對課堂效果進行了評價[2]。（2）虛擬仿真地理環境設計。Mehdi Mekni教授使用地理信息系統數據來構建人們所稱的知情虛擬地理環境（IVGE），所構建的IVGE模型支持大規模復雜的地理環境建模[3]，他還提出了一種利用GIS提供的數據自動構建的新方法，可以訪問并從計算的IVGE中檢索[4]。（3）虛擬實驗室的建立。Lavanya R與Ramachandran V教授探討虛擬實驗室在電子學習套件中的有效性，即是否提高了學生的學習技能和概念的理解水平[5]。可以看出，虛擬現實技術是有潛力成為有效的學習技術或學習環境的，從而幫助學生加速學習以及信息的保留。

與國外相比，我國的虛擬現實技術發展起步較晚，技術系統還有待積極開發。如龔建華、周潔萍等人研究虛擬地理環境的形成發展特征等，初步建立一個虛擬地理環境基本理論研究框架[6]。邱隆偉通過對地學類課程特點進行分析，將虛擬現實技術運用到地學類課程[7]。劉凱、毋河海等人根據文獻分析了虛擬現實技術的應用研究進展，提出了數字地球、虛擬地理環境、城市規劃等未來應用研究的六個主要研究方向[8]。李斌、王巖松等根據虛擬現實技術的三維交互特點，探討了地理野外實習虛擬現實系統的設計及其優勢等[9]。北京中教啟星公司也針對地理學科，基于zSpace一體機，開發了適用于地理課堂教學的中學地理課程資源。

從以上國內外研究進展可以看出，虛擬現實技術在教育領域中的研究與應用還處于起始階段。由于地理學科具有綜合性、實踐性、科學性等特點，將虛擬現實技術應用于地理教育還缺乏系統的理論支撐或僅限于單一視角的分析。

2 虛擬現實技術在地理教學中的應用

加強信息技術與課程的整合是地理學科發展的需要，也是學生發展的需要，要在地理的教學過程中體現以信息化帶動地理課程教學的現代化[10]。在地理教學過程中，教師經常會用講授法、演示法來進行教學，但有些內容是無法表達的，而虛擬現實技術zSpace的出現恰好彌補了這一短板。對學生而言，通過運用虛擬現實技術學習地理知識，學習的趣味性增加，學習方式也更加多樣化。

2.1 建立虛擬地理模型，增強學生立體空間感

朱曉華、肖斌認為借助虛擬現實技術，將山川河流等地形地貌建成模型庫，會讓學生有身臨其境的感觸[11]。張冰和朱林珍等人也以我國行政區劃圖、黃赤交角變化、泥石流災害為例，探討了虛擬現實技術在地理教學中的方法應用[12]。例如地球內部的構造，學生可以通過定位筆手動拆分地球內部的地殼、地幔、外核和內核等，重新構建學生對地球內部構造的認知。教師還可結合IPAD或其他多媒體的使用，配合所適用的教學內容，提高學生的積極性。講授初中地理內容時，以往的教學中學生見到的大多數都是平面的二維圖片，對其如何從三維立體轉換為二維平面的過程較為模糊，而基于zSpace一體機的虛擬現實技術就可以將大尺度的地理事物建成3D模型，還有多種操作按鈕匹配不同的地形，學生切換自如，對于等高線地形圖的認知更加空間化、具體化（圖1、圖2為等高線地形圖的立體模型）。教師以3D模型為載體，創設一些探究性問題，學生小組合作進行探究，多角度地認識等高線地形圖。上述所舉例的一些操作功能都是結合了虛擬現實技術交互性、實時性、并發性的特點，依據學生的認知發展規律，讓學生主動地去建立相關地理知識的認知結構。

2.2 創設虛擬地理環境，提升學生學習效率

何娜、溫瑞虹認為可以將大尺度的地理環境進行模擬，例如雨雪天環境等[13]。讓學生處于虛擬的環境，使被動的地理知識接受轉變為主動的知識獲取。趙俊昊在地理教育、電子地圖、地理旅游、地球結構、城市規劃等方面進行了初步的研究[14]。林琿教授等對虛擬地理環境概念的提出、發展過程及其與實驗地理學的結合做了大量的研究[15，16]。地理的學習離不開地理環境，現階段地理情景教學方式普遍采用的是依靠圖片、視頻、文字等進行情景教學。虛擬現實技術zSpace將地理情景教學進行升級，例如可以利用制作出的地理虛擬環境場景，學生帶上3D眼鏡，通過操作定位筆在南極或北極地區進行場景漫游，身臨其境地進行體驗式學習，提高學習地理的趣味性與效率。在虛擬環境中，學生自己漫游極地地區，主動感受極地地區的自然地理現象，可以看到南極的企鵝（示意見圖3）、北極的北極熊等，記憶更加深刻。虛擬現實技術的想象性在地理學習中是不可或缺的，虛擬地理環境的創設為教師和學生在課堂上提供了資源載體，將抽象概念形象化與可視化。

2.3 地理教學方式多樣化，優化地理課堂教學

Maria Virvou、George Katsionis在研究虛擬現實游戲可用性和親和性問題時，目的是教授學生地理知識進而做出評估實驗[17]。這個評價實驗的可用性和親和性在一個既不純粹教育也不純粹娛樂的環境中保持。這樣多種教學方式的結合，讓學生通過經驗獲得知識，促進了學生的發展。吳國璽、張泊平等人回歸教學本質，探討利用虛擬現實技術進行地理課程設計[18]。教師可將基于zSpace一體機的虛擬現實技術作為教學的資源庫，由于技術水平或課程資源等限制，大多應針對于地理教學中的重難點進行突破，而不是每個知識點都適用。在課堂上，每次使用虛擬現實技術的時間適宜在10分鐘以內，還需要多媒體或傳統學具多種方式相結合，才能更好地優化地理課堂教學。

2.4 培養學生地理學科核心素養，降低學校教育成本

地理教學中地理實踐力的培養一直以來是地理教育者所看重的，但因種種條件限制，實施異常困難。潘立新將虛擬現實技術應用在高校的人文地理遠程實習中，為其他研究者提供了借鑒[19]。這種技術與教育的結合節省了時間以及資源的成本，滿足了學生發展的需要。黃恩強也認為虛擬現實技術有利于促進學生地理實踐力的提升，為地理實踐提供了新途徑[20]。地理新課程標準中增加了野外觀察地形地貌等知識點，可以利用虛擬現實技術做出的各種典型地貌模型，設計一些不同區域地貌出現差異的原因等探究性問題。利用圖層開關的功能，結合氣候、地形等因素，用定位筆360°旋轉觀察，清晰明了地認識地貌，對培養學生地理實踐力、區域認知等核心素養起到了促進作用，學生到野外考察的時候會達到事半功倍的效果。

在筆者看來，虛擬現實技術應用于地理教育的優勢是極為顯著的，可將時間或空間上的因素限制通過虛擬環境來實現。在學習方法上，可與實驗教學法和探究學習法等相結合，多種媒體技術交互使用，讓學生成為主體去建構知識體系。

3 總結與建議

新課程改革下，教師應始終將提高自己綜合素質銘記于心。隨著現代信息技術在教育中的普及，教師需要從理念與意識上緊隨時代潮流，利用更多的時間去學習新的知識技能。從傳授型教師轉化為研究型教師。加強虛擬現實技術在地理教育中的運用，并不是一味地只用新技術，而是要擇其優點，在傳統教育手段的基礎上創造新的教學方法或教學模式。針對地理教學內容與虛擬現實技術的適宜性問題，筆者僅找到幾篇文章。例如，李婷總結了VR技術適宜人教版初中地理的教學章節[21];張娉以“地球上的大氣”為例，探討虛擬現實技術與高中地理實驗設計的結合[22];蔡敏則與傳統地理實驗對比，探討虛擬實驗在中學地理教學中的應用[23]。筆者認為要避免出現信息技術與地理教學主次不分的情況，以學生為主體，培養學生的思維能力。虛擬現實技術的沉浸性、交互性與想象性是一般技術所不具有的，對于利用VR的地理課程資源的開發要加大研究。張述林通過不同角度將基于VR技術的地理教學與文學、英語、歷史等學科相結合[24]。可見，基于虛擬現實技術的地理課程資源的開發還可下很多功夫去研究，一線教師或地理教育專業學生可與教育設備公司合作開發具有創新性、適宜性、可用性的地理課程資源，例如教師可以提供教學設計思路，所需的虛擬地理場景及地理模型由公司來進行技術上的實現，但前提是要始終保持溝通交流，否則最后出來的產品效果會大打折扣。

參考文獻

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