虛擬現實技術在地理教學中的應用與研究

摘要：隨著教育信息化時代的到來，虛擬現實技術在教育領域的應用研究正在不斷增多。為彌補傳統地理教學中存在的問題，在高校地理教學中提升虛擬現實技術，可以有效提高地理教學環境，使地理環境在虛擬現實環境中得到充分展示。對VR技術在地理教學中的運用進行了闡述，討論了虛擬現實技術在地理教學中的優勢，通過問卷調查虛擬現實技術在地理教學中的可行性，并以地理科學類專業課程為例，揭示利用虛擬現實技術開展實踐教學活動的應用價值及意義。

關鍵詞：地理教學；虛擬現實技術；地理實踐

一、前言

隨著教育信息化時代的到來，傳統的教學活動中，“教師教，學生學”的模式具有穩定性，但虛擬現實技術（VR）在教學領域的應用研究正在不斷增多，已經開始對核心的教學活動產生強大的影響，科技的進步和教育的現代化，學校硬件設備得到了顯著的改善，師生對于電子設備的操作也日漸熟練。數字教科書作為一種新型的教學工具，迅速在教育領域嶄露頭角成為教學的新寵[1]。2021年，教育部發布《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》，通過新的教育基礎設施來實現線上和線下有機結合，利用數字化和智能化技術來提升教育的質量和效率，推動教育的整體進步和創新，以支持教育的高質量發展[2]。VR技術通過直觀的互動手段，將復雜的學習材料轉化為可視化和形象化的形式，為學生創造了一個沉浸式學習環境。增強了學生獲取知識的主動性，并提高了對知識的長期記憶和理解[3]。

VR技術在地理教學中具有明顯優勢，能有效提升教學效果，激發學生思維，推動教學創新。為深化推進地理教學改革，需深入探討VR在地理教學中的應用，明確其在地理專業課程中的優勢和可行性，并以地理科學類專業課程為例，明確將VR技術應用于地理教學的優勢，幫助學生更直觀理解復雜地理概念，促進教學方法的革新。

二、VR技術在地理教學中的運用

地理學關注自然和人文要素，過去主要研究環境要素的格局特征演化過程和驅動機制，為工業布局和農業生產等產業活動提供支持。隨著社會經濟發展，人類社會面臨區域可持續發展、山水林田湖草生命共同體建設、區域高質量協調發展等問題，迫切需要地理學提供系統的理論、方法和技術支持[4]。VR技術的應用為地理教學帶來了創新性的變革。

地理教學中地理知識具有區域性、空間性和時間性的特點。在區域性上，通過虛擬三維場景，通過3D視頻的形式進行展現，讓學生通過身臨其境的方式，感受不同地區的地質、水文、植被等自然環境和人文風光，以加深對自然和人文的認識和體驗。形象直觀的3D視頻演示讓抽象的知識可視化，復雜的知識簡單化，使學習地理變得更吸引人，增強對地理多樣性的理解。在空間性上，利用VR技術，AR互動沙盤能夠根據沙堆的高低變化動態展示不同的地理特征。當沙子堆砌得越高，沙盤上就會依次顯現出大陸架、海岸線、陸地、湖泊、河流、山丘、雪山等地形地貌，讓學生能夠直觀地學習和理解各種地形的形態及其自然演變過程。

通過應用VR技術，增強現實（AR）結合氣候和地形變化還可以演示歷史典故、水利治理、自然災害、園林創作、地形繪制等。時間性上，利用VR技術能有效地呈現地理現象隨時間的變化。例如，地球的形成、板塊的運動、氣候的變遷等這些需要數百年、數千年甚至數萬年才能觀察到的過程，可以通過VR技術在幾分鐘或幾秒鐘內模擬出來。可以讓學生更直觀地理解這些地理現象的發生和發展過程，增強空間感和時間感，圖1為VR技術在地理教學中的建設模式。

地理學作為區域地理的核心內容，連接著要素地理與綜合研究，是提高地理素養培養和適應發展的關鍵課程。地理VR的建設理念獨特且創新，需滿足地理學科特定的定位、教學需求和素養培養目標，與其他學科有所差異[5]。通過對文獻收集與整理，地理教學中應用VR技術的意義在于：

（一）提升地理教學質量

在傳統的教學中，地理知識通常是通過二維的地圖或圖片來展示，對于一些抽象的概念或地形地貌的理解存在一定的難度。而VR技術可以將這些二維的地圖或圖片轉化為三維的模型，讓學生從多個角度觀察地理環境，更好地理解地理知識[6]。例如，通過模擬地形地貌的形成過程，學生可以了解到地質運動、氣候變化等多種因素對地理環境的影響，有助于深入理解地理現象的成因及預測其未來發展趨勢。地理教學通過采用新技術和方法，提升教育質量，創新教學內容，構建新的知識體系。

（二）探索地理野外實踐

在地理實踐教學中，由于實習經費、師資力量、外在因素的限制，自然地理和人文地理的實踐難以大規模實施。在教育實踐中，往往局限于教材、視頻資料，缺乏整體直觀感受。隨著VR技術的建設與發展，以3D可視化、虛擬三維場景等為切入點，有效激發學生對地理知識的好奇與探求未知的欲望，為地理學的野外實習提供了新渠道。

（三）豐富地理教學資源

地理學是一個動態發展的領域，研究者持續更新對地理現象的理解。地理學科的研究方法正迅速進步，云計算、大數據、物聯網和人工智能等通用技術的融合應用的研究范式正快速發展，逐漸構建系統思維模式，且應用于復雜理論和實踐問題的解析。

（四）理解抽象地域空間

在地理教學過程中，許多地理現象比較抽象，利用簡單的文字資料、圖片等難以直觀地展現地理現象過程。地理互動教學軟件、3D視頻教學資源、星體演示儀、全息柜、AR地理沙盤、語音立體地形圖等數字化設備能夠被利用在三維場景中進行實時互動，給學生以更加直觀的、具體的、可感知的認知，讓抽象的知識點更易懂和易掌握，使教育真正做到“虛中有實”。

三、VR技術應用于地理教學的優勢

VR技術為地理教學帶來了創新和活力，其應用極大地擴展了教學資源和方法，為地理學科的教育帶來了前所未有的機遇。VR技術為學生提供了一個沉浸式的地理學習環境，使學生能夠從多個角度、全方位地觀察和了解地理現象。例如，教師在講解氣候變化的時候，通過模擬氣候變化對地理環境的影響，如冰川融化、海平面上升等，學生可以利用VR設備直觀地感知冰川融化變形的完整過程。這種身臨其境的學習方式增強了學生的學習興趣，還提高了空間感知和理解能力。VR技術能夠將各種復雜的地理現象、地形地貌以及自然過程進行逼真的模擬，給人一種“物在其中”的真實感。可在三維空間里顯示立體事物，全方位、多角度、立體化地展示地理全貌，讓學生感受和看到真實的地理環境，由抽象轉化為具象，幫助學生更好地掌握地理知識，改變以往學習形式，完成地理知識的正向遷移，有助于學生構建地理學科的系統知識框架，培養正確的價值觀念，體現地理學科的教育意義和目標。VR技術增強了地理教學的互動性和操作性。以3D仿真模型及超高清大圖為基礎配合各類最新數據算法及特效形象展示各類地理現象及形成過程。學生可以通過與虛擬環境的互動，親身體驗地理現象的變化過程，培養觀察、分析和實踐能力，更好地理解區域人地關系。教師也可以利用VR技術進行各種地理實驗和模擬，打破地理教學的時空限制，幫助學生更好地理解地理規律和預測未來的變化趨勢，增強學生學習興趣和實踐能力，為地理教學的發展開辟新的道路。

四、VR技術應用于地理教學的可行性

VR技術作為一種新興的教學手段，為地理教學帶來了全新的可能性。為了深入了解VR技術在地理教學中的可行性和接受度，通過問卷調查分析VR技術在地理教學中的優勢、挑戰及其應用前景。本次調查采用在線問卷的方式，針對不同年齡段、不同教育程度的地理教師和學生進行隨機抽樣。問卷內容涵蓋了受訪者對VR技術的了解程度、對VR地理教學的接受度、對VR技術的優勢和挑戰的認知等方面。

（一）受訪者對VR技術的認知

調查結果顯示，大部分受訪者對VR技術有所了解，但具體使用經驗較少。在教師群體中，有超過72.64%的受訪者表示愿意嘗試VR技術進行教學。在學生群體中，這一比例也超過了60%。這表明教師和學生普遍對VR技術持開放態度，具有較高的接受意愿。有85.72%的教師和79.96%的學生對于VR教學資源應用于地理課堂是十分感興趣的，只有極少數的教師與學生興趣不高，并且有88.96%的教師和 96.87%的學生認為VR教學資源會對地理學習有所幫助。調查顯示，VR教學資源在高中地理教學中具有可行性，大多數地理教師和學生對此表示贊同和期待。

（二）VR技術在地理教學中的優勢

86.95%的受訪者認為，VR技術在地理教學中具有提供沉浸式學習環境有助于學生更好地理解地理知識、能夠模擬真實場景方便學生進行實踐操作等優勢，為地理教學質量和效果的提升提供了有力的支撐條件。VR教學資源在地理教學中的應用具有可行性，其關鍵技術包括3D顯示技術、虛擬環境建模技術和人機交互技術等。這些技術為學生提供了立體而生動的感官體驗，并實現了與教師、同學之間的互動行為。

（三）VR技術面臨的挑戰

雖然VR技術在地理教學中具有明顯優勢，但受訪者也指出了其存在的挑戰，主要包括：31.57%的受訪者認為設備成本高，普及難度大；7.81%的教師對VR技術缺乏了解，使用能力有限；12.24%的受訪者認為會影響學生的身心健康等。這些挑戰需要在推進VR技術應用的過程中予以關注和解決。

五、實踐與效果分析

（一）實踐課程開設情況

山西電子科技學院環境科學與工程學院地理信息科學專業和人文地理與城鄉規劃專業實踐教學主要包括課程室內實驗教學、野外實習及教育實習三個環節（見表1）。室內實驗教學包括地圖學實驗、地質學實驗、地理信息系統原理實驗、土壤地理學實驗等。野外實習包括地質地貌、土壤植被等長途野外實習，實習地點主要為青海—西藏、東部沿海地區和陜西翠華山國家地質公園；短途野外為霍州市七里峪土壤植被實習。

（二）虛擬仿真技術在實踐課程的教學設計

以山西電子科技學院地理科學類專業開展的實驗、實習和教育實習為例，探討VR技術進行實踐教學的設計。

1.實驗

根據實驗的教學過程和目的，將實驗進行虛擬仿真平臺上的演示，通過實踐，提高學生的自主實踐能力，最后通過虛擬平臺將成果展示。

（1）虛擬仿真平臺上的演示視頻

教師可以在虛擬仿真平臺上發布趣味實驗的演示視頻。這些視頻應該詳細展示實驗的每一個步驟，并清晰地解釋實驗的原理。視頻的趣味性很重要，可以通過一些引人入勝的故事、有趣的比喻或動畫來增加吸引力。同時，要確保視頻清晰易懂，使學生能夠快速掌握實驗的基本概念和步驟。

（2）課后自主思考與實踐

在觀看演示視頻后，教師應該鼓勵學生自主思考，將所學的實驗原理應用到實踐中，這可以通過設計一些具有挑戰性的問題或任務來實現。例如，讓學生思考如何改進實驗方法，或者將實驗原理應用到其他相關領域，激發學生的創造力和解決問題的能力。

（3）自主設計實驗方案

在理解實驗原理并討論思考后，學生可以設計實驗方案。這個過程應該鼓勵學生充分發揮想象力，根據自己的理解和興趣來設計實驗。教師可以給出一些引導性的建議，協助學生優化實驗計劃，確保實驗既安全又切實可行。

（4）實驗過程與結果的視頻上傳

完成實驗后，學生需要將實驗過程和結果以視頻的形式上傳到虛擬仿真平臺，讓學生回顧和總結自己的實驗經歷，還可以讓其他學生觀看和學習。在上傳視頻時，教師應該要求學生清晰地展示實驗步驟、記錄實驗數據并解釋實驗結果。

2.實習

地理科學類專業實習受限于教學時間、地理條件等因素，但可通過利用現代科技手段、與當地機構合作、組織野外考察活動以及加強實踐教學等方式擺脫限制。野外地理實踐教學虛擬仿真平臺結合計算機、虛擬現實等技術，為學生提供虛擬的野外地質實習環境，能夠更好地理解和掌握相關知識和技能，提高學習效果和實踐能力。

野外地理實踐教學虛擬仿真平臺是一個結合了計算機、VR、GIS、RS、高分辨率三維激光掃描成像等現代信息技術手段的教學系統。它旨在為學生提供一個虛擬的、仿真的野外地質實習環境，以便更好地理解和掌握野外地質工作的相關知識和技能。

平臺主要包括野外地質實習虛擬仿真教學系統和地質災害（工程地質）野外實習虛擬仿真教學系統兩大部分。野外地質實習虛擬仿真教學系統可以為學生提供三維可視化的野外地質實習場景，學生在虛擬環境中進行地質觀察、測量等實習活動，更好地理解和掌握野外工作的實際操作技能。同時，該系統還可以將野外宏觀地質現象與室內鏡下薄片觀察進行有機結合，讓學生在虛擬環境中進行綜合分析研究，提高地質綜合分析研究能力。地質災害（工程地質）野外實習虛擬仿真教學系統主要針對地質災害和工程地質領域進行虛擬仿真教學。該系統可以模擬各種地質災害和工程地質現象的發生過程，讓學生在虛擬環境中進行災害預測、評估、防治等方面的實習活動，從而更好地理解地質災害和工程地質領域的相關知識和技能。

六、結語

VR技術為地理學帶來了全新的教學視角，不僅能夠模擬真實的地理環境，讓學生身臨其境地感受大自然的奧秘，還能通過數據分析和模擬實驗，幫助學生更好地理解地理現象和規律[7]。VR技術為地理教學注入了新活力，也為教育工作者提供了全新的教育思維和方式。VR技術的建設維護來源于持續的資金投入和人員支持。考慮到軟硬件的高昂成本，以及技術的不斷更新換代，如何確保平臺的可持續發展成為亟待解決的問題。為此，建議整合各方資源，實現資源共享和優勢互補，共同推動地理學VR技術的持續進步。在地理學VR技術的教學項目建設中，應堅持“虛實結合、虛實互補”的原則。在確保實用性的基礎上，充分發揮VR技術的優勢，同時也要結合傳統的教學方法，形成一套既具有創新性又符合地理學特色的教學框架。

總之，VR技術在地理教學中的應用與研究具有重要意義。VR技術在地理教學中的巨大潛力，能夠為培養具備創新精神和實踐能力的地理人才提供支持。在教育信息化時代背景下，VR技術將在地理教學中發揮更大作用，為地理教育帶來更多可能性。

參考文獻

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[7]周玉華.談虛擬現實技術在高校地理實驗中的運用[J].才智，2015（08）：114.

基金項目：1.山西省高等學校教學改革創新項目（項目編號：XJ2022029）；2.山西省級科技創新計劃項目（項目編號：2022L634）

作者單位：山西電子科技學院

責任編輯：王穎振、楊惠娟