地理教学中虚拟现实技术的应用初探

江苏省南京市宁海中学（210024） 俞飞虹

一、虚拟现实应用于课堂教学的优势及特色

虚拟现实技术（Virtual Reality）又称VR技术，是一种具有沉浸性、交互性和幻想性的人机交互技术，是综合了图形技术、仿真技术、传感技术、显示技术、人工智能技术等多种学科技术的三维逼真的虚拟环境。虚拟现实系统可通过以文字、图形图像、动画、声音以及视频等多源数据，作为媒介构建虚拟场景的交互系统，为用户提供视觉、听觉和触觉、味觉和嗅觉等感知功能的能力，使得用户能在虚拟环境中具有较为真实的感受。将虚拟现实技术引入地理教学可在宏观、微观场景的可调控观测视角、跨越不同时空尺度场景的自定义演示，以及具有真实临场感的教学游戏等方面取得突破。

现实的地理环境纷繁复杂，学生在短时间内往往无法把握其主要特征，这导致学生在分析探究地理事物分布和发展演化规律时具有片面性，难以贯彻地理学的基本特征及整体性。虚拟现实技术把场景的可视化与交互能力作为核心，大大增强了人的临场感和在虚拟环境中的沉浸性（真实性）、用户与模拟环境中对象的可操作度和对环境的反馈度（交互性），以及广阔的可想象空间和认知范围的可拓展性（构想性）。虚拟现实不单提供了用户与终端的接口，更可使用户从虚拟环境获取新的知识，从而产生新的构想并反馈给系统，进而实现学习-创造-再学习-再创造的过程。

1．虚拟现实技术提供了宏、微观场景的可调控观测视角

VR技术借助于计算机和相关设备实现对真实地理环境的模拟与实时交互，为学生从不同侧面、不同层次全面分析探究各种环境要素的特征和演化规律提供了可能。目前互联网上已经出现了许多虚拟现实的网站，充分应用这些网站提供的虚拟现实素材，即可方便地构建出虚拟课堂。如在中国全景旅游网（http://www.chinavr.net）中，可以找到全国各地风景名胜的虚拟现实场景，在旅游、地貌、水文和植被以及经济文化有关内容的教学时，即可利用该网站引导学生进行自主探究学习(图1)。

图1 从不同角度、不同距离观察南京中山陵的虚拟现实场景

2．虚拟现实技术提供了跨越不同时空尺度场景的自定义演示功能

一些地理现象的发生发展具有很大的时空尺度，它们的演化过程较难在现实环境特别是在课堂教学中观测探究。如大尺度的大气运动、深海底部、岩石圈的内部、火山的结构等。借助于VR技术所打造的虚拟地理环境，我们可以根据地理事物的发生发展规律，从时间维度上进行适当的压缩和拉伸，从而将漫长的缓慢的变化过程变得显而易见，将迅速发生的变化过程演示得细节突出，从而提高学生学习的效果。图2给出了基于Forgefx虚拟现实系统的冷锋天气过程和板块构造理论海底扩张过程的演示。通过滑动系统所提供了滑块，学生可以自由调控锋面天气系统和海底扩张的时空过程，从而提供了一个直观的探究环境。

图2

二、虚拟现实在课堂教学中的应用实例：太阳系中行星运动

太阳系中的行星运动涉及到行星运动、日食和月食的产生以及地球的自转和公转等内容。上述教学内容不仅抽象、时空跨度大，而且知识点繁多，学生一般较难获得直观的认识。借助于虚拟现实技术，可以直观地再现和演示太阳系中行星运动的真实场景与运动特征。

1．基于虚拟太阳系的行星运动特征教学

基于交互虚拟网站Forgefx提供的太阳系虚拟宇宙环境，选择太阳系中的行星及小行星带等要素，用细线给出了行星的公转轨道。通过点选天体获得选定天体的主要物理特征，并在左侧下方展示了该天体的照片，右侧上方实时给出了该天体的运动状况及其与其他天体的相对位置等。通过改变视点位置，使学生能从不同距离，以及侧视、顶视或透视等不同方位，迅速掌握太阳系的主要成员及其运动特征。如顶视即可发现行星公转同一方向，轨道近似圆形，太阳位于其焦点，侧视则揭示出行星公转轨道的共面性特征（图3）。Forgefx提供的系统虽沉浸感不很强，但所提供的场景已相当直观。美国Astronautic Technology公司的Al-Falak 虚拟太阳系则包含手套、头盔、眼镜等虚拟设备，可使学生获得更好的临场体验。

图3 顶视图和侧视图展示的行星公转轨道的近圆性和共面性

2．基于虚拟现实的月相和日食教学

月相和日食的理解，需要很强的空间认知能力，基于Forgefx的系统，可以营造产生月食和日食的宇宙环境（图4），象月食、日食这样现实条件下难得一见的现象可重复演示，为学生的自我探究提供了充分的条件。通过系统所提供的观察点以及视角的变换，我们更可以从太阳、月球、地球以及整个宇宙环境中观察不同月相转换以及日、月食的发生，直观再现相关知识点。

图4

三、结论与讨论

相对于传统的语言、图片以及动画等相对静态的教学材料而言，虚拟现实技术提供了灵活的、具有高临场感、高交互性和广阔的认知构想性的环境。虚拟现实为教学活动营造的虚拟地理环境与现实的地理环境有所差异。虚拟地理环境创设时，我们可以根据教学内容、教学要求和学生的实际情况，将地理要素进行必要的取舍和再加工。在教学活动中，学生与虚拟环境进行交互探究时，既有利于把握整体特征，又有利于认识主导因素，从而大大提高学生自我探究学习的效率。

现阶段，除了在互联网上寻求虚拟现实的教育资源外，借助专业的软件如Shockwave3d、Quest3D、VRML和Vir Tools等可以制作简单的场景。总之，应用虚拟现实技术，我们可以营造基于现实世界而超越现实世界的虚拟地理环境，为课堂教学提供自主探究的有效空间，从而可从根本上改变学生学习地理的方式，为新课程的推进提供新的思路。