虚拟现实技术在高校地理实验中的应用

刘华琳

(襄樊学院 管理学院，湖北 襄阳441053)

虚拟现实技术在高校地理实验中的应用

刘华琳

(襄樊学院 管理学院，湖北 襄阳441053)

在高校地理实验中引入虚拟现实技术，可以有效改善高校地理实验环境，提高地理实验的承载能力，使地理环境技术在虚拟环境中得到充分展示. 虚拟现实技术应用于高校地理实验提高了地理实验的技术水平，优化了实验过程，改善了实验的实训环境，促使地理学科建设上到一个新台阶、新层次.

高校地理实验；虚拟现实技术；地理实验技术

虚拟现实技术作为一门综合性技术，主要是以计算机为主，通过对显示技术、人机界面技术、传感技术、模拟技术、计算机三维图形技术的综合运用，形成一个十分逼真的嗅觉、触觉、三维视觉世界，从而使使用者可以从自身视角出发，利用自身的一些设备和功能，与所产生的虚拟世界进行主客体交互式观察.基于虚拟现实技术可以创建一个跟现实相似的环境，能够有效解决自然交互性要求和学习媒体情景化要求，在高校地理实践实验中有着十分重要的应用价值. 因此，虚拟现实技术将是继多媒体、计算机网络技术以后，在此领域最有应用价值的一项新技术.[1]

1 虚拟现实技术的产生和应用

虚拟现实技术主要是指通过传感手套和立体眼镜等一系列传感辅助设备来展现一个立体三维世界，人们通过立体传感辅助设备施以各种自然方式，例如手的运动和头的转动，从而对计算机输入各种动作信息，通过一些触觉、听觉、视觉设备，使人们得到三维性的触觉、听觉、视觉方面的虚拟世界，并且随着人们的不同动作，这些感觉也将会不断改变.

目前，虚拟现实技术的内涵和外延都在不断扩展和延伸，诸如虚拟环境和人工现实以及赛伯空间都可以认为是虚拟现实技术的不同形式和术语，而且，虚拟现实技术也不再停留于那些带着手套和头盔的技术，还包含了一切与之相关的具有逼真体验和自然模拟的技术方法，其主要目标是加强人际交互性和真实体验，能够达到这样目标的技术可以广泛地称之为虚拟现实技术.

随着计算机网络的不断发展完善，特别是信息社会教育发展的新要求，虚拟现实技术已经从军事领域和航天领域进入到了教育领域，国内外的教育学者都在研究如何将虚拟现实技术有效运用到教育领域，特别是在高校各个学科，虚拟性具有超越现实的亲临其境的真实感，使用者能够沉浸其中，显示出较强的先进性和实用性，其技术使用的潜力较大，应用前景广阔.[2]

2 高校地理实验引入虚拟现实技术的作用

在高校地理教学活动中，地理实验是一个必不可少的环节，而学生只有通过一定数量的综合性实践实验、足够的验证性实验和创新性实验，才能对地理学科中的理论知识真正理解和掌握，才能获得相应的实验能力和综合实践技能，并初步掌握地理实际工作中的能力.[3-4]在高校传统地理实验中，需要各种实验设备和仪器，而这些设备仪器的功能较为单一，价格昂贵，体积较大，如果在使用过程中，使用不当还会引发各种损害和带来危险，因此，要确保地理实验的数量和质量，就必须占用相应的实验室和投入大量昂贵的实验设备，消耗相当多的实验材料. 但是，虚拟现实技术在高校地理实验中的应用，可以通过一次性的软件和设备投入，通过相关实验数据实现各种现象演变过程的模拟，使得真实实验得以再现，还可以对各种虚拟构想的实验进行测试. 虚拟现实技术是对高校地理实验空间和时间上的一次扩展，从而克服了时空的限制. 相对于高校地理真实实验而言，虚拟实验具投入小、收效好的优越性，可以为高校基本操作型实践性地理课程改革带来新的发展机遇. 特别是和传统地理实验相比，虚拟地理实验更是可以通过计算机的应用，逼真地反映真实世界中的地理环境，和传统实验一样能够观察到相关实验现象，得到实验数据和实验体验，具有占用空间小和成本低的优势，同时在进行多次重复实验的过程中，也不会产生实验材料耗费的问题. 在高校地理实验中，引入虚拟现实技术的重要性主要体现在以下四个方面：

首先，在高校地理实验的模式上，可以因材施教，用动态新型实验教学模式替代传统的线性结构实验教学模式，使学生在学习过程中从模仿者向创造者和探索者身份进行转变，达到由培养经验型人才向创造型人才目标的转变.

其次，在实验过程中，通过虚拟现实技术，提供更为形象、直观的多重感官刺激，通过自主控制和亲临其境的人机交互，并由触觉、听觉、视觉获取反应，从而营造了一种更为轻松自主的学习实验环境.

再次，在实验内容方面，不会因为资金短缺或者实验环境的限制，而使实验受到主客观因素的限制. 其实验内容基本上可以囊括所有教学内容，可以进行微观和宏观的模拟实验，实现了多维方式的显现. 在高校实验教学方面，有些实验由于时空限制，无法对实验内容进行演示，如果采用虚拟实验技术则可以有效解决这些问题，特别是对于那些实验时间较长、场地要求较高、设备要求较多的地理实验，采用虚拟现实技术则可以建立起较为直观的场景模拟演示实验.

最后，在实验效果方面，通过模拟现实技术，建立起逼真的视听效果，可以使学生更容易接受实验内容和地理知识，而且实验时间较短，学生对知识掌握的方式也更为灵活.

3 虚拟现实技术下的高校地理实验

高校地理实验在对虚拟现实技术进行应用以后，其实验方法、方式必然发生一些新的变化，主要体现在以下方面：

3.1 高校地理实验方法的创新

虚拟现实技术在高校地理实验中应用以后，必须建立一个基于虚拟现实技术的实验系统，对虚拟现实技术和计算机网络技术进行充分利用，将各种有形的实验转变为计算机网络虚拟实验，为地理实验互动式虚拟实验室的建立提供基础. 能够通过网络实验教学，使地理实验不只是局限于有形的实验，而是使高校地理实验的时空得到全面扩展，从而通过互联网技术，为学生提供可移动的虚拟教学环境，实现资源共享.

在高校地理实验仪器设备方面，通过虚拟现实技术将实验室虚拟化，特别是各个实验部件和实验仪器虚拟化，使用者可以根据自身需要对实验内容进行重新生成，保证实验在内容上不断更新. 既能够使实验虚拟技术紧跟当代技术发展，也能够有效解决许多高校实验设备经费投入不足的问题. 学生通过虚拟现实技术，将虚拟仪器的操作步骤和要求进行有效掌握. 因此，基于虚拟现实技术的高校地理实验可以让学生突破时空限制，实现资源远程共享，甚至可以通过虚拟实验仪器和仿真模型，实现计算机资源的共享，达到实验教学恰当要求. 特别是在一些多校区的高校地理实验中，采用虚拟现实技术，可以让不同校区的学生共同参与到一个实验项目的实验与研讨中，教师在实验中进行远程指导.

3.2 高校地理实验环境的创新

在高校地理实验中，充分利用虚拟地理环境技术，对地理结构进行动态再现，从而为学生提供一种实验观测的良好氛围和环境. 计算机模拟实验，学生通过改变输入数据的大小来观测不同的地理现象变化，为学生实验提供一种相对廉价、安全的实验方式，实现与真实地理世界的交互. 学生在实验过程中，通过对不同地理模型元素的修改，输入模型的不同变量可以得到不同的结果，特别是对于高校地理教育理论而言，这种模拟实验教学更易达到临场化效果. 在实验系统和学生相互影响、相互作用方面，更是营造了一种自主的学习、实验环境，让学生从传统的以教促学的学习方式向学生通过自身和环境、信息的相互作用来获取知识，是一种技能获取的新型学习方式.

虚拟现实技术不仅让学生获得真实、直观的实验效果，而且可以有效缩短实验时间，能够有效培养和提高学生的实验操作能力，同时可以培养学生的创新能力和自我训练意识. 虚拟现实技术通过提供图文并茂的实验理论知识和丰富的实验操作资料，其实验交互过程操作会更为灵活，教师对学生的实验操作过程进行实时监控与指导；学生在实验过程中，可以一边操作，一边通过显示窗口观察实验现象，其实验过程中的感受更为真实可靠.

高校地理虚拟实验系统主要包括实验内容的设计、实验过程模拟和实验环境的创设，人机界面的交互和实验结果的总结评价等. 从目前的虚拟现实技术发展现状来看，在高校地理实验中，设计和制作虚拟实验的条件已经具备. 开放式的高校虚拟地理实验作为一种新的教学方式，可以让学生在虚拟的地理实验氛围中，真实感受到实验的性能、操作和结构，从而减少真实实验对实验设备仪器的过高要求，避免学生由于操作不当而对实验设备仪器的损坏，让学生在虚拟实验氛围中，对实验过程的认识更为清晰明了. 通过虚拟开放式的高校地理实验，使学生切身体会解决实际问题的真实环境，从而对实验过程的问题和实验对象进行发现，对实验方案进行探究，对实验结构进行分析，更为全面地理解和领会地理课程体系. 并且在一个开放式的高校地理虚拟实验中，对实验室全天候、全方位进行开放，经过多个模拟的实验项目形成一个综合性的研究实验项目，从而解决单一实验室无法解决的问题.

3.3 高校地理实验资源的整合

虚拟现实技术作为一项渗透性强的信息系统应用技术，凭借先进的三维环境系统平台，能够实现在高校地理试验中进行一系列实践性、研究性学习，有效实现教学阶段性目标和学习者的阶段性学习目标，为高校地理实验提供了一种与地理学科研究性实践学习和虚拟现实技术进行有效整合的新模式. 高校地理实验改革中的虚拟现实技术的应用，以三维地理环境背景基础图层为平台，结合强大的GIS功能，形成丰富的统计数据和矢量数据；以新“数据+软件”的方式有效解决高校地理多学科教学问题，满足综合地理、地理工程、人文地理、自然地理等教学需要；以虚拟场景，对城乡景观、丘陵沙漠、河流湖泊、高山平原等区域景观特征进行创新展现，改变传统地理实验中仅依靠少量局部图片和文字的模式，使得人文地理和自然地理教学的真实性和生动性大大提高，将地理学科中的各个分支学科的教学内容都整合起来运用，达到高校地理学科研究性的学习目的；通过构建三维地理环境背景为基础图层，将地理学科中多个方面的理论知识综合到这个图层中，对地理学科中的各个学科资源进行整合，为高校地理实践实验提供良好的学习环境和教学环境.

[1] 叶 愫, 王昊鹏. 教育中虚拟现实技术的应用[J]. 电脑知识与技术, 2008(20): 301-302.

[2] 余小燕. 基于Web的虚拟现实系统在实验教学中的应用[J]. 现代计算机, 2002(9): 79-81.

[3] 祝云龙, 张 弢. 关于地理科学实验教学改革的思考[J]. 襄樊学院学报, 2010(11): 61-64.

[4] 卢俊莉, 刘玉振. 专业实验教学质量评估体系初探[J]. 实验室研究与探索, 2008(4): 85-88.

(责任编辑：陈 丹)

Application of Virtual Reality Technology to College Geographic Sciences Experiments

LIU Hua-lin
(School of Management, Xiangfan University, Xiangyang 441053, China)

The introduction of virtual reality technology into college geographic experiments makes it possible to improve the circumstances and enhance the bearing capacity of experiments by making full use of environmental technology in a virtual condition. It can also promote the technology for geographic experiments, optimize the experimental process and thus boost the construction of Geography as a branch of science to a new level.

College geographic experiment; Virtual reality technology; Geographic experimental technology

G642.423

A

1009-2854(2012)02-0029-03

2011-11-17;

2012-02-10

刘华琳(1966— ), 女, 湖北襄阳人, 襄樊学院管理学院实验师.