基于zSpace的虚拟现实技术在地理教学中的应用

张欣

[摘 要]在互联网+教育的发展背景下，通过对地理教育领域中运用虚拟现实技术的国内外研究进展的论述，以虛拟现实技术zSpace为例，依据虚拟现实技术的特点，与地理教学内容相结合，探讨了虚拟现实技术zSpace在地理教学中的应用，为从事教育教学人员提供参考。

[关键词]虚拟现实技术;zSpace;地理教学

[中图分类号]G633.55

[文献标识码]A

[文章编号]1005-4634（2019）03-0092-04

虚拟现实技术就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用，相互影响，从而产生身临其境的感受和体验[1]。虚拟现实技术可分为三大类：沉浸式虚拟现实系统、桌面式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。本文以桌面式虚拟现实系统zSpace一体机为例，探讨目前虚拟现实技术在地理教学中的应用现状与问题，并提出相关建议以供参考。

1 概述

1.1 虚拟现实技术zSpace

zSpace是美国硅谷的一家公司在STEM的教育理念下生产出的应用教育的虚拟现实系统一体机，通过虚拟现实环境改变人们探索、研究和设计事物的方式，加深数字化学习体验深度，提供了一种能激发学生好奇心、增强学生理解能力的终极学习体验。它的硬件系统包括24英寸高清显示器、定位笔、3D追踪眼镜、2D眼镜等;软件有3D工作室、牛顿力学公园等，此系统强调VR的实时性和并发性，对观察者头、眼和手的跟踪技术以及触觉力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等都有相应的需求，还可通过技术实现图层叠加、立体动画、场景漫游等功能。

1.2 国内外研究进展

国外针对虚拟现实技术在教育中的应用主要集中于以下几方面：（1）将虚拟现实技术用于课堂教学中。Yukiko Inoue教授利用虚拟现实技术和视频教学做了对比实验调查，在学习世界地理这一部分内容时，针对课堂效果进行了评价[2]。（2）虚拟仿真地理环境设计。Mehdi Mekni教授使用地理信息系统数据来构建人们所称的知情虚拟地理环境（IVGE），所构建的IVGE模型支持大规模复杂的地理环境建模[3]，他还提出了一种利用GIS提供的数据自动构建的新方法，可以访问并从计算的IVGE中检索[4]。（3）虚拟实验室的建立。Lavanya R与Ramachandran V教授探讨虚拟实验室在电子学习套件中的有效性，即是否提高了学生的学习技能和概念的理解水平[5]。可以看出，虚拟现实技术是有潜力成为有效的学习技术或学习环境的，从而帮助学生加速学习以及信息的保留。

与国外相比，我国的虚拟现实技术发展起步较晚，技术系统还有待积极开发。如龚建华、周洁萍等人研究虚拟地理环境的形成发展特征等，初步建立一个虚拟地理环境基本理论研究框架[6]。邱隆伟通过对地学类课程特点进行分析，将虚拟现实技术运用到地学类课程[7]。刘凯、毋河海等人根据文献分析了虚拟现实技术的应用研究进展，提出了数字地球、虚拟地理环境、城市规划等未来应用研究的六个主要研究方向[8]。李斌、王岩松等根据虚拟现实技术的三维交互特点，探讨了地理野外实习虚拟现实系统的设计及其优势等[9]。北京中教启星公司也针对地理学科，基于zSpace一体机，开发了适用于地理课堂教学的中学地理课程资源。

从以上国内外研究进展可以看出，虚拟现实技术在教育领域中的研究与应用还处于起始阶段。由于地理学科具有综合性、实践性、科学性等特点，将虚拟现实技术应用于地理教育还缺乏系统的理论支撑或仅限于单一视角的分析。

2 虚拟现实技术在地理教学中的应用

加强信息技术与课程的整合是地理学科发展的需要，也是学生发展的需要，要在地理的教学过程中体现以信息化带动地理课程教学的现代化[10]。在地理教学过程中，教师经常会用讲授法、演示法来进行教学，但有些内容是无法表达的，而虚拟现实技术zSpace的出现恰好弥补了这一短板。对学生而言，通过运用虚拟现实技术学习地理知识，学习的趣味性增加，学习方式也更加多样化。

2.1 建立虚拟地理模型，增强学生立体空间感

朱晓华、肖斌认为借助虚拟现实技术，将山川河流等地形地貌建成模型库，会让学生有身临其境的感触[11]。张冰和朱林珍等人也以我国行政区划图、黄赤交角变化、泥石流灾害为例，探讨了虚拟现实技术在地理教学中的方法应用[12]。例如地球内部的构造，学生可以通过定位笔手动拆分地球内部的地壳、地幔、外核和内核等，重新构建学生对地球内部构造的认知。教师还可结合IPAD或其他多媒体的使用，配合所适用的教学内容，提高学生的积极性。讲授初中地理内容时，以往的教学中学生见到的大多数都是平面的二维图片，对其如何从三维立体转换为二维平面的过程较为模糊，而基于zSpace一体机的虚拟现实技术就可以将大尺度的地理事物建成3D模型，还有多种操作按钮匹配不同的地形，学生切换自如，对于等高线地形图的认知更加空间化、具体化（图1、图2为等高线地形图的立体模型）。教师以3D模型为载体，创设一些探究性问题，学生小组合作进行探究，多角度地认识等高线地形图。上述所举例的一些操作功能都是结合了虚拟现实技术交互性、实时性、并发性的特点，依据学生的认知发展规律，让学生主动地去建立相关地理知识的认知结构。

2.2 创设虚拟地理环境，提升学生学习效率

何娜、温瑞虹认为可以将大尺度的地理环境进行模拟，例如雨雪天环境等[13]。让学生处于虚拟的环境，使被动的地理知识接受转变为主动的知识获取。赵俊昊在地理教育、电子地图、地理旅游、地球结构、城市规划等方面进行了初步的研究[14]。林珲教授等对虚拟地理环境概念的提出、发展过程及其与实验地理学的结合做了大量的研究[15，16]。地理的学习离不开地理环境，现阶段地理情景教学方式普遍采用的是依靠图片、视频、文字等进行情景教学。虚拟现实技术zSpace将地理情景教学进行升级，例如可以利用制作出的地理虚拟环境场景，学生带上3D眼镜，通过操作定位笔在南极或北极地区进行场景漫游，身临其境地进行体验式学习，提高学习地理的趣味性与效率。在虚拟环境中，学生自己漫游极地地区，主动感受极地地区的自然地理现象，可以看到南极的企鹅（示意见图3）、北极的北极熊等，记忆更加深刻。虚拟现实技术的想象性在地理学习中是不可或缺的，虚拟地理环境的创设为教师和学生在课堂上提供了资源载体，将抽象概念形象化与可视化。

2.3 地理教学方式多样化，优化地理课堂教学

Maria Virvou、George Katsionis在研究虚拟现实游戏可用性和亲和性问题时，目的是教授学生地理知识进而做出评估实验[17]。这个评价实验的可用性和亲和性在一个既不纯粹教育也不纯粹娱乐的环境中保持。这样多种教学方式的结合，让学生通过经验获得知识，促进了学生的发展。吴国玺、张泊平等人回归教学本质，探讨利用虚拟现实技术进行地理课程设计[18]。教师可将基于zSpace一体机的虚拟现实技术作为教学的资源库，由于技术水平或课程资源等限制，大多应针对于地理教学中的重难点进行突破，而不是每个知识点都适用。在课堂上，每次使用虚拟现实技术的时间适宜在10分钟以内，还需要多媒体或传统学具多种方式相结合，才能更好地优化地理课堂教学。

2.4 培养学生地理学科核心素养，降低学校教育成本

地理教学中地理实践力的培养一直以来是地理教育者所看重的，但因种种条件限制，实施异常困难。潘立新将虚拟现实技术应用在高校的人文地理远程实习中，为其他研究者提供了借鉴[19]。这种技术与教育的结合节省了时间以及资源的成本，满足了学生发展的需要。黄恩强也认为虚拟现实技术有利于促进学生地理实践力的提升，为地理实践提供了新途径[20]。地理新课程标准中增加了野外观察地形地貌等知识点，可以利用虚拟现实技术做出的各种典型地貌模型，设计一些不同区域地貌出现差异的原因等探究性问题。利用图层开关的功能，结合气候、地形等因素，用定位笔360°旋转观察，清晰明了地认识地貌，对培养学生地理实践力、区域认知等核心素养起到了促进作用，学生到野外考察的时候会达到事半功倍的效果。

在笔者看来，虚拟现实技术应用于地理教育的优势是极为显著的，可将时间或空间上的因素限制通过虚拟环境来实现。在学习方法上，可与实验教学法和探究学习法等相结合，多种媒体技术交互使用，让学生成为主体去建构知识体系。

3 总结与建议

新课程改革下，教师应始终将提高自己综合素质铭记于心。随着现代信息技术在教育中的普及，教师需要从理念与意识上紧随时代潮流，利用更多的时间去学习新的知识技能。从传授型教师转化为研究型教师。加强虚拟现实技术在地理教育中的运用，并不是一味地只用新技术，而是要择其优点，在传统教育手段的基础上创造新的教学方法或教学模式。针对地理教学内容与虚拟现实技术的适宜性问题，笔者仅找到几篇文章。例如，李婷总结了VR技术适宜人教版初中地理的教学章节[21];张娉以“地球上的大气”为例，探讨虚拟现实技术与高中地理实验设计的结合[22];蔡敏则与传统地理实验对比，探讨虚拟实验在中学地理教学中的应用[23]。笔者认为要避免出现信息技术与地理教学主次不分的情况，以学生为主体，培养学生的思维能力。虚拟现实技术的沉浸性、交互性与想象性是一般技术所不具有的，对于利用VR的地理课程资源的开发要加大研究。张述林通过不同角度将基于VR技术的地理教学与文学、英语、历史等学科相结合[24]。可见，基于虚拟现实技術的地理课程资源的开发还可下很多功夫去研究，一线教师或地理教育专业学生可与教育设备公司合作开发具有创新性、适宜性、可用性的地理课程资源，例如教师可以提供教学设计思路，所需的虚拟地理场景及地理模型由公司来进行技术上的实现，但前提是要始终保持沟通交流，否则最后出来的产品效果会大打折扣。

参考文献

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