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  ［摘要］在虛擬現(xiàn)實技術(shù)背景下，地理教師可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建自然景觀的立體虛擬場景，通過地理過程的虛擬動態(tài)演示、區(qū)域時空場景的虛擬漫游和地理空間的虛擬情境創(chuàng)設(shè)，突破傳統(tǒng)課堂模式，探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)的中學(xué)地理課程設(shè)計。在中學(xué)地理課程中，教師可利用VR技術(shù)與教育相結(jié)合，為學(xué)生帶來三維空間學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)地理的熱情。

  ［關(guān)鍵詞］地理教學(xué);虛擬現(xiàn)實技術(shù);可視化;課程設(shè)計

  隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，課堂教學(xué)日益多樣化，中學(xué)教學(xué)的課程設(shè)計也豐富多彩，地理教育工作者應(yīng)針對課程特點，進一步挖掘基于大數(shù)據(jù)、計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VirtualRe-ality，VR)、地理信息(GIS)和遙感技術(shù)(RS)等現(xiàn)代信息技術(shù)的教育價值，尤其是合理利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提升教學(xué)效果。

  一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與中學(xué)地理教學(xué)

  (一)虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其特點

  虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個發(fā)展方向，該項技術(shù)主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等方面，在地理教學(xué)中通過三維建模軟件可以完成虛擬現(xiàn)實場景的構(gòu)建。在課堂上，學(xué)生可以通過佩戴頭盔、手柄、數(shù)據(jù)衣服、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，實現(xiàn)對地理景物認(rèn)知的可視化。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能通過立體視覺和虛擬交互使人產(chǎn)生身臨其境的實感體驗，具有構(gòu)想性、沉浸性和交互性三大特征。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)顯示的畫面逼真完美，具有身臨其境的感覺，所以學(xué)生能通過虛擬的地理場景輕松地學(xué)習(xí)地理知識。

  (二)虛擬現(xiàn)實技術(shù)與地理教學(xué)

  傳統(tǒng)的地理課堂教學(xué)模式單一，有些課程內(nèi)容教具準(zhǔn)備較為困難，不能多種形式、多角度地給學(xué)生提供形象思維的啟迪，一定程度上限制了學(xué)生的開拓性思維。學(xué)生只是局限于教室內(nèi)聽課、學(xué)習(xí)環(huán)境枯燥、教學(xué)模式固定，導(dǎo)致學(xué)生失去探索知識的欲望。而虛擬現(xiàn)實具有圖文并茂、視聽兼顧、交互性強、信息量大、靈活性強的特點，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴大課堂教學(xué)的容量，化抽象為直觀，創(chuàng)設(shè)各種情境，能突出教學(xué)重難點，對地理教學(xué)起到不可估量的作用。隨著計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)的地理場景具有很強的臨場感，這種虛擬場景應(yīng)用于地理課堂教學(xué)中，不僅形象、生動，而且能使學(xué)生有一種身臨其境的感覺，從而產(chǎn)生強烈的視聽效果，達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。中學(xué)地理的許多知識、原理比較抽象，用語言難以準(zhǔn)確表達(dá)，通過模擬地理場景實施教學(xué)，使虛擬現(xiàn)實走進課堂，可以喚起學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和自主學(xué)習(xí)的能力，增強地理課堂教學(xué)的真實感。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不斷在中學(xué)教育中普及，中學(xué)地理的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果也不斷提升。

  二、地理課程中虛擬現(xiàn)實情境的創(chuàng)設(shè)

  (一)地理過程的虛擬動態(tài)演示

  在地理教學(xué)過程中，有許多內(nèi)容牽涉地理過程的教學(xué)，如:風(fēng)化、侵蝕、搬運、堆積等外力作用對地表形態(tài)變化的影響，河流、海岸、黃土、冰川、風(fēng)沙、喀斯特等地表形態(tài)的形成與演化，受時間的限制觀測不到;地殼內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)、地震、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生機制與發(fā)生過程，受條件的限制不能觀測。如果使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，就可以通過模擬演示地表的風(fēng)化、侵蝕、搬運、堆積作用，讓學(xué)生感受地表物質(zhì)遷移以及運動變化的過程，使學(xué)生沉浸在地理過程的動態(tài)場景中，感受地理規(guī)律的變化。因此，教師可以運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過虛擬場景，為學(xué)生展現(xiàn)地理現(xiàn)象的動態(tài)性變化，使學(xué)生更好地掌握地理運動的規(guī)律。

  (二)自然景觀的立體虛擬構(gòu)建

  在地理學(xué)科中，許多地理規(guī)律因受觀測條件的限制，不能進行實地考察，許多地理場景需要學(xué)生認(rèn)識、描述和掌握，但是傳統(tǒng)的地理教具、模型只能運用多媒體課件，近似地還原地理事物的形象，不能呈現(xiàn)各種景觀的細(xì)節(jié)，教學(xué)不夠形象、生動、直觀。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有三維建模的功能，可以構(gòu)建全景的三維地理模型，使學(xué)生具有身臨其境的感覺。例如，在自然地理教學(xué)中，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過增加地質(zhì)地貌、植被、土壤和水文等要素，具有很強的真實感，學(xué)生可以獲得全景體驗，以加深對地理景觀的認(rèn)識。

  (三)地理空間的虛擬情境創(chuàng)設(shè)

  地理過程具有空間性、復(fù)雜性，受客觀條件的限制很難給學(xué)生展示，我們可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，按照地理實驗教學(xué)的內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)人機交互的虛擬場景，如虛擬太陽系、大氣運動、地表水循環(huán)過程以及虛擬地震、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生機制與發(fā)生過程等，讓學(xué)生親自動手，增強地理學(xué)習(xí)的情境體驗與交互體驗，在地理空間的虛擬情境實驗中，彌補當(dāng)前地理教學(xué)中多媒體課件和教具模型的局限性，使學(xué)生在情境互動中驗證地理現(xiàn)象與總結(jié)地理規(guī)律，實現(xiàn)地理知識與實際生活的融會貫通。

  (四)區(qū)域時空場景的虛擬漫游

  地理現(xiàn)象具有空間性、區(qū)域性，在區(qū)域地理教學(xué)中，教師需要為學(xué)生講解不同區(qū)域的地理分布，讓學(xué)生掌握地理事物的時空特征。過去只能用語言描述或多媒體展示的方法進行教學(xué)，教學(xué)形式單調(diào)，課堂教學(xué)效果不佳。如果采用VR技術(shù)，就能突破地理教學(xué)通過圖片、視頻展現(xiàn)地理空間的傳統(tǒng)教學(xué)模式，可以按照地理時空和區(qū)域特性，營造一個虛擬的地理漫游實時場景，使學(xué)生自由穿梭其中，學(xué)習(xí)地理。以城市地理教學(xué)為例，綜合運用地理信息建模、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，設(shè)計、開發(fā)與使用的虛擬漫游系統(tǒng)，傳統(tǒng)的城市現(xiàn)象展示大多是建立在二維平面圖像或視頻影像上的，這種表達(dá)方式性能單一、交互性差;通過VR技術(shù)構(gòu)建三維數(shù)字城市，將真實的城市場景通過數(shù)字化模型再現(xiàn)到計算機中，學(xué)生可以在所構(gòu)建的三維虛擬場景中自由漫游，交互性強。

  三、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的地理課程設(shè)計

  在中學(xué)地理課程中，許多內(nèi)容可以運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行教學(xué)，以人教版《高中地理(必修一)》中“常見的天氣系統(tǒng)”為例，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對天氣系統(tǒng)進行實景體驗和交互體驗教學(xué)設(shè)計，進而探討其中的教學(xué)意義與價值。

  (一)虛擬現(xiàn)實技術(shù)課程設(shè)計思路

  在“常見的天氣系統(tǒng)”課程設(shè)計中，根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點和所要講解的知識點，將教學(xué)內(nèi)容重新整合，形成沉浸設(shè)計、構(gòu)想設(shè)計和交互設(shè)計三個模塊，每個模塊根據(jù)大氣的熱力狀況、大氣的運動、天氣系統(tǒng)分成八個方面，這是常見的天氣系統(tǒng)實景體驗與交互體驗的教學(xué)設(shè)計思路。

  (二)基于虛擬現(xiàn)實的課堂教學(xué)

  在“常見的天氣系統(tǒng)”一課教學(xué)中，教師首先進行情境導(dǎo)入，即通過“一場秋雨一場寒，十場秋雨穿上棉”的場景，展示冷空氣南下所帶來的天氣變化，使學(xué)生形成對大氣環(huán)境的基本認(rèn)識。然后，教師通過實景模型與動畫模擬演示，讓學(xué)生明確冷氣團與暖氣團所處的位置，了解大氣運動的規(guī)律。最后，教師通過情境交互的VR技術(shù)，讓學(xué)生把握大氣運動的條件，掌握常見的天氣系統(tǒng)。首先，應(yīng)用UniverseSandbox2軟件，全景展示大氣運動(如熱力環(huán)流、大氣水平運動等)的虛擬場景，讓學(xué)生佩戴HTCVive立體顯示頭盔，通過環(huán)繞聲耳機使學(xué)生沉浸于虛擬的大氣運動場景中，使學(xué)生直觀地理解冷鋒、暖鋒的形成過程，刺激學(xué)生的求知欲。其次，通過UniverseSandbox2，模擬展示冷氣團與暖氣團的溫度、濕度、體積、質(zhì)量數(shù)據(jù)，并通過動畫模擬氣團的運動規(guī)律，讓學(xué)生了解氣團的屬性。最后，通過UniverseSandbox2進行情境交互的地理實驗。學(xué)生通過操作HTCVive虛擬交互手柄，創(chuàng)建天氣系統(tǒng)???冷鋒、暖鋒，并仔細(xì)觀察冷鋒、暖鋒兩側(cè)的溫度、濕度特征。借助HTCVive虛擬交互手柄進行場景交互實驗，呈現(xiàn)大氣運動的立體虛擬實景，使學(xué)生獲得冷鋒、暖鋒的天氣交互體驗。

  (三)基于虛擬現(xiàn)實的實景體驗

  采用Unity3D引擎制作，該引擎制作效果精良，同時跨平臺，能夠支持Android平板電腦與PC。應(yīng)用三維交互類課件展示常見的天氣系統(tǒng)，通過Uni-ty3D引擎的場景功能，將課件的設(shè)計模塊化，實現(xiàn)效果逼真的三維環(huán)境�；�于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合“常見的天氣系統(tǒng)”課程內(nèi)容特點，通過場景建模、立體顯示和虛擬交互構(gòu)建虛擬大氣運動實景。教師通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬實景，使學(xué)生在教室中就能浸入大氣運動空間，在視覺、聽覺上得到現(xiàn)實體驗，由此充分認(rèn)識冷氣團與暖氣團、冷鋒與暖鋒、冷暖鋒形成的天氣;通過動態(tài)展示大氣運動規(guī)律，使學(xué)生能更加直觀地了解和感知復(fù)雜多變的天氣，培養(yǎng)學(xué)生的感知運動思維，增強地理課堂的生動性;通過情境化的虛擬實驗，增強地理課堂的情境交互，促進學(xué)生對對流層的進一步探索，深刻領(lǐng)會復(fù)雜天氣形成的原因。由于VR技術(shù)具有交互性、沉浸性、多感知性的特點，可以寓教于樂，具有學(xué)習(xí)的過程性、時空多樣性、建模的利用性。因此，未來的地理課程和地理課堂教學(xué)，通過VR技術(shù)與教育相結(jié)合，為學(xué)生帶來三維空間學(xué)習(xí)環(huán)境，不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)地理的熱情，而且通過對客觀環(huán)境的模擬，與實際學(xué)習(xí)情境高度融合，從視、聽、觸等感官上給學(xué)生帶來前所未有的學(xué)習(xí)體驗。

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