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［摘要］在虛擬現實技術背景下，地理教師可以通過虛擬現實技術構建自然景觀的立體虛擬場景，通過地理過程的虛擬動態演示、區域時空場景的虛擬漫游和地理空間的虛擬情境創設，突破傳統課堂模式，探索虛擬現實技術的中學地理課程設計。在中學地理課程中，教師可利用VR技術與教育相結合，為學生帶來三維空間學習環境，激發學生學習地理的熱情。
［關鍵詞］地理教學;虛擬現實技術;可視化;課程設計
隨著計算機技術的應用與發展，課堂教學日益多樣化，中學教學的課程設計也豐富多彩，地理教育工作者應針對課程特點，進一步挖掘基于大數據、計算機技術、虛擬現實技術(VirtualRe-ality，VR)、地理信息(GIS)和遙感技術(RS)等現代信息技術的教育價值，尤其是合理利用虛擬現實技術提升教學效果。
一、虛擬現實技術與中學地理教學
(一)虛擬現實技術及其特點
虛擬現實技術是仿真技術的一個發展方向，該項技術主要包括模擬環境、感知、自然技能和傳感設備等方面，在地理教學中通過三維建模軟件可以完成虛擬現實場景的構建。在課堂上，學生可以通過佩戴頭盔、手柄、數據衣服、數據手套等設備，實現對地理景物認知的可視化。虛擬現實技術能通過立體視覺和虛擬交互使人產生身臨其境的實感體驗，具有構想性、沉浸性和交互性三大特征。由于虛擬現實技術顯示的畫面逼真完美，具有身臨其境的感覺，所以學生能通過虛擬的地理場景輕松地學習地理知識。
(二)虛擬現實技術與地理教學
傳統的地理課堂教學模式單一，有些課程內容教具準備較為困難，不能多種形式、多角度地給學生提供形象思維的啟迪，一定程度上限制了學生的開拓性思維。學生只是局限于教室內聽課、學習環境枯燥、教學模式固定，導致學生失去探索知識的欲望。而虛擬現實具有圖文并茂、視聽兼顧、交互性強、信息量大、靈活性強的特點，可以激發學生的學習興趣，擴大課堂教學的容量，化抽象為直觀，創設各種情境，能突出教學重難點，對地理教學起到不可估量的作用。隨著計算機技術的廣泛應用，由于虛擬現實技術呈現的地理場景具有很強的臨場感，這種虛擬場景應用于地理課堂教學中，不僅形象、生動，而且能使學生有一種身臨其境的感覺，從而產生強烈的視聽效果，達到提高教學效果的目的。中學地理的許多知識、原理比較抽象，用語言難以準確表達，通過模擬地理場景實施教學，使虛擬現實走進課堂，可以喚起學生的興趣，培養學生獨立思考和自主學習的能力，增強地理課堂教學的真實感。虛擬現實技術不斷在中學教育中普及，中學地理的教學質量與教學效果也不斷提升。
二、地理課程中虛擬現實情境的創設
(一)地理過程的虛擬動態演示
在地理教學過程中，有許多內容牽涉地理過程的教學，如:風化、侵蝕、搬運、堆積等外力作用對地表形態變化的影響，河流、海岸、黃土、冰川、風沙、喀斯特等地表形態的形成與演化，受時間的限制觀測不到;地殼內部物質循環、地震、泥石流、滑坡等地質災害的產生機制與發生過程，受條件的限制不能觀測。如果使用虛擬現實技術，就可以通過模擬演示地表的風化、侵蝕、搬運、堆積作用，讓學生感受地表物質遷移以及運動變化的過程，使學生沉浸在地理過程的動態場景中，感受地理規律的變化。因此，教師可以運用虛擬現實技術，通過虛擬場景，為學生展現地理現象的動態性變化，使學生更好地掌握地理運動的規律。
(二)自然景觀的立體虛擬構建
在地理學科中，許多地理規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生認識、描述和掌握，但是傳統的地理教具、模型只能運用多媒體課件，近似地還原地理事物的形象，不能呈現各種景觀的細節，教學不夠形象、生動、直觀。而虛擬現實技術具有三維建模的功能，可以構建全景的三維地理模型，使學生具有身臨其境的感覺。例如，在自然地理教學中，運用虛擬現實技術通過增加地質地貌、植被、土壤和水文等要素，具有很強的真實感，學生可以獲得全景體驗，以加深對地理景觀的認識。
(三)地理空間的虛擬情境創設
地理過程具有空間性、復雜性，受客觀條件的限制很難給學生展示，我們可以利用虛擬現實技術，按照地理實驗教學的內容，創設人機交互的虛擬場景，如虛擬太陽系、大氣運動、地表水循環過程以及虛擬地震、泥石流、滑坡等地質災害的產生機制與發生過程等，讓學生親自動手，增強地理學習的情境體驗與交互體驗，在地理空間的虛擬情境實驗中，彌補當前地理教學中多媒體課件和教具模型的局限性，使學生在情境互動中驗證地理現象與總結地理規律，實現地理知識與實際生活的融會貫通。
(四)區域時空場景的虛擬漫游
地理現象具有空間性、區域性，在區域地理教學中，教師需要為學生講解不同區域的地理分布，讓學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，教學形式單調，課堂教學效果不佳。如果采用VR技術，就能突破地理教學通過圖片、視頻展現地理空間的傳統教學模式，可以按照地理時空和區域特性，營造一個虛擬的地理漫游實時場景，使學生自由穿梭其中，學習地理。以城市地理教學為例，綜合運用地理信息建模、虛擬現實技術，設計、開發與使用的虛擬漫游系統，傳統的城市現象展示大多是建立在二維平面圖像或視頻影像上的，這種表達方式性能單一、交互性差;通過VR技術構建三維數字城市，將真實的城市場景通過數字化模型再現到計算機中，學生可以在所構建的三維虛擬場景中自由漫游，交互性強。
三、基于虛擬現實技術的地理課程設計
在中學地理課程中，許多內容可以運用虛擬現實技術進行教學，以人教版《高中地理(必修一)》中“常見的天氣系統”為例，運用虛擬現實技術對天氣系統進行實景體驗和交互體驗教學設計，進而探討其中的教學意義與價值。
(一)虛擬現實技術課程設計思路
在“常見的天氣系統”課程設計中，根據虛擬現實技術的特點和所要講解的知識點，將教學內容重新整合，形成沉浸設計、構想設計和交互設計三個模塊，每個模塊根據大氣的熱力狀況、大氣的運動、天氣系統分成八個方面，這是常見的天氣系統實景體驗與交互體驗的教學設計思路。
(二)基于虛擬現實的課堂教學
在“常見的天氣系統”一課教學中，教師首先進行情境導入，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，使學生形成對大氣環境的基本認識。然后，教師通過實景模型與動畫模擬演示，讓學生明確冷氣團與暖氣團所處的位置，了解大氣運動的規律。最后，教師通過情境交互的VR技術，讓學生把握大氣運動的條件，掌握常見的天氣系統。首先，應用UniverseSandbox2軟件，全景展示大氣運動(如熱力環流、大氣水平運動等)的虛擬場景，讓學生佩戴HTCVive立體顯示頭盔，通過環繞聲耳機使學生沉浸于虛擬的大氣運動場景中，使學生直觀地理解冷鋒、暖鋒的形成過程，刺激學生的求知欲。其次，通過UniverseSandbox2，模擬展示冷氣團與暖氣團的溫度、濕度、體積、質量數據，并通過動畫模擬氣團的運動規律，讓學生了解氣團的屬性。最后，通過UniverseSandbox2進行情境交互的地理實驗。學生通過操作HTCVive虛擬交互手柄，創建天氣系統———冷鋒、暖鋒，并仔細觀察冷鋒、暖鋒兩側的溫度、濕度特征。借助HTCVive虛擬交互手柄進行場景交互實驗，呈現大氣運動的立體虛擬實景，使學生獲得冷鋒、暖鋒的天氣交互體驗。
(三)基于虛擬現實的實景體驗
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。應用三維交互類課件展示常見的天氣系統，通過Uni-ty3D引擎的場景功能，將課件的設計模塊化，實現效果逼真的三維環境。基于虛擬現實技術，結合“常見的天氣系統”課程內容特點，通過場景建模、立體顯示和虛擬交互構建虛擬大氣運動實景。教師通過虛擬現實技術構建虛擬實景，使學生在教室中就能浸入大氣運動空間，在視覺、聽覺上得到現實體驗，由此充分認識冷氣團與暖氣團、冷鋒與暖鋒、冷暖鋒形成的天氣;通過動態展示大氣運動規律，使學生能更加直觀地了解和感知復雜多變的天氣，培養學生的感知運動思維，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，促進學生對對流層的進一步探索，深刻領會復雜天氣形成的原因。由于VR技術具有交互性、沉浸性、多感知性的特點，可以寓教于樂，具有學習的過程性、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，通過VR技術與教育相結合，為學生帶來三維空間學習環境，不僅能激發學生學習地理的熱情，而且通過對客觀環境的模擬，與實際學習情境高度融合，從視、聽、觸等感官上給學生帶來前所未有的學習體驗。
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作者:吳國璽 張泊平 李中軒