虛擬現實技術在高校地理教學中的應用研究

何娜　溫瑞虹

摘要：虛擬現實技術就是近幾年快速形成并發展起來的新型技術，它將多種學科融合為一體，其特征是具有交互性和沉浸性，以及自主感知性等。高校地理學科在教學過程中不斷拓展教學手段，探索新的教學技術，而虛擬現實技術的發展和應用也恰好符合了高校地理學科教學特點。本文就虛擬現實技術在高校地理學科教學中的應用和結合做了簡單概括，希望對同行在教學手段的創新中有一定幫助。

關鍵詞：地理教學；虛擬現實；教學手段；教學技術

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）48-0165-02

一、引言

虛擬現實技術最早起源于美國，由美國人拉尼爾在上世紀80年代最早提出，之后在國外迅速傳播開來并得到飛速發展。目前已經在教育、軍事以及醫學等相關領域發揮了重要的作用。虛擬現實技術在我國的研究相對較晚，隨著計算機技術和三維空間技術的不斷發展，人機交互技術的不斷完善使得人們能夠與虛擬世界進行溝通和交流，并且讓操作者和參與者能夠感受到身在其中的感覺，直接與其中實物進行相互作用。雖然當前虛擬現實技術在我國的研究還處于起步階段，但是我國很多科研院所和高校都已經認識到這一技術的發展前景，逐步將這一技術作為當前熱點來研究。我國有關部門已經制訂了對虛擬現實技術進行研究的計劃，并結合我國國情開展其應用范圍的拓展。

作為“科學之母”的地理學，其主要研究的是地球表層自然要素與人文要素相互作用及其形成演化的特征、結構、格局、過程、地域分異與人地關系等，其研究的地理空間內時空跨度很大的各類自然現象及其變化原因和形成的機理，包括大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈和人類出現后發生的一系列變化。我國高校地理教學經過幾十年的發展也不斷改革創新，已經取得了一定的成果，但是，在教學手段上一些傳統的教學方式如教師口頭描述，使用地理掛圖以及多媒體的應用等仍然在高校地理教學中廣泛使用，新的教學手段的推廣范圍有限。地理學科對于學生理性思維的要求比較高，其中一些機制機理的內容如地質結構的演變過程、大氣的運動過程以及降水的形成過程等都需要學生通過動態演變來接受教學內容，而教師僅僅口頭描述或使用掛圖很難達到良好的教學效果。這也是當前高校地理教學過程中一直存在著的教師“教”與學生“學”之間不能有效連接的現象。

如何使高校地理教學手段的改進和學生學習效率的提高相銜接，就使得虛擬現實技術在高校地理教學中有了發展的空間。如何將虛擬現實技術有效地應用到高校地理教學中去，發揮其強大模擬現實的功能，是高校地理教育教學工作者的首要任務。

二、虛擬現實技術概述

（一）相關概念

虛擬現實技術綜合運用了計算機技術、人工智能技術、傳感技術以及人機交互技術，利用計算機生成的三維圖像模擬人體的視聽嗅觸等感覺，將人對虛擬世界的感觸通過計算機自然的融入其中，從而實現人體對虛擬世界的體驗。

（二）虛擬現實技術的基本特征

1.自主性。即失重現象。在虛擬環境中各種物體的運行規律遵循失重狀態下物體運行規律，即任何物體在受到外力作用的情況下，都會改變自身原來的運行軌跡。

2.多感知性。在虛擬現實環境下，人體的各種感覺并未消失，視聽味觸等感覺依然存在，參與者身在其中仍然能夠感知這些感覺，從而使得參與者能夠有置身其中的感覺。

3.交互性。即人機交互功能。參與者和操作者能夠利用操縱裝置與相關裝置進行交流和互動，也可以通過相關設備感知其中的內容，如物體的重量可以通過手來感知，并能實現物體的運動。

4.沉浸性。虛擬現實技術通過利用計算機模擬產生的三維立體圖像，完全符合人體的感知感覺特征和相關的心理生理特征，能夠使參與者和使用者在虛擬現實環境中感受到現實世界一樣的感覺，進行交流和互動。

三、虛擬現實技術在高校地理教學中的應用

高校地理教學與現實密切聯系，對于一些地理特征需要進行深入的分析和研究。雖然當前高校地理教學中已經應用了各種教學方法，但是對于虛擬現實技術在高校地理學科中的應用還有一定的差距。本文列舉了幾個高校地理教學中常用的地理知識與虛擬現實技術相結合的方法，以此來說明虛擬現實技術在高校地理學科教學中有非常重要的作用。

1.虛擬現實技術在地震教學中的應用。隨著近幾年地震在全世界的頻繁發生，以及地震過后所產生的巨大社會影響。地震現象已經被世界各國高度重視，高校對于地震的研究也越來越深入。地震是由于地殼在其內在應力和外在應力的共同作用下，使得聚集的構造應力突然釋放，以震源為中心，向四周以震動彈性波的方式不斷傳播開來，從而引起地面不斷顫動的現象。作為教學和研究的重要領域的高校，在開展地震教學和研究中的作用越來越重要。在傳統的高校地理教學，尤其是地震知識教學過程中，更多的是采用教師口頭描述和講解的手段進行，對于地震產生的機理和發生過程中的相關動態過程也只能采用平面圖或立體圖的方式，無法讓學生直觀地去觀察，而只能通過想象和經驗推斷來學習，其效果并不十分理想。虛擬現實技術能夠生動地模擬地震發生的機制和原理，讓高校學生非常直觀地觀察并且感受地震不同震級所產生的不同災害，讓高校學生能夠從不同角度對這一現象進行跟蹤，增強學生對這一知識的理解的準確性，大大提高了這一學科的教學效果。

2.虛擬現實技術在地質結構教學中的應用。高校地理學科是一門非常直觀的學科，其中一些教學內容如地震的產生、地殼板塊的運動、地質結構的形成以及一些常見的自然災害如火山、地震等的演變都是教學中的重點和難點。地質結構非常復雜，需要教師和學生有非常好的三維動態理解能力，但是由于資料和教師水平的限制，很難讓學生一次就能理解相關知識。虛擬現實技術的應用能夠很好地模擬地質結構的三維立體結構，模擬地質構造和板塊運動過程中的各種現象，生動地再現巖層的演變過程，利用動態的效果成功地渲染這一地理知識的演變過程，并且能夠利用虛擬現實技術中的傳感設備獲取大量數據，再現物體的原始形態和三維結構，將地質結構中的不同層次構造和任意角度的地質屬性通過數據連接生動的表現出來，克服了傳統教學中無法采用圖像進行教學的弊端。虛擬現實技術在這一知識教學中的應用最大程度地實現了地質結構快速、大范圍的重建問題，有效地提高了教學效率。

3.虛擬現實技術在地理環境教學中的應用。傳統的地理學科教學是將某一地理知識或地理環境單獨拿出來進行講解，忽視了整體地理環境的相互作用，人為地割裂了地理環境之間的關系。利用虛擬現實技術進行地理環境相關知識的教學，可以利用計算機和網絡傳感技術將現實中的地理環境按照一定的尺度進行虛擬設置，可以是大尺度也可以是中小尺度，將地理環境以及社會環境和政治經濟環境全部進行虛擬化，讓高校學生和參與者深入其中，進入到特定的三維地理空間中去，與該環境中的事物進行交流和互動，并且感受如果其中的某一個地理因子發生變化，將會引起什么樣的相關變化。這種模擬現實環境的教學還可以按照操作者或者教學者的意愿調整地理環境，如可以調整云層的厚度和高度，設置雨天或雪天，根據太陽和月亮的升降變化調整光線的亮度等。由此可見，虛擬現實技術能夠有效的將地理學科中的枯燥知識轉變為生動的容易讓學生接受的知識，為高校教師的教學提供了一個良好的教學平臺，提高了教學效率。

4.虛擬現實技術在潮汐教學中的應用。潮汐在高校地理學教學中是非常重要的知識點。潮汐是在月、日引潮力作用下海洋水體發生周期性的伴隨有潮位垂直漲落的水平運動。在國外，科研院所利用虛擬現實技術對潮汐數值進行模擬，得出可視化與虛擬現實系統，并且達到了預期的研究目的和效果。目前我國學術較高的高校地理教學中常采用潮汐數值模擬，即通過離散化潮汐運動的控制方程，用近似求解方法模擬潮汐運動特征，達到對潮汐場及其變化規律的認識，但這種方法缺乏直觀性和形象性，而且使用的離散化潮汐運動的控制方程對于一般高校和學生不是很好掌握的，所以體現在整體上是教學效果差、學生感覺難等一系列效果。利用虛擬現實技術實現潮汐模擬達到可視化效果，可使師生在虛擬環境中交互操作該對象，真正實現了人與自然的交流與互動，得到潮汐變化的動態過程。

四、結語

從以上分析可知虛擬現實技術在高校地理教學中應用非常廣泛，是加強高校地理科學教學質量和手段的最有效途徑。借助于虛擬現實技術，高校地理科學不僅能更好地宣傳自己、深化理論研究水平，而且能更好地為國民經濟建設出力。雖然目前虛擬現實技術仍有許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙，但隨著各種硬、軟件的發展，這一技術會不斷提高其逼真性、虛擬性和可普及性，可以預見在不遠的將來，虛擬現實技術必將在地理科學教學中取得更廣泛、更深入的應用，給地理科學帶來重大的變化契機。

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