江蘇省南京市寧海中學(xué)（210024） 俞飛虹

一、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)及特色

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）又稱VR技術(shù)，是一種具有沉浸性、交互性和幻想性的人機(jī)交互技術(shù)，是綜合了圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)的三維逼真的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可通過(guò)以文字、圖形圖像、動(dòng)畫、聲音以及視頻等多源數(shù)據(jù)，作為媒介構(gòu)建虛擬場(chǎng)景的交互系統(tǒng)，為用戶提供視覺(jué)、聽覺(jué)和觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感知功能的能力，使得用戶能在虛擬環(huán)境中具有較為真實(shí)的感受。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入地理教學(xué)可在宏觀、微觀場(chǎng)景的可調(diào)控觀測(cè)視角、跨越不同時(shí)空尺度場(chǎng)景的自定義演示，以及具有真實(shí)臨場(chǎng)感的教學(xué)游戲等方面取得突破。

現(xiàn)實(shí)的地理環(huán)境紛繁復(fù)雜，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)往往無(wú)法把握其主要特征，這導(dǎo)致學(xué)生在分析探究地理事物分布和發(fā)展演化規(guī)律時(shí)具有片面性，難以貫徹地理學(xué)的基本特征及整體性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把場(chǎng)景的可視化與交互能力作為核心，大大增強(qiáng)了人的臨場(chǎng)感和在虛擬環(huán)境中的沉浸性（真實(shí)性）、用戶與模擬環(huán)境中對(duì)象的可操作度和對(duì)環(huán)境的反饋度（交互性），以及廣闊的可想象空間和認(rèn)知范圍的可拓展性（構(gòu)想性）。虛擬現(xiàn)實(shí)不單提供了用戶與終端的接口，更可使用戶從虛擬環(huán)境獲取新的知識(shí)，從而產(chǎn)生新的構(gòu)想并反饋給系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)-創(chuàng)造-再學(xué)習(xí)-再創(chuàng)造的過(guò)程。

1．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了宏、微觀場(chǎng)景的可調(diào)控觀測(cè)視角

VR技術(shù)借助于計(jì)算機(jī)和相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)地理環(huán)境的模擬與實(shí)時(shí)交互，為學(xué)生從不同側(cè)面、不同層次全面分析探究各種環(huán)境要素的特征和演化規(guī)律提供了可能。目前互聯(lián)網(wǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了許多虛擬現(xiàn)實(shí)的網(wǎng)站，充分應(yīng)用這些網(wǎng)站提供的虛擬現(xiàn)實(shí)素材，即可方便地構(gòu)建出虛擬課堂。如在中國(guó)全景旅游網(wǎng)（http://www.chinavr.net）中，可以找到全國(guó)各地風(fēng)景名勝的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，在旅游、地貌、水文和植被以及經(jīng)濟(jì)文化有關(guān)內(nèi)容的教學(xué)時(shí)，即可利用該網(wǎng)站引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)(圖1)。

圖1 從不同角度、不同距離觀察南京中山陵的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景

2．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了跨越不同時(shí)空尺度場(chǎng)景的自定義演示功能

一些地理現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展具有很大的時(shí)空尺度，它們的演化過(guò)程較難在現(xiàn)實(shí)環(huán)境特別是在課堂教學(xué)中觀測(cè)探究。如大尺度的大氣運(yùn)動(dòng)、深海底部、巖石圈的內(nèi)部、火山的結(jié)構(gòu)等。借助于VR技術(shù)所打造的虛擬地理環(huán)境，我們可以根據(jù)地理事物的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，從時(shí)間維度上進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s和拉伸，從而將漫長(zhǎng)的緩慢的變化過(guò)程變得顯而易見(jiàn)，將迅速發(fā)生的變化過(guò)程演示得細(xì)節(jié)突出，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。圖2給出了基于Forgefx虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的冷鋒天氣過(guò)程和板塊構(gòu)造理論海底擴(kuò)張過(guò)程的演示。通過(guò)滑動(dòng)系統(tǒng)所提供了滑塊，學(xué)生可以自由調(diào)控鋒面天氣系統(tǒng)和海底擴(kuò)張的時(shí)空過(guò)程，從而提供了一個(gè)直觀的探究環(huán)境。

圖2

二、虛擬現(xiàn)實(shí)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例：太陽(yáng)系中行星運(yùn)動(dòng)

太陽(yáng)系中的行星運(yùn)動(dòng)涉及到行星運(yùn)動(dòng)、日食和月食的產(chǎn)生以及地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)等內(nèi)容。上述教學(xué)內(nèi)容不僅抽象、時(shí)空跨度大，而且知識(shí)點(diǎn)繁多，學(xué)生一般較難獲得直觀的認(rèn)識(shí)。借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以直觀地再現(xiàn)和演示太陽(yáng)系中行星運(yùn)動(dòng)的真實(shí)場(chǎng)景與運(yùn)動(dòng)特征。

1．基于虛擬太陽(yáng)系的行星運(yùn)動(dòng)特征教學(xué)

基于交互虛擬網(wǎng)站Forgefx提供的太陽(yáng)系虛擬宇宙環(huán)境，選擇太陽(yáng)系中的行星及小行星帶等要素，用細(xì)線給出了行星的公轉(zhuǎn)軌道。通過(guò)點(diǎn)選天體獲得選定天體的主要物理特征，并在左側(cè)下方展示了該天體的照片，右側(cè)上方實(shí)時(shí)給出了該天體的運(yùn)動(dòng)狀況及其與其他天體的相對(duì)位置等。通過(guò)改變視點(diǎn)位置，使學(xué)生能從不同距離，以及側(cè)視、頂視或透視等不同方位，迅速掌握太陽(yáng)系的主要成員及其運(yùn)動(dòng)特征。如頂視即可發(fā)現(xiàn)行星公轉(zhuǎn)同一方向，軌道近似圓形，太陽(yáng)位于其焦點(diǎn)，側(cè)視則揭示出行星公轉(zhuǎn)軌道的共面性特征（圖3）。Forgefx提供的系統(tǒng)雖沉浸感不很強(qiáng)，但所提供的場(chǎng)景已相當(dāng)直觀。美國(guó)Astronautic Technology公司的Al-Falak 虛擬太陽(yáng)系則包含手套、頭盔、眼鏡等虛擬設(shè)備，可使學(xué)生獲得更好的臨場(chǎng)體驗(yàn)。

圖3 頂視圖和側(cè)視圖展示的行星公轉(zhuǎn)軌道的近圓性和共面性

2．基于虛擬現(xiàn)實(shí)的月相和日食教學(xué)

月相和日食的理解，需要很強(qiáng)的空間認(rèn)知能力，基于Forgefx的系統(tǒng)，可以營(yíng)造產(chǎn)生月食和日食的宇宙環(huán)境（圖4），象月食、日食這樣現(xiàn)實(shí)條件下難得一見(jiàn)的現(xiàn)象可重復(fù)演示，為學(xué)生的自我探究提供了充分的條件。通過(guò)系統(tǒng)所提供的觀察點(diǎn)以及視角的變換，我們更可以從太陽(yáng)、月球、地球以及整個(gè)宇宙環(huán)境中觀察不同月相轉(zhuǎn)換以及日、月食的發(fā)生，直觀再現(xiàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

圖4

三、結(jié)論與討論

相對(duì)于傳統(tǒng)的語(yǔ)言、圖片以及動(dòng)畫等相對(duì)靜態(tài)的教學(xué)材料而言，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了靈活的、具有高臨場(chǎng)感、高交互性和廣闊的認(rèn)知構(gòu)想性的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)為教學(xué)活動(dòng)營(yíng)造的虛擬地理環(huán)境與現(xiàn)實(shí)的地理環(huán)境有所差異。虛擬地理環(huán)境創(chuàng)設(shè)時(shí)，我們可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)要求和學(xué)生的實(shí)際情況，將地理要素進(jìn)行必要的取舍和再加工。在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互探究時(shí)，既有利于把握整體特征，又有利于認(rèn)識(shí)主導(dǎo)因素，從而大大提高學(xué)生自我探究學(xué)習(xí)的效率。

現(xiàn)階段，除了在互聯(lián)網(wǎng)上尋求虛擬現(xiàn)實(shí)的教育資源外，借助專業(yè)的軟件如Shockwave3d、Quest3D、VRML和Vir Tools等可以制作簡(jiǎn)單的場(chǎng)景。總之，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們可以營(yíng)造基于現(xiàn)實(shí)世界而超越現(xiàn)實(shí)世界的虛擬地理環(huán)境，為課堂教學(xué)提供自主探究的有效空間，從而可從根本上改變學(xué)生學(xué)習(xí)地理的方式，為新課程的推進(jìn)提供新的思路。