周智敏

0 引言

虛擬現實技術(Virtual Reality)是利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者戴上特殊的頭盔、數據手套等傳感設備，或利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。虛擬現實技術從誕生之日起就嶄露了它特有的優(yōu)勢，廣泛應用于航空航天、醫(yī)學、教育、建筑設計、軍事訓練、體育訓練、娛樂游戲等眾多領域。在中學教育領域，虛擬現實技術有著廣闊的應用空間。本文主要探討虛擬現實技術的基本知識以及它在中學地理課件制作中的應用。

1 虛擬現實技術

1.1 什么是虛擬的現實技術

1989年美國的J.Lanier（后來曾是專做VR產品的VPL公司董事長）提出所謂“虛擬現實（Virtual Reality）”，即用計算機技術來生成一個逼真的三維視覺、聽覺、觸覺或嗅覺等感覺世界，讓用戶可以從自己的視點出發(fā)，利用自然的技術和某些設備，對這一生成的虛擬世界客觀，進行瀏覽和交互，國內也有人譯為“靈境”“幻真”等。

根據上述的解釋，虛擬現實由兩部分組成：一部分為創(chuàng)建的虛擬世界（環(huán)境），另一部分為介入者。虛擬現實的核心，是強調兩者之間的交互操作，即反映出人在虛擬世界（環(huán)境）的體驗。虛擬現實的概念模型，如圖1所示：

圖1 概念模型

1.2 虛擬現實技術的基本特征

（1）多感知性

指除了一般計算機所具有的視覺感知外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、味覺感知及嗅覺感知等。理想的虛擬現實，就是應該具有人具有的全部感知功能。

（2）存在感

又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應該達到使用戶難以分辨真假的程度。

（3）交互性

交互性是指用戶對模擬環(huán)境，內物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實時性）。

（4）自主性

是指虛擬環(huán)境中物體依據物理定律動作的程度。

2 中學地理中的虛擬現實技術

2.1 需求分析

縱觀目前上海市中學各學科的課程標準，幾乎都提出了“關注與現代信息技術整合的”理念，尤其在地理、數學、物理等自然科學類的學科中，更為突出。

在地理學科中的自然地理部分，考慮到中學生的三維立體空間的概念比較薄弱。但僅僅依靠傳統(tǒng)的講授教學法，配以教材上的平面示例圖，很難理解有關的知識點。若采用具有較強的三維立體空間表現能力的虛擬現實技術，將教材上的平面示例圖變?yōu)槿S立體圖的話，能在盡可能短的時間內培養(yǎng)學生建立空間模型的能力，以及提高學生進行空間推理的水平。

這樣學生在學習時，能對三維立體模型有個全方位的認識，能主動地去發(fā)現問題、探究問題，這樣既調動了學生學習的熱情，又使他們對所學知識有了深刻的認識，同時提高了他們發(fā)現問題、探究問題的能力，這些都是傳統(tǒng)二維平面動畫所不能相比的。

類似地，在數學學科的立體幾何章節(jié)中，可以構建各種可交互性的各種立體模型，可以把三維立體幾何與二維平面幾何的有關知識聯(lián)系起來，例如：二面角。在物理、化學和生物等學科中，建立虛擬實驗室，學生可以自主地在其中進行實驗等等，這一系列應用定能充分發(fā)揮虛擬現實技術在中學教育中的作用。

2.2 建立虛擬現實模型

根據教學內容的不同，可以采用多種軟件來實現虛擬現實教學。部分軟件的功能及優(yōu)缺點，如表1所示：

表1 虛擬軟件的優(yōu)缺點

（考慮到軟件需要適用于中學老師，因此這里列舉都是普及性的軟件）

靜態(tài)模型采用AutoCAD建模來實現，AutoCAD的好處就是自帶3D引擎，建立好的模型，可以直接在軟件中進行縮放或視角變換。教材中有關于日食月食發(fā)生的解釋，如圖2所示：

圖2 日食月食發(fā)生的解釋

并不是每次新月都發(fā)生日食，每次滿月都發(fā)生月食，根本原因是黃道面（地球的公轉軌道面）和白道面（月球的公轉軌道面）由5°9′的夾角，而在一張平面上要表達兩個平面的信息很困難。

如圖3所示：

圖3 AutoCAD

AutoCAD中的建模模型，只要通過鼠標的旋轉，把視圖變?yōu)閭纫晥D，那么圖2中的A位置的日、地、月三者的位置關系就明顯了，三者并不會完全在一條直線上，所以不能發(fā)生日食或月食。而在 B位置時，月球恰好運行到黃道面和白道面的交線上，才可能發(fā)生日食和月食。

3 使用AutoCAD建立地球三維模型

在自然地理部分中，經常會觸及太陽、地球、月球三者的空間關系，因此AutoCAD中將其做成一個組件，今后可以反復多次調用。下面就以地球為例，簡要說明一下制作過程。

準備工作：

1）新建圖層。為了在教學時能夠任意顯示或關閉所需的內容，需要將它們繪制在不同的圖層上，如圖4所示：

圖4 新建圖層

2）打開捕捉。確?！皩ο蟛蹲健焙汀皩ο笞粉櫋卑粹o處于開啟狀態(tài)，如圖5所示：

圖5 打開捕捉

3）建立工作平面。AutoCAD提供了一種可移動的坐標系，稱為用戶坐標系（UCS）。請檢查 “視圖”菜單→“顯示”→“UCS圖標”→“開”前是否已打鉤。默認情況下它是世界坐標系的兩根坐標軸，其中Z軸指向屏幕外，如圖6所示：

圖6 UCS圖標

這里需要建立一個新用戶坐標系，新坐標系的 Y軸與世界坐標系的Z軸平行。這里的旋轉遵循“右手螺旋定則”，X軸的正方向與右手大拇指的方向一致，4個手指的方向就是要旋轉的方向，如圖7所示：

圖7 旋轉

這樣新坐標系的 Y軸就指向屏幕外了，與世界坐標系的Z軸平行，方向也相同。而新坐標系的Z軸的正方向與世界坐標系的Y軸的正方向正好相反，效果如圖8所示：

圖8 UCS圖標

制作過程：

1、繪制地軸。在剛才已經新建了用戶坐標系中沿Y軸方向繪制一條長200的線段。在Y軸正方向上的端點就是北極點，另一個端點為南極點，中點為地球球心。

2、繪制本初子午線。為本初子午線新建一個圖層，顏色設置為藍色。用同樣的方法繪制 180°經線，將顏色設置為黑色。

3、繪制赤道。單擊“繪圖”菜單→“圓”→“圓心、半徑”，鼠標在地軸中點附近會出現一個三角形，按下鼠標左鍵，然后輸入100，赤道就畫好了。為赤道新建圖層，設置為紅色。這樣經緯網的框架就搭建起來了，如圖9所示：

圖9 赤道

4、繪制其他經線和緯線。如圖10所示：

圖10 經緯線

5.美化地球三維模型。我們在經緯線下再建立一個球體。最終效果，如圖11所示：

圖11 三維地球

4 總結

通過 AutoCAD的靜態(tài)三維模型建模實現虛擬現實技術，可以幫助中學生在沒有學習過立體空間幾何知識的前提下，在最短的時間理解有關知識，掌握要點，可以說中學地理學科是虛擬現實技術應用于中學教育階段最佳的學課，能最有效地發(fā)揮虛擬現實技術的作用，提高教學質量的，尤其在自然地理部分顯得更為突出。在實際的教學應用中，，既豐富了教師的 教學手段和方法，又能激發(fā)學生的學習興趣。

但制作此類課件對于地理學科的老師有些難度過高，這樣就需要更多此方面的專業(yè)制作人員為一線老師給予培訓和指導。

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