江蘇省南京市寧海中學（210024） 俞飛虹

一、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于課堂教學的優(yōu)勢及特色

虛擬現(xiàn)實技術(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)等多種學科技術(shù)的三維逼真的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可通過以文字、圖形圖像、動畫、聲音以及視頻等多源數(shù)據(jù)，作為媒介構(gòu)建虛擬場景的交互系統(tǒng)，為用戶提供視覺、聽覺和觸覺、味覺和嗅覺等感知功能的能力，使得用戶能在虛擬環(huán)境中具有較為真實的感受。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入地理教學可在宏觀、微觀場景的可調(diào)控觀測視角、跨越不同時空尺度場景的自定義演示，以及具有真實臨場感的教學游戲等方面取得突破。

現(xiàn)實的地理環(huán)境紛繁復雜，學生在短時間內(nèi)往往無法把握其主要特征，這導致學生在分析探究地理事物分布和發(fā)展演化規(guī)律時具有片面性，難以貫徹地理學的基本特征及整體性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)把場景的可視化與交互能力作為核心，大大增強了人的臨場感和在虛擬環(huán)境中的沉浸性（真實性）、用戶與模擬環(huán)境中對象的可操作度和對環(huán)境的反饋度（交互性），以及廣闊的可想象空間和認知范圍的可拓展性（構(gòu)想性）。虛擬現(xiàn)實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，從而產(chǎn)生新的構(gòu)想并反饋給系統(tǒng)，進而實現(xiàn)學習-創(chuàng)造-再學習-再創(chuàng)造的過程。

1．虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了宏、微觀場景的可調(diào)控觀測視角

VR技術(shù)借助于計算機和相關(guān)設(shè)備實現(xiàn)對真實地理環(huán)境的模擬與實時交互，為學生從不同側(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)實的網(wǎng)站，充分應(yīng)用這些網(wǎng)站提供的虛擬現(xiàn)實素材，即可方便地構(gòu)建出虛擬課堂。如在中國全景旅游網(wǎng)（http://www.chinavr.net）中，可以找到全國各地風景名勝的虛擬現(xiàn)實場景，在旅游、地貌、水文和植被以及經(jīng)濟文化有關(guān)內(nèi)容的教學時，即可利用該網(wǎng)站引導學生進行自主探究學習(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)實場景

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

一些地理現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展具有很大的時空尺度，它們的演化過程較難在現(xiàn)實環(huán)境特別是在課堂教學中觀測探究。如大尺度的大氣運動、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，從時間維度上進行適當?shù)膲嚎s和拉伸，從而將漫長的緩慢的變化過程變得顯而易見，將迅速發(fā)生的變化過程演示得細節(jié)突出，從而提高學生學習的效果。圖2給出了基于Forgefx虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的冷鋒天氣過程和板塊構(gòu)造理論海底擴張過程的演示。通過滑動系統(tǒng)所提供了滑塊，學生可以自由調(diào)控鋒面天氣系統(tǒng)和海底擴張的時空過程，從而提供了一個直觀的探究環(huán)境。

圖2

二、虛擬現(xiàn)實在課堂教學中的應(yīng)用實例：太陽系中行星運動

太陽系中的行星運動涉及到行星運動、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。上述教學內(nèi)容不僅抽象、時空跨度大，而且知識點繁多，學生一般較難獲得直觀的認識。借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以直觀地再現(xiàn)和演示太陽系中行星運動的真實場景與運動特征。

1．基于虛擬太陽系的行星運動特征教學

基于交互虛擬網(wǎng)站Forgefx提供的太陽系虛擬宇宙環(huán)境，選擇太陽系中的行星及小行星帶等要素，用細線給出了行星的公轉(zhuǎn)軌道。通過點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)上方實時給出了該天體的運動狀況及其與其他天體的相對位置等。通過改變視點位置，使學生能從不同距離，以及側(cè)視、頂視或透視等不同方位，迅速掌握太陽系的主要成員及其運動特征。如頂視即可發(fā)現(xiàn)行星公轉(zhuǎn)同一方向，軌道近似圓形，太陽位于其焦點，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，但所提供的場景已相當直觀。美國Astronautic Technology公司的Al-Falak 虛擬太陽系則包含手套、頭盔、眼鏡等虛擬設(shè)備，可使學生獲得更好的臨場體驗。

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)實的月相和日食教學

月相和日食的理解，需要很強的空間認知能力，基于Forgefx的系統(tǒng)，可以營造產(chǎn)生月食和日食的宇宙環(huán)境（圖4），象月食、日食這樣現(xiàn)實條件下難得一見的現(xiàn)象可重復演示，為學生的自我探究提供了充分的條件。通過系統(tǒng)所提供的觀察點以及視角的變換，我們更可以從太陽、月球、地球以及整個宇宙環(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)知識點。

圖4

三、結(jié)論與討論

相對于傳統(tǒng)的語言、圖片以及動畫等相對靜態(tài)的教學材料而言，虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了靈活的、具有高臨場感、高交互性和廣闊的認知構(gòu)想性的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實為教學活動營造的虛擬地理環(huán)境與現(xiàn)實的地理環(huán)境有所差異。虛擬地理環(huán)境創(chuàng)設(shè)時，我們可以根據(jù)教學內(nèi)容、教學要求和學生的實際情況，將地理要素進行必要的取舍和再加工。在教學活動中，學生與虛擬環(huán)境進行交互探究時，既有利于把握整體特征，又有利于認識主導因素，從而大大提高學生自我探究學習的效率。

現(xiàn)階段，除了在互聯(lián)網(wǎng)上尋求虛擬現(xiàn)實的教育資源外，借助專業(yè)的軟件如Shockwave3d、Quest3D、VRML和Vir Tools等可以制作簡單的場景?？傊瑧?yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，我們可以營造基于現(xiàn)實世界而超越現(xiàn)實世界的虛擬地理環(huán)境，為課堂教學提供自主探究的有效空間，從而可從根本上改變學生學習地理的方式，為新課程的推進提供新的思路。