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［摘要］在虛擬現(xiàn)實技術背景下，地理教師可以通過虛擬現(xiàn)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(tài)演示、區(qū)域時空場景的虛擬漫游和地理空間的虛擬情境創(chuàng)設，突破傳統(tǒng)課堂模式，探索虛擬現(xiàn)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(huán)境，激發(fā)學生學習地理的熱情。

［關鍵詞］地理教學;虛擬現(xiàn)實技術;可視化;課程設計

隨著計算機技術的應用與發(fā)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(shù)據(jù)、計算機技術、虛擬現(xiàn)實技術(VirtualRe-ality，VR)、地理信息(GIS)和遙感技術(RS)等現(xiàn)代信息技術的教育價值，尤其是合理利用虛擬現(xiàn)實技術提升教學效果。

一、虛擬現(xiàn)實技術與中學地理教學

(一)虛擬現(xiàn)實技術及其特點

虛擬現(xiàn)實技術是仿真技術的一個發(fā)展方向，該項技術主要包括模擬環(huán)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(xiàn)實場景的構建。在課堂上，學生可以通過佩戴頭盔、手柄、數(shù)據(jù)衣服、數(shù)據(jù)手套等設備，實現(xiàn)對地理景物認知的可視化。虛擬現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)實技術與地理教學

傳統(tǒng)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(huán)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(xiàn)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(fā)學生的學習興趣，擴大課堂教學的容量，化抽象為直觀，創(chuàng)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(xiàn)實技術呈現(xiàn)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(xiàn)實走進課堂，可以喚起學生的興趣，培養(yǎng)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(xiàn)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(xiàn)實情境的創(chuàng)設

(一)地理過程的虛擬動態(tài)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(tài)變化的影響，河流、海岸、黃土、冰川、風沙、喀斯特等地表形態(tài)的形成與演化，受時間的限制觀測不到;地殼內部物質循環(huán)、地震、泥石流、滑坡等地質災害的產生機制與發(fā)生過程，受條件的限制不能觀測。如果使用虛擬現(xiàn)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(tài)場景中，感受地理規(guī)律的變化。因此，教師可以運用虛擬現(xiàn)實技術，通過虛擬場景，為學生展現(xiàn)地理現(xiàn)象的動態(tài)性變化，使學生更好地掌握地理運動的規(guī)律。

(二)自然景觀的立體虛擬構建

在地理學科中，許多地理規(guī)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(tǒng)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(xiàn)各種景觀的細節(jié)，教學不夠形象、生動、直觀。而虛擬現(xiàn)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(xiàn)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(chuàng)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(xiàn)實技術，按照地理實驗教學的內容，創(chuàng)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(huán)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(fā)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(xiàn)象與總結地理規(guī)律，實現(xiàn)地理知識與實際生活的融會貫通。

(四)區(qū)域時空場景的虛擬漫游

地理現(xiàn)象具有空間性、區(qū)域性，在區(qū)域地理教學中，教師需要為學生講解不同區(qū)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(xiàn)地理空間的傳統(tǒng)教學模式，可以按照地理時空和區(qū)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(xiàn)實技術，設計、開發(fā)與使用的虛擬漫游系統(tǒng)，傳統(tǒng)的城市現(xiàn)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(shù)字城市，將真實的城市場景通過數(shù)字化模型再現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)”為例，運用虛擬現(xiàn)實技術對天氣系統(tǒng)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(xiàn)實技術課程設計思路

在“常見的天氣系統(tǒng)”課程設計中，根據(jù)虛擬現(xiàn)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(jù)大氣的熱力狀況、大氣的運動、天氣系統(tǒng)分成八個方面，這是常見的天氣系統(tǒng)實景體驗與交互體驗的教學設計思路。

(二)基于虛擬現(xiàn)實的課堂教學

在“常見的天氣系統(tǒng)”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(huán)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(guī)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(tǒng)。首先，應用UniverseSandbox2軟件，全景展示大氣運動(如熱力環(huán)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(huán)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(shù)據(jù)，并通過動畫模擬氣團的運動規(guī)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(chuàng)建天氣系統(tǒng)———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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)，通過Uni-ty3D引擎的場景功能，將課件的設計模塊化，實現(xiàn)效果逼真的三維環(huán)境?；谔摂M現(xiàn)實技術，結合“常見的天氣系統(tǒng)”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(xiàn)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(xiàn)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(tài)展示大氣運動規(guī)律，使學生能更加直觀地了解和感知復雜多變的天氣，培養(yǎng)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(huán)境，不僅能激發(fā)學生學習地理的熱情，而且通過對客觀環(huán)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