虚拟现实技术在“地球概论”课程教学中的应用

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摘　要：在分析虚拟现实技术的技术优势基础上，提出在“地球概论”课程教学中应用虚拟现实技术。这对激发学生兴趣、弥补个别学校教学条件不足、提高教学效果具有重要意义。同时，介绍了虚拟现实技术在课件制作、实验教学中的应用实例，举一反三，对未来虚拟现实技术在地理科学专业课教学中的应用前景进行了展望。

关键词：虚拟现实；地球概论；地理科学

“地球概论”是高等师范院校地理科学专业基础必修课的重要组成部分之一。目前，大部分院校的“地球概论”课程采用金祖孟先生编写的《地球概论》一书作为教材。它的核心主要是阐述关于地球整体的基础知识和基本理论，例如地理坐标系、地球的运动、时间的形成、四季和五带等等，它是学习和研究自然地理学后续其他专业课程的基础。因此，它是师范院校地理科学专业先行的专业基础课程，起着为其他课程开路的作用。但是，由于“地球概论”课程中的内容比较抽象、枯燥，很多知识学生不能身临其境，学习起来比较困难，这就要求学生具备丰富的空间想象能力。同时，也对“地球概论”课程的任课教师提出了较高的要求，在教学手段、教学工具、教学方法等的选择方面要具有科学性和直观性，帮助学生理解立体的宇宙世界和地球。近年来，围绕“地球概论”课程教学的改革与探索很多，许多一线教师结合自己的授课经验，提出了课程的改革与创新模式。在此，笔者提出将虚拟现实技术应用于“地球概论”课程的教学之中，开辟一条新的“地球概论”教学改革之路。

一、虚拟现实技术概述

虚拟现实技术又称灵境技术，是20世纪后半叶出现的一项综合集成技术，涉及多媒体技术、仿真技术、人工智能、神经网络及心理学等学科领域，目前被广泛应用于医疗军事、教育等众多领域。其宗旨在于运用计算机对现实世界进行全面仿真，借助适当装置使人产生逼真的视、听、嗅、触、动觉等感觉，并能与虚拟世界及其中的元素进行自然体验和交互作用。虚拟现实技术一经提出，便受到了广泛关注，并于20世纪80年代末开始进入实用化阶段。

尤其是2010年的网上世博会，首次将具有150多年历史的世博会以三维游园的形式搬到网上，这一创举也让虚拟制造技术(是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工到装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真)“一夜成名”。通过这一技术“搭建”起来的网上世博会，可以真实地反映世博会的场景，声、情、图、文并茂，而且具有人机交互功能，让逼真精彩的3D场景呈现在人们眼前，使人仿佛身临其境。

虚拟现实技术具有3个主要特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和构想性(Imagination)。所谓沉浸性是指通过传感技术和人工智能技术等，将环境虚拟成三维的空间进行显示，使人感觉如同现实世界一样，可以沉浸于景色之中。交互性是指通过虚拟现实技术所构建的环境可以和使用者之间形成良好的互动性，使用者在身临其境的同时，也可以通过操作改变虚拟环境，从而实现环境与人的互动交流。构想性指的是虚拟现实不仅仅是一个演示媒体，而且还是一个设计工具，它可以根据设计者的思想把设计结果直接模拟显示出来，直接进行逼真的现实体验，能够快速地检验设计思想的正确与否。

尽管虚拟现实技术具有上述优点，然而关于虚拟现实技术在教育教学领域的运用却不够充t>o虽然许多媒体技术专家和教育工作者从不同角度作了十分有益的理论探讨，但虚拟现实技术在具体学科中教学应用的实例研究却不多见。

二、虚拟现实技术应用在“地球概论”课程教学中的意义

1.有利于激发学生的学习兴趣

虚拟现实技术支持下的学习场景与学习活动逼真、立体，更接近现实，在视、听等感官的刺激下，学生有更迫切的学习需要与学习动力。同时，虚拟现实技术还可以排除各种外界的干扰因素，使学生在学习时更加投入，从而收到意想不到的教学效果。以往学生在学习“地球概论”课程时，普遍感到学习起来很困难，这主要是因为“地球概论”课程里有很多知识都很抽象，而且离日常的生活较远，学生学习起来没有兴趣。然而，虚拟现实技术的引入，不仅使课本里的事物与环境变得真实、生动，并且它拉近了学生与宇宙空间的距离，使学生可以近距离地感受宇宙空间与环境，变“虚无缥缈”为“生动真实”。极大地提高了学生的学习兴趣，激发他们探索宇宙空间的欲望，调动他们学习的积极性，使学习环境更富人性化，更亲近学生。

2.弥补教学条件的不足

在现实教学中，有些高校经常会遇到实验设备、实验场地、教学经费有限等问题，致使一些必要的教学环节或实验活动无法开展。虚拟现实技术的引进，可以有效地解决上述问题，通过有针对性的设计，开展各种模拟实验或虚拟教学，让学生获得与真实实验或现实教学一样的体验，从而提高学生的应用能力与实际操作能力。此外，实验室在借助虚拟现实技术条件下还可以实现那些在现实中存在，但在一般条件或教学环境下很难甚至是无法观测到的事物与现象，例如极光、日晕等现象，方便教学的同时可以引导学生进一步探索，培养学生的探索精神。除了“地球概论”课程外，地理科学中的地质学、地貌学、水文学、气象学、土壤地理学、植物地理学等学科均需要实践与实习。虚拟现实技术的应用，打破了以往空间、时间对地理实习的限制，随时随地都可以进行实验与教学。尤其是在“地球概论”课程许多抽象知识的教学中，虚拟现实技术可以发挥它无以伦比的模拟现实效果。例如，在讲授天体运动、日月食等知识时，可以形象直观地模拟，使学生获得较深刻的感性认识。

3.有利于提高教学效果

从教学的角度考虑，基于虚拟现实技术的教学系统具有科学、形象、丰富的教学资源与灵活便捷的操作平台，还有及时、精确、人性化的学习行为反应。虚拟现实技术在“地球概论”课程教学中的应用是将多媒体课件应用于“地球概论”教学中的又一次飞跃。它使原本平面、图形、动画的课件变成三维、立体、直观的课件，它使以往不能实现的实验得以实施，它为“地球概论”的教学另辟蹊径，它变被动式学习为主动探索式学习，它使教学、实验、实践走向一体化，不仅提高了学生的理解能力和技能，而且提高了学生的创造性思维和实践能力。

三、应用实例

1.教学课件制作

从幻灯机到电影再到计算机以及多媒体技术的引入等，许多科技成就都在教学上得到了广泛应用，并且促进了教学效果的飞跃。虚拟现实技术由计算机可视化实现的临境性及交互性可以使地学类许多课程的教学内容得到更为具体和有效的展示，并为学生的学习提供更好的学习环境。利用虚拟现实技术可以将文字、声音、图片、动画等几种媒体表现形式有机地结合，设计出生动活泼的界面。制作出一些三维的、交互式的、具有沉浸感的内容，满足学习者从各个角度观察和学习的需要，仿佛身临其境，能够更好地理解学习的内容。

例如，在“地球概论”中的第一章天球坐标中，学生们对繁杂的天球坐标系统理解不深。如果分别理解单独的一个坐标系，学生们还可以理解得清楚，但是当地理坐标系、第一赤道坐标系、第二赤道坐标系、黄道坐标系(见图1)混合在一起时，鲜有学生不弄混的。如果借助虚拟现实技术，这个问题可以迎刃而解。利用虚拟现实技术模拟天球，给学生一个模拟的宇宙空间，并在模拟的天球中标示出各坐标系的基圈、始圈、终圈等。各个坐标系虽然繁杂，涉及的圈也很多，但是按照一定的脉络并借助立体的空间展示，使课件更生动、形象，加深学生的理解，使其印象深刻，而且不容易弄混，提高学习效率。

2.虚拟实验

目前，国内很多高校由于实验经费有限，实验资源不足，很多应该开设的实验课程并没有开设，或者开设的实验课程简单，达不到预期的教学目标。利用虚拟现实技术，可以模拟各种现实的实验环境，建立虚拟实验室，以弥补现实实验资源不足的缺憾。在实验室里，学生可以声、情并貌地感受地理环境和宇宙环境，与宇宙空间亲密接触。例如，在讲授四季星空部分时，就可以利用虚拟现实技术模拟一个宇宙空间，实现斗转星移，让学生在实验室里即可以看星星。以前，大多数学校都建立一个模拟的星空观测球，一方面建立实验场地需要购置大量的观测仪器，另一方面观测受天气的影响很大，雨天或阴天都不利于观测。但是，利用虚拟现实技术建立的实验室可以避免以往受到天气和实验器材的限制，反复使用，节约实验资源，实现低碳环保教学。

四、应用拓展

虚拟现实技术应用广泛。鉴于虚拟现实技术在教学中得天独厚的优势，在今后的教学中可以拓展至地理科学的各个分支学科，例如地质学、地貌学、水文学、气象学、土壤地理学、植物地理学等学科的教学，甚至应用于各学科的野外实习中。总之，虚拟现实技术在“地球概论”等地理科学专业课程中的应用不仅仅限于此，随着教学和应用的进一步深入，虚拟现实技术在教学领域，特别是地理科学专业教育领域的应用会更加广泛而深入，这些都有待各位教师的进一步探讨与研究。

参考文献：

[1]金祖孟，陈自悟，地球概论(第3版)[M]，北京：高等教育出版社，2009.

[2]邢雪峰，等，虚拟现实技术及其在教学中的应用[J]，重庆科技学院学报(自然科学版)，2008，10(3)：152-134.

[3]刘世彬，刘兴彦，虚拟现实技术在辅助课堂教学中的应用研究[J]，网络与信息，2009，(9)：16.

[4]邱隆伟，虚拟现实技术在地学类课程教学中的应用[J]，中国地质教育，2006，(2)：61-64.

[5]孙晓文，虚拟现实技术应用于教学前景分析[J]，硅谷，2009，(23)：106-107

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