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［摘要］在虚拟现实技术背景下，地理教师可以通过虚拟现实技术构建自然景观的立体虚拟场景，通过地理过程的虚拟动态演示、区域时空场景的虚拟漫游和地理空间的虚拟情境创设，突破传统课堂模式，探索虚拟现实技术的中学地理课程设计。在中学地理课程中，教师可利用VR技术与教育相结合，为学生带来三维空间学习环境，激发学生学习地理的热情。
［关键词］地理教学;虚拟现实技术;可视化;课程设计
随着计算机技术的应用与发展，课堂教学日益多样化，中学教学的课程设计也丰富多彩，地理教育工作者应针对课程特点，进一步挖掘基于大数据、计算机技术、虚拟现实技术(VirtualRe-ality，VR)、地理信息(GIS)和遥感技术(RS)等现代信息技术的教育价值，尤其是合理利用虚拟现实技术提升教学效果。
一、虚拟现实技术与中学地理教学
(一)虚拟现实技术及其特点
虚拟现实技术是仿真技术的一个发展方向，该项技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面，在地理教学中通过三维建模软件可以完成虚拟现实场景的构建。在课堂上，学生可以通过佩戴头盔、手柄、数据衣服、数据手套等设备，实现对地理景物认知的可视化。虚拟现实技术能通过立体视觉和虚拟交互使人产生身临其境的实感体验，具有构想性、沉浸性和交互性三大特征。由于虚拟现实技术显示的画面逼真完美，具有身临其境的感觉，所以学生能通过虚拟的地理场景轻松地学习地理知识。
(二)虚拟现实技术与地理教学
传统的地理课堂教学模式单一，有些课程内容教具准备较为困难，不能多种形式、多角度地给学生提供形象思维的启迪，一定程度上限制了学生的开拓性思维。学生只是局限于教室内听课、学习环境枯燥、教学模式固定，导致学生失去探索知识的欲望。而虚拟现实具有图文并茂、视听兼顾、交互性强、信息量大、灵活性强的特点，可以激发学生的学习兴趣，扩大课堂教学的容量，化抽象为直观，创设各种情境，能突出教学重难点，对地理教学起到不可估量的作用。随着计算机技术的广泛应用，由于虚拟现实技术呈现的地理场景具有很强的临场感，这种虚拟场景应用于地理课堂教学中，不仅形象、生动，而且能使学生有一种身临其境的感觉，从而产生强烈的视听效果，达到提高教学效果的目的。中学地理的许多知识、原理比较抽象，用语言难以准确表达，通过模拟地理场景实施教学，使虚拟现实走进课堂，可以唤起学生的兴趣，培养学生独立思考和自主学习的能力，增强地理课堂教学的真实感。虚拟现实技术不断在中学教育中普及，中学地理的教学质量与教学效果也不断提升。
二、地理课程中虚拟现实情境的创设
(一)地理过程的虚拟动态演示
在地理教学过程中，有许多内容牵涉地理过程的教学，如:风化、侵蚀、搬运、堆积等外力作用对地表形态变化的影响，河流、海岸、黄土、冰川、风沙、喀斯特等地表形态的形成与演化，受时间的限制观测不到;地壳内部物质循环、地震、泥石流、滑坡等地质灾害的产生机制与发生过程，受条件的限制不能观测。如果使用虚拟现实技术，就可以通过模拟演示地表的风化、侵蚀、搬运、堆积作用，让学生感受地表物质迁移以及运动变化的过程，使学生沉浸在地理过程的动态场景中，感受地理规律的变化。因此，教师可以运用虚拟现实技术，通过虚拟场景，为学生展现地理现象的动态性变化，使学生更好地掌握地理运动的规律。
(二)自然景观的立体虚拟构建
在地理学科中，许多地理规律因受观测条件的限制，不能进行实地考察，许多地理场景需要学生认识、描述和掌握，但是传统的地理教具、模型只能运用多媒体课件，近似地还原地理事物的形象，不能呈现各种景观的细节，教学不够形象、生动、直观。而虚拟现实技术具有三维建模的功能，可以构建全景的三维地理模型，使学生具有身临其境的感觉。例如，在自然地理教学中，运用虚拟现实技术通过增加地质地貌、植被、土壤和水文等要素，具有很强的真实感，学生可以获得全景体验，以加深对地理景观的认识。
(三)地理空间的虚拟情境创设
地理过程具有空间性、复杂性，受客观条件的限制很难给学生展示，我们可以利用虚拟现实技术，按照地理实验教学的内容，创设人机交互的虚拟场景，如虚拟太阳系、大气运动、地表水循环过程以及虚拟地震、泥石流、滑坡等地质灾害的产生机制与发生过程等，让学生亲自动手，增强地理学习的情境体验与交互体验，在地理空间的虚拟情境实验中，弥补当前地理教学中多媒体课件和教具模型的局限性，使学生在情境互动中验证地理现象与总结地理规律，实现地理知识与实际生活的融会贯通。
(四)区域时空场景的虚拟漫游
地理现象具有空间性、区域性，在区域地理教学中，教师需要为学生讲解不同区域的地理分布，让学生掌握地理事物的时空特征。过去只能用语言描述或多媒体展示的方法进行教学，教学形式单调，课堂教学效果不佳。如果采用VR技术，就能突破地理教学通过图片、视频展现地理空间的传统教学模式，可以按照地理时空和区域特性，营造一个虚拟的地理漫游实时场景，使学生自由穿梭其中，学习地理。以城市地理教学为例，综合运用地理信息建模、虚拟现实技术，设计、开发与使用的虚拟漫游系统，传统的城市现象展示大多是建立在二维平面图像或视频影像上的，这种表达方式性能单一、交互性差;通过VR技术构建三维数字城市，将真实的城市场景通过数字化模型再现到计算机中，学生可以在所构建的三维虚拟场景中自由漫游，交互性强。
三、基于虚拟现实技术的地理课程设计
在中学地理课程中，许多内容可以运用虚拟现实技术进行教学，以人教版《
高中地理(必修一)》中“常见的天气系统”为例，运用虚拟现实技术对天气系统进行实景体验和交互体验教学设计，进而探讨其中的教学意义与价值。
(一)虚拟现实技术课程设计思路
在“常见的天气系统”课程设计中，根据虚拟现实技术的特点和所要讲解的知识点，将教学内容重新整合，形成沉浸设计、构想设计和交互设计三个模块，每个模块根据大气的热力状况、大气的运动、天气系统分成八个方面，这是常见的天气系统实景体验与交互体验的教学设计思路。
(二)基于虚拟现实的课堂教学
在“常见的天气系统”一课教学中，教师首先进行情境导入，即通过“一场秋雨一场寒，十场秋雨穿上棉”的场景，展示冷空气南下所带来的天气变化，使学生形成对大气环境的基本认识。然后，教师通过实景模型与动画模拟演示，让学生明确冷气团与暖气团所处的位置，了解大气运动的规律。最后，教师通过情境交互的VR技术，让学生把握大气运动的条件，掌握常见的天气系统。首先，应用UniverseSandbox2软件，全景展示大气运动(如热力环流、大气水平运动等)的虚拟场景，让学生佩戴HTCVive立体显示头盔，通过环绕声耳机使学生沉浸于虚拟的大气运动场景中，使学生直观地理解冷锋、暖锋的形成过程，刺激学生的求知欲。其次，通过UniverseSandbox2，模拟展示冷气团与暖气团的温度、湿度、体积、质量数据，并通过动画模拟气团的运动规律，让学生了解气团的属性。最后，通过UniverseSandbox2进行情境交互的地理实验。学生通过操作HTCVive虚拟交互手柄，创建天气系统???冷锋、暖锋，并仔细观察冷锋、暖锋两侧的温度、湿度特征。借助HTCVive虚拟交互手柄进行场景交互实验，呈现大气运动的立体虚拟实景，使学生获得冷锋、暖锋的天气交互体验。
(三)基于虚拟现实的实景体验
采用Unity3D引擎制作，该引擎制作效果精良，同时跨平台，能够支持Android平板电脑与PC。应用三维交互类课件展示常见的天气系统，通过Uni-ty3D引擎的场景功能，将课件的设计模块化，实现效果逼真的三维环境。基于虚拟现实技术，结合“常见的天气系统”课程内容特点，通过场景建模、立体显示和虚拟交互构建虚拟大气运动实景。教师通过虚拟现实技术构建虚拟实景，使学生在教室中就能浸入大气运动空间，在视觉、听觉上得到现实体验，由此充分认识冷气团与暖气团、冷锋与暖锋、冷暖锋形成的天气;通过动态展示大气运动规律，使学生能更加直观地了解和感知复杂多变的天气，培养学生的感知运动思维，增强地理课堂的生动性;通过情境化的虚拟实验，增强地理课堂的情境交互，促进学生对对流层的进一步探索，深刻领会复杂天气形成的原因。由于VR技术具有交互性、沉浸性、多感知性的特点，可以寓教于乐，具有学习的过程性、时空多样性、建模的利用性。因此，未来的地理课程和地理课堂教学，通过VR技术与教育相结合，为学生带来三维空间学习环境，不仅能激发学生学习地理的热情，而且通过对客观环境的模拟，与实际学习情境高度融合，从视、听、触等感官上给学生带来前所未有的学习体验。
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