基于zSpace的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用

張欣

[摘 要]在互聯(lián)網(wǎng)+教育的發(fā)展背景下，通過對(duì)地理教育領(lǐng)域中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展的論述，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)zSpace為例，依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，與地理教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)zSpace在地理教學(xué)中的應(yīng)用，為從事教育教學(xué)人員提供參考。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);zSpace;地理教學(xué)

[中圖分類號(hào)]G633.55

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1005-4634（2019）03-0092-04

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用，相互影響，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可分為三大類：沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。本文以桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)zSpace一體機(jī)為例，探討目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與問題，并提出相關(guān)建議以供參考。

1 概述

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)zSpace

zSpace是美國硅谷的一家公司在STEM的教育理念下生產(chǎn)出的應(yīng)用教育的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一體機(jī)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境改變?nèi)藗兲剿鳌⒀芯亢驮O(shè)計(jì)事物的方式，加深數(shù)字化學(xué)習(xí)體驗(yàn)深度，提供了一種能激發(fā)學(xué)生好奇心、增強(qiáng)學(xué)生理解能力的終極學(xué)習(xí)體驗(yàn)。它的硬件系統(tǒng)包括24英寸高清顯示器、定位筆、3D追蹤眼鏡、2D眼鏡等;軟件有3D工作室、牛頓力學(xué)公園等，此系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)VR的實(shí)時(shí)性和并發(fā)性，對(duì)觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)以及觸覺力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等都有相應(yīng)的需求，還可通過技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖層疊加、立體動(dòng)畫、場景漫游等功能。

1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

國外針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用主要集中于以下幾方面：（1）將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于課堂教學(xué)中。Yukiko Inoue教授利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和視頻教學(xué)做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)調(diào)查，在學(xué)習(xí)世界地理這一部分內(nèi)容時(shí)，針對(duì)課堂效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)[2]。（2）虛擬仿真地理環(huán)境設(shè)計(jì)。Mehdi Mekni教授使用地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)來構(gòu)建人們所稱的知情虛擬地理環(huán)境（IVGE），所構(gòu)建的IVGE模型支持大規(guī)模復(fù)雜的地理環(huán)境建模[3]，他還提出了一種利用GIS提供的數(shù)據(jù)自動(dòng)構(gòu)建的新方法，可以訪問并從計(jì)算的IVGE中檢索[4]。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立。Lavanya R與Ramachandran V教授探討虛擬實(shí)驗(yàn)室在電子學(xué)習(xí)套件中的有效性，即是否提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)技能和概念的理解水平[5]?？梢钥闯?，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是有潛力成為有效的學(xué)習(xí)技術(shù)或?qū)W習(xí)環(huán)境的，從而幫助學(xué)生加速學(xué)習(xí)以及信息的保留。

與國外相比，我國的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展起步較晚，技術(shù)系統(tǒng)還有待積極開發(fā)。如龔建華、周潔萍等人研究虛擬地理環(huán)境的形成發(fā)展特征等，初步建立一個(gè)虛擬地理環(huán)境基本理論研究框架[6]。邱隆偉通過對(duì)地學(xué)類課程特點(diǎn)進(jìn)行分析，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到地學(xué)類課程[7]。劉凱、毋河海等人根據(jù)文獻(xiàn)分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展，提出了數(shù)字地球、虛擬地理環(huán)境、城市規(guī)劃等未來應(yīng)用研究的六個(gè)主要研究方向[8]。李斌、王巖松等根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維交互特點(diǎn)，探討了地理野外實(shí)習(xí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其優(yōu)勢等[9]。北京中教啟星公司也針對(duì)地理學(xué)科，基于zSpace一體機(jī)，開發(fā)了適用于地理課堂教學(xué)的中學(xué)地理課程資源。

從以上國內(nèi)外研究進(jìn)展可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用還處于起始階段。由于地理學(xué)科具有綜合性、實(shí)踐性、科學(xué)性等特點(diǎn)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于地理教育還缺乏系統(tǒng)的理論支撐或僅限于單一視角的分析。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用

加強(qiáng)信息技術(shù)與課程的整合是地理學(xué)科發(fā)展的需要，也是學(xué)生發(fā)展的需要，要在地理的教學(xué)過程中體現(xiàn)以信息化帶動(dòng)地理課程教學(xué)的現(xiàn)代化[10]。在地理教學(xué)過程中，教師經(jīng)常會(huì)用講授法、演示法來進(jìn)行教學(xué)，但有些內(nèi)容是無法表達(dá)的，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)zSpace的出現(xiàn)恰好彌補(bǔ)了這一短板。對(duì)學(xué)生而言，通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)地理知識(shí)，學(xué)習(xí)的趣味性增加，學(xué)習(xí)方式也更加多樣化。

2.1 建立虛擬地理模型，增強(qiáng)學(xué)生立體空間感

朱曉華、肖斌認(rèn)為借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將山川河流等地形地貌建成模型庫，會(huì)讓學(xué)生有身臨其境的感觸[11]。張冰和朱林珍等人也以我國行政區(qū)劃圖、黃赤交角變化、泥石流災(zāi)害為例，探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地理教學(xué)中的方法應(yīng)用[12]。例如地球內(nèi)部的構(gòu)造，學(xué)生可以通過定位筆手動(dòng)拆分地球內(nèi)部的地殼、地幔、外核和內(nèi)核等，重新構(gòu)建學(xué)生對(duì)地球內(nèi)部構(gòu)造的認(rèn)知。教師還可結(jié)合IPAD或其他多媒體的使用，配合所適用的教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的積極性。講授初中地理內(nèi)容時(shí)，以往的教學(xué)中學(xué)生見到的大多數(shù)都是平面的二維圖片，對(duì)其如何從三維立體轉(zhuǎn)換為二維平面的過程較為模糊，而基于zSpace一體機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以將大尺度的地理事物建成3D模型，還有多種操作按鈕匹配不同的地形，學(xué)生切換自如，對(duì)于等高線地形圖的認(rèn)知更加空間化、具體化（圖1、圖2為等高線地形圖的立體模型）。教師以3D模型為載體，創(chuàng)設(shè)一些探究性問題，學(xué)生小組合作進(jìn)行探究，多角度地認(rèn)識(shí)等高線地形圖。上述所舉例的一些操作功能都是結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)交互性、實(shí)時(shí)性、并發(fā)性的特點(diǎn)，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，讓學(xué)生主動(dòng)地去建立相關(guān)地理知識(shí)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

2.2 創(chuàng)設(shè)虛擬地理環(huán)境，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率

何娜、溫瑞虹認(rèn)為可以將大尺度的地理環(huán)境進(jìn)行模擬，例如雨雪天環(huán)境等[13]。讓學(xué)生處于虛擬的環(huán)境，使被動(dòng)的地理知識(shí)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的知識(shí)獲取。趙俊昊在地理教育、電子地圖、地理旅游、地球結(jié)構(gòu)、城市規(guī)劃等方面進(jìn)行了初步的研究[14]。林琿教授等對(duì)虛擬地理環(huán)境概念的提出、發(fā)展過程及其與實(shí)驗(yàn)地理學(xué)的結(jié)合做了大量的研究[15，16]。地理的學(xué)習(xí)離不開地理環(huán)境，現(xiàn)階段地理情景教學(xué)方式普遍采用的是依靠圖片、視頻、文字等進(jìn)行情景教學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)zSpace將地理情景教學(xué)進(jìn)行升級(jí)，例如可以利用制作出的地理虛擬環(huán)境場景，學(xué)生帶上3D眼鏡，通過操作定位筆在南極或北極地區(qū)進(jìn)行場景漫游，身臨其境地進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)地理的趣味性與效率。在虛擬環(huán)境中，學(xué)生自己漫游極地地區(qū)，主動(dòng)感受極地地區(qū)的自然地理現(xiàn)象，可以看到南極的企鵝（示意見圖3）、北極的北極熊等，記憶更加深刻。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的想象性在地理學(xué)習(xí)中是不可或缺的，虛擬地理環(huán)境的創(chuàng)設(shè)為教師和學(xué)生在課堂上提供了資源載體，將抽象概念形象化與可視化。

2.3 地理教學(xué)方式多樣化，優(yōu)化地理課堂教學(xué)

Maria Virvou、George Katsionis在研究虛擬現(xiàn)實(shí)游戲可用性和親和性問題時(shí)，目的是教授學(xué)生地理知識(shí)進(jìn)而做出評(píng)估實(shí)驗(yàn)[17]。這個(gè)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的可用性和親和性在一個(gè)既不純粹教育也不純粹娛樂的環(huán)境中保持。這樣多種教學(xué)方式的結(jié)合，讓學(xué)生通過經(jīng)驗(yàn)獲得知識(shí)，促進(jìn)了學(xué)生的發(fā)展。吳國璽、張泊平等人回歸教學(xué)本質(zhì)，探討利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行地理課程設(shè)計(jì)[18]。教師可將基于zSpace一體機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為教學(xué)的資源庫，由于技術(shù)水平或課程資源等限制，大多應(yīng)針對(duì)于地理教學(xué)中的重難點(diǎn)進(jìn)行突破，而不是每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都適用。在課堂上，每次使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的時(shí)間適宜在10分鐘以內(nèi)，還需要多媒體或傳統(tǒng)學(xué)具多種方式相結(jié)合，才能更好地優(yōu)化地理課堂教學(xué)。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生地理學(xué)科核心素養(yǎng)，降低學(xué)校教育成本

地理教學(xué)中地理實(shí)踐力的培養(yǎng)一直以來是地理教育者所看重的，但因種種條件限制，實(shí)施異常困難。潘立新將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在高校的人文地理遠(yuǎn)程實(shí)習(xí)中，為其他研究者提供了借鑒[19]。這種技術(shù)與教育的結(jié)合節(jié)省了時(shí)間以及資源的成本，滿足了學(xué)生發(fā)展的需要。黃恩強(qiáng)也認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有利于促進(jìn)學(xué)生地理實(shí)踐力的提升，為地理實(shí)踐提供了新途徑[20]。地理新課程標(biāo)準(zhǔn)中增加了野外觀察地形地貌等知識(shí)點(diǎn)，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)做出的各種典型地貌模型，設(shè)計(jì)一些不同區(qū)域地貌出現(xiàn)差異的原因等探究性問題。利用圖層開關(guān)的功能，結(jié)合氣候、地形等因素，用定位筆360°旋轉(zhuǎn)觀察，清晰明了地認(rèn)識(shí)地貌，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生地理實(shí)踐力、區(qū)域認(rèn)知等核心素養(yǎng)起到了促進(jìn)作用，學(xué)生到野外考察的時(shí)候會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。

在筆者看來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于地理教育的優(yōu)勢是極為顯著的，可將時(shí)間或空間上的因素限制通過虛擬環(huán)境來實(shí)現(xiàn)。在學(xué)習(xí)方法上，可與實(shí)驗(yàn)教學(xué)法和探究學(xué)習(xí)法等相結(jié)合，多種媒體技術(shù)交互使用，讓學(xué)生成為主體去建構(gòu)知識(shí)體系。

3 總結(jié)與建議

新課程改革下，教師應(yīng)始終將提高自己綜合素質(zhì)銘記于心。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在教育中的普及，教師需要從理念與意識(shí)上緊隨時(shí)代潮流，利用更多的時(shí)間去學(xué)習(xí)新的知識(shí)技能。從傳授型教師轉(zhuǎn)化為研究型教師。加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地理教育中的運(yùn)用，并不是一味地只用新技術(shù)，而是要擇其優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)教育手段的基礎(chǔ)上創(chuàng)造新的教學(xué)方法或教學(xué)模式。針對(duì)地理教學(xué)內(nèi)容與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的適宜性問題，筆者僅找到幾篇文章。例如，李婷總結(jié)了VR技術(shù)適宜人教版初中地理的教學(xué)章節(jié)[21];張娉以“地球上的大氣”為例，探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與高中地理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)合[22];蔡敏則與傳統(tǒng)地理實(shí)驗(yàn)對(duì)比，探討虛擬實(shí)驗(yàn)在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用[23]。筆者認(rèn)為要避免出現(xiàn)信息技術(shù)與地理教學(xué)主次不分的情況，以學(xué)生為主體，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性與想象性是一般技術(shù)所不具有的，對(duì)于利用VR的地理課程資源的開發(fā)要加大研究。張述林通過不同角度將基于VR技術(shù)的地理教學(xué)與文學(xué)、英語、歷史等學(xué)科相結(jié)合[24]?？梢姡谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地理課程資源的開發(fā)還可下很多功夫去研究，一線教師或地理教育專業(yè)學(xué)生可與教育設(shè)備公司合作開發(fā)具有創(chuàng)新性、適宜性、可用性的地理課程資源，例如教師可以提供教學(xué)設(shè)計(jì)思路，所需的虛擬地理場景及地理模型由公司來進(jìn)行技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)，但前提是要始終保持溝通交流，否則最后出來的產(chǎn)品效果會(huì)大打折扣。

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