劉華琳

(襄樊學院 管理學院，湖北 襄陽441053)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校地理實驗中的應(yīng)用

劉華琳

(襄樊學院 管理學院，湖北 襄陽441053)

在高校地理實驗中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以有效改善高校地理實驗環(huán)境，提高地理實驗的承載能力，使地理環(huán)境技術(shù)在虛擬環(huán)境中得到充分展示. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于高校地理實驗提高了地理實驗的技術(shù)水平，優(yōu)化了實驗過程，改善了實驗的實訓環(huán)境，促使地理學科建設(shè)上到一個新臺階、新層次.

高校地理實驗；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；地理實驗技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一門綜合性技術(shù)，主要是以計算機為主，通過對顯示技術(shù)、人機界面技術(shù)、傳感技術(shù)、模擬技術(shù)、計算機三維圖形技術(shù)的綜合運用，形成一個十分逼真的嗅覺、觸覺、三維視覺世界，從而使使用者可以從自身視角出發(fā)，利用自身的一些設(shè)備和功能，與所產(chǎn)生的虛擬世界進行主客體交互式觀察.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)建一個跟現(xiàn)實相似的環(huán)境，能夠有效解決自然交互性要求和學習媒體情景化要求，在高校地理實踐實驗中有著十分重要的應(yīng)用價值. 因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將是繼多媒體、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以后，在此領(lǐng)域最有應(yīng)用價值的一項新技術(shù).[1]

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要是指通過傳感手套和立體眼鏡等一系列傳感輔助設(shè)備來展現(xiàn)一個立體三維世界，人們通過立體傳感輔助設(shè)備施以各種自然方式，例如手的運動和頭的轉(zhuǎn)動，從而對計算機輸入各種動作信息，通過一些觸覺、聽覺、視覺設(shè)備，使人們得到三維性的觸覺、聽覺、視覺方面的虛擬世界，并且隨著人們的不同動作，這些感覺也將會不斷改變.

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)涵和外延都在不斷擴展和延伸，諸如虛擬環(huán)境和人工現(xiàn)實以及賽伯空間都可以認為是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不同形式和術(shù)語，而且，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也不再停留于那些帶著手套和頭盔的技術(shù)，還包含了一切與之相關(guān)的具有逼真體驗和自然模擬的技術(shù)方法，其主要目標是加強人際交互性和真實體驗，能夠達到這樣目標的技術(shù)可以廣泛地稱之為虛擬現(xiàn)實技術(shù).

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展完善，特別是信息社會教育發(fā)展的新要求，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)從軍事領(lǐng)域和航天領(lǐng)域進入到了教育領(lǐng)域，國內(nèi)外的教育學者都在研究如何將虛擬現(xiàn)實技術(shù)有效運用到教育領(lǐng)域，特別是在高校各個學科，虛擬性具有超越現(xiàn)實的親臨其境的真實感，使用者能夠沉浸其中，顯示出較強的先進性和實用性，其技術(shù)使用的潛力較大，應(yīng)用前景廣闊.[2]

2 高校地理實驗引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)的作用

在高校地理教學活動中，地理實驗是一個必不可少的環(huán)節(jié)，而學生只有通過一定數(shù)量的綜合性實踐實驗、足夠的驗證性實驗和創(chuàng)新性實驗，才能對地理學科中的理論知識真正理解和掌握，才能獲得相應(yīng)的實驗能力和綜合實踐技能，并初步掌握地理實際工作中的能力.[3-4]在高校傳統(tǒng)地理實驗中，需要各種實驗設(shè)備和儀器，而這些設(shè)備儀器的功能較為單一，價格昂貴，體積較大，如果在使用過程中，使用不當還會引發(fā)各種損害和帶來危險，因此，要確保地理實驗的數(shù)量和質(zhì)量，就必須占用相應(yīng)的實驗室和投入大量昂貴的實驗設(shè)備，消耗相當多的實驗材料. 但是，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校地理實驗中的應(yīng)用，可以通過一次性的軟件和設(shè)備投入，通過相關(guān)實驗數(shù)據(jù)實現(xiàn)各種現(xiàn)象演變過程的模擬，使得真實實驗得以再現(xiàn)，還可以對各種虛擬構(gòu)想的實驗進行測試. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)是對高校地理實驗空間和時間上的一次擴展，從而克服了時空的限制. 相對于高校地理真實實驗而言，虛擬實驗具投入小、收效好的優(yōu)越性，可以為高?；静僮餍蛯嵺`性地理課程改革帶來新的發(fā)展機遇. 特別是和傳統(tǒng)地理實驗相比，虛擬地理實驗更是可以通過計算機的應(yīng)用，逼真地反映真實世界中的地理環(huán)境，和傳統(tǒng)實驗一樣能夠觀察到相關(guān)實驗現(xiàn)象，得到實驗數(shù)據(jù)和實驗體驗，具有占用空間小和成本低的優(yōu)勢，同時在進行多次重復實驗的過程中，也不會產(chǎn)生實驗材料耗費的問題. 在高校地理實驗中，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要性主要體現(xiàn)在以下四個方面：

首先，在高校地理實驗的模式上，可以因材施教，用動態(tài)新型實驗教學模式替代傳統(tǒng)的線性結(jié)構(gòu)實驗教學模式，使學生在學習過程中從模仿者向創(chuàng)造者和探索者身份進行轉(zhuǎn)變，達到由培養(yǎng)經(jīng)驗型人才向創(chuàng)造型人才目標的轉(zhuǎn)變.

其次，在實驗過程中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，提供更為形象、直觀的多重感官刺激，通過自主控制和親臨其境的人機交互，并由觸覺、聽覺、視覺獲取反應(yīng)，從而營造了一種更為輕松自主的學習實驗環(huán)境.

再次，在實驗內(nèi)容方面，不會因為資金短缺或者實驗環(huán)境的限制，而使實驗受到主客觀因素的限制. 其實驗內(nèi)容基本上可以囊括所有教學內(nèi)容，可以進行微觀和宏觀的模擬實驗，實現(xiàn)了多維方式的顯現(xiàn). 在高校實驗教學方面，有些實驗由于時空限制，無法對實驗內(nèi)容進行演示，如果采用虛擬實驗技術(shù)則可以有效解決這些問題，特別是對于那些實驗時間較長、場地要求較高、設(shè)備要求較多的地理實驗，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以建立起較為直觀的場景模擬演示實驗.

最后，在實驗效果方面，通過模擬現(xiàn)實技術(shù)，建立起逼真的視聽效果，可以使學生更容易接受實驗內(nèi)容和地理知識，而且實驗時間較短，學生對知識掌握的方式也更為靈活.

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)下的高校地理實驗

高校地理實驗在對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行應(yīng)用以后，其實驗方法、方式必然發(fā)生一些新的變化，主要體現(xiàn)在以下方面：

3.1 高校地理實驗方法的創(chuàng)新

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校地理實驗中應(yīng)用以后，必須建立一個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實驗系統(tǒng)，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行充分利用，將各種有形的實驗轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗，為地理實驗互動式虛擬實驗室的建立提供基礎(chǔ). 能夠通過網(wǎng)絡(luò)實驗教學，使地理實驗不只是局限于有形的實驗，而是使高校地理實驗的時空得到全面擴展，從而通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為學生提供可移動的虛擬教學環(huán)境，實現(xiàn)資源共享.

在高校地理實驗儀器設(shè)備方面，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)將實驗室虛擬化，特別是各個實驗部件和實驗儀器虛擬化，使用者可以根據(jù)自身需要對實驗內(nèi)容進行重新生成，保證實驗在內(nèi)容上不斷更新. 既能夠使實驗虛擬技術(shù)緊跟當代技術(shù)發(fā)展，也能夠有效解決許多高校實驗設(shè)備經(jīng)費投入不足的問題. 學生通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將虛擬儀器的操作步驟和要求進行有效掌握. 因此，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的高校地理實驗可以讓學生突破時空限制，實現(xiàn)資源遠程共享，甚至可以通過虛擬實驗儀器和仿真模型，實現(xiàn)計算機資源的共享，達到實驗教學恰當要求. 特別是在一些多校區(qū)的高校地理實驗中，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以讓不同校區(qū)的學生共同參與到一個實驗項目的實驗與研討中，教師在實驗中進行遠程指導.

3.2 高校地理實驗環(huán)境的創(chuàng)新

在高校地理實驗中，充分利用虛擬地理環(huán)境技術(shù)，對地理結(jié)構(gòu)進行動態(tài)再現(xiàn)，從而為學生提供一種實驗觀測的良好氛圍和環(huán)境. 計算機模擬實驗，學生通過改變輸入數(shù)據(jù)的大小來觀測不同的地理現(xiàn)象變化，為學生實驗提供一種相對廉價、安全的實驗方式，實現(xiàn)與真實地理世界的交互. 學生在實驗過程中，通過對不同地理模型元素的修改，輸入模型的不同變量可以得到不同的結(jié)果，特別是對于高校地理教育理論而言，這種模擬實驗教學更易達到臨場化效果. 在實驗系統(tǒng)和學生相互影響、相互作用方面，更是營造了一種自主的學習、實驗環(huán)境，讓學生從傳統(tǒng)的以教促學的學習方式向?qū)W生通過自身和環(huán)境、信息的相互作用來獲取知識，是一種技能獲取的新型學習方式.

虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅讓學生獲得真實、直觀的實驗效果，而且可以有效縮短實驗時間，能夠有效培養(yǎng)和提高學生的實驗操作能力，同時可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和自我訓練意識. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過提供圖文并茂的實驗理論知識和豐富的實驗操作資料，其實驗交互過程操作會更為靈活，教師對學生的實驗操作過程進行實時監(jiān)控與指導；學生在實驗過程中，可以一邊操作，一邊通過顯示窗口觀察實驗現(xiàn)象，其實驗過程中的感受更為真實可靠.

高校地理虛擬實驗系統(tǒng)主要包括實驗內(nèi)容的設(shè)計、實驗過程模擬和實驗環(huán)境的創(chuàng)設(shè)，人機界面的交互和實驗結(jié)果的總結(jié)評價等. 從目前的虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，在高校地理實驗中，設(shè)計和制作虛擬實驗的條件已經(jīng)具備. 開放式的高校虛擬地理實驗作為一種新的教學方式，可以讓學生在虛擬的地理實驗氛圍中，真實感受到實驗的性能、操作和結(jié)構(gòu)，從而減少真實實驗對實驗設(shè)備儀器的過高要求，避免學生由于操作不當而對實驗設(shè)備儀器的損壞，讓學生在虛擬實驗氛圍中，對實驗過程的認識更為清晰明了. 通過虛擬開放式的高校地理實驗，使學生切身體會解決實際問題的真實環(huán)境，從而對實驗過程的問題和實驗對象進行發(fā)現(xiàn)，對實驗方案進行探究，對實驗結(jié)構(gòu)進行分析，更為全面地理解和領(lǐng)會地理課程體系. 并且在一個開放式的高校地理虛擬實驗中，對實驗室全天候、全方位進行開放，經(jīng)過多個模擬的實驗項目形成一個綜合性的研究實驗項目，從而解決單一實驗室無法解決的問題.

3.3 高校地理實驗資源的整合

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一項滲透性強的信息系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，憑借先進的三維環(huán)境系統(tǒng)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)在高校地理試驗中進行一系列實踐性、研究性學習，有效實現(xiàn)教學階段性目標和學習者的階段性學習目標，為高校地理實驗提供了一種與地理學科研究性實踐學習和虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行有效整合的新模式. 高校地理實驗改革中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，以三維地理環(huán)境背景基礎(chǔ)圖層為平臺，結(jié)合強大的GIS功能，形成豐富的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)；以新“數(shù)據(jù)+軟件”的方式有效解決高校地理多學科教學問題，滿足綜合地理、地理工程、人文地理、自然地理等教學需要；以虛擬場景，對城鄉(xiāng)景觀、丘陵沙漠、河流湖泊、高山平原等區(qū)域景觀特征進行創(chuàng)新展現(xiàn)，改變傳統(tǒng)地理實驗中僅依靠少量局部圖片和文字的模式，使得人文地理和自然地理教學的真實性和生動性大大提高，將地理學科中的各個分支學科的教學內(nèi)容都整合起來運用，達到高校地理學科研究性的學習目的；通過構(gòu)建三維地理環(huán)境背景為基礎(chǔ)圖層，將地理學科中多個方面的理論知識綜合到這個圖層中，對地理學科中的各個學科資源進行整合，為高校地理實踐實驗提供良好的學習環(huán)境和教學環(huán)境.

[1] 葉 愫, 王昊鵬. 教育中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用[J]. 電腦知識與技術(shù), 2008(20): 301-302.

[2] 余小燕. 基于Web的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在實驗教學中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代計算機, 2002(9): 79-81.

[3] 祝云龍, 張 弢. 關(guān)于地理科學實驗教學改革的思考[J]. 襄樊學院學報, 2010(11): 61-64.

[4] 盧俊莉, 劉玉振. 專業(yè)實驗教學質(zhì)量評估體系初探[J]. 實驗室研究與探索, 2008(4): 85-88.

(責任編輯：陳 丹)

Application of Virtual Reality Technology to College Geographic Sciences Experiments

LIU Hua-lin
(School of Management, Xiangfan University, Xiangyang 441053, China)

The introduction of virtual reality technology into college geographic experiments makes it possible to improve the circumstances and enhance the bearing capacity of experiments by making full use of environmental technology in a virtual condition. It can also promote the technology for geographic experiments, optimize the experimental process and thus boost the construction of Geography as a branch of science to a new level.

College geographic experiment; Virtual reality technology; Geographic experimental technology

G642.423

A

1009-2854(2012)02-0029-03

2011-11-17;

2012-02-10

劉華琳(1966— ), 女, 湖北襄陽人, 襄樊學院管理學院實驗師.