VR虛擬技術(shù)在土壤地理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探索

薛志婧 劉俊娥 李霄云

摘要：本文擬將虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）融入高校地理科學(xué)專業(yè)《土壤地理學(xué)》課堂的教學(xué)設(shè)計中。通過分析傳統(tǒng)土壤地理學(xué)教學(xué)模式存在的問題，探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土壤地理學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，針對教學(xué)內(nèi)容抽象繁雜、學(xué)生空間想象力薄弱等問題，應(yīng)用VR技術(shù)中的3D三維立體構(gòu)型和動態(tài)過程環(huán)境構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)情境，更好地展現(xiàn)《土壤地理學(xué)》課程中關(guān)于空間和過程的相關(guān)內(nèi)容。將學(xué)生自身的感知系統(tǒng)和虛擬學(xué)習(xí)情境“融為一體”，讓學(xué)生在身臨其境獲得知識的同時，更好地激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，開拓思維，培養(yǎng)地理科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）；土壤地理學(xué)；教學(xué)模式；虛擬教學(xué)情境

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）11-0004-02

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Virtual reality，VR），是一種先進的人機交互技術(shù)，又稱靈境技術(shù)。是一種以計算機技術(shù)為核心而創(chuàng)建的視覺虛擬世界，從特定范圍的虛擬環(huán)境中可體驗逼真的視、聽、觸覺一體化效果；是可以從自然視點出發(fā)，借助輔助設(shè)備對生成虛擬環(huán)境的對象進行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨真實環(huán)境體驗的沉浸式交互環(huán)境[1]。VR技術(shù)融合了多媒體計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和仿真技術(shù)等，由于其獨有的多感知性、沉浸感、交互性及自主性，被廣泛應(yīng)用于視景仿真、臨床醫(yī)學(xué)、軍事模擬、科學(xué)可視化等領(lǐng)域[2]。并成為21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科以及影響教育領(lǐng)域的重要技術(shù)之一[3]。

二、傳統(tǒng)土壤地理學(xué)教學(xué)模式的存在的問題

土壤地理學(xué)是針對地理學(xué)專業(yè)開授的實踐性較強的必修課程，是綜合自然地理學(xué)的重要組成部分。其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握該領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)知識、基本原理和理論，提高學(xué)生認(rèn)識土壤、分析土壤的能力，使學(xué)生能夠初步利用土壤地理學(xué)知識去解決實際生產(chǎn)中的土壤問題，并通過實驗與野外調(diào)查，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，分析問題、解決問題的能力[4]。在傳統(tǒng)的以授課為主的教學(xué)模式中，僅配合板書、PPT、少量圖片和視頻等教學(xué)方法，傳播的知識比較晦澀抽象，不利于學(xué)生對知識點的掌握。同時，又制約了學(xué)生想象力與邏輯思維能力，有礙于對學(xué)生地理科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，加之高校課程設(shè)置改革的影響，土壤地理學(xué)課時縮短，基本很難達到預(yù)期的教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)[5]。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土壤地理學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢

土壤地理學(xué)是土壤學(xué)與地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、地球化學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科，是最直接提供土壤本身信息的科學(xué)，是探索土壤圈的過去、研究現(xiàn)狀、預(yù)測未來、描述它的空間特征和三維變異的基礎(chǔ)學(xué)科分支[6]。其教學(xué)目的在于理解和回答諸如“土壤是什么？”“為什么如此？”“如何演變？”等問題，即研究地球表層系統(tǒng)中土壤的物質(zhì)組成、形成機理和演變過程，及其與巖石圈、大氣圈、水圈三大圈層和六大要素之間的相互作用關(guān)系。因此，關(guān)于空間和過程的問題是土壤地理學(xué)的核心內(nèi)容。

由于空間和過程的教學(xué)內(nèi)容往往是三維的、動態(tài)的，一般平面的、靜態(tài)的、文本的教學(xué)模式無法代替空間和過程效果的呈現(xiàn)。隨著VR技術(shù)的不斷革新和發(fā)展，把其應(yīng)用于課堂教學(xué)中，將聲音、影像、Flash動畫、三維模型等技術(shù)的綜合，使教學(xué)情境不再以圖片和簡單的視頻呈現(xiàn)，而是學(xué)生頭戴VR設(shè)備，沉浸在一個個虛擬的教學(xué)情境中，把枯燥、繁雜、抽象的內(nèi)容生動化，高效快速地獲取所學(xué)知識。從而使學(xué)生由知識的被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M環(huán)境中的主動參與者[2，3]。

（一）VR技術(shù)在土壤地理學(xué)空間模塊的應(yīng)用

VR技術(shù)能夠呈現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)塑性，即空間模塊?？梢詾閷W(xué)生創(chuàng)造課堂需要的三維地形、空間旋轉(zhuǎn)、縮放等立體場景，并將微觀個體的空間結(jié)構(gòu)和宏觀分布進行三維立體展示。如：第二、三章土壤固、液、氣組成及其診斷特性中，涉及到土壤固（礦物質(zhì)、有機質(zhì)）、液相（土壤水和溶液）、氣相（土壤空氣）和土壤生物有機體的空間結(jié)構(gòu)。借助VR技術(shù)中3D軟件的輔助設(shè)計、視頻的可視化編輯，實現(xiàn)從空間格局出發(fā)，讓學(xué)生由內(nèi)而外、由小到大對土壤個體進行探索、觀察、分析和了解。同時，借助VR虛擬設(shè)備參與虛擬場景，可以360°無死角地觀察每個細(xì)節(jié)，真正沉浸在虛擬的土壤場景中，身臨其境地穿梭在土壤孔隙的各個角落，觸碰土壤水分的各個存在形式，在螞蟻等土壤生物所留下的穴道里一睹生命的奇跡，把握10-1—10-9m粒徑土壤顆粒的質(zhì)地和分布。再如第八章土壤分布與土壤分區(qū)中，通過調(diào)研全球各洲的土壤廣域分布和中國土壤廣域分布，借助Flash和GIS技術(shù)制作VR虛擬教學(xué)場景，增加學(xué)生對土壤的水平和垂直地帶性分布直觀的理解。并通過虛擬教學(xué)場景理解土壤發(fā)生和形成與地理位置的內(nèi)在聯(lián)系。

（二）VR技術(shù)在土壤地理學(xué)過程模塊的應(yīng)用

VR技術(shù)能夠呈現(xiàn)虛擬的動態(tài)過程環(huán)境，即過程模塊。動態(tài)的虛擬學(xué)習(xí)情境可為課堂學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)真實的沉浸感和視覺動態(tài)，可以塑造較視頻更為龐大的空間，擺脫平面的限制空間范圍。在3D的空間領(lǐng)域之中，一個成體系的知識系統(tǒng)通過輔助設(shè)備更為直觀和全面地展示出來，系統(tǒng)性和邏輯性更強，更有利于學(xué)生對知識整體邏輯性的把握。如：第三章土壤流體組成及其診斷特性，涉及到土壤水分平衡與全球水循環(huán)，將學(xué)生變身成一個水分子，作為降水中的一份子在虛擬情境環(huán)境中開始一段旅行：（1）：垂直方向：蒸發(fā)/地表徑流/下滲—葉表面吸收/植物根系吸收—入滲進入土壤深層包氣帶—壤中流/地下水；（2）水平方向：海洋、湖泊、河流、陸地表面水分的循環(huán)；（3）微觀尺度，水分在土壤孔隙中的形式和動態(tài)。再如第五章土壤形成過程，涉及土壤個體發(fā)育、系統(tǒng)發(fā)育和演替及土壤形成過程，所制作的虛擬教學(xué)情境像穿越一樣，將學(xué)生帶入第四紀(jì)永凍土和冰川的出現(xiàn)、第三紀(jì)中期與溫帶闊葉林條件相適應(yīng)的棕壤等時期，使學(xué)生從土壤個體發(fā)育的源頭出發(fā)，慢慢地體會土壤形成的漫長，感受隨著地形、氣候、植被和水文等成土因素對土壤的影響過程。這一幕幕的虛擬現(xiàn)實場景，打破了傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)環(huán)境的局限性。引起學(xué)生的好奇心，抓住課堂的注意力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，促進學(xué)生對理論知識的思考和把握。

四、結(jié)語

在傳統(tǒng)教育模式下，土壤地理學(xué)知識是可量化的，而不可量化的部分僅僅通過傳統(tǒng)教學(xué)模式的培養(yǎng)始終無法達到預(yù)期的教學(xué)效果。而VR技術(shù)的案列式、啟發(fā)式、探究式、討論式等教學(xué)方式恰恰是多感知的、交互的、自主的。這些靈活多樣、可塑性強、內(nèi)容豐富的優(yōu)勢彌補了傳統(tǒng)教育模式的劣勢。不僅讓學(xué)生成為一名觀察者、一名體驗者，而且將枯燥乏味的不可量化部分變得更容易被理解和掌握。同時，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，達到更好的教學(xué)成果，優(yōu)化了課堂結(jié)構(gòu)。

參考文獻：

[1]張玥娟，王慧.論VR技術(shù)在導(dǎo)游講解實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2015，13（6）：86-88.

[2]趙沁平.虛擬現(xiàn)實綜述[J].中國科學(xué)，2009，（1）：2-46.

[3]何明雄，李兆延.VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技與教育，2007，（472）：205.

[4]華珞，王學(xué)東.關(guān)于“土壤地理學(xué)”教學(xué)的幾點思考[J].首都師范大學(xué)學(xué)報，2009，30（3）：44-47.

[5]李俊波，華珞.區(qū)域地理過程課堂可視化研究[J].首都師范大學(xué)學(xué)報，2003，24（3）：96-102.

[6]李天杰，趙燁，等.土壤地理學(xué)[M].第三版.北京：高等教育出版社，2004.