虚拟现实技术在中学地理课件制作中的应用

周智敏

0 引言

虚拟现实技术(Virtual Reality)是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。虚拟现实技术从诞生之日起就崭露了它特有的优势，广泛应用于航空航天、医学、教育、建筑设计、军事训练、体育训练、娱乐游戏等众多领域。在中学教育领域，虚拟现实技术有着广阔的应用空间。本文主要探讨虚拟现实技术的基本知识以及它在中学地理课件制作中的应用。

1 虚拟现实技术

1.1 什么是虚拟的现实技术

1989年美国的J.Lanier（后来曾是专做VR产品的VPL公司董事长）提出所谓“虚拟现实（Virtual Reality）”，即用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技术和某些设备，对这一生成的虚拟世界客观，进行浏览和交互，国内也有人译为“灵境”“幻真”等。

根据上述的解释，虚拟现实由两部分组成：一部分为创建的虚拟世界（环境），另一部分为介入者。虚拟现实的核心，是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟世界（环境）的体验。虚拟现实的概念模型，如图1所示：

图1 概念模型

1.2 虚拟现实技术的基本特征

（1）多感知性

指除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、味觉感知及嗅觉感知等。理想的虚拟现实，就是应该具有人具有的全部感知功能。

（2）存在感

又称临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

（3）交互性

交互性是指用户对模拟环境，内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。

（4）自主性

是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。

2 中学地理中的虚拟现实技术

2.1 需求分析

纵观目前上海市中学各学科的课程标准，几乎都提出了“关注与现代信息技术整合的”理念，尤其在地理、数学、物理等自然科学类的学科中，更为突出。

在地理学科中的自然地理部分，考虑到中学生的三维立体空间的概念比较薄弱。但仅仅依靠传统的讲授教学法，配以教材上的平面示例图，很难理解有关的知识点。若采用具有较强的三维立体空间表现能力的虚拟现实技术，将教材上的平面示例图变为三维立体图的话，能在尽可能短的时间内培养学生建立空间模型的能力，以及提高学生进行空间推理的水平。

这样学生在学习时，能对三维立体模型有个全方位的认识，能主动地去发现问题、探究问题，这样既调动了学生学习的热情，又使他们对所学知识有了深刻的认识，同时提高了他们发现问题、探究问题的能力，这些都是传统二维平面动画所不能相比的。

类似地，在数学学科的立体几何章节中，可以构建各种可交互性的各种立体模型，可以把三维立体几何与二维平面几何的有关知识联系起来，例如：二面角。在物理、化学和生物等学科中，建立虚拟实验室，学生可以自主地在其中进行实验等等，这一系列应用定能充分发挥虚拟现实技术在中学教育中的作用。

2.2 建立虚拟现实模型

根据教学内容的不同，可以采用多种软件来实现虚拟现实教学。部分软件的功能及优缺点，如表1所示：

表1 虚拟软件的优缺点

（考虑到软件需要适用于中学老师，因此这里列举都是普及性的软件）

静态模型采用AutoCAD建模来实现，AutoCAD的好处就是自带3D引擎，建立好的模型，可以直接在软件中进行缩放或视角变换。教材中有关于日食月食发生的解释，如图2所示：

图2 日食月食发生的解释

并不是每次新月都发生日食，每次满月都发生月食，根本原因是黄道面（地球的公转轨道面）和白道面（月球的公转轨道面）由5°9′的夹角，而在一张平面上要表达两个平面的信息很困难。

如图3所示：

图3 AutoCAD

AutoCAD中的建模模型，只要通过鼠标的旋转，把视图变为侧视图，那么图2中的A位置的日、地、月三者的位置关系就明显了，三者并不会完全在一条直线上，所以不能发生日食或月食。而在 B位置时，月球恰好运行到黄道面和白道面的交线上，才可能发生日食和月食。

3 使用AutoCAD建立地球三维模型

在自然地理部分中，经常会触及太阳、地球、月球三者的空间关系，因此AutoCAD中将其做成一个组件，今后可以反复多次调用。下面就以地球为例，简要说明一下制作过程。

准备工作：

1）新建图层。为了在教学时能够任意显示或关闭所需的内容，需要将它们绘制在不同的图层上，如图4所示：

图4 新建图层

2）打开捕捉。确保“对象捕捉”和“对象追踪”按钮处于开启状态，如图5所示：

图5 打开捕捉

3）建立工作平面。AutoCAD提供了一种可移动的坐标系，称为用户坐标系（UCS）。请检查 “视图”菜单→“显示”→“UCS图标”→“开”前是否已打钩。默认情况下它是世界坐标系的两根坐标轴，其中Z轴指向屏幕外，如图6所示：

图6 UCS图标

这里需要建立一个新用户坐标系，新坐标系的 Y轴与世界坐标系的Z轴平行。这里的旋转遵循“右手螺旋定则”，X轴的正方向与右手大拇指的方向一致，4个手指的方向就是要旋转的方向，如图7所示：

图7 旋转

这样新坐标系的 Y轴就指向屏幕外了，与世界坐标系的Z轴平行，方向也相同。而新坐标系的Z轴的正方向与世界坐标系的Y轴的正方向正好相反，效果如图8所示：

图8 UCS图标

制作过程：

1、绘制地轴。在刚才已经新建了用户坐标系中沿Y轴方向绘制一条长200的线段。在Y轴正方向上的端点就是北极点，另一个端点为南极点，中点为地球球心。

2、绘制本初子午线。为本初子午线新建一个图层，颜色设置为蓝色。用同样的方法绘制 180°经线，将颜色设置为黑色。

3、绘制赤道。单击“绘图”菜单→“圆”→“圆心、半径”，鼠标在地轴中点附近会出现一个三角形，按下鼠标左键，然后输入100，赤道就画好了。为赤道新建图层，设置为红色。这样经纬网的框架就搭建起来了，如图9所示：

图9 赤道

4、绘制其他经线和纬线。如图10所示：

图10 经纬线

5.美化地球三维模型。我们在经纬线下再建立一个球体。最终效果，如图11所示：

图11 三维地球

4 总结

通过 AutoCAD的静态三维模型建模实现虚拟现实技术，可以帮助中学生在没有学习过立体空间几何知识的前提下，在最短的时间理解有关知识，掌握要点，可以说中学地理学科是虚拟现实技术应用于中学教育阶段最佳的学课，能最有效地发挥虚拟现实技术的作用，提高教学质量的，尤其在自然地理部分显得更为突出。在实际的教学应用中，，既丰富了教师的 教学手段和方法，又能激发学生的学习兴趣。

但制作此类课件对于地理学科的老师有些难度过高，这样就需要更多此方面的专业制作人员为一线老师给予培训和指导。

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