VR虚拟技术在土壤地理学教学中的应用探索

薛志婧 刘俊娥 李霄云

摘要：本文拟将虚拟现实技术（VR）融入高校地理科学专业《土壤地理学》课堂的教学设计中。通过分析传统土壤地理学教学模式存在的问题，探讨虚拟现实技术在土壤地理学课程教学中的应用优势，针对教学内容抽象繁杂、学生空间想象力薄弱等问题，应用VR技术中的3D三维立体构型和动态过程环境构建虚拟学习情境，更好地展现《土壤地理学》课程中关于空间和过程的相关内容。将学生自身的感知系统和虚拟学习情境“融为一体”，让学生在身临其境获得知识的同时，更好地激发其学习兴趣，开拓思维，培养地理科学素养。

关键词：虚拟现实技术（VR）；土壤地理学；教学模式；虚拟教学情境

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）11-0004-02

一、虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual reality，VR），是一种先进的人机交互技术，又称灵境技术。是一种以计算机技术为核心而创建的视觉虚拟世界，从特定范围的虚拟环境中可体验逼真的视、听、触觉一体化效果；是可以从自然视点出发，借助辅助设备对生成虚拟环境的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临真实环境体验的沉浸式交互环境[1]。VR技术融合了多媒体计算机技术、传感技术和仿真技术等，由于其独有的多感知性、沉浸感、交互性及自主性，被广泛应用于视景仿真、临床医学、军事模拟、科学可视化等领域[2]。并成为21世纪重要的发展学科以及影响教育领域的重要技术之一[3]。

二、传统土壤地理学教学模式的存在的问题

土壤地理学是针对地理学专业开授的实践性较强的必修课程，是综合自然地理学的重要组成部分。其教学目标是使学生掌握该领域的专业基础知识、基本原理和理论，提高学生认识土壤、分析土壤的能力，使学生能够初步利用土壤地理学知识去解决实际生产中的土壤问题，并通过实验与野外调查，培养学生的动手能力，分析问题、解决问题的能力[4]。在传统的以授课为主的教学模式中，仅配合板书、PPT、少量图片和视频等教学方法，传播的知识比较晦涩抽象，不利于学生对知识点的掌握。同时，又制约了学生想象力与逻辑思维能力，有碍于对学生地理科学素养的培养，加之高校课程设置改革的影响，土壤地理学课时缩短，基本很难达到预期的教学效果与教学目标[5]。

三、虚拟现实技术在土壤地理学课程教学中的应用优势

土壤地理学是土壤学与地质学、地理学、地球化学、生态学等学科的交叉学科，是最直接提供土壤本身信息的科学，是探索土壤圈的过去、研究现状、预测未来、描述它的空间特征和三维变异的基础学科分支[6]。其教学目的在于理解和回答诸如“土壤是什么？”“为什么如此？”“如何演变？”等问题，即研究地球表层系统中土壤的物质组成、形成机理和演变过程，及其与岩石圈、大气圈、水圈三大圈层和六大要素之间的相互作用关系。因此，关于空间和过程的问题是土壤地理学的核心内容。

由于空间和过程的教学内容往往是三维的、动态的，一般平面的、静态的、文本的教学模式无法代替空间和过程效果的呈现。随着VR技术的不断革新和发展，把其应用于课堂教学中，将声音、影像、Flash动画、三维模型等技术的综合，使教学情境不再以图片和简单的视频呈现，而是学生头戴VR设备，沉浸在一个个虚拟的教学情境中，把枯燥、繁杂、抽象的内容生动化，高效快速地获取所学知识。从而使学生由知识的被动接受者转变为虚拟环境中的主动参与者[2，3]。

（一）VR技术在土壤地理学空间模块的应用

VR技术能够呈现3D结构塑性，即空间模块。可以为学生创造课堂需要的三维地形、空间旋转、缩放等立体场景，并将微观个体的空间结构和宏观分布进行三维立体展示。如：第二、三章土壤固、液、气组成及其诊断特性中，涉及到土壤固（矿物质、有机质）、液相（土壤水和溶液）、气相（土壤空气）和土壤生物有机体的空间结构。借助VR技术中3D软件的辅助设计、视频的可视化编辑，实现从空间格局出发，让学生由内而外、由小到大对土壤个体进行探索、观察、分析和了解。同时，借助VR虚拟设备参与虚拟场景，可以360°无死角地观察每个细节，真正沉浸在虚拟的土壤场景中，身临其境地穿梭在土壤孔隙的各个角落，触碰土壤水分的各个存在形式，在蚂蚁等土壤生物所留下的穴道里一睹生命的奇迹，把握10-1—10-9m粒径土壤颗粒的质地和分布。再如第八章土壤分布与土壤分区中，通过调研全球各洲的土壤广域分布和中国土壤广域分布，借助Flash和GIS技术制作VR虚拟教学场景，增加学生对土壤的水平和垂直地带性分布直观的理解。并通过虚拟教学场景理解土壤发生和形成与地理位置的内在联系。

（二）VR技术在土壤地理学过程模块的应用

VR技术能够呈现虚拟的动态过程环境，即过程模块。动态的虚拟学习情境可为课堂学习情境创设真实的沉浸感和视觉动态，可以塑造较视频更为庞大的空间，摆脱平面的限制空间范围。在3D的空间领域之中，一个成体系的知识系统通过辅助设备更为直观和全面地展示出来，系统性和逻辑性更强，更有利于学生对知识整体逻辑性的把握。如：第三章土壤流体组成及其诊断特性，涉及到土壤水分平衡与全球水循环，将学生变身成一个水分子，作为降水中的一份子在虚拟情境环境中开始一段旅行：（1）：垂直方向：蒸发/地表径流/下渗—叶表面吸收/植物根系吸收—入渗进入土壤深层包气带—壤中流/地下水；（2）水平方向：海洋、湖泊、河流、陆地表面水分的循环；（3）微观尺度，水分在土壤孔隙中的形式和动态。再如第五章土壤形成过程，涉及土壤个体发育、系统发育和演替及土壤形成过程，所制作的虚拟教学情境像穿越一样，将学生带入第四纪永冻土和冰川的出现、第三纪中期与温带阔叶林条件相适应的棕壤等时期，使学生从土壤个体发育的源头出发，慢慢地体会土壤形成的漫长，感受随着地形、气候、植被和水文等成土因素对土壤的影响过程。这一幕幕的虚拟现实场景，打破了传统课堂学习环境的局限性。引起学生的好奇心，抓住课堂的注意力，调动学生学习的积极性，促进学生对理论知识的思考和把握。

四、结语

在传统教育模式下，土壤地理学知识是可量化的，而不可量化的部分仅仅通过传统教学模式的培养始终无法达到预期的教学效果。而VR技术的案列式、启发式、探究式、讨论式等教学方式恰恰是多感知的、交互的、自主的。这些灵活多样、可塑性强、内容丰富的优势弥补了传统教育模式的劣势。不仅让学生成为一名观察者、一名体验者，而且将枯燥乏味的不可量化部分变得更容易被理解和掌握。同时，激发了学生的学习主动性和积极性，达到更好的教学成果，优化了课堂结构。

参考文献：

[1]张玥娟，王慧.论VR技术在导游讲解实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2015，13（6）：86-88.

[2]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学，2009，（1）：2-46.

[3]何明雄，李兆延.VR技术在教学中的应用[J].科技与教育，2007，（472）：205.

[4]华珞，王学东.关于“土壤地理学”教学的几点思考[J].首都师范大学学报，2009，30（3）：44-47.

[5]李俊波，华珞.区域地理过程课堂可视化研究[J].首都师范大学学报，2003，24（3）：96-102.

[6]李天杰，趙烨，等.土壤地理学[M].第三版.北京：高等教育出版社，2004.