计算机工程与应用虚拟现实技术在高校地理教学中的应用研究

　　虚拟现实技术最早起源于美国，由美国人拉尼尔在上世纪80年代最早提出，之后在国外迅速传播开来并得到飞速发展。目前已经在教育、军事以及医学等相关领域发挥了重要的作用。本文是一篇计算机工程与应用投稿的论文范文，主要论述了虚拟现实技术在高校地理教学中的应用研究。
　　摘要：虚拟现实技术就是近几年快速形成并发展起来的新型技术，它将多种学科融合为一体，其特征是具有交互性和沉浸性，以及自主感知性等。高校地理学科在教学过程中不断拓展教学手段，探索新的教学技术，而虚拟现实技术的发展和应用也恰好符合了高校地理学科教学特点。本文就虚拟现实技术在高校地理学科教学中的应用和结合做了简单概括，希望对同行在教学手段的创新中有一定帮助。

　　关键词：地理教学,虚拟现实,教学手段,教学技术

　　一、引言

　　虚拟现实技术在我国的研究相对较晚，随着计算机技术和三维空间技术的不断发展，人机交互技术的不断完善使得人们能够与虚拟世界进行沟通和交流，并且让操作者和参与者能够感受到身在其中的感觉，直接与其中实物进行相互作用。虽然当前虚拟现实技术在我国的研究还处于起步阶段，但是我国很多科研院所和高校都已经认识到这一技术的发展前景，逐步将这一技术作为当前热点来研究。我国有关部门已经制订了对虚拟现实技术进行研究的计划，并结合我国国情开展其应用范围的拓展。

　　作为“科学之母”的地理学，其主要研究的是地球表层自然要素与人文要素相互作用及其形成演化的特征、结构、格局、过程、地域分异与人地关系等，其研究的地理空间内时空跨度很大的各类自然现象及其变化原因和形成的机理，包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和人类出现后发生的一系列变化。我国高校地理教学经过几十年的发展也不断改革创新，已经取得了一定的成果，但是，在教学手段上一些传统的教学方式如教师口头描述，使用地理挂图以及多媒体的应用等仍然在高校地理教学中广泛使用，新的教学手段的推广范围有限。地理学科对于学生理性思维的要求比较高，其中一些机制机理的内容如地质结构的演变过程、大气的运动过程以及降水的形成过程等都需要学生通过动态演变来接受教学内容，而教师仅仅口头描述或使用挂图很难达到良好的教学效果。这也是当前高校地理教学过程中一直存在着的教师“教”与学生“学”之间不能有效连接的现象。

　　如何使高校地理教学手段的改进和学生学习效率的提高相衔接，就使得虚拟现实技术在高校地理教学中有了发展的空间。如何将虚拟现实技术有效地应用到高校地理教学中去，发挥其强大模拟现实的功能，是高校地理教育教学工作者的首要任务。

　　二、虚拟现实技术概述

　　(一)相关概念

　　虚拟现实技术综合运用了计算机技术、人工智能技术、传感技术以及人机交互技术，利用计算机生成的三维图像模拟人体的视听嗅触等感觉，将人对虚拟世界的感触通过计算机自然的融入其中，从而实现人体对虚拟世界的体验。

　　(二)虚拟现实技术的基本特征

　　1.自主性。即失重现象。在虚拟环境中各种物体的运行规律遵循失重状态下物体运行规律，即任何物体在受到外力作用的情况下，都会改变自身原来的运行轨迹。

　　2.多感知性。在虚拟现实环境下，人体的各种感觉并未消失，视听味触等感觉依然存在，参与者身在其中仍然能够感知这些感觉，从而使得参与者能够有置身其中的感觉。

　　3.交互性。即人机交互功能。参与者和操作者能够利用操纵装置与相关装置进行交流和互动，也可以通过相关设备感知其中的内容，如物体的重量可以通过手来感知，并能实现物体的运动。

　　4.沉浸性。虚拟现实技术通过利用计算机模拟产生的三维立体图像，完全符合人体的感知感觉特征和相关的心理生理特征，能够使参与者和使用者在虚拟现实环境中感受到现实世界一样的感觉，进行交流和互动。

　　三、虚拟现实技术在高校地理教学中的应用

　　高校地理教学与现实密切联系，对于一些地理特征需要进行深入的分析和研究。虽然当前高校地理教学中已经应用了各种教学方法，但是对于虚拟现实技术在高校地理学科中的应用还有一定的差距。本文列举了几个高校地理教学中常用的地理知识与虚拟现实技术相结合的方法，以此来说明虚拟现实技术在高校地理学科教学中有非常重要的作用。

　　1.虚拟现实技术在地震教学中的应用。随着近几年地震在全世界的频繁发生，以及地震过后所产生的巨大社会影响。地震现象已经被世界各国高度重视，高校对于地震的研究也越来越深入。地震是由于地壳在其内在应力和外在应力的共同作用下，使得聚集的构造应力突然释放，以震源为中心，向四周以震动弹性波的方式不断传播开来，从而引起地面不断颤动的现象。作为教学和研究的重要领域的高校，在开展地震教学和研究中的作用越来越重要。在传统的高校地理教学，尤其是地震知识教学过程中，更多的是采用教师口头描述和讲解的手段进行，对于地震产生的机理和发生过程中的相关动态过程也只能采用平面图或立体图的方式，无法让学生直观地去观察，而只能通过想象和经验推断来学习，其效果并不十分理想。虚拟现实技术能够生动地模拟地震发生的机制和原理，让高校学生非常直观地观察并且感受地震不同震级所产生的不同灾害，让高校学生能够从不同角度对这一现象进行跟踪，增强学生对这一知识的理解的准确性，大大提高了这一学科的教学效果。
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　　2.虚拟现实技术在地质结构教学中的应用。高校地理学科是一门非常直观的学科，其中一些教学内容如地震的产生、地壳板块的运动、地质结构的形成以及一些常见的自然灾害如火山、地震等的演变都是教学中的重点和难点。地质结构非常复杂，需要教师和学生有非常好的三维动态理解能力，但是由于资料和教师水平的限制，很难让学生一次就能理解相关知识。虚拟现实技术的应用能够很好地模拟地质结构的三维立体结构，模拟地质构造和板块运动过程中的各种现象，生动地再现岩层的演变过程，利用动态的效果成功地渲染这一地理知识的演变过程，并且能够利用虚拟现实技术中的传感设备获取大量数据，再现物体的原始形态和三维结构，将地质结构中的不同层次构造和任意角度的地质属性通过数据连接生动的表现出来，克服了传统教学中无法采用图像进行教学的弊端。虚拟现实技术在这一知识教学中的应用最大程度地实现了地质结构快速、大范围的重建问题，有效地提高了教学效率。　　3.虚拟现实技术在地理环境教学中的应用。传统的地理学科教学是将某一地理知识或地理环境单独拿出来进行讲解，忽视了整体地理环境的相互作用，人为地割裂了地理环境之间的关系。利用虚拟现实技术进行地理环境相关知识的教学，可以利用计算机和网络传感技术将现实中的地理环境按照一定的尺度进行虚拟设置，可以是大尺度也可以是中小尺度，将地理环境以及社会环境和政治经济环境全部进行虚拟化，让高校学生和参与者深入其中，进入到特定的三维地理空间中去，与该环境中的事物进行交流和互动，并且感受如果其中的某一个地理因子发生变化，将会引起什么样的相关变化。这种模拟现实环境的教学还可以按照操作者或者教学者的意愿调整地理环境，如可以调整云层的厚度和高度，设置雨天或雪天，根据太阳和月亮的升降变化调整光线的亮度等。由此可见，虚拟现实技术能够有效的将地理学科中的枯燥知识转变为生动的容易让学生接受的知识，为高校教师的教学提供了一个良好的教学平台，提高了教学效率。

　　4.虚拟现实技术在潮汐教学中的应用。潮汐在高校地理学教学中是非常重要的知识点。潮汐是在月、日引潮力作用下海洋水体发生周期性的伴随有潮位垂直涨落的水平运动。在国外，科研院所利用虚拟现实技术对潮汐数值进行模拟，得出可视化与虚拟现实系统，并且达到了预期的研究目的和效果。目前我国学术较高的高校地理教学中常采用潮汐数值模拟，即通过离散化潮汐运动的控制方程，用近似求解方法模拟潮汐运动特征，达到对潮汐场及其变化规律的认识，但这种方法缺乏直观性和形象性，而且使用的离散化潮汐运动的控制方程对于一般高校和学生不是很好掌握的，所以体现在整体上是教学效果差、学生感觉难等一系列效果。利用虚拟现实技术实现潮汐模拟达到可视化效果，可使师生在虚拟环境中交互操作该对象，真正实现了人与自然的交流与互动，得到潮汐变化的动态过程。

　　四、结语

　　从以上分析可知虚拟现实技术在高校地理教学中应用非常广泛，是加强高校地理科学教学质量和手段的最有效途径。借助于虚拟现实技术，高校地理科学不仅能更好地宣传自己、深化理论研究水平，而且能更好地为国民经济建设出力。虽然目前虚拟现实技术仍有许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍，但随着各种硬、软件的发展，这一技术会不断提高其逼真性、虚拟性和可普及性，可以预见在不远的将来，虚拟现实技术必将在地理科学教学中取得更广泛、更深入的应用，给地理科学带来重大的变化契机。

　　参考文献：

　　[1]杜军.虚拟现实技术在高校地理学科教学中的应用[J].山东师范大学学报，2012，20(2).

　　[2]朱晓华，肖彬.高校地理科学中的虚拟现实技术及其应用[J].南京师范大学学报：自然科学版，2009，22(3).

　　[3]马艳平，姜波，韦重韬.基于虚拟现实技术的三维地质仿真系统研究与实现[J].煤矿现代化，2013，(2).

　　[4]王玲，谈晓军，王乘.虚拟现实技术在数字流域中的应用初探[J].水电能源科学，2014，22(2).

　　[5]梁秀娟，林学钰，于军.虚拟现实技术在水文地质研究中的应用[J].吉林大学学报，2013，39(5).

　　[6]邱隆伟.虚拟现实技术在高校地学类课程教学中的应用[J].中国地质教育，2013，(6).
　　相关期刊简介：《计算机工程与应用》杂志是由中华人民共和国工业和信息化部华北计算技术研究所主办的、面向中高级计算机专业工作者的学术刊物。《计算机工程与应用》是一本面向计算机全行业的综合性学术刊物，覆盖面宽、信息量大、报道及时是本刊的服务宗旨。