地理教學(xué)文獻(xiàn)翻譯

地理教學(xué)中的三維可視化技術(shù)摘要：有助于學(xué)生查看視圖的三維技術(shù)，可以支持廣范圍的學(xué)習(xí)風(fēng)格。“GeoWall系統(tǒng)”是準(zhǔn)許科學(xué)家，教師和學(xué)生放映和查看三維立體圖像的可視化工具。我們?cè)谝恍┍究普n程中開(kāi)發(fā)并介紹了三維可視化演習(xí)。入門(mén)級(jí)階段的學(xué)生從新穎的材料介紹中獲益。高年級(jí)本科生和研究生意識(shí)到了分析新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、局限性和潛在應(yīng)用型的有利環(huán)境。三維可視化技術(shù)可以在地理教學(xué)的許多層面上提供未開(kāi)發(fā)的潛能，這項(xiàng)技術(shù)比以往任何時(shí)候的技術(shù)都實(shí)惠和方便。引言近年來(lái)，新的投影技術(shù)、低成本高性能的顯卡和高速計(jì)算機(jī)的結(jié)合，使三維可視化技術(shù)能夠?yàn)榇髮W(xué)部門(mén)構(gòu)建起自己的立體投影和觀察系統(tǒng)。這一努力已在很大程度上引導(dǎo)了GeoWall財(cái)團(tuán)，這項(xiàng)工作在很大程度上引導(dǎo)了GeoWall財(cái)團(tuán)，它是一個(gè)以“通過(guò)使用低成本的虛擬現(xiàn)實(shí)可視化設(shè)備，擴(kuò)大利用地球科學(xué)的研究和教育科學(xué)可視化工具“為使命的、由教職員和學(xué)者組成的非正式組織。該財(cái)團(tuán)促進(jìn)了”GeoWall系統(tǒng)”進(jìn)入了包括地理學(xué)在內(nèi)的其他學(xué)科，它主要由來(lái)自四所大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家、

地球物理學(xué)家、

可視化專家和計(jì)算機(jī)程序員組成。2004年春，明尼蘇達(dá)大學(xué)地理系收到一筆來(lái)自文科信息技術(shù)費(fèi)委員會(huì)學(xué)院的贈(zèng)款，這筆贈(zèng)款是為了在2004-2005學(xué)年開(kāi)發(fā)指導(dǎo)三維可視化技術(shù)。研究助理的一半時(shí)間是開(kāi)發(fā)技術(shù)和形成教學(xué)模塊。通過(guò)這項(xiàng)工作，我們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)可以為本科地理教育提供潛力。在這篇文章中，我們解釋了這項(xiàng)技術(shù)的原理，簡(jiǎn)要敘述了GeoWall的歷史，在一個(gè)介紹地圖、可視化、地理推理和兩個(gè)高等的地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)課程的大型生物地理學(xué)講座中，我們分享了關(guān)于三維可視化不同應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。為了回應(yīng)書(shū)面調(diào)查，我們解釋了三維增強(qiáng)學(xué)習(xí)的影響。然后，我們提出了關(guān)于GeoWall未來(lái)應(yīng)用的計(jì)劃，我們暗示其他各級(jí)地理學(xué)家如何能夠像這樣把三維可視化技術(shù)融合進(jìn)他們的課堂。三維可視化人們意識(shí)到左眼和右眼圖像比較的心理深度。為了使平面圖像被感知為三維圖像，一個(gè)可以把視線分隔開(kāi)并且可以防止任何一只眼睛注視到虛假圖像的系統(tǒng)必須到位。自從19世紀(jì)中葉立體照片的出現(xiàn)，呈現(xiàn)三維圖像的各種系統(tǒng)已經(jīng)得到開(kāi)發(fā)。早期的三維照片是成對(duì)兒的照片，是分別從左眼和右眼的角度來(lái)看的，這需要用立體電影放映機(jī)查看，它可以利用光學(xué)透鏡分離兩個(gè)圖像。在20世紀(jì)中葉，立體照片允許讓觀眾從一個(gè)單一的圖像中看到三個(gè)維度，這使得三維電影的制作成為可能。立體照片是從紅色和藍(lán)色兩個(gè)色調(diào)視角強(qiáng)加在圖像上的，然后用包含紅色和藍(lán)色鏡片的眼鏡將其轉(zhuǎn)化為適合眼睛看。在20世紀(jì)80年代后期，三維全彩色的查看通過(guò)快門(mén)眼鏡技術(shù)得到改善。單臺(tái)計(jì)算機(jī)屏幕在左眼和右眼圖像之間迅速交替。然后用戶可以運(yùn)用快門(mén)眼鏡連接到計(jì)算機(jī)上以查看圖像。在適當(dāng)情況下，這種眼鏡通過(guò)特殊驅(qū)動(dòng)程序使左右眼視圖同步不透明。很大程度上，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，被視頻游戲驅(qū)動(dòng)的行業(yè)已經(jīng)使科學(xué)家們能夠在醫(yī)學(xué)和顯微鏡、地質(zhì)學(xué)和天文學(xué)等領(lǐng)域制作三維圖像。九十年代中期，三維“洞穴”項(xiàng)目能夠使研究人員從三個(gè)維度可視化數(shù)據(jù)。這些洞穴是非常豪華的，需要專門(mén)的房間來(lái)陳列系統(tǒng)。2000

年，明尼蘇達(dá)大學(xué)地質(zhì)部與地球物理研究所的成員開(kāi)始與美國(guó)地質(zhì)調(diào)查中心合作，在伊利諾斯州大學(xué)的電子可視化實(shí)驗(yàn)室為地球資源觀測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一個(gè)可以在廣大觀眾面前適用的、不太昂貴的系統(tǒng)，而GeoWall財(cái)團(tuán)從這些最初的努力過(guò)程力中誕生。超過(guò)

500個(gè)

GeoWall

系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)在全國(guó)各地的學(xué)校、

大學(xué)和博物館得到普及。GeoWall系統(tǒng)盡管最初的"三維洞穴"系統(tǒng)需要幾十萬(wàn)美元，但GeoWall的專業(yè)設(shè)備及操作在7500美元的組件下建造出來(lái)并不是難事。GeoWall系統(tǒng)可以設(shè)置在固定的實(shí)驗(yàn)室里，也可設(shè)置成可運(yùn)送到不同教室的可移動(dòng)形式。明尼蘇達(dá)大學(xué)地理系已經(jīng)建立了移動(dòng)通信系統(tǒng)（圖1）。GeoWall

系統(tǒng)可以在大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。計(jì)算機(jī)必須擁有兩個(gè)顯卡或更多的視頻輸出以便可以發(fā)送被投影儀分隔的不同的圖像。大多數(shù)現(xiàn)代的顯卡都能夠?qū)崿F(xiàn)雙視頻輸出。顯卡根據(jù)不同的可視化需要，擁有廣泛的特征和相關(guān)的圖2立體像對(duì)的例子：玻利維亞境內(nèi)的安第斯山脈左眼和右眼中的三維地圖圖像教師還把GeoWall引入到了高等的制圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)課程中。在這些高層的研究生課程中，GeoWall技術(shù)是研究的主要課題。ArcGIS中的最新版本包含ArcScene中一個(gè)組件，它在通過(guò)三維透鏡構(gòu)建三維地圖方面沒(méi)有多大困難。該軟件功能夠使學(xué)生在一個(gè)課時(shí)內(nèi)學(xué)習(xí)如何構(gòu)建他們自己的三維地圖。運(yùn)用

GeoWall

系統(tǒng)，學(xué)生們就可以展現(xiàn)他們的三維地圖。運(yùn)用先進(jìn)的制圖法，學(xué)生們研究三維地圖并考慮其中的介質(zhì)影響傳統(tǒng)制圖符號(hào)的方式及它的優(yōu)點(diǎn)、局限性和新技術(shù)潛在的應(yīng)用。地理信息系統(tǒng)類(lèi)是一個(gè)為明尼蘇達(dá)大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)的碩士生設(shè)計(jì)的技術(shù)性課程。一些學(xué)生表示，他們對(duì)技術(shù)感興趣并且想獨(dú)自在三維可視化項(xiàng)目方面工作。學(xué)生反應(yīng)自從GeoWall技術(shù)在我們課堂上介紹之后，我們實(shí)施了書(shū)面調(diào)查法去判定學(xué)生對(duì)于使用這項(xiàng)技術(shù)的反應(yīng)進(jìn)而評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)的有效性。120名學(xué)生完成了全球花園生物地理學(xué)方面的調(diào)查，而48名學(xué)生在地圖、可視化和地理推理方面被調(diào)查。許多相關(guān)的技術(shù)是可行的。運(yùn)用GeoWall是“當(dāng)在處理地理空間域時(shí)的最全面感官”，但必須要有眼光。如果觀眾在日常生活中能看到但是無(wú)法感知深度，他或她將不會(huì)在屏幕上察覺(jué)到三維，這適用于大約

2%的人口。一些學(xué)生盡管擁有深度覺(jué)察力，但仍舊不能夠在屏幕上看到三維。在我們的報(bào)告中，被調(diào)查的168名學(xué)生中的5名的報(bào)告顯示，他們無(wú)法看到三維的演示文稿。隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，考慮如何使它適應(yīng)有視力障礙的學(xué)生是重要的。那些無(wú)法感知深度的學(xué)生運(yùn)用偏振眼鏡應(yīng)該能夠看到二維圖像，偏振眼鏡有助于阻擋雙圖像。一個(gè)顯而易見(jiàn)的解決方案是在二維格式方面提供相同的材料。接受調(diào)查的一些學(xué)生在查看了三維圖像之后，出現(xiàn)了輕度惡心、頭痛、頭暈或者眼睛疼痛的現(xiàn)象，這對(duì)于運(yùn)用這種可視化并不常見(jiàn)。在兩個(gè)班中接受調(diào)查的15％的學(xué)生（25名學(xué)生）感覺(jué)到不適。改善兩個(gè)圖像的對(duì)準(zhǔn)和避免照片中某些特征，可以降低眼疲勞的發(fā)生率。立體照片看起來(lái)趨向于使一些觀看者感到不舒服，它聚焦在遠(yuǎn)處的物體上，例如一棵樹(shù)上，但也包括近處的物體，例如圖像的分支指向觀看者。第三次我們進(jìn)行了一個(gè)有關(guān)三維的講座，我們知道去通知學(xué)生關(guān)于查看三維內(nèi)容會(huì)出現(xiàn)身體反應(yīng)的可能性，如果他們感覺(jué)身體有任何不適，會(huì)建議他們休息一會(huì)兒。為了使學(xué)生從觀看三維圖像的疲勞中放松他們的眼睛，每隔10至15分鐘就停止三維演示，這也是一個(gè)避免房間太暗的很好做法。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)一個(gè)人適應(yīng)了查看GeoWall后，這些副作用就會(huì)消退。當(dāng)被問(wèn)及三維演示是否能夠幫助他們“更好的理解材料”時(shí)，在兩個(gè)接受調(diào)查的班級(jí)中，同學(xué)們的回答不同。生物地理學(xué)課程采用的是實(shí)地考察演示，這實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)三維幻燈片，但只要49%的學(xué)生（50名學(xué)生）聲稱（實(shí)地考察）三維有助于他們學(xué)習(xí)材料。許多觀察顯示，二維幻燈片只是作為幫助他們有效學(xué)習(xí)（的工具），但是這些學(xué)生中的一部分人補(bǔ)充說(shuō)，三維演示比二維演示更能夠保持他們的興趣，也許是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)對(duì)他們來(lái)說(shuō)是新穎的緣故。其他同學(xué)指出，三維幻燈片在表達(dá)森林的大小、范圍和地形方面比二維幻燈片提供一個(gè)更好的主意。絕大多數(shù)學(xué)生在讀圖入門(mén)課上回答說(shuō)，三維可視化幫助他們學(xué)習(xí)如何閱讀輪廓線。92%的學(xué)生表示，三維內(nèi)容幫助他們更好地理解材料并且同樣比例的報(bào)道顯示，三維內(nèi)容有助于學(xué)生們保持注意力的集中。一些學(xué)生說(shuō),他們喜歡接觸三維可視化，因?yàn)樗麄兿嘈旁趯?lái)他們終將會(huì)運(yùn)用到這項(xiàng)技術(shù)。,我們的介紹是學(xué)生們第一次接觸到這個(gè)技術(shù)，只有少數(shù)例外。GeoWall

為學(xué)生提供了一種學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的有趣方式。80%的學(xué)生表示，

GeoWall

幫助他們?cè)谡n堂上保持注意力。90％的學(xué)生聲稱，他們希望在今后的課程上看到更多的三維可視化技術(shù)。雖然我們認(rèn)為我們的調(diào)查對(duì)于學(xué)生們關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的反應(yīng)提供了寶貴的見(jiàn)解，但我們想要探討更多關(guān)于什么可行，什么不可行的細(xì)節(jié)。未來(lái)的項(xiàng)目在GeoWall項(xiàng)目的第二年，我們將繼續(xù)開(kāi)發(fā)上面討論的項(xiàng)目，我們計(jì)劃把該項(xiàng)技術(shù)引入到其他學(xué)科領(lǐng)域。明尼阿波利斯和圣保羅的地理雙子城在城市地理和城市規(guī)劃方面是一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。這個(gè)實(shí)例有一個(gè)實(shí)踐方法就是要求學(xué)生進(jìn)行一個(gè)關(guān)于城市社區(qū)的實(shí)地考察小調(diào)研。一些學(xué)生被這種類(lèi)型的任務(wù)所嚇倒。運(yùn)用立體攝影設(shè)備，我們已經(jīng)制作了一個(gè)關(guān)于雙子城的徒步旅行和關(guān)于它的一系列三維地圖陪伴旅行。教師可以投射出一系列的顯示雙子城地形的三維地圖以及一些相關(guān)的主題特征。教師希望演示文稿將促進(jìn)課程內(nèi)容更好的討論，緩解學(xué)生們將要完成項(xiàng)目的焦慮進(jìn)而為學(xué)生們可視化城市數(shù)據(jù)提供一個(gè)新的方式。在歷史城市地理學(xué)課堂上，GeoWall將允許教師使用三維去展示一些拍攝于20世紀(jì)末的數(shù)以萬(wàn)計(jì)的立體照片。最后，我們想要仿效地質(zhì)教師通過(guò)使用

GeoWall

來(lái)可視化復(fù)雜數(shù)據(jù)的例子。氣候?qū)W和氣象課程涉及的極其復(fù)雜，專業(yè)地圖除了有經(jīng)驗(yàn)的用戶理解外，對(duì)所有人來(lái)說(shuō)都具有挑戰(zhàn)性。如全球大氣環(huán)流的過(guò)程通常用二維簡(jiǎn)化和說(shuō)明。地圖投影是能更有效地運(yùn)用三維可視化演示的另一個(gè)主題。通過(guò)運(yùn)用三維演示這些數(shù)據(jù)，我們希望這些內(nèi)容使學(xué)生們更易于理解。結(jié)論意見(jiàn)根據(jù)我們學(xué)生調(diào)查的普遍積極結(jié)果，我們樂(lè)觀地認(rèn)為GeoWall是一個(gè)可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的工具。該GeoWall項(xiàng)目的一個(gè)明確優(yōu)勢(shì)就在于，至少當(dāng)該技術(shù)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是新穎時(shí)，它可能會(huì)解決一些與講課形式相關(guān)的學(xué)習(xí)問(wèn)題，例如：學(xué)生不注意，對(duì)講課失去興趣或不保存信息。我們的調(diào)查提供了一個(gè)很好的關(guān)于GeoWall有助于緩解這些問(wèn)題的預(yù)測(cè)。特別是在大班或在事例中，實(shí)地考察是不可行的，在這一領(lǐng)域虛擬的實(shí)地考察比一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的兩維幻燈片更能讓學(xué)生們清楚地認(rèn)識(shí)到。學(xué)生往往難以理解空間概念，如等高線或氣候模式，特別是大規(guī)模的入門(mén)課程。隨著GeoWall的發(fā)展，學(xué)生以新方式處理具有挑戰(zhàn)性的材料?！岸嘣悄堋钡母拍詈徒虒W(xué)策略適應(yīng)人類(lèi)把知識(shí)整合成文檔的各種方式。課堂中三維可視化的結(jié)論可以適應(yīng)各種各樣的學(xué)習(xí)風(fēng)格。理想狀態(tài)下，GeoWall將進(jìn)一步發(fā)展到包括“主動(dòng)學(xué)習(xí)”的策略。主動(dòng)學(xué)習(xí)應(yīng)該讓學(xué)生指導(dǎo)他或她自己的調(diào)查去發(fā)現(xiàn)學(xué)科原則，而不是作為一個(gè)被動(dòng)的信息接受者。學(xué)生可能被要求從三維地圖或模型中得出結(jié)論,來(lái)比較三維材料與傳統(tǒng)地圖，或者以不同的尺度去探索虛擬環(huán)境。地質(zhì)部門(mén)已經(jīng)鼓勵(lì)了GeoWall實(shí)驗(yàn)室大量的積極主動(dòng)學(xué)習(xí)者，在這里學(xué)生們可以根據(jù)自己的時(shí)間去探索三維材料來(lái)完成他們的實(shí)驗(yàn)作業(yè)。在明尼蘇達(dá)大學(xué)地質(zhì)學(xué)課堂上，與立體地圖的互動(dòng)實(shí)質(zhì)上增加了學(xué)生的映射曲面的理解。有了適當(dāng)?shù)目臻g和資源，一個(gè)固定的三維可視化實(shí)驗(yàn)室可以提供給更多的學(xué)生。三維可視化在現(xiàn)實(shí)世界的各種應(yīng)用中變得越來(lái)越普遍，特別是在地理學(xué)家感興趣的領(lǐng)域，如：數(shù)據(jù)可視化，環(huán)境咨詢和城市規(guī)劃。地理學(xué)家力爭(zhēng)把地理技術(shù)納入到地理課程，在教學(xué)中引入如此尖端的可視化技術(shù)似乎是合乎邏輯的和有益的。有跡象表明，