地理教學(xué)文獻翻譯

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?！癎eoWall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。我們在一些本科課程中開發(fā)并介紹了三維可視化演習(xí)。入門級階段的學(xué)生從新穎的材料介紹中獲益。高年級本科生和研究生意識到了分析新技術(shù)的優(yōu)勢、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發(fā)的潛能，這項技術(shù)比以往任何時候的技術(shù)都實惠和方便。引言近年來，新的投影技術(shù)、低成本高性能的顯卡和高速計算機的結(jié)合，使三維可視化技術(shù)能夠為大學(xué)部門構(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財團，這項工作在很大程度上引導(dǎo)了GeoWall財團，它是一個以“通過使用低成本的虛擬現(xiàn)實可視化設(shè)備，擴大利用地球科學(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。該財團促進了”GeoWall系統(tǒng)”進入了包括地理學(xué)在內(nèi)的其他學(xué)科，它主要由來自四所大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家、

地球物理學(xué)家、

可視化專家和計算機程序員組成。2004年春，明尼蘇達大學(xué)地理系收到一筆來自文科信息技術(shù)費委員會學(xué)院的贈款，這筆贈款是為了在2004-2005學(xué)年開發(fā)指導(dǎo)三維可視化技術(shù)。研究助理的一半時間是開發(fā)技術(shù)和形成教學(xué)模塊。通過這項工作，我們開始發(fā)現(xiàn)這樣一個系統(tǒng)可以為本科地理教育提供潛力。在這篇文章中，我們解釋了這項技術(shù)的原理，簡要敘述了GeoWall的歷史，在一個介紹地圖、可視化、地理推理和兩個高等的地圖學(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。為了回應(yīng)書面調(diào)查，我們解釋了三維增強學(xué)習(xí)的影響。然后，我們提出了關(guān)于GeoWall未來應(yīng)用的計劃，我們暗示其他各級地理學(xué)家如何能夠像這樣把三維可視化技術(shù)融合進他們的課堂。三維可視化人們意識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，一個可以把視線分隔開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)得到開發(fā)。早期的三維照片是成對兒的照片，是分別從左眼和右眼的角度來看的，這需要用立體電影放映機查看，它可以利用光學(xué)透鏡分離兩個圖像。在20世紀(jì)中葉，立體照片允許讓觀眾從一個單一的圖像中看到三個維度，這使得三維電影的制作成為可能。立體照片是從紅色和藍色兩個色調(diào)視角強加在圖像上的，然后用包含紅色和藍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快門眼鏡技術(shù)得到改善。單臺計算機屏幕在左眼和右眼圖像之間迅速交替。然后用戶可以運用快門眼鏡連接到計算機上以查看圖像。在適當(dāng)情況下，這種眼鏡通過特殊驅(qū)動程序使左右眼視圖同步不透明。很大程度上，隨著計算機技術(shù)的進步，被視頻游戲驅(qū)動的行業(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”項目能夠使研究人員從三個維度可視化數(shù)據(jù)。這些洞穴是非常豪華的，需要專門的房間來陳列系統(tǒng)。2000

年，明尼蘇達大學(xué)地質(zhì)部與地球物理研究所的成員開始與美國地質(zhì)調(diào)查中心合作，在伊利諾斯州大學(xué)的電子可視化實驗室為地球資源觀測系統(tǒng)開發(fā)一個可以在廣大觀眾面前適用的、不太昂貴的系統(tǒng)，而GeoWall財團從這些最初的努力過程力中誕生。超過

500個

GeoWall

系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)在全國各地的學(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并不是難事。GeoWall系統(tǒng)可以設(shè)置在固定的實驗室里，也可設(shè)置成可運送到不同教室的可移動形式。明尼蘇達大學(xué)地理系已經(jīng)建立了移動通信系統(tǒng)（圖1）。GeoWall

系統(tǒng)可以在大多數(shù)現(xiàn)代計算機上運行。計算機必須擁有兩個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中一個組件，它在通過三維透鏡構(gòu)建三維地圖方面沒有多大困難。該軟件功能夠使學(xué)生在一個課時內(nèi)學(xué)習(xí)如何構(gòu)建他們自己的三維地圖。運用

GeoWall

系統(tǒng)，學(xué)生們就可以展現(xiàn)他們的三維地圖。運用先進的制圖法，學(xué)生們研究三維地圖并考慮其中的介質(zhì)影響傳統(tǒng)制圖符號的方式及它的優(yōu)點、局限性和新技術(shù)潛在的應(yīng)用。地理信息系統(tǒng)類是一個為明尼蘇達大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)的碩士生設(shè)計的技術(shù)性課程。一些學(xué)生表示，他們對技術(shù)感興趣并且想獨自在三維可視化項目方面工作。學(xué)生反應(yīng)自從GeoWall技術(shù)在我們課堂上介紹之后，我們實施了書面調(diào)查法去判定學(xué)生對于使用這項技術(shù)的反應(yīng)進而評估這項技術(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。運用GeoWall是“當(dāng)在處理地理空間域時的最全面感官”，但必須要有眼光。如果觀眾在日常生活中能看到但是無法感知深度，他或她將不會在屏幕上察覺到三維，這適用于大約

2%的人口。一些學(xué)生盡管擁有深度覺察力，但仍舊不能夠在屏幕上看到三維。在我們的報告中，被調(diào)查的168名學(xué)生中的5名的報告顯示，他們無法看到三維的演示文稿。隨著這項技術(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。那些無法感知深度的學(xué)生運用偏振眼鏡應(yīng)該能夠看到二維圖像，偏振眼鏡有助于阻擋雙圖像。一個顯而易見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，這對于運用這種可視化并不常見。在兩個班中接受調(diào)查的15％的學(xué)生（25名學(xué)生）感覺到不適。改善兩個圖像的對準(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。第三次我們進行了一個有關(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)容會出現(xiàn)身體反應(yīng)的可能性，如果他們感覺身體有任何不適，會建議他們休息一會兒。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，這也是一個避免房間太暗的很好做法。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)一個人適應(yīng)了查看GeoWall后，這些副作用就會消退。當(dāng)被問及三維演示是否能夠幫助他們“更好的理解材料”時，在兩個接受調(diào)查的班級中，同學(xué)們的回答不同。生物地理學(xué)課程采用的是實地考察演示，這實質(zhì)上就是一個三維幻燈片，但只要49%的學(xué)生（50名學(xué)生）聲稱（實地考察）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)生中的一部分人補充說，三維演示比二維演示更能夠保持他們的興趣，也許是因為這項技術(shù)對他們來說是新穎的緣故。其他同學(xué)指出，三維幻燈片在表達森林的大小、范圍和地形方面比二維幻燈片提供一個更好的主意。絕大多數(shù)學(xué)生在讀圖入門課上回答說，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,他們喜歡接觸三維可視化，因為他們相信在將來他們終將會運用到這項技術(shù)。,我們的介紹是學(xué)生們第一次接觸到這個技術(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

幫助他們在課堂上保持注意力。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)查對于學(xué)生們關(guān)于這項技術(shù)的反應(yīng)提供了寶貴的見解，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)。未來的項目在GeoWall項目的第二年，我們將繼續(xù)開發(fā)上面討論的項目，我們計劃把該項技術(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)劃方面是一個應(yīng)用實例。這個實例有一個實踐方法就是要求學(xué)生進行一個關(guān)于城市社區(qū)的實地考察小調(diào)研。一些學(xué)生被這種類型的任務(wù)所嚇倒。運用立體攝影設(shè)備，我們已經(jīng)制作了一個關(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課程內(nèi)容更好的討論，緩解學(xué)生們將要完成項目的焦慮進而為學(xué)生們可視化城市數(shù)據(jù)提供一個新的方式。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)以萬計的立體照片。最后，我們想要仿效地質(zhì)教師通過使用

GeoWall

來可視化復(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)驗的用戶理解外，對所有人來說都具有挑戰(zhàn)性。如全球大氣環(huán)流的過程通常用二維簡化和說明。地圖投影是能更有效地運用三維可視化演示的另一個主題。通過運用三維演示這些數(shù)據(jù)，我們希望這些內(nèi)容使學(xué)生們更易于理解。結(jié)論意見根據(jù)我們學(xué)生調(diào)查的普遍積極結(jié)果，我們樂觀地認(rèn)為GeoWall是一個可以增強學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗的工具。該GeoWall項目的一個明確優(yōu)勢就在于，至少當(dāng)該技術(shù)對學(xué)生來說是新穎時，它可能會解決一些與講課形式相關(guān)的學(xué)習(xí)問題，例如：學(xué)生不注意，對講課失去興趣或不保存信息。我們的調(diào)查提供了一個很好的關(guān)于GeoWall有助于緩解這些問題的預(yù)測。特別是在大班或在事例中，實地考察是不可行的，在這一領(lǐng)域虛擬的實地考察比一個標(biāo)準(zhǔn)的兩維幻燈片更能讓學(xué)生們清楚地認(rèn)識到。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)人類把知識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將進一步發(fā)展到包括“主動學(xué)習(xí)”的策略。主動學(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，而不是作為一個被動的信息接受者。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)部門已經(jīng)鼓勵了GeoWall實驗室大量的積極主動學(xué)習(xí)者，在這里學(xué)生們可以根據(jù)自己的時間去探索三維材料來完成他們的實驗作業(yè)。在明尼蘇達大學(xué)地質(zhì)學(xué)課堂上，與立體地圖的互動實質(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，一個固定的三維可視化實驗室可以提供給更多的學(xué)生。三維可視化在現(xiàn)實世界的各種應(yīng)用中變得越來越普遍，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，