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地理教学中的三维可视化技术摘要：有助于学生查看视图的三维技术，可以支持广范围的学习风格。“GeoWall系统”是准许科学家，教师和学生放映和查看三维立体图像的可视化工具。我们在一些本科课程中开发并介绍了三维可视化演习。入门级阶段的学生从新颖的材料介绍中获益。高年级本科生和研究生意识到了分析新技术的优势、局限性和潜在应用型的有利环境。三维可视化技术可以在地理教学的许多层面上提供未开发的潜能，这项技术比以往任何时候的技术都实惠和方便。引言近年来，新的投影技术、低成本高性能的显卡和高速计算机的结合，使三维可视化技术能够为大学部门构建起自己的立体投影和观察系统。这一努力已在很大程度上引导了GeoWall财团，这项工作在很大程度上引导了GeoWall财团，它是一个以“通过使用低成本的虚拟现实可视化设备，扩大利用地球科学的研究和教育科学可视化工具“为使命的、由教职员和学者组成的非正式组织。 该财团促进了”GeoWall系统”进入了包括地理学在内的其他学科，它主要由来自四所大学的地质学家、地球物理学家、可视化专家和计算机程序员组成。2004年春，明尼苏达大学地理系收到一笔来自文科信息技术费委员会学院的赠款，这笔赠款是为了在2004-2005学年开发指导三维可视化技术。研究助理的一半时间是开发技术和形成教学模块。通过这项工作，我们开始发现这样一个系统可以为本科地理教育提供潜力。在这篇文章中，我们解释了这项技术的原理，简要叙述了GeoWall的历史，在一个介绍地图、可视化、地理推理和两个高等的地图学与地理信息系统课程的大型生物地理学讲座中，我们分享了关于三维可视化不同应用的经验。为了回应书面调查，我们解释了三维增强学习的影响。然后，我们提出了关于GeoWall未来应用的计划，我们暗示其他各级地理学家如何能够像这样把三维可视化技术融合进他们的课堂。三维可视化人们意识到左眼和右眼图像比较的心理深度。为了使平面图像被感知为三维图像，一个可以把视线分隔开并且可以防止任何一只眼睛注视到虚假图像的系统必须到位。自从19世纪中叶立体照片的出现，呈现三维图像的各种系统已经得到开发。早期的三维照片是成对儿的照片，是分别从左眼和右眼的角度来看的，这需要用立体电影放映机查看，它可以利用光学透镜分离两个图像。 在20世纪中叶，立体照片允许让观众从一个单一的图像中看到三个维度，这使得三维电影的制作成为可能。立体照片是从红色和蓝色两个色调视角强加在图像上的，然后用包含红色和蓝色镜片的眼镜将其转化为适合眼睛看。在20世纪80年代后期，三维全彩色的查看通过快门眼镜技术得到改善。单台计算机屏幕在左眼和右眼图像之间迅速交替。然后用户可以运用快门眼镜连接到计算机上以查看图像。在适当情况下，这种眼镜通过特殊驱动程序使左右眼视图同步不透明。很大程度上，随着计算机技术的进步，被视频游戏驱动的行业已经使科学家们能够在医学和显微镜、地质学和天文学等领域制作三维图像。九十年代中期，三维“洞穴”项目能够使研究人员从三个维度可视化数据。这些洞穴是非常豪华的，需要专门的房间来陈列系统。2000年，明尼苏达大学地质部与地球物理研究所的成员开始与美国地质调查中心合作，在伊利诺斯州大学的电子可视化实验室为地球资源观测系统开发一个可以在广大观众面前适用的、不太昂贵的系统，而GeoWall财团从这些最初的努力过程力中诞生。超过500 个GeoWall系统现在已经在全国各地的学校、大学和博物馆得到普及。GeoWall系统尽管最初的三维洞穴系统需要几十万美元，但GeoWall的专业设备及操作在7500美元的组件下建造出来并不是难事。GeoWall系统可以设置在固定的实验室里，也可设置成可运送到不同教室的可移动形式。明尼苏达大学地理系已经建立了移动通信系统（图1）。GeoWall系统可以在大多数现代计算机上运行。计算机必须拥有两个显卡或更多的视频输出以便可以发送被投影仪分隔的不同的图像。大多数现代的显卡都能够实现双视频输出。显卡根据不同的可视化需要，拥有广泛的特征和相关的价格。图1 GeoWall系统的组成:(a)电脑;(b) 投影机堆垛机;(c) 数字投影机;(d) 偏光过滤器;(e)银白色的投影仪屏幕;(f) 偏光眼镜;GeoWall在很大程度上是围绕投影系统构建的。计算机给左、右两个投影仪发送视频信号。尤其是当投影仪被用在大而明亮的环境中时，光过滤和消除了许多来自投影仪输出的高流明的光。大多数光学投影仪以偏光过滤运行。数字光学投影仪堆放时应尽可能使图像以最小的失真出现在屏幕上。现代数字光学投影仪提供“梯形失真”技术，为了使图像可以完美叠加，这项技术允许用户调整图像。因为数字光学投影仪运行起来相当热，所以它们需要得到充分冷却。由多个供应商提供的保护堆垛机, 提供了一个允许空气流通的让人可接受的解决方法。安装在投影机前端几英寸地方的偏光镜片过滤着来自投影机的光。来自两个投影仪呈90度角的光被分化，从而产生两个信号，其光波沿着不同的平面前进。屏幕必须能够保存偏振光，最常见的有“银幕”。 大多数主要的投影屏幕供应商出售保存偏振光的屏幕。观看者必须戴上偏光眼镜。光过滤和眼镜块的结合使每只眼睛中呈现适当的图像。当系统被恰当的配置时，观看者用右眼只能看到右眼中的图像，左眼只能看到左眼中的图像。首先虽然运行GeoWall系统可能会出现风险，但是拥有一个良好的系统可以在短短几个小时内熟练的学会设置和操作GeoWall（图1）。当一个人掌握了安装程序后，让一个单一的设备车进入一个房间里并且在屏幕上投影10到15分钟的图像是可能的。美国地质调查局提供了一个很好的介绍关于GeoWall系统的实用性，而GeoWall财团并为其提供了充足的关联信息。早期的GeoWallGeoWall是存在于最强的地质部门的，因为它最初的设计是用来协助地球物理学家可视化复杂的数据和教本科生地质课的。大学教授在天文学、几何学、新闻学和戏剧学等学科的教学中使用三维可视化技术及其内容。GeoWall用于明尼苏达大学地质类课程特征的各种目的。在三维可视化的一般形式中，学生进行虚拟的实地考察。 在很大程度上，入门课就带领学生去户外在后勤保障方面是复杂的，有时甚至是危险的。在过去，地质专业学生徒步到密西西比河河畔诈唬。但是在几年前，通往这条河的路径被认为是不安全的而且实地考察已不再被允许。作为这些旅行的一种替代，地质教师就采取了一系列的照片对并运用GeoWall呈现了实地考察。虽然使用这种技术呈现三维投影图像看起来可能像是多余的，地质学教员已经证明，学生会从三维讲座中学到更多比同样的二维讲座。当在平面上描述露出地面的岩层时，对它缺乏认识的学生往往感到难以把握它的空间关系。地质学课程教师对学生不会使用地质图感到很沮丧。缺乏地图经验的学生，如果不花费几天的课程时间去学习如何读图，是不应该学习课程的核心概念的。地质教师发现，三维地图改善了他们的课程学习，并允许他们在一个学期中涵盖更多的素材。有趣的是，表现不佳的学生的报告显示，从三维可视化中的受益要比高材生的多，这些高材生们过去更多反应这个系统对他们的学习没有帮助。然而，在500多名学生单独的地图练习测试中，学生们通过看立体地图，能够在各项技能水平方面提高他们回答问题的准确性。而这些地图跨越各种主题和形式。学生们能够查看明尼阿波利斯和圣保罗的双子城周围基岩结构的三维地图，三维地图通过添加或删除地质图的叠加而相互影响，并考察地震中心和大陆迹线的三维模型，从而探索在虚拟三维环境中的地质特征。地质学课程经常教些概念，由于数据的绝对数量，这些概念在二维上很难说明，特别是当时间因素被添加进来时。鉴于大部分三维可视化发展地质学的明显空间特性，把GeoWall引入地理课程是一个自然的举动。在2004-2005年期间，我们为一些课程开发GeoWall内容，为的是探索三维可视化如何提高地理教学和学习。我们在这里讨论了三个这样的尝试，以各种方式去暗示GeoWall可能被应用于地理学。地理学中的GeoWall明尼苏达大学地理系中规模最大的课程被称为“全球花园的生物地理学”。本课程是生物地理学的入门级课程，每学期有超过450名的学生（学习此课程），而他们其中的60是大一和大二的学生。它作为高级生物地理学课程的一部分，教师把实地考察融入到课程中。学生可以通过大量的实地考察学习自然地理。教授带领她的小班级学生去一个古老的阔叶林森林中的一个先前居民点的遗迹在那里，她展示了植物取样和提取树心记录树木年轮的程序。这样一个大的实地考察对于入门课是不现实的。我们通过运用立体照相机（两款同步采取立体照片对的数码相机）开发了一个有关森林区域和提取树心方法演示的“虚拟之旅”。该模块包括一些地区的三维地图以及一系列的30张三维照片。地图、可视化和地理推理概论是另一种低水平的课程，在其中我们引入了GeoWall。本课程从大学本科不同阶段的学生中招收约70名，一般吸引的都是那些不具有扎实的数学或空间推理技能的学生。在课堂上教师和学生面临的主要挑战之一是掌握等高线在地形图中的解释。课程结束后，学生应该能够读懂和解释各种地形特征（例如：计算斜坡，寻找最佳路线，识别山脊和山谷）。许多学生有一个非常困难的时间段来学习如何阅读表示三维表面的二维地图。我们发现，如果学生们把一个二维等高线地图和它所代表的三维表面作对比，他们能够更好地使等高线概念化。我们开发了三维等值线图，为了帮助地图课上概念的讲授（图2）。在课堂上，教师通过旋转它来操纵每个三维地图图像，放大或缩小，打开或关闭来突出显示特定的功能。他提出了这个单元会同有关制图符号材料相结合。图2 立体像对的例子：玻利维亚境内的安第斯山脉左眼和右眼中的三维地图图像教师还把GeoWall引入到了高等的制图学与地理信息系统课程中。在这些高层的研究生课程中，GeoWall技术是研究的主要课题。ArcGIS中的最新版本包含ArcScene中一个组件，它在通过三维透镜构建三维地图方面没有多大困难。该软件功能够使学生在一个课时内学习如何构建他们自己的三维地图。运用GeoWall系统，学生们就可以展现他们的三维地图。运用先进的制图法，学生们研究三维地图并考虑其中的介质影响传统制图符号的方式及它的优点、局限性和新技术潜在的应用。地理信息系统类是一个为明尼苏达大学地理信息系统专业的硕士生设计的技术性课程。一些学生表示，他们对技术感兴趣并且想独自在三维可视化项目方面工作。学生反应自从GeoWall技术在我们课堂上介绍之后，我们实施了书面调查法去判定学生对于使用这项技术的反应进而评估这项技术的有效性。120名学生完成了全球花园生物地理学方面的调查，而48名学生在地图、可视化和地理推理方面被调查。 许多相关的技术是可行的。运用GeoWall是“当在处理地理空间域时的最全面感官”， 但必须要有眼光。如果观众在日常生活中能看到但是无法感知深度，他或她将不会在屏幕上察觉到三维，这适用于大约2%的人口。一些学生尽管拥有深度觉察力，但仍旧不能够在屏幕上看到三维。在我们的报告中，被调查的168名学生中的5名的报告显示，他们无法看到三维的演示文稿。 随着这项技术的发展，考虑如何使它适应有视力障碍的学生是重要的。那些无法感知深度的学生运用偏振眼镜应该能够看到二维图像，偏振眼镜有助于阻挡双图像。一个显而易见的解决方案是在二维格式方面提供相同的材料。接受调查的一些学生在查看了三维图像之后，出现了轻度恶心、头痛、头晕或者眼睛疼痛的现象，这对于运用这种可视化并不常见。在两个班中接受调查的15的学生（25名学生）感觉到不适。改善两个图像的对准和避免照片中某些特征，可以降低眼疲劳的发生率。立体照片看起来趋向于使一些观看者感到不舒服，它聚焦在远处的物体上，例如一棵树上，但也包括近处的物体，例如图像的分支指向观看者。第三次我们进行了一个有关三维的讲座，我们知道去通知学生关于查看三维内容会出现身体反应的可能性，如果他们感觉身体有任何不适，会建议他们休息一会儿。为了使学生从观看三维图像的疲劳中放松他们的眼睛，每隔10至15分钟就停止三维演示，这也是一个避免房间太暗的很好做法。我们发现当一个人适应了查看GeoWall后，这些副作用就会消退。当被问及三维演示是否能够帮助他们“更好的理解材料”时，在两个接受调查的班级中，同学们的回答不同。生物地理学课程采用的是实地考察演示，这实质上就是一个三维幻灯片，但只要49%的学生（50名学生）声称（实地考察）三维有助于他们学习材料。许多观察显示，二维幻灯片只是作为帮助他们有效学习（的工具），但是这些学生中的一部分人补充说，三维演示比二维演示更能够保持他们的兴趣，也许是因为这项技术对他们来说是新颖的缘故。其他同学指出，三维幻灯片在表达森林的大小、范围和地形方面比二维幻灯片提供一个更好的主意。绝大多数学生在读图入门课上回答说，三维可视化帮助他们学习如何阅读轮廓线。92%的学生表示，三维内容帮助他们更好地理解材料并且同样比例的报道显示，三维内容有助于学生们保持注意力的集中。一些学生说,他们喜欢接触三维可视化，因为他们相信在将来他们终将会运用到这项技术。,我们的介绍是学生们第一次接触到这个技术，只有少数例外。GeoWall为学生提供了一种学习课程内容的有趣方式。80%的学生表示，GeoWall帮助他们在课堂上保持注意力。90的学生声称，他们希望在今后的课程上看到更多的三维可视化技术。虽然我们认为我们的调查对于学生们关于这项技术的反应提供了宝贵的见解，但我们想要探讨更多关于什么可行，什么不可行的细节。未来的项目在GeoWall项目的第二年，我们将继续开发上面讨论的项目，我们计划把该项技术引入到其他学科领域。明尼阿波利斯和圣保罗的地理双子城在城市地理和城市规划方面是一个应用实例。这个实例有一个实践方法就是要求学生进行一个关于城市社区的实地考察小调研。一些学生被这种类型的任务所吓倒。运用立体摄影设备，我们已经制作了一个关于双子城的徒步旅行和关于它的一系列三维地图陪伴旅行。教师可以投射出一系列的显示双子城地形的三维地图以及一些相关的主题特征。教师希望演示文稿将促进课程内容更好的讨论，缓解学生们将要完成项目的焦虑进而为学生们可视化城市数据提供一个新的方式。在历史城市地理学课堂上，GeoWall将允许教师使用三维去展示一些拍摄于20世纪末的数以万计的立体照片。最后，我们想要仿效地质教师通过使用GeoWall来可视化复杂数据的例子。气候学和气象课程涉及的极其复杂，专业地图除了有经验的用户理解外，对所有人来说都具有挑战性。如全球大气环流的过程通常用二维简化和说明。地图投影是能更有效地运用三维可视化演示的另一个主题。通过运用三维演示这些数据，我们希望这些内容使学生们更易于理解。结论意见根据我们学生调查的普遍积极结果，我们乐观地认为GeoWall是一个可以增强学生学习经验的工具。该GeoWall项目的一个明确优势就在于，至少当该技术对学生来说是新颖时，它可能会解决一些与讲课形式相关的学习问题，例如：学生不注意，对讲课失去兴趣或不保存信息。我们的调查提供了一个很好的关于GeoWall有助于缓解这些问题的预测。特别是在大班或在事例中，实地考察是不可行的，在这一领域虚拟的实地考察比一个标准的两维幻灯片更能让学生们清楚地认识到 。学生往往难以理解空间概念，如等高线或气候模式，特别是大规模的入门