地理教学文献翻译.pdf

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1、学习文档 仅供参考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电脑的结合，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

2、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、可视化专家和电脑程序员组成。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

3、潜力。在这篇文章中，我们解释了这项技术的原理，简要表达了 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。学习文档 仅供参考自从 19 世纪中叶立体照片的出现，呈现

4、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别离两个图像。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。单台电脑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电脑上以查看图像。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，随着电脑技

5、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阔观众面前适用的、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

6、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电脑上运行。电脑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文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D

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13、CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7学习文档 仅供参考格。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。电脑给左、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

14、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。由多个供给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给商出售保存偏振光的屏幕。文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S

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21、3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7学习文档 仅供参考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

22、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 GeoWall GeoWall 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

23、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

24、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答复下列问题的准确性。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。文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U

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31、2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7学习文档 仅供参考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

32、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

33、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，寻找最正确路线，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外表的二维地图。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外表作比照，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

34、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。文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档

35、编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J

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37、4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7

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40、8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7学习文档 仅供参考图 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。

41、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单独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

42、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文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1

43、 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4

44、 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文

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48、7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7文档编码:CD2D4U4

49、G6J1 HY8G10I3R8W4 ZN3D7S6P2X7学习文档 仅供参考度，他或她将不会在屏幕上发觉到三维，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

50、。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防止照片中某些特征，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，这也是一个防止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