想象一下這種場景：

一名學(xué)生在一個4英尺×3英尺的盒子里使用一把耙子刮沙子，形成了丘陵和山谷。在它的上方，一個微軟Kinect攝像頭會自動測量與沙子的距離，并在沙盤上投射出等高線和色彩--冷色為洼地，暖色為山峰。

隨著這名學(xué)生不斷把沙子推向山峰的周圍，顏色開始發(fā)生了變化，形成了綠色與橙色的島嶼，以及藍色的海洋。當學(xué)生把手掌放在山頂上時，虛擬的雨水便會傾盆而下。它們最終穿過山峰，流入了藍色當中。

借助這款增強現(xiàn)實沙盤，許多龐大、緩慢、復(fù)雜的地理學(xué)過程能夠變得更加明顯和有形。

這名學(xué)生使用的是一款由LakeViz3D項目專門設(shè)計的增強現(xiàn)實沙盤，該項目旨在培育淡水生態(tài)系統(tǒng)管理的公眾意識。與讓用戶沉浸在數(shù)字生成環(huán)境的虛擬現(xiàn)實不同，增強現(xiàn)實把視覺、聲音和其它數(shù)字效果疊加到真實世界場景當中，讓用戶能夠進行操作。

結(jié)果便是這個用于地理科學(xué)教育和科學(xué)交流的互動工具。地理學(xué)的難題之一，是虛擬化發(fā)生在更大空間和時間尺度上的進程。不過借助這款名為“塑造我們世界的增強現(xiàn)實沙盤”（Shaping Our Worlds AR Sandbox，以下簡稱“增強現(xiàn)實沙盤”），許多龐大、緩慢、復(fù)雜的地理學(xué)過程能夠變得更加明顯和有形。

什么是增強現(xiàn)實沙盤？

增強現(xiàn)實沙盤結(jié)合了探索性學(xué)習(xí)的力量，讓用戶使用地理學(xué)相關(guān)的數(shù)字成像來塑造沙堆，并借助自主創(chuàng)造地形模型獲得動覺體驗。

增強現(xiàn)實沙盤使用了一臺計算機投放儀，以及一臺安裝在沙盤上方的動感追蹤設(shè)備（如微軟的Kinect攝像頭）。當用戶在沙盤中繪制沙子的圖形時，攝像頭會測量與下方沙子的距離。一個3D模型的沙面被用于投射等高線和顏色編碼的高度圖，在沙子表面代表相應(yīng)的地形。隨著用戶移動沙子，攝像頭會察覺到變化，投射的色彩和等高線也會發(fā)生相應(yīng)的變化。

當攝像頭察覺到沙盤表面特定高度的物體（例如手），虛擬的雨水便會出現(xiàn)在物體下方，沙子上的藍色紋理也將會發(fā)生動態(tài)的變化。根據(jù)運動規(guī)律和沙子的形狀，虛擬的雨水落到沙子上，再慢慢滲透進土壤。用戶也可以選擇按下電腦上的某個按鈕，虛擬的雨水會迅速排出。

虛擬現(xiàn)實沙盤的原型由加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校地球科學(xué)主動可視化凱克中心（KeckCAVES）開發(fā)。該項目最初的靈感來自于捷克研究人員開發(fā)的“沙站”（Sandy Station）項目。

依據(jù)由多學(xué)科國家科學(xué)基金會（NSF）資助的LakeViz3D項目，虛擬沙盤原型變身為科學(xué)教育的互動公共展覽品?？茖W(xué)家、科學(xué)教育家、評估員、博物館專家和媒體開發(fā)者攜手創(chuàng)造了一個3D系統(tǒng)，幫助公眾了解淡水生態(tài)系統(tǒng)管理。前4個增強現(xiàn)實沙盤分別設(shè)立在LakeViz3D合作伙伴科學(xué)中心：Keck CAVES，加州伯克利分校勞倫斯科學(xué)館，內(nèi)華達州塔霍環(huán)境研究中心，以及佛蒙特州尚普蘭湖萊希生態(tài)、文化、歷史和機遇中心 。

增強現(xiàn)實沙盤使用的軟件由KeckCAVES開發(fā)，使用了開源的增強現(xiàn)實開發(fā)工具VRUI。流動可視化則基于圣維南淺水方程，它也是深度整合版的納維爾-斯托克斯流體流動方程。

積極參與和適應(yīng)地球科學(xué)學(xué)習(xí)

增強現(xiàn)實沙盤最初于2012年從博物館開始發(fā)布，自那時至今，該設(shè)備已被全球超過150座大學(xué)、研究中心、會議、政府組織和學(xué)校所采用。應(yīng)用范圍涵蓋各類地球科學(xué)主題和學(xué)習(xí)環(huán)境。

無論年齡或背景，人們總是喜歡探索著進行學(xué)習(xí)。由增強現(xiàn)實沙盤提供的有形的互動和多種類查詢，提高了用戶參與度。用戶最初被鮮艷的色彩和可視化水流所吸引，當他們發(fā)現(xiàn)他們的動作不僅能改造沙子形狀，還能控制可視化內(nèi)容時，他們才會真正的上癮。

在LakeViz3D機構(gòu)的沙盤中，用戶通?？梢栽谏潮P前停留超過20分鐘（有時甚至能超過·小時），遠多于停留在其他單一陳列品上的時間。此外，用戶們還經(jīng)常合作設(shè)定任務(wù)，特別是在用沙子堆積特殊地貌的。

教育工作者可以使用增強現(xiàn)實沙盤展示一系列的互動地球科學(xué)概念。舉例來說，他們能夠向?qū)W生展示或者鼓勵學(xué)生構(gòu)建地表上各種各樣的地貌特征，解釋這些地貌特征如何通過各種各樣的變化產(chǎn)生，如洪水、侵蝕、地質(zhì)構(gòu)造和冰河時期等。

美國地質(zhì)調(diào)查局瀑布火山天文臺在報告中稱，“增強現(xiàn)實沙盤是一款令人著迷的能講故事的設(shè)備?！彼麄兪褂蒙潮P向訪問者展示，像在1980年爆發(fā)過的索圣海倫斯火山這樣的復(fù)式火山是如何形成的，以及火山熔巖能夠流多遠。

教育工作者使用增強現(xiàn)實沙盤，成功的向大學(xué)水平的學(xué)生傳授了有關(guān)地支地圖、水文學(xué)和地形學(xué)等知識。在加州大學(xué)戴維斯分校，在地質(zhì)構(gòu)造學(xué)課程的高年級學(xué)生前往野外之前，他們會使用增強現(xiàn)實沙盤來構(gòu)想地下構(gòu)造。

東卡羅萊納大學(xué)的教師報告稱，增強現(xiàn)實沙盤幫助學(xué)生在地文地質(zhì)學(xué)實驗室解釋了等高線和可視化的3D景觀，這些在地圖中往往被描述成線條，讓學(xué)生感到無從下手。此外，東卡羅萊納大學(xué)的學(xué)生們曾在沙盤上構(gòu)建模型，預(yù)測和探索水是否能夠從一個流域自然的從地表上流入到相鄰的盆地。

在雷德蘭茲大學(xué)，地質(zhì)和自然災(zāi)害課的導(dǎo)師們發(fā)現(xiàn)，閃盤減少了空間學(xué)習(xí)的障礙，能夠幫助學(xué)生培養(yǎng)理解地形及其應(yīng)用的直覺。

基于上述的積極結(jié)果，我們建議增強現(xiàn)實沙盤應(yīng)當被更廣泛的應(yīng)用于大學(xué)的地理學(xué)研究中。

增強現(xiàn)實沙盤作為科學(xué)傳播和研究的工具

除了提高用戶參與和學(xué)習(xí)收獲外，科學(xué)家還可以通過增強現(xiàn)實閃盤向政策制定者、資助機構(gòu)和公眾展示他們的研究成果。

最近，一款增強現(xiàn)實沙盤就出現(xiàn)在了美國科學(xué)促進會的年會上。此外，增強現(xiàn)實沙盤還在吸引了超過30萬公眾的美國科學(xué)與工程節(jié)，以及白宮水上峰會上展出。這個特殊的沙盤后來被安裝在霍華德大學(xué)校區(qū)內(nèi)的數(shù)學(xué)和科學(xué)中學(xué)的6年級教室中。

在這些場合，由增強現(xiàn)實沙盤提供的可視化功能成為了強大的宣傳和溝通工具，為政治家、合作者、學(xué)生和投資者圍繞涉及改變局部和全局的系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)，提供了更深層次的交流素材。舉例來說，土地管理和規(guī)劃部門可以在增強現(xiàn)實沙盤中測試環(huán)境變化，完成有關(guān)的自然災(zāi)害規(guī)劃決策。

事實上，英國紐卡斯爾大學(xué)的研究人員正在使用增強現(xiàn)實沙盤學(xué)習(xí)和交流洪水風(fēng)險。和風(fēng)教育基金會的教育工作者們正使用閃盤構(gòu)建波士頓地形模型，用來探索海平面上升和風(fēng)暴潮的情景。地球科學(xué)的研究者們同樣能使用增強現(xiàn)實沙盤把各種各樣的地球觀測數(shù)據(jù)投射到3D地形模型上，以更好的可視化和理解空間環(huán)境數(shù)據(jù)的模式如何對地形產(chǎn)生影響。

打造下一代學(xué)習(xí)沙盤

開發(fā)者、科學(xué)家和教育工作者們正被邀請進一步提高沙盒的能力，擴展軟件模型。創(chuàng)建增強現(xiàn)實沙盤的3D軟件為開源軟件，沙盤藍圖和協(xié)助指南都可在網(wǎng)上免費獲取。此外還有一個公共論壇，公眾可以在上面提出問題，交流心得。

外媒期待著看到增強現(xiàn)實沙盤應(yīng)用能夠出現(xiàn)許多的創(chuàng)新。我們期待著其他人能夠探索沙盤，擴大它在地球科學(xué)教育、政策和研究的使用范圍。

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