想象一下這種場(chǎng)景：

一名學(xué)生在一個(gè)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(gè)微軟Kinect攝像頭會(huì)自動(dòng)測(cè)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(lán)色的海洋。當(dāng)學(xué)生把手掌放在山頂上時(shí)，虛擬的雨水便會(huì)傾盆而下。它們最終穿過山峰，流入了藍(lán)色當(dāng)中。

借助這款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(xiàng)目專門設(shè)計(jì)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤，該項(xiàng)目旨在培育淡水生態(tài)系統(tǒng)管理的公眾意識(shí)。與讓用戶沉浸在數(shù)字生成環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)把視覺、聲音和其它數(shù)字效果疊加到真實(shí)世界場(chǎng)景當(dāng)中，讓用戶能夠進(jìn)行操作。

結(jié)果便是這個(gè)用于地理科學(xué)教育和科學(xué)交流的互動(dòng)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(shí)間尺度上的進(jìn)程。不過借助這款名為“塑造我們世界的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤”（Shaping Our Worlds AR Sandbox，以下簡(jiǎn)稱“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤？

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(dòng)覺體驗(yàn)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤使用了一臺(tái)計(jì)算機(jī)投放儀，以及一臺(tái)安裝在沙盤上方的動(dòng)感追蹤設(shè)備（如微軟的Kinect攝像頭）。當(dāng)用戶在沙盤中繪制沙子的圖形時(shí)，攝像頭會(huì)測(cè)量與下方沙子的距離。一個(gè)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(dòng)沙子，攝像頭會(huì)察覺到變化，投射的色彩和等高線也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

當(dāng)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(huì)出現(xiàn)在物體下方，沙子上的藍(lán)色紋理也將會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化。根據(jù)運(yùn)動(dòng)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(jìn)土壤。用戶也可以選擇按下電腦上的某個(gè)按鈕，虛擬的雨水會(huì)迅速排出。

虛擬現(xiàn)實(shí)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(dòng)可視化凱克中心（KeckCAVES）開發(fā)。該項(xiàng)目最初的靈感來自于捷克研究人員開發(fā)的“沙站”（Sandy Station）項(xiàng)目。

依據(jù)由多學(xué)科國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助的LakeViz3D項(xiàng)目，虛擬沙盤原型變身為科學(xué)教育的互動(dòng)公共展覽品。科學(xué)家、科學(xué)教育家、評(píng)估員、博物館專家和媒體開發(fā)者攜手創(chuàng)造了一個(gè)3D系統(tǒng)，幫助公眾了解淡水生態(tài)系統(tǒng)管理。前4個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(dá)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(jī)遇中心 。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤使用的軟件由KeckCAVES開發(fā)，使用了開源的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具VRUI。流動(dòng)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(dòng)方程。

積極參與和適應(yīng)地球科學(xué)學(xué)習(xí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤最初于2012年從博物館開始發(fā)布，自那時(shí)至今，該設(shè)備已被全球超過150座大學(xué)、研究中心、會(huì)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(jìn)行學(xué)習(xí)。由增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤提供的有形的互動(dòng)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(dāng)他們發(fā)現(xiàn)他們的動(dòng)作不僅能改造沙子形狀，還能控制可視化內(nèi)容時(shí)，他們才會(huì)真正的上癮。

在LakeViz3D機(jī)構(gòu)的沙盤中，用戶通常可以在沙盤前停留超過20分鐘（有時(shí)甚至能超過·小時(shí)），遠(yuǎn)多于停留在其他單一陳列品上的時(shí)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤展示一系列的互動(dòng)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(lì)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(shí)期等。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局瀑布火山天文臺(tái)在報(bào)告中稱，“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤是一款令人著迷的能講故事的設(shè)備。”他們使用沙盤向訪問者展示，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(yuǎn)。

教育工作者使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(shí)。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(jí)學(xué)生前往野外之前，他們會(huì)使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤來構(gòu)想地下構(gòu)造。

東卡羅萊納大學(xué)的教師報(bào)告稱，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤幫助學(xué)生在地文地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)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?cè)谏潮P上構(gòu)建模型，預(yù)測(cè)和探索水是否能夠從一個(gè)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤應(yīng)當(dāng)被更廣泛的應(yīng)用于大學(xué)的地理學(xué)研究中。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)閃盤向政策制定者、資助機(jī)構(gòu)和公眾展示他們的研究成果。

最近，一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤就出現(xiàn)在了美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)的年會(huì)上。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤還在吸引了超過30萬公眾的美國(guó)科學(xué)與工程節(jié)，以及白宮水上峰會(huì)上展出。這個(gè)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(jí)教室中。

在這些場(chǎng)合，由增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤提供的可視化功能成為了強(qiáng)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤中測(cè)試環(huán)境變化，完成有關(guān)的自然災(zāi)害規(guī)劃決策。

事實(shí)上，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究人員正在使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤學(xué)習(xí)和交流洪水風(fēng)險(xiǎn)。和風(fēng)教育基金會(huì)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤把各種各樣的地球觀測(cè)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(duì)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(qǐng)進(jìn)一步提高沙盒的能力，擴(kuò)展軟件模型。創(chuàng)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)沙盤的3D軟件為開源軟件，沙盤藍(lán)圖和協(xié)助指南都可在網(wǎng)上免費(fèi)獲取。此外還有一個(gè)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(kuò)大它在地球科學(xué)教育、政策和研究的使用范圍。

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