想象一下這種場景：

一名學生在一個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。

隨著這名學生不斷把沙子推向山峰的周圍，顏色開始發生了變化，形成了綠色與橙色的島嶼，以及藍色的海洋。當學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。

借助這款增強現實沙盤，許多龐大、緩慢、復雜的地理學過程能夠變得更加明顯和有形。

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

結果便是這個用于地理科學教育和科學交流的互動工具。地理學的難題之一，是虛擬化發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實沙盤”（Shaping Our Worlds AR Sandbox，以下簡稱“增強現實沙盤”），許多龐大、緩慢、復雜的地理學過程能夠變得更加明顯和有形。

什么是增強現實沙盤？

增強現實沙盤結合了探索性學習的力量，讓用戶使用地理學相關的數字成像來塑造沙堆，并借助自主創造地形模型獲得動覺體驗。

增強現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生相應的變化。

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在物體下方，沙子上的藍色紋理也將會發生動態的變化。根據運動規律和沙子的形狀，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。

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

依據由多學科國家科學基金會（NSF）資助的LakeViz3D項目，虛擬沙盤原型變身為科學教育的互動公共展覽品。科學家、科學教育家、評估員、博物館專家和媒體開發者攜手創造了一個3D系統，幫助公眾了解淡水生態系統管理。前4個增強現實沙盤分別設立在LakeViz3D合作伙伴科學中心：Keck CAVES，加州伯克利分校勞倫斯科學館，內華達州塔霍環境研究中心，以及佛蒙特州尚普蘭湖萊希生態、文化、歷史和機遇中心 。

增強現實沙盤使用的軟件由KeckCAVES開發，使用了開源的增強現實開發工具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。

積極參與和適應地球科學學習

增強現實沙盤最初于2012年從博物館開始發布，自那時至今，該設備已被全球超過150座大學、研究中心、會議、政府組織和學校所采用。應用范圍涵蓋各類地球科學主題和學習環境。

無論年齡或背景，人們總是喜歡探索著進行學習。由增強現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，當他們發現他們的動作不僅能改造沙子形狀，還能控制可視化內容時，他們才會真正的上癮。

在LakeViz3D機構的沙盤中，用戶通常可以在沙盤前停留超過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，用戶們還經常合作設定任務，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實沙盤展示一系列的互動地球科學概念。舉例來說，他們能夠向學生展示或者鼓勵學生構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生，如洪水、侵蝕、地質構造和冰河時期等。

美國地質調查局瀑布火山天文臺在報告中稱，“增強現實沙盤是一款令人著迷的能講故事的設備。”他們使用沙盤向訪問者展示，像在1980年爆發過的索圣海倫斯火山這樣的復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實沙盤，成功的向大學水平的學生傳授了有關地支地圖、水文學和地形學等知識。在加州大學戴維斯分校，在地質構造學課程的高年級學生前往野外之前，他們會使用增強現實沙盤來構想地下構造。

東卡羅萊納大學的教師報告稱，增強現實沙盤幫助學生在地文地質學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，讓學生感到無從下手。此外，東卡羅萊納大學的學生們曾在沙盤上構建模型，預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，地質和自然災害課的導師們發現，閃盤減少了空間學習的障礙，能夠幫助學生培養理解地形及其應用的直覺。

基于上述的積極結果，我們建議增強現實沙盤應當被更廣泛的應用于大學的地理學研究中。

增強現實沙盤作為科學傳播和研究的工具

除了提高用戶參與和學習收獲外，科學家還可以通過增強現實閃盤向政策制定者、資助機構和公眾展示他們的研究成果。

最近，一款增強現實沙盤就出現在了美國科學促進會的年會上。此外，增強現實沙盤還在吸引了超過30萬公眾的美國科學與工程節，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校區內的數學和科學中學的6年級教室中。

在這些場合，由增強現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、學生和投資者圍繞涉及改變局部和全局的系統的大數據，提供了更深層次的交流素材。舉例來說，土地管理和規劃部門可以在增強現實沙盤中測試環境變化，完成有關的自然災害規劃決策。

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

打造下一代學習沙盤

開發者、科學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。創建增強現實沙盤的3D軟件為開源軟件，沙盤藍圖和協助指南都可在網上免費獲取。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實沙盤應用能夠出現許多的創新。我們期待著其他人能夠探索沙盤，擴大它在地球科學教育、政策和研究的使用范圍。

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