宾州州立大学通过沉浸式虚拟现实技术和模拟增强体验式学习

凯文·斯莱曼撰稿-能源与环境研究所通信经理

对许多人来说，眼见为实。这就是亚历克斯·克利佩尔和他的团队自宾夕法尼亚州立大学成立以来一直在投资的东西沉浸式体验中心. 这也是一些能源和环境研究人员为了更好地交流他们的科学而一直在探索的。

沉浸式体验中心主任Klippel说：“沉浸式技术不仅可以看到环境的变化，还可以体验环境的变化。”。“我们可以通过创造偏远地区、过去或未来的具体体验，提高对环境的理解和在不同层面上交流科学事实的能力。”

沉浸式体验中心的使命是为宾夕法尼亚州立大学社区提供尖端的沉浸式技术、知识和技能。其目标是通过推进基础科学，并通过研究、教育和推广将其融入学术领域，从而在沉浸式体验方面创造领导地位。该中心这是一项由12所学院、大学图书馆和计算与数据科学研究所支持的大学范围的计划。

据Klippel称，模拟在许多学术领域发挥着关键作用。有了今天的技术，就有机会模拟想象力或科学数据所能产生的任何体验。

Klippel说：“这不仅仅是物理现实让我们体验到的东西。”。“它的尺度和视角通常是人类无法接近的。我们可以像蚂蚁一样爬行，也可以像长颈鹿或雄蜂一样从上面看世界。我们可以让看不见的东西可见，我们可以体验我们行为的后果。”

使用该中心的研究人员之一是埃里卡·史密威克。她和她的团队正在进行一项由国家科学基金会资助的项目，名为森林未来的可视化.”

通过可视化森林未来，用户可以与森林互动，探索气候变化对各种树种的影响。

能源与环境研究所（IEE）副所长史密斯威克说：“我们正在寻找一种媒介，让社区更深入地参与有关气候变化和森林管理的对话。”使我们能够创造一个环境，使利益相关者能够感受到沉浸在他们今天可以实际访问的森林中。”

Smithwick说，用于模拟气候变化对森林影响的传统景观建模通常会生成景观地图，这可能只对土地管理者或科学家有用。

在可视化森林未来时，用户可以访问当前条件下的森林模拟以及气候变化下可能的未来。

VR模拟中使用的模型是由团队对威斯康星州北部Menominee国家森林管理实践的理解和国家林业局驱动的。这两个小组都是该项目研究团队的一部分。除了今天的森林，模拟还提供了未来森林的气候变化情景。

Smithwick说：“通过这些经验，该项目的目标是找出他们对森林的总体价值，以及这些正在模拟的未来森林是否完全代表了这些价值，还是缺少了一些东西？”

为了使模拟森林尽可能真实，史密威克和她的同事们与沉浸式体验中心进行了广泛的合作。他们将模型中的森林数据关联起来，并将其传输到虚拟现实环境中，这一过程需要多次迭代。

Smithwick说：“实际上，从模型输出转换成一种看起来真实的虚拟体验是相当复杂的，这种虚拟体验实际上以一种看起来正确、感觉正确、听起来正确的方式对森林进行建模。”。

Jessica Myrick是IEE研究员和Donald P.Bellisario传播学院媒体研究副教授，她参与了一个涉及虚拟现实游戏的项目。

虚拟现实游戏允许用户通过临界区观测站行走，并以动态方式与周围生态系统互动。

在游戏中，玩家是一名记者，被派去调查降雨和新开发项目等事件对附近生态系统的影响。

“Alex的团队设计的体验就像页岩丘陵临界区（CZ）观测站她说，“如果你真的在页岩山周围行走，你不一定会看到所有不同的地球系统之间的相互作用。”

米里克说，通过虚拟现实，这种体验向人们展示了水是如何流过土壤的，以及水位在不同时间以不同方式对植物、空气和人类的影响。

CZO模拟使用户可以看到地面和地下降雨的影响。

米里克说：“虚拟现实技术让我们可以将地面的各个部分抬出来，让人们看到在我们正常生活中，我们脚下看不见的东西。”。“如果眼见为实，那么虚拟现实让我们不仅可以帮助人们了解关键区域，还可以更全面地理解它对我们生活的重要性。”

在完成Shale Hills临界区观测站的模拟后，团队将其数字模型连接到HTC VIVE Pro PC-VR工具包。VIVE Pro的高级图像分辨率和高清音频有助于让学生充分体验大自然的生态系统，从而提供更丰富的学习机会。

米里克说，她的团队选择使用该中心进行沉浸式体验，因为对于那些没有毕生致力于研究CZ的人来说，很难理解CZ的动态。

她说：“我们认为，使用虚拟现实游戏可以帮助人们更容易地以一种更容易可视化和理解的方式接近复杂、交织在一起的CZ科学动态。”。

对于Myrick在该项目中的角色，她正在探索玩一个与地球科学相关的虚拟现实游戏如何让人们对地球科学和环境更加好奇。

她说：“如果我们能激发好奇心，那么我们就不必依靠给人们提供稳定的虚拟现实游戏来让他们学习。”。“相反，我们知道好奇心会激励人们在最初的好奇心唤起经验后继续学习，希望好奇心能帮助人们在未来获得更多的知识和政策兴趣。”

詹妮弗·巴卡利用该中心对她的学生进行能源教育。

实地考察允许用户访问宾夕法尼亚州周围的不同能源地点。

IEE研究员、地球与矿物科学学院地理学助理教授巴卡说：“要协调到一个能源地点的实际实地考察非常困难。”。“他们往往远离州立大学，远离老路，就水力压裂和太阳能而言，他们在私人土地上。”

巴卡说，虚拟现实之旅是让学生沉浸在能源景观中以克服这些挑战的一个好方法。

她说：“展望未来，我希望在能源治理和公众参与方面的工作中使用虚拟现实技术。”。“我希望有不同的利益相关者——政府、民间社会、行业——聚在一起，参观，然后坐下来讨论差异。”

巴卡说，她相信这有很大的潜力，包括克服能源辩论中的两极分化或使能源决策更加民主。

“与Alex和Tom（Murphy，Baka的项目同事）的合作真的很棒。我们每个人都带来了不同的、互补的技能，这有助于良好的互动，”Baka说。“巡回演出还为我的教学增加了一些多样性，并将课堂提升到了一个全新的水平。”