AR + 沙盒：翻手为云覆手为雨，探索科学新姿势

爱范君悄悄话：这项技术如果用在城市防涝就好了。

当一名学生用靶子在 4×3 英尺的盒子里刮动沙子，形成丘陵和山谷，此时的沙盒上方，一个微软 Kinect 摄像机自动计算摄像机与沙子间的距离，在画面中加上轮廓线和颜色——冷色为洼地，暖色为山峰。

当她又把沙子聚集成山峰，颜色也会随之而变，在一片蓝海中形成绿色或橙色的岛屿。

当她把掌心覆在山丘上部，虚拟的大雨倾盆而出，顺着陡峭的悬崖流入海里。

这名学生使用的就是由 LakeViz3D 项目专门设计的 AR 沙盒，旨在促进公众意识、监护淡水生态系统。

与虚拟现实创造的沉浸式体验不同，AR 把视觉、听觉和其他一些数字效果叠加到现实世界的场景中，用户可以自己操作。

因此，AR 沙盒为地球科学与教育提供了一个互动工具。毕竟，地球科学的观察过程总是跨越特别大的空间和时间，因而成为研究地球科学的一项重大的挑战。

然而，有了「塑造我们的世界 AR 沙盒（以下简称 AR 沙盒）」，很多缓慢、庞大、复杂的地球进化过程就更清晰可见了。

详解 AR 沙盒

在 AR 沙盒里，结合地球相关的数字图像，用户可以把沙子堆成各种形状。这是一种创新的学习方式。

AR 沙盒由一台电脑投影仪和一台运动感应设备（如微软 Kinect3D 摄像机）组成。当用户把沙盒里的沙子堆积成各种形状时，摄像机会检测自身到下方沙子的距离。

沙面的三维模型，由投影轮廓线和一个标注颜色的立面图组成，代表相应地表的地貌。随着用户移动沙子，摄像机感知相应的变化，投影的颜色和轮廓线也会发生相应的改变。

虚拟的雨水落到沙子上，随着地势和运动规律分布在沙盒里，再慢慢渗透进土壤。用户也可以选择按下电脑上的某个按钮，虚拟的雨水会迅速排出。

开发历程

AR 沙盒的原型，由加利福尼亚大学戴维斯分校 Keck Center for Active Visualization in Earth Science（以下简称 Keck CAVES ）开发。该项目最初的灵感来自于捷克「桑迪站（Sandy Station）」的研究人员。

AR 沙盒项目由多学科国家科学基金会（NSF）提供资金支持。

科学家、科学教育家、评估员、博物馆专家和媒体一起参与 AR 沙盒项目，创造一个三维可视化系统，前四个 AR 沙盒建立在 LakeViz3D 合作的科学中心：Keck CAVES、加州伯克利分校劳伦斯科学馆、内华达州塔霍环境研究中心、佛蒙特州尚普兰湖莱希生态、文化、历史、机会（ECHO）中心（Ecology, Culture, History, and Opportunities (ECHO), Leahy Center for Lake Champlain in Burlington, Vt）。

AR 沙盒所用的软件也在 Keck CAVES 开发，采用的是一个开源开发的三维图形应用程序的 VR 开发工具包。流动可视化是基于 Saint-Venant 浅水方程，是 Navier-Stokes 流体运动方程的深度集成版本。

浅水方程是描述浅水流动的数学模型，它能揭示浅水流动的一般规律，是反映浅水流动的一个依据。流体运动方程是牛顿第二定律的流体力学表达式，是控制流体运动的基本方程，有理想流体运动微分方程和粘性流体运动微分方程。

助力地球科学学习

2012 年，AR 沙盒在博物馆中推出。迄今为止，超过 150 所大学、研究中心、会议、政府机构和学校中已经使用过 AR 沙盒，能被应用于各种地球科学主题和学习环境中。

人，不论年龄或背景，都喜欢通过探索来学习。AR 沙盒能提供有形的互动和多种类查询，从而提高了用户参与度。用户最初可能被鲜艳的色彩和可视化水流所吸引，当他们发现他们的动作不仅能控制沙子，还能控制可视化内容时，他们才真正大呼过瘾。

用户往往在 LakeViz3D 沙盒前待的时间超过 20 分钟（有时甚至超过一小时），远多于停留在其他单一展览中的时间。此外，用户们还经常一起设定任务，一起合作，特别是在用沙子堆积特殊地貌的时候。

教育工作者可以交互演示了广泛的地球科学概念。例如，他们可以（或者鼓励学生）展示地球表面已形成的地貌，说明他们是如何通过各种过程产生的，如洪水、侵蚀、地质构造、冰川作用。还可以鼓励学生自己展示。

美国地质调查局喀斯开火山观测站（U.S. Geological Survey Cascades Volcano Observatory）报告说，「沙盒是一个迷人的讲故事的设备。」他们和游客一起用沙盒探索圣海伦斯火山（Mount St. Helens）是怎么形成的，1980 年爆发时发生了什么，火山泥流是怎么沿着火山流向下游的。

教师用沙盒成功向地形图、水文和地貌专业的大学生授课。在加州大学戴维斯分校，在学生前往野外之前，学生们在高年级构造地质学课程用 AR 沙盒观察地下构造。

东卡罗莱纳大学（ECU）的教师报告说，AR 沙盒有助于学生在物理地质实验室中理解轮廓线和可视化的三维景观。在地图中，这些往往被描述成线条，学生们曾一度感到非常棘手。此外，ECU 学生们曾建模、预测、研究水是否能在自然表面上从一个流域流动到相邻盆地。

在雷德兰兹大学，地质和自然灾害课程导师发现，沙盒减少了空间学习的障碍，帮助学生培养理解地形及其应用的直觉。

在这些积极成果的基础上，我们提出了 AR 沙盒应被更广泛地用于大学地球科学教育。

科学传播和研究的工具

除了增加用户的参与和学习深度以外，科学家还可以通过 AR 沙盒向政策制定者、资助机构和公众展示他们的研究成果。

在今年美国科学促进会年会上，AR 沙盒获得了推荐。此外，AR 沙盒还在美国科学与工程节和白宫水峰会的美国国家科学基金会的展台上展出。在霍华德大学，特定的 AR 沙盒被安装在 6 年级数学和科学教室中。

在这些场合，由 AR 沙盒提供的可视化功能成为一个强大的宣传和沟通工具，围绕涉及改变局部和全局的系统的大数据，为政治家、合作者、学生和投资者提供更深层次的交流素材。例如，土地管理和规划部门可以在 AR 沙盒中测试环境变化，完成有关的自然灾害规划决策。

事实上，英国纽卡斯尔大学的研究人员正在用 AR 沙盒学习和交流洪水风险。和风教育基金会的教育家用沙盒建造波士顿地形模型，用来探索海平面上升和风暴潮的情景。

地球科学的研究人员也可以使用 AR 沙盒把各种地球观测数据（如卫星图像、植被指数、太阳辐射）投影到三维景观模型上，以便更好地观察和理解空间环境数据的模式如何对地形产生影响。

构建下一代学习沙盒

我们欢迎开发者、科学家和教育家进一步提高沙盒的能力，扩展软件模型。用于创建 AR 沙箱的 3-D 软件是开源的，沙盘蓝图和协助指南也能够在网上免费下载。我们还设有一个公共论坛，公众可以在上面提出问题，交流心得。

我们很高兴的是已经出现了许多创新和修改版的 AR 沙盒应用，希望会有更多的人探索沙盒，并扩大其在地球科学教育，政策和研究方面的应用。

点击查询离你最近的 AR 沙盒。

本文编译自 Earth & Space Science News，原文标题为 Augmented Reality Turns a Sandbox into a Geoscience Lesson。

题图来源：Idav