虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的地理教學(xué)研究

張瑞亞　徐健

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的良好勢(shì)頭，人們的生活生產(chǎn)方式也發(fā)生著翻天覆地的變化。經(jīng)濟(jì)全球化的不斷深入導(dǎo)致信息全球化的隨之蔓延和加深，信息技術(shù)的廣泛使用促使人類(lèi)世界大步跨進(jìn)“零距離”的虛擬環(huán)境。在信息技術(shù)的巨大威勢(shì)下，教育作為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的根基，同樣也不可避免地受到“虛擬世界”的影響。近幾年，多媒體信息技術(shù)在地理教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，提高了地理教學(xué)內(nèi)容及形式的豐富性，使以往不可能的地理教學(xué)環(huán)境變成現(xiàn)實(shí)，一定程度上增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)地理的積極性和趣味性。但是，哲學(xué)上的質(zhì)量互變?cè)砀嬲]我們一切都要堅(jiān)持“適度原則”，信息技術(shù)所謂“過(guò)分”的優(yōu)勢(shì)使越來(lái)越多的地理教師完全沉浸于虛擬世界所帶來(lái)的便利之中，忽視了原本現(xiàn)實(shí)的教學(xué)環(huán)境的可貴，從而使師生陷入一種虛擬幻覺(jué)之中無(wú)法脫離。因此，作為地理教師，我們有義務(wù)有責(zé)任打破新形勢(shì)下的“新潮病”，將虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，使地理學(xué)習(xí)變成一種虛擬引領(lǐng)下的現(xiàn)實(shí)活動(dòng)，為地理教學(xué)開(kāi)拓一片新的天地。由于本文是針對(duì)地理教學(xué)展開(kāi)的，因此，所涉及的“虛擬”與“現(xiàn)實(shí)”主要針對(duì)的是教學(xué)所涉及的地理環(huán)境。

一、“虛擬”“現(xiàn)實(shí)”與地理教學(xué)

（一）虛擬地理環(huán)境的概念及特征

虛擬地理環(huán)境，可以定義為以化身人、化身人群、化身人類(lèi)為主體的一個(gè)虛擬共享空間與環(huán)境，它既可以是現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境的表達(dá)、模擬、延伸與超越，也可以?xún)H是指賽博空間中存在的一個(gè)虛擬社會(huì)世界。其中的化身人、化身人群、化身人類(lèi)是表示現(xiàn)實(shí)世界中的人與虛擬世界中的化身相結(jié)合后的集合體。化身是用戶(hù)在虛擬世界中的三維圖形表達(dá)，是一種身份表達(dá)。對(duì)于虛擬地理環(huán)境，教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任呂國(guó)年教授也給出了定義：虛擬地理環(huán)境（Virtual Geographical Environment，VGE）是指數(shù)字化了的現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境、恢復(fù)與復(fù)原的過(guò)去的地理環(huán)境、預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)的未來(lái)的地理環(huán)境。為了更好地界定虛擬與現(xiàn)實(shí)的區(qū)別，本文我們暫且以呂國(guó)年教授所給定的虛擬地理環(huán)境為藍(lán)本進(jìn)行論述。以此概念，虛擬地理環(huán)境用于地理教學(xué)主要表現(xiàn)為在多媒體計(jì)算機(jī)輔助下，主體運(yùn)用某種軟件（ARCGIS、AUTHORWARE等）進(jìn)行模擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)活動(dòng)過(guò)程。

虛擬地理環(huán)境應(yīng)用于地理教學(xué)有如下特征：（1）真實(shí)環(huán)境的仿真模擬再現(xiàn)，如地形、地貌以及河流等環(huán)境的真實(shí)再現(xiàn)，包括對(duì)過(guò)去或未來(lái)的模擬再現(xiàn)。（2）用戶(hù)可以在其間任意虛擬侵入、滲透和交互以及根據(jù)意愿任意移動(dòng)。（3）部分可以實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢(xún)和空間分析。例如運(yùn)用GIS可以實(shí)現(xiàn)這種高級(jí)的地理空間數(shù)據(jù)的管理。（4）可視化是其重要的價(jià)值體現(xiàn)，是用戶(hù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（二）現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境的概念及特征

通常，我們這么來(lái)理解現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境：指一定社會(huì)所處的地理位置以及與此相聯(lián)系的各種自然條件的總和，包括氣候、土地、河流、湖泊、山脈、礦藏以及動(dòng)植物資源等。地理環(huán)境是能量的交錯(cuò)帶，位于地球表層，即巖石圈、水圈、土壤圈、大氣圈和生物圈相互作用的交錯(cuò)帶上，其厚度10～30千米。自然環(huán)境是由巖石、地貌、土壤、水、氣候、生物等自然要素構(gòu)成的自然綜合體，是一種人類(lèi)能夠直接感覺(jué)到的真實(shí)地理環(huán)境。本文中還要涉及一種地理實(shí)體模型的展示探討，我們暫且將其定義為“現(xiàn)實(shí)仿地理環(huán)境”。二者同屬于“現(xiàn)實(shí)”范疇之中。

現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境有如下基本特征：（1）復(fù)雜性。地理環(huán)境中涉及的因素種類(lèi)多、數(shù)量大，各要素之間存在著各種各樣的關(guān)系連接，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。（2）關(guān)聯(lián)性。眾多的地理要素之間存在著各自規(guī)律性的關(guān)聯(lián)，同時(shí)體現(xiàn)著事物普遍聯(lián)系的哲學(xué)原理。（3）地域性。地理環(huán)境是一個(gè)整體的概念，但是不同的地域其地理環(huán)境不盡相同，存在一定的差異。（4）穩(wěn)定性。一定的地理環(huán)境在現(xiàn)實(shí)世界中在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，其形態(tài)特征基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。例如山地不會(huì)輕易轉(zhuǎn)變?yōu)槠皆?，平原不?huì)短時(shí)間內(nèi)成為永久性海洋。（5）實(shí)踐性?，F(xiàn)實(shí)地理環(huán)境的深層可知性是建立在實(shí)踐的基礎(chǔ)之上的，地理學(xué)習(xí)者只有在現(xiàn)實(shí)的地理環(huán)境中才能深刻體會(huì)與感知地理事物的存在價(jià)值，在現(xiàn)實(shí)活動(dòng)中體驗(yàn)地理學(xué)習(xí)的無(wú)窮樂(lè)趣，以及培養(yǎng)自身的真實(shí)地理情操。

（三）“虛擬”與“現(xiàn)實(shí)”在地理教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬地理環(huán)境在地理教學(xué)中具有超強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)效應(yīng)，如地形地貌時(shí)空動(dòng)態(tài)仿真模擬、水文動(dòng)態(tài)模擬、社會(huì)文化現(xiàn)象靜動(dòng)態(tài)演示等。地理環(huán)境具有空間性和區(qū)域性，直接的現(xiàn)實(shí)活動(dòng)很難將復(fù)雜的地理事物展示出來(lái)，所以我們需要借助于虛擬的地理環(huán)境將紛繁多樣的地理事象很簡(jiǎn)單方便地呈現(xiàn)出來(lái)，以達(dá)到教學(xué)效果。但是，對(duì)于一些地理教學(xué)內(nèi)容，如果完全依賴(lài)于虛擬的信息媒體，會(huì)使教學(xué)過(guò)程單一化、程式化，致使師生陷入虛擬世界無(wú)法現(xiàn)實(shí)表達(dá)。所以，我們?cè)趹?yīng)用虛擬世界的同時(shí)，也應(yīng)注意現(xiàn)實(shí)世界的教學(xué)實(shí)現(xiàn)。

從教學(xué)的角度來(lái)看，學(xué)生本身存在于地理環(huán)境之中，對(duì)所在地理環(huán)境有一定的淺顯理解，但是在學(xué)習(xí)比較抽象的地理事物或難以表達(dá)的內(nèi)容時(shí)，如果能夠在教師引導(dǎo)之下親身感受或間接通過(guò)現(xiàn)實(shí)仿地理模型來(lái)進(jìn)行地理事物感知，不僅可以鍛煉學(xué)生的社會(huì)實(shí)踐能力及動(dòng)手能力，而且可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)地理的積極性和主動(dòng)性。由于現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境的特征不可能實(shí)現(xiàn)學(xué)生的徹底實(shí)踐性，所以還應(yīng)注意結(jié)合虛擬世界的動(dòng)態(tài)便利來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程的雙贏。

因此，在地理教學(xué)過(guò)程中，要善于抓住所學(xué)地理內(nèi)容，因質(zhì)制宜、合理安排教學(xué)形式和教學(xué)方法，避免“一刀切”所產(chǎn)生的“學(xué)習(xí)審美疲勞感”，注重虛擬與現(xiàn)實(shí)的雙重地理環(huán)境的有效結(jié)合，從而達(dá)到最佳的教學(xué)互動(dòng)狀態(tài)。為了較為明確地說(shuō)明該問(wèn)題，本文以等高線地形圖的判讀這一地理教學(xué)內(nèi)容為例進(jìn)行詳細(xì)的探討。

二、案例分析

（一）等高線地形圖判讀的教學(xué)案例

等高線地形圖的判讀是人教版七年級(jí)地理第一章第二節(jié)第二課時(shí)的內(nèi)容，該部分內(nèi)容是整個(gè)初中地理教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。因?yàn)橐眉妬y的二維地圖來(lái)想象復(fù)雜的三維地形，對(duì)于立體感還比較差、見(jiàn)識(shí)也比較少的初一學(xué)生來(lái)說(shuō)比較抽象，掌握難度較大，非常不容易。初中地理新課標(biāo)在該部分的課程標(biāo)準(zhǔn)是：識(shí)別等高線地形圖上的山峰、山脊、山谷等，在等高線地形圖上估算海拔與相對(duì)高度，利用泡沫塑料、沙土等制作地形模型。雖然“標(biāo)準(zhǔn)”中只列出了三個(gè)地形部位，但其他的地形部位也應(yīng)作為教學(xué)要求，不然的話(huà)，學(xué)生將不能完整地讀懂等高線地形圖。在幾種常見(jiàn)地形部位中，山峰、鞍部、陡崖都是比較容易識(shí)別的，山脊和山谷的區(qū)分則較難一些。為達(dá)到本條“標(biāo)準(zhǔn)”的要求，學(xué)生應(yīng)能在讀圖的過(guò)程中總結(jié)出山脊部位和山谷部位等高線的特點(diǎn)。同時(shí)，新課標(biāo)中并未對(duì)等高線地形圖的應(yīng)用問(wèn)題有所要求，即使如此，我們?cè)谡嬲虒W(xué)的過(guò)程中也要注意把握其應(yīng)用性。這樣不僅讓學(xué)生懂得學(xué)習(xí)該內(nèi)容的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也符合初中地理新課程理念，進(jìn)而為學(xué)生以后進(jìn)一步深化學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而在學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知比較淺顯的情況下，如何把握等高線的抽象性與現(xiàn)實(shí)性相結(jié)合，著實(shí)需要進(jìn)一步探討。

在此情況之下，我們可以先讓學(xué)生在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行實(shí)地觀察，了解山地不同部位的現(xiàn)實(shí)形態(tài)，首先使學(xué)生形成一定的感性知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，然后利用虛擬地理環(huán)境進(jìn)行展示，讓學(xué)生深刻理解等高線的含義及山地不同部位等高線的形態(tài)特征。同時(shí)，為了使學(xué)生對(duì)等高線地形圖有個(gè)更加深刻的印象，可以組織學(xué)生進(jìn)行等高線實(shí)體模型的制作，培養(yǎng)學(xué)生自主探究以及動(dòng)手實(shí)踐能力。這樣，便將地理知識(shí)的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境初步感知——虛擬地理環(huán)境的演示——現(xiàn)實(shí)仿真模型的自主建立的過(guò)程，使學(xué)生的認(rèn)知由感性逐步上升到理性，最后達(dá)到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的目的。這樣的虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的良好結(jié)合會(huì)產(chǎn)生事半功倍的效果，極大地實(shí)現(xiàn)興趣與效率的雙贏。

（二）“虛擬”與“現(xiàn)實(shí)”相結(jié)合的地理教學(xué)策略

1.現(xiàn)實(shí)地理環(huán)境考察階段

地理教師提前讓學(xué)生預(yù)習(xí)等高線地形圖的判讀，有意義地指導(dǎo)山地不同部位的含義，即山脊、山谷、鞍部、陡崖、山頂。提前帶領(lǐng)學(xué)生或讓學(xué)生自主合作進(jìn)行野外或相關(guān)環(huán)境的實(shí)地觀察，切身感受山地不同部位的現(xiàn)實(shí)景觀。如果實(shí)地缺少相關(guān)的部分景觀，可以指定相似的小地理事物環(huán)境進(jìn)行仿似觀察。例如，學(xué)生可以去附近公園的高地，仿似感受山頂?shù)木坝^，在高低凹坡處感受山谷的景觀，等等，從而使學(xué)生在頭腦中初步積累相關(guān)的感性材料，為下一步理性感知的加工提供必要的準(zhǔn)備。

2.虛擬地理環(huán)境演示階段

（1）首先可以利用ARCGIS10.0軟件進(jìn)行山體三維實(shí)體與等高線的交互顯示。打開(kāi)經(jīng)過(guò)處理的三維實(shí)體遙感圖，引導(dǎo)學(xué)生清楚認(rèn)識(shí)山體的不同部位：山脊、山谷、鞍部、山頂?shù)?，使學(xué)生對(duì)山體概念有個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，如圖1所示。然后，再打開(kāi)與該山體模型相對(duì)應(yīng)的等高線圖層并疊加到圖層1上，如圖2所示。移動(dòng)鼠標(biāo)使學(xué)生從不同角度觀察山體等高線，最后定為俯視圖觀察角度，如圖3所示。接著，關(guān)閉圖層1，在演示窗口只留下等高線圖層，如圖4所示。此時(shí)關(guān)于該山體的等高線地形圖一目了然。

（2）在AUTHORWARE 軟件環(huán)境支持下，同樣可以進(jìn)行等高線與山地實(shí)體的轉(zhuǎn)換，并且賦予其更加靈活的動(dòng)態(tài)性。具體演示過(guò)程如下：首先顯示一個(gè)簡(jiǎn)單的山地圖片，然后在不同的高度上顯示等高線，關(guān)閉山地圖片，形成一個(gè)簡(jiǎn)單的等高線實(shí)體框架，如圖5。然后點(diǎn)擊圖5所示的“down”按鈕，會(huì)使該部分等高線向下移動(dòng)，形成一個(gè)平面形式的等高線示意圖，如圖6。接著再點(diǎn)擊“up”按鈕，等高線又恢復(fù)到立體結(jié)構(gòu)，如圖5。之后，根據(jù)這樣的演示先讓學(xué)生理解等高線的來(lái)源，使學(xué)生的認(rèn)知從立體到平面實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)類(lèi)似的立體——平面的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)山地不同部位的三維到二維的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生能根據(jù)等高線地形圖的平面深刻感知其立體的模式，實(shí)現(xiàn)一種從虛擬到現(xiàn)實(shí)的認(rèn)知感受。

3.仿真實(shí)模型實(shí)踐階段

學(xué)生在觀察多媒體進(jìn)行等高線三維模擬展示之后，就對(duì)等高線的產(chǎn)生有了一定的了解，為了讓學(xué)生進(jìn)一步感受等高線的產(chǎn)生過(guò)程，深化學(xué)生的理解，需讓學(xué)生親手制作等高線實(shí)體模型，那么教師可以先以自制模型為例進(jìn)行引導(dǎo)。同時(shí)可以充分利用身邊的現(xiàn)實(shí)環(huán)境事物來(lái)深化理解，充分發(fā)揮學(xué)生的想象，也是整堂課的點(diǎn)睛之筆，立刻激活了學(xué)生的熱情和大腦皮層的神經(jīng)，學(xué)生開(kāi)始觀察、思考、實(shí)踐、模擬，創(chuàng)造出了很多奇妙的小點(diǎn)子。此時(shí)我們可以利用身邊信手拈來(lái)的事物，讓學(xué)生思維發(fā)散?？傊浞掷弥?chē)F(xiàn)實(shí)環(huán)境的事物實(shí)現(xiàn)地理學(xué)習(xí)的生活趣味性。

（1）紙環(huán)疊置抻壓法

材料準(zhǔn)備：白紙若干張，剪刀，膠棒，彩筆。

這種方法的制作過(guò)程如下：找一張白紙，剪成一個(gè)圓環(huán)，圓面盡量較寬，命名為“圓1” ；再減一個(gè)圓環(huán)，圓環(huán)半徑略小于圓1，命名為圓2，將圓2的內(nèi)側(cè)邊界與圓1內(nèi)側(cè)邊界用膠棒粘牢；接著再剪一個(gè)圓3，其圓環(huán)半徑比圓2略小，將圓3外側(cè)邊界與圓2外側(cè)邊界用膠棒粘牢。依次類(lèi)似剪幾個(gè)圓環(huán)，并且依次按以上做法似疊羅漢在邊界處粘在一起，最終形成一個(gè)類(lèi)似山體的模型。然后在山體模型的棱角邊緣用彩筆畫(huà)線，模擬等高面的邊界，接著從所謂山頂向下按壓就會(huì)形成平面等高線示意圖，彩色邊界線即為該山體的不同海拔的平面等高線。同時(shí)還可以拉抻形成立體模型，在立體與平面轉(zhuǎn)換過(guò)程中體現(xiàn)靈活多變性。根據(jù)類(lèi)似做法，我們可以制作稍微復(fù)雜的山體，即帶有山谷和山脊或其他的山體模型。這樣的制作簡(jiǎn)單易懂，容易使學(xué)生接受和理解，同時(shí)實(shí)際操作簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的泡沫塑料法相比既省時(shí)省力，又可以進(jìn)行立體與平面的轉(zhuǎn)換，一舉兩得。

（2）鐵絲套用法

以簡(jiǎn)單山體為例，先用紙片制作一個(gè)簡(jiǎn)單的山體模型，然后假想以桌面作為海平面，在山體不同的海拔高度相應(yīng)的以合適的細(xì)鐵絲圈套牢，將細(xì)鐵絲取下，在桌面上按海拔高低順序進(jìn)行圈套，形成一個(gè)簡(jiǎn)單的等高線平面實(shí)用圖。這種制作方法也非常簡(jiǎn)單易懂，學(xué)生容易完成，符合學(xué)生初中階段的簡(jiǎn)單認(rèn)知規(guī)律。

（3）手心紋理觀察法

我們可以觀察自己的手心，發(fā)現(xiàn)有許多紋理，汗液會(huì)集中于紋理凹內(nèi)。這時(shí)我們可以假想凹線為山谷，那么汗液代表流水，汗液集中在手掌紋理凹線內(nèi)，也就說(shuō)明如果山上有水源一般會(huì)集中在山谷順地勢(shì)而下，這進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)“水與山谷”關(guān)系的理解。

（4）雙拳對(duì)接法

把兩只手弓起來(lái)，對(duì)連在一起，形成兩座山脈。手指關(guān)節(jié)突起的部位就是山頂，兩手間的部位相當(dāng)于鞍部，手指的背部相當(dāng)于山脊，手指縫相當(dāng)于山谷，手的側(cè)面相當(dāng)于陡崖。

（5）土豆切割法

將土豆看成是一個(gè)山體，按照一定高度比例切成不同小片，表示山體不同等高面。然后從最低面開(kāi)始依次取出“等高面”放在白紙上，用筆將邊界輪廓描畫(huà)出。這樣一個(gè)土豆山體等高線示意圖就畫(huà)成了。這種做法可以使學(xué)生對(duì)等高線的產(chǎn)生有一個(gè)更加清楚的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也增加了地理課堂的趣味性。

在地理學(xué)習(xí)過(guò)程中，有些地理事物我們無(wú)法通過(guò)直接經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)來(lái)獲得知識(shí)，所以必須依靠虛擬地理環(huán)境的演示來(lái)實(shí)現(xiàn)形象逼真的感受，但是我們看到虛擬世界帶給我們豐富多彩的感知的同時(shí)，往往對(duì)其依賴(lài)過(guò)度，久之便會(huì)產(chǎn)生一種脫離現(xiàn)實(shí)的飄渺感。因此，對(duì)于一些地理事物的學(xué)習(xí)，我們不可缺少地要走進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界，只有將現(xiàn)實(shí)與虛擬有效地加以結(jié)合，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程才會(huì)實(shí)現(xiàn)趣味性和實(shí)效性的共贏，才能夠真正提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

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（責(zé)任編輯 陳劍平）