地理虛擬仿真實驗設(shè)計與應(yīng)用探究

陳嘉欣

隨著《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的推行、《關(guān)于實施全國中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0的意見》《中國教育現(xiàn)代化2035》等一系列文件的出臺，教學(xué)方式的創(chuàng)新、教師信息技術(shù)應(yīng)用能力的提升成為了地理教學(xué)中探討的熱點?，F(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展有利于改變傳統(tǒng)地理教學(xué)模式，突破環(huán)境及儀器設(shè)備等因素的限制，提高地理教學(xué)質(zhì)量。近年來，虛擬仿真實驗成為地理教學(xué)中的熱門技術(shù)。應(yīng)用于教學(xué)的虛擬仿真實驗是以虛擬仿真技術(shù)為依托，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和認(rèn)知對象，使學(xué)生在這一過程中學(xué)習(xí)新知、培養(yǎng)實踐力的模擬仿真實驗。

一、虛擬仿真實驗在地理教學(xué)的應(yīng)用價值

1.降低知識抽象難度，提高教學(xué)效果

根據(jù)戴爾的“經(jīng)驗之塔”理論，教學(xué)活動應(yīng)從具體經(jīng)驗入手，逐步進(jìn)入抽象經(jīng)驗，便于學(xué)生理解和接受所學(xué)知識，降低學(xué)習(xí)難度。高中地理所學(xué)的知識中涉及大量抽象的地理現(xiàn)象和過程，許多地理現(xiàn)象具備空間廣闊性大、時間廣延性長、不可見等學(xué)科特殊性，如大尺度的天氣現(xiàn)象等;加之傳統(tǒng)的地理課堂實驗往往過于局限，無法高度還原地理現(xiàn)象，從而導(dǎo)致教學(xué)效果實際上并沒有得到顯著的提高。而虛擬仿真技術(shù)沉浸式的特點，其所創(chuàng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境具有物理、環(huán)境和行為的真實感，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺。如此一來，抽象知識具象化，使學(xué)生對難以全面觀察的地理現(xiàn)象有具體的認(rèn)識，也為實驗后知識的總結(jié)概括創(chuàng)造了條件。

2.創(chuàng)新培育地理學(xué)科核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)方式

隨著“地理學(xué)科核心素養(yǎng)”的提出，如何創(chuàng)新地理學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生地理核心素養(yǎng)儼然已成為地理教學(xué)的熱點話題。而深入鉆研地理學(xué)科核心素養(yǎng)，不難發(fā)現(xiàn)，人地協(xié)調(diào)觀、綜合思維、區(qū)域認(rèn)知和地理實踐力是相互聯(lián)系的有機(jī)整體，都離不開學(xué)生空間智能的培養(yǎng)。虛擬仿真實驗可營造直觀、生動的地理實驗環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力，創(chuàng)新地理教學(xué)方式;而虛擬仿真實驗的強(qiáng)交互性，使學(xué)生可自行對實驗過程進(jìn)行控制，且機(jī)器能夠?qū)θ说牟僮鹘o與實時反應(yīng)，因此可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生地理實踐力，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

3.實現(xiàn)資源共享，促進(jìn)教學(xué)平等

由于虛擬仿真實驗造價較高，對于經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的中學(xué)，目前開展虛擬仿真實驗教學(xué)有較大困難。但是虛擬仿真實驗可以通過2D版本進(jìn)行直觀演示型操作，因此借助普通的計算機(jī)便可以完成虛擬仿真實驗教學(xué)，從而實現(xiàn)教學(xué)資源的有效共享。

二、虛擬仿真實驗的設(shè)計流程

目前，我國對虛擬仿真實驗的設(shè)計還處于探索階段，通過筆者與設(shè)計研發(fā)工程師溝通，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，歸納整理出虛擬仿真實驗的設(shè)計流程。

1.實驗選題分析

教師應(yīng)根據(jù)地理實驗的特點、學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和特征、地理課程標(biāo)準(zhǔn)和所要達(dá)到的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平，綜合考慮學(xué)生對虛擬地理實驗的需求，分析虛擬仿真實驗教學(xué)資源的必要性、適用性、可行性。

2.實驗設(shè)計過程

（1）細(xì)化實驗教學(xué)步驟。確定制作虛擬仿真實驗后，教師應(yīng)根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，明確所設(shè)計地理實驗的實驗原理、實驗?zāi)康?，設(shè)計可行的實驗教學(xué)過程，確定虛擬仿真實驗呈現(xiàn)的方式。以“鋒與天氣”為例，教師應(yīng)該考慮，實驗的總體教學(xué)流程、實驗需展示天氣過程的種類（冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒），每個天氣過程該如何呈現(xiàn)（過境前、過境時、過境后）、關(guān)鍵的過程節(jié)點中，界面是否需要顯示知識點和設(shè)置問題等。

（2）實驗的美工。虛擬仿真實驗最終是以圖像的形式呈現(xiàn)，即需要將實驗所設(shè)計的地理現(xiàn)象、地理原理、地理過程等知識具象化。實驗?zāi)_本應(yīng)盡可能文本化、細(xì)節(jié)化、數(shù)據(jù)化、圖像化。教師在整理完實驗所需要設(shè)計的知識點后，需要搜索地理事物的外觀、物理特性和運動等相關(guān)數(shù)據(jù)，分析要呈現(xiàn)的地理事物的幾何特征、物理特征和運動特征，通過參考教材、科普雜志、學(xué)術(shù)期刊等形式，再構(gòu)建相關(guān)模型、背景配色等。以“鋒與天氣”為例，教師應(yīng)考慮氣團(tuán)的大小和呈現(xiàn)形式、鋒的運動速度、界面的背景等。（該部分涉及到建模，教師可與研發(fā)工程師合作完成）

（3）實驗的編程。實驗的編程部分即實驗程序開發(fā)，選擇實驗軟件。軟件編程并非教師的強(qiáng)項，大部分教師從未涉及該領(lǐng)域，因此實驗的編程可以以校企合作、教師協(xié)作的形式完成。此外，一些高校擁有完備的硬件設(shè)備和技術(shù)條件，將高校地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生與中學(xué)學(xué)生的實驗反饋結(jié)合起來，完善實驗的制作，因此軟件編程也可以通過中學(xué)與高校的合作完成。通過以上兩種形式，研發(fā)工程師利用代碼控制美工構(gòu)建的圖片或模型將地理事物及其運動變化的工作機(jī)理呈現(xiàn)出來。在制作的過程中，教師和研發(fā)工程師溝通，共同制作在實驗中呈現(xiàn)的文本化內(nèi)容、音頻內(nèi)容等，使虛擬實驗更加貼近教學(xué)需求。同時，學(xué)校教師可以學(xué)習(xí)和掌握實驗操作過程，有助于實驗教學(xué)。

（4）實驗的應(yīng)用、評價與完善。初步開發(fā)出虛擬仿真實驗后，教師將其在教學(xué)過程中應(yīng)用實證，進(jìn)行師生反饋評價，并根據(jù)反饋內(nèi)容進(jìn)行修改完善。

三、虛擬仿真實驗的應(yīng)用

虛擬仿真實驗是優(yōu)化課堂教學(xué)的教輔工具，如何將其與地理課堂教學(xué)結(jié)合，切實地提高地理教學(xué)效果，是地理教師值得思考的問題。筆者以高中地理“鋒與天氣”為例，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容設(shè)計了虛擬仿真實驗，并在此基礎(chǔ)上開展了實驗部分的課堂教學(xué)。

1.實驗設(shè)計背景

2017版新課標(biāo)對這部分內(nèi)容的要求是“分析鋒、低壓（氣旋）、高壓（反氣旋）等天氣系統(tǒng)，并運用簡易天氣圖，解釋常見天氣現(xiàn)象的成因?！边@就要求學(xué)生掌握冷鋒、暖鋒以及準(zhǔn)靜止鋒的活動規(guī)律及天氣特征，并能夠解釋生活當(dāng)中天氣現(xiàn)象的成因。而“鋒與天氣”是大尺度范圍的天氣現(xiàn)象，學(xué)生無法從現(xiàn)實生活中直觀地觀察該天氣現(xiàn)象的總體過程;現(xiàn)行教材主要是以圖片和文字的形式展開教學(xué)，憑借高中一年級學(xué)生的認(rèn)知水平，學(xué)生難以根據(jù)抽象的文字和圖片在腦海里構(gòu)建該天氣過程，所以“鋒與天氣”無疑也是教學(xué)難點。為引導(dǎo)學(xué)生重視對本課的學(xué)習(xí)，筆者建議以課本與虛擬仿真實驗相結(jié)合的形式展開教學(xué)。氣團(tuán)和鋒等概念方面的學(xué)習(xí)以課本教學(xué)為主，設(shè)計的虛擬仿真實驗主要展示“冷鋒天氣”“暖鋒天氣”“準(zhǔn)靜止鋒天氣”“錮囚鋒天氣”的運動過程部分。其中前三種天氣類型為必須掌握內(nèi)容，“錮囚鋒天氣”為拓展內(nèi)容。筆者將以“暖鋒天氣”的教學(xué)為例，展示實驗教學(xué)過程。

2.實驗教學(xué)準(zhǔn)備

虛擬仿真實驗需要在多媒體教室進(jìn)行，教師應(yīng)提前聯(lián)系預(yù)約多媒體教師，并將虛擬仿真實驗共享到學(xué)生機(jī)。

3.實驗教學(xué)過程

（1）在講授完氣團(tuán)和鋒的相關(guān)知識點后，教師打開“鋒面天氣實驗”主界面，該界面以野外自然大氣景觀為背景，出現(xiàn)“冷鋒天氣”“暖鋒天氣”“準(zhǔn)靜止鋒天氣”“錮囚鋒天氣”四個動作按鈕。

（2）教師用鼠標(biāo)左鍵單擊（以下簡稱“左擊”）“暖鋒天氣”，在原界面的基礎(chǔ)上出現(xiàn)暖鋒天氣的概念及特征，教師簡要和學(xué)生介紹“暖鋒”的相關(guān)知識。

（3）教師左擊屏幕下方的“Enter”按鈕進(jìn)入模擬暖鋒運動的虛擬實驗界面，引導(dǎo)學(xué)生觀察冷暖氣團(tuán)的相對位置和形態(tài)特征。

（4）教師左擊界面下方“開始”按鈕，將出現(xiàn)暖鋒運動的全過程。其中，在暖鋒運動過程中屏幕會在對應(yīng)的過程彈出關(guān)于暖鋒過境前、過境時、過境后天氣變化的問題欄，需回答出問題欄的問題，暖鋒才會“繼續(xù)”運動。例如：在冷暖氣團(tuán)相遇時，視頻自動暫停，屏幕下方出現(xiàn)以下問題：“暖鋒天氣過境時，會出現(xiàn)什么天氣變化”，需勾選出正確答案，才能繼續(xù)進(jìn)行實驗。在此過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察暖鋒運動過程中鋒面的的位置和移動方向、當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓?，和學(xué)生一起“跨越”問題欄。

（5）教師建議學(xué)生在學(xué)生機(jī)上重復(fù)教師剛剛的演示操作，回顧暖鋒運動過程，并歸納完成下表。

由于冷鋒和準(zhǔn)靜止鋒的操作方式和暖鋒基本一致，故不再贅述。

四、教學(xué)設(shè)計意圖

虛擬仿真實驗讓大尺度的暖鋒形成過程在有限的屏幕上逼真地呈現(xiàn)。通過教師模擬暖鋒過境的過程以及學(xué)生的重復(fù)演示，學(xué)生可以在腦海中形成暖鋒過境的空間概念，從而掌握暖鋒運動過程對當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓挠绊?，同時培養(yǎng)地理實踐力;實驗過程中“問題欄”的設(shè)置，不僅使學(xué)生在觀察的過程中思考，還能讓教師了解學(xué)生對知識的消化程度;通過學(xué)生自行演示后完成表格，可培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納能力。

五、結(jié)語

教學(xué)方式的創(chuàng)新是教育創(chuàng)新不可缺少的重要內(nèi)容，是提高教學(xué)質(zhì)量的必要手段。地理虛擬仿真實驗教學(xué)是信息技術(shù)與學(xué)科地理教學(xué)的融合，是對傳統(tǒng)教學(xué)方式的創(chuàng)新，有助于提高教學(xué)效果，實現(xiàn)資源共享。