基于擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)的地形學(xué)教學(xué)設(shè)計研究

李曉鈺

摘要：本研究立足于分析傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)行主要問題的基礎(chǔ)之上，為實現(xiàn)抽象地形的具體化、直觀化，單一教學(xué)方式的靈活化、有效化，枯燥教學(xué)內(nèi)容的趣味化、豐富化，“紙上談兵”教學(xué)演練的可實踐化、常態(tài)化，提供了一套相對有效的解決方案：融入擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)這一新技術(shù)手段，構(gòu)建、配設(shè)貼合個性化教學(xué)場景的教學(xué)設(shè)計，確立“雙場景單模式”的教學(xué)設(shè)計研究。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù);教學(xué)設(shè)計

本文圍繞探索新技術(shù)體系下的地形學(xué)教學(xué)設(shè)計，著力解決傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容不直觀、教學(xué)形式不豐富、教學(xué)效果不理想等問題，充分利用擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)的特點和優(yōu)勢，對地形學(xué)教學(xué)設(shè)計進(jìn)行深入研究，探索其創(chuàng)新發(fā)展和有效應(yīng)用模式，從而加強(qiáng)教學(xué)針對性、提高教學(xué)有效性、豐富教學(xué)互動性。

一、研究背景

近幾年，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)為主的擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實體驗和增強(qiáng)現(xiàn)實交互功能日益成熟，為地形學(xué)教學(xué)設(shè)計開拓新思路，融入新手段，提供新方法。

擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)用英文表述是“Extended Reality”，簡稱“XR”。從英文角度分析，將“X”理解為代數(shù)中的未知數(shù)，包含虛擬、增強(qiáng)、混合等含義，寓意無限可能;“R”則直譯為現(xiàn)實。由此，“XR”就是基于“虛擬現(xiàn)實連續(xù)集”上的某一點，包含虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等多種技術(shù)。

中山大學(xué)哲學(xué)系教授翟振明，用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及混合現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的形式，將擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)做出定義：擴(kuò)展現(xiàn)實是一個“虛實融合”的全新模式，并以人機(jī)交互體驗為核心?；跀U(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)的地形學(xué)教學(xué)設(shè)計，就是將擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)融入地形學(xué)這一學(xué)科的教學(xué)工作。

二、研究范圍

本文主要圍繞擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)在地形學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用展開，從課堂教學(xué)側(cè)重教員“教”和線上教學(xué)側(cè)重學(xué)員“學(xué)”兩個方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計研究。其中，課堂教學(xué)設(shè)計主要研究基于擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)設(shè)地形學(xué)課堂教學(xué)平臺，基于此平臺開展課堂教學(xué)設(shè)計;線上教學(xué)設(shè)計主要研究充分利用擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建職業(yè)教育平臺在線課程，針對線上教學(xué)的特點，提出地形學(xué)線上教學(xué)應(yīng)用策略。

擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域能夠允許學(xué)習(xí)者開展自主探索，實現(xiàn)以動態(tài)交互式的方式來探索學(xué)習(xí)活動;同時教師、家長等群體做好配合與支持，以及教、學(xué)的同步升級，可發(fā)揮擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的最大潛力，達(dá)到激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高動手能力等效果1。

三、地形學(xué)教學(xué)設(shè)計現(xiàn)狀及存在問題

目前各院校地形學(xué)課程還沒有關(guān)于擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)在地形學(xué)教學(xué)設(shè)計上的其他任何研究或應(yīng)用。在目前的地形學(xué)教學(xué)中，研究地形的方法和手段是利用地形圖、利用沙盤、利用空中像片、利用電視顯示系統(tǒng)、利用數(shù)字地圖、利用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行研究。無論地形學(xué)的課堂教學(xué)抑或線上教學(xué)，目前大部分都是通過上述傳統(tǒng)方法開展教學(xué)。相關(guān)教學(xué)設(shè)計也是根據(jù)傳統(tǒng)教學(xué)方法和傳統(tǒng)教學(xué)工具等開展，幫助學(xué)員獲取理論知識、完成理論實操等。在此背景下，構(gòu)設(shè)基于擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)的地形學(xué)課堂教學(xué)平臺、線上教學(xué)課程等，不僅為地形學(xué)的教學(xué)設(shè)計創(chuàng)新提供切實可行的教學(xué)指導(dǎo)意義，更有刻不容緩的學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新意義。地形學(xué)的教學(xué)設(shè)計分為課堂和線上。以教為主的課堂教學(xué)存在著 “地形圖不能完全顯示實地地形的全部內(nèi)容要素”、“沙盤顯示的地幅有限且移動不便”等問題。以學(xué)為主的線上教學(xué)存在著“授課視頻中教學(xué)方法方式單一乏味”等問題。而擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)可以在現(xiàn)實或虛擬中全方位展示某一場景，不受場地或時間限制;可以融合真實世界和虛擬世界，實現(xiàn)實時交互，讓人沉浸其中;可以形象展現(xiàn)實戰(zhàn)案例，為理論聯(lián)系實踐提供幫助。由此，將擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)融入地形學(xué)的教學(xué)設(shè)計，是切實可行的有效解決方法。

四、基于擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)地形學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計

擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)的引入，構(gòu)造了基于擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)的地形學(xué)課堂教學(xué)平臺設(shè)計，推動了地形學(xué)課堂教學(xué)的改革和發(fā)展。

地形學(xué)課堂教學(xué)中構(gòu)設(shè)地形學(xué)課堂教學(xué)平臺，目的是構(gòu)建一個增強(qiáng)現(xiàn)實的教育環(huán)境，將平面的地形以立體的客觀現(xiàn)實呈現(xiàn)給學(xué)員，同時在地形圖上插入識圖作業(yè)工具，以此完成交互，激發(fā)學(xué)員興趣、加深學(xué)員理解，提升教學(xué)效果。

1.平臺構(gòu)設(shè)介紹：

地形學(xué)課堂教學(xué)平臺的構(gòu)設(shè)是可以承載實景三維數(shù)據(jù)的多人互動沙盤。教員或?qū)W員通過對沙盤上的模型進(jìn)行編輯設(shè)計、改變顏色、移動縮放等操作。

2.虛擬現(xiàn)實地形環(huán)境庫構(gòu)建：

虛擬現(xiàn)實地形環(huán)境是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將傳統(tǒng)的二維地形制作為三維地形。虛擬現(xiàn)實地形環(huán)境庫，要能夠顯示不同地形特點的地貌、地物分布情況;能夠模擬不同季節(jié)設(shè)置現(xiàn)場溫度、天氣環(huán)境，完成在不同天候環(huán)境下的現(xiàn)地模擬教學(xué)。

3.增強(qiáng)現(xiàn)實電子沙盤構(gòu)設(shè)：

增強(qiáng)現(xiàn)實電子沙盤是通過增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，將傳統(tǒng)的平面地形或?qū)嶓w沙盤，通過技術(shù)手段制作為裸眼可視的三維地形。要通過已有素材庫實現(xiàn)創(chuàng)建模擬現(xiàn)地地形，通過使用真實現(xiàn)地圖片作為基礎(chǔ)環(huán)境，拍攝真實地形和結(jié)合三維建模方法達(dá)到模擬現(xiàn)地地形，以建立更具有真實感的虛擬環(huán)境，同時實現(xiàn)在課堂教學(xué)平臺360°展示。

4.圖上作業(yè)常用工具箱設(shè)計：

地形學(xué)教學(xué)過程中，對地形圖需要進(jìn)行較多標(biāo)注，目的是在圖上能夠量取點位的精確直角坐標(biāo)和地理坐標(biāo)、判讀高程、判定起伏、量算水平距離和實地距離、量算方位、面積、坡度等信息。因此，需要構(gòu)設(shè)圖上作業(yè)常用工具箱。將地形學(xué)圖上作業(yè)常用工具制作為交互標(biāo)簽，達(dá)到在教學(xué)過程中進(jìn)行三維地形的圖上作業(yè)，以控制和操作虛擬場景，實現(xiàn)交互。由此，為教學(xué)過程提供了生動、逼真的教學(xué)環(huán)境，使教員、學(xué)員處在一個可有自己控制的虛擬環(huán)境中，這對調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，突破教學(xué)的重點、難點，培養(yǎng)學(xué)員的技能都有積極作用。

擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)具有的智慧性、感知性、自然交互性，完美的展示了“身心一體、知行合一”的教育理念。將擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)融入地形學(xué)的教學(xué)設(shè)計研究，能夠更好地服務(wù)和支撐地形學(xué)的未來教育，更科學(xué)、高效地培養(yǎng)創(chuàng)新型、創(chuàng)造型人才，是新時代環(huán)境下運(yùn)用新技術(shù)手段至教育教學(xué)行業(yè)的應(yīng)用典范。

參考文獻(xiàn)

[1]杜穎.VR+教育 可視化學(xué)習(xí)的未來[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[2]褚樂陽，陳衛(wèi)東，譚悅，鄭思思. 重塑體驗：擴(kuò)展現(xiàn)實（XR）技術(shù)及其教育應(yīng)用展望[J]. 《遠(yuǎn)程教育雜志》，2019，01：17-31.

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