三維虛擬現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)輔助地理教學(xué)的應(yīng)用策略初探

何冰 羅柳青

[關(guān)鍵詞]VR技術(shù);三維虛擬;地理情境;項目教學(xué)

在教育信息化發(fā)展潮流中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱VR）在教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。新課改明確要求學(xué)生在掌握地理基本知識的基礎(chǔ)上發(fā)展創(chuàng)新思維能力，而VR技術(shù)通過創(chuàng)設(shè)三維虛擬的教學(xué)情境，調(diào)動學(xué)生的感知和認(rèn)知能力，幫助學(xué)生全方位獲取地理事物的空間信息，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生充分調(diào)動各種感覺器官融入場景，增強(qiáng)對學(xué)習(xí)內(nèi)容的整體感知，激發(fā)學(xué)生的潛在學(xué)習(xí)動機(jī)和學(xué)習(xí)欲望，提升學(xué)習(xí)效果。

一、VR技術(shù)在地理教學(xué)中的適用性探討

隨著新課標(biāo)的落實(shí)，高考地理著重考察學(xué)生從學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決地理問題的思維路徑，對地理現(xiàn)象的規(guī)律和原理，理解其形成機(jī)理和機(jī)制。VR技術(shù)所構(gòu)建的三維地理圖層，通過360度呈現(xiàn)真實(shí)畫面，有助于學(xué)生了解地理事物發(fā)展時間、空間、尺度變化規(guī)律，有利于學(xué)生通過真實(shí)情境分析和解決地理問題。以2020年高考地理綜合1卷平頂山題目為例，通過VR技術(shù)三維動態(tài)展現(xiàn)玄武巖臺地依次受“流水侵蝕—切割—起伏加大—面積變小”的真實(shí)場景，讓學(xué)生身臨其境體驗(yàn)玄武巖臺地的變化過程，有利于學(xué)生理解地理事物的發(fā)展機(jī)理，改變以往傳統(tǒng)的地理教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究的能力。

新課標(biāo)、新教材形勢下，地理教學(xué)內(nèi)容可利用VR技術(shù)應(yīng)用在地理情境教學(xué)中可以發(fā)揮VR三維動態(tài)影像在視聽說和圖文處理方面的優(yōu)勢，提高學(xué)生地理素養(yǎng)，發(fā)揮學(xué)生主體地位，提高學(xué)習(xí)效率和課堂教學(xué)效果。

二、VR技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用案例

本文以高中地理新教材必修一河流地貌中牛軛湖的形成教學(xué)為案例，探討VR技術(shù)在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用及策略，主要采用合作探究式的學(xué)習(xí)方法。

1.教學(xué)設(shè)計

（1）學(xué)情分析

在本節(jié)課中，根據(jù)已了解河流地貌形成的相關(guān)知識，對牛軛湖的形成進(jìn)行重點(diǎn)學(xué)習(xí)，在時空限制下，學(xué)生無法親身體會、觀察牛軛湖的真實(shí)情境并實(shí)地體驗(yàn)，故選用VR技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生代入感，激發(fā)學(xué)生對本課內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣。

（2）教學(xué)目標(biāo)

通過圖片欣賞、VR體驗(yàn)，讓學(xué)生分析河流運(yùn)動的規(guī)律，理解河曲處凹岸與凸岸的形成過程及發(fā)展機(jī)理;理解牛軛湖的形成源于河道的“自然裁彎”過程，讓學(xué)生理解河流地貌的形成原因，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

（3）教學(xué)形式

本節(jié)課采用探究式教學(xué)的形式，以VR及多媒體等進(jìn)行輔助教學(xué)，學(xué)生通過

佩戴VR眼鏡多方位、多角度身臨其境地感受實(shí)例環(huán)境，并思考探究性的問題，以分組形式為單位交流討論，教師對所學(xué)知識進(jìn)行回顧總結(jié)，仍以觀看VR視頻的形式，最后小組派代表進(jìn)行回答陳述，教師對回答點(diǎn)評并補(bǔ)充，同時設(shè)置隨堂練習(xí)題留給學(xué)生思考。

（4）課前準(zhǔn)備

根據(jù)河流地貌中牛軛湖的形成相關(guān)內(nèi)容，選取合適的VR資源，并結(jié)合資源的畫面質(zhì)量、數(shù)量、體驗(yàn)時間等，選取適合本課所需的視頻資源。因本節(jié)課對于河流地貌、牛軛湖等需進(jìn)行實(shí)例的重點(diǎn)展示，經(jīng)過篩選、對比，主要選用UtoVR等APP中的VR資源。在正式上課之前，對學(xué)生進(jìn)行簡略培訓(xùn)，主要為VR設(shè)備的正確使用，比如，VR眼睛的正確佩戴方法、如何調(diào)節(jié)VR眼鏡的清晰度和左右眼鏡距離的方法，以免學(xué)生能正確使用VR設(shè)備，保證正式課堂上的教學(xué)效果。

2.教學(xué)過程

（1）創(chuàng)設(shè)問題情景，凝練景觀特征

地理是一門兼具自然科學(xué)和人文科學(xué)的綜合性學(xué)科，知識面很廣，傳統(tǒng)地理課堂利用教師語言或者視頻創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入，很難激發(fā)學(xué)生對地理的學(xué)習(xí)興趣。因此，把VR技術(shù)使用在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，利用VR設(shè)備創(chuàng)設(shè)沉浸性教學(xué)情境，啟發(fā)學(xué)生提出問題，分小組進(jìn)行觀察分析和探究，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識及科學(xué)探究能力。

以高中地理河流地貌為例，學(xué)生難以親身體驗(yàn)真實(shí)的河流地貌及其變化，使用VR設(shè)備可通過三維影像讓學(xué)生全景俯瞰黃河源36條彎曲河流形成的牛軛湖地理景觀，讓學(xué)生身臨其境對河流地貌展開探究，學(xué)生理解牛軛湖形狀如牛軛，或說像彎月形一樣的地理景觀特點(diǎn)，還讓學(xué)生加深了對牛軛湖周邊地理環(huán)境的認(rèn)識，找出牛軛湖形成與河曲之間的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探究的好奇心。

（2）體驗(yàn)地理過程，推導(dǎo)學(xué)理結(jié)構(gòu)

新課標(biāo)要求學(xué)生能從學(xué)習(xí)和生活中發(fā)現(xiàn)地理問題，提高問題解決能力。VR技術(shù)所具有的沉浸性和交互性能夠解決課堂教學(xué)中無法開展的假設(shè)與驗(yàn)證，將VR技術(shù)應(yīng)用于課堂的探究環(huán)節(jié)，讓學(xué)生把科學(xué)猜想進(jìn)行驗(yàn)證，通過虛擬技術(shù)“動手”做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證假設(shè)，有助于提高學(xué)生地理實(shí)踐力，提高解決問題的能力。

結(jié)合VR動態(tài)演示，引導(dǎo)學(xué)生對牛軛湖的出口段的淤積與進(jìn)口段淤積速度作比較，發(fā)現(xiàn)河曲發(fā)育可以分為兩個階段，從而本課對牛軛湖的“前世今生”展開探究（圖1）。

牛軛湖的形成與河道被“裁彎”后，進(jìn)口段與出口段的淤積速度有關(guān)，而淤積過程實(shí)質(zhì)就是流水的搬運(yùn)過程。為了讓學(xué)生理解裁彎后的牛軛湖進(jìn)口的淤積過程，學(xué)生可利用VR設(shè)備模擬“流水侵蝕與堆積作用”實(shí)驗(yàn)（圖2），開展地理項目“水”和“沙”變化的探究，由此分析牛軛湖形成初期的河段淤積原因。

（3）鞏固學(xué)習(xí)成果，重現(xiàn)知識要點(diǎn)

我們可以將VR技術(shù)應(yīng)用于課堂的鞏固環(huán)節(jié)，通過沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)重現(xiàn)知識，利用VR情境互動完成練習(xí)，復(fù)習(xí)回顧知識，有助于幫助學(xué)生加深理解，鞏固知識的探究過程和解決思路，并布置隨堂練習(xí)使學(xué)生在課堂及時鞏固知識點(diǎn)。

以河流地貌為例，通過VR交互設(shè)備開展課堂鞏固項目，讓學(xué)生通過VR情境互動練習(xí)，重現(xiàn)牛軛湖的形成過程。通過三維沉浸式交互項目，讓學(xué)生加深理解牛軛湖在河流演變過程中，其前身是古河道的一部分，隨著彎曲河段流速的改變，河流側(cè)蝕，形成牛軛湖現(xiàn)在橫向遷移的形態(tài)。通過VR情境互動演示，讓學(xué)生理解牛軛湖的形成源于河道的“自然裁彎”過程。

隨堂練習(xí)：

①選擇括號中牛軛湖形成的主要原因？（流水侵蝕作用、流水堆積作用、地殼抬升、地殼下沉）

②牛軛湖的形成與括號中的地理事件形成最為相似？（V型河谷、U型河谷、沖積扇、沙丘）

3.課堂小結(jié)

從時間安排上，本節(jié)課使用了三次VR設(shè)備，貫穿導(dǎo)入、學(xué)理、鞏固環(huán)節(jié)共耗時約10分23秒。

從教學(xué)效果來看，高中一年級學(xué)生自我意識不斷發(fā)展，對新奇事物非常好奇，樂于探索新科技和新的教學(xué)手段。同時，該年齡段學(xué)生也具有了一定的自控能力，因此本堂課并未出現(xiàn)學(xué)生因好奇心影響課堂節(jié)奏等問題，總體上，學(xué)生對于這種VR的使用興趣濃厚，激發(fā)了一定的學(xué)習(xí)興趣，并能直觀加深學(xué)生對于知識的理解。雖本節(jié)課內(nèi)容有一定的難度，但是在VR的輔助下，學(xué)生也在清晰、簡練的動畫演示、圖片知識呈現(xiàn)中普遍做到保持學(xué)習(xí)興趣，努力理解知識。在小組討論的過程中，學(xué)生們能根據(jù)VR技術(shù)中所展示的相關(guān)知識進(jìn)行討論，在總結(jié)時，雖然同學(xué)們所講的問題和答案不一定十分全面，但是仍然值得贊同和鼓勵。

4.案例實(shí)施評價

本次地理課堂使用VR輔助技術(shù)教學(xué)得到我校本年級師生的認(rèn)可，課程后對我校高中一年級100名學(xué)生和5名地理教師進(jìn)行問卷調(diào)查，被調(diào)查對象對使用VR表示完全贊同的占樣本總體的58%，比較贊同的占樣本總體的34%，抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，大部分師生對于地理課堂教學(xué)使用VR輔助技術(shù)持歡迎的態(tài)度，認(rèn)為VR技術(shù)對于教師的教法和學(xué)生的學(xué)習(xí)都有很大的幫助，且易于掌握。

因本次教學(xué)只在一個班級以試點(diǎn)形式開展，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其他非試點(diǎn)班的同學(xué)也非常希望在課堂上使用VR技術(shù)。從學(xué)習(xí)成績來看，通過對比1個試點(diǎn)班與1個非試點(diǎn)班級關(guān)于牛軛湖這一部分內(nèi)容的試卷相關(guān)測試題正確率，試點(diǎn)班平均得分明顯高于非試點(diǎn)班，證明VR使用對于學(xué)習(xí)效果具有一定的影響。

課程實(shí)施流程見下圖3.VR輔助高中地理課程實(shí)施流程

三、VR技術(shù)輔助地理教學(xué)應(yīng)用策略

通過對以上教學(xué)案例分析并觀察、反思、總結(jié)后，我認(rèn)為也并非所有的地理知識都適合使用VR，對于有一定難度、具有動態(tài)演示的地理變化過程如本案例中的牛軛湖的形成，以及空間性的虛擬創(chuàng)建類知識適合使用VR設(shè)備教學(xué)。在使用VR進(jìn)行輔助教學(xué)的過程中也應(yīng)注意：

1.科學(xué)、合理選取VR視頻資源

VR技術(shù)資源暫時未有成體系的資源庫，教師在應(yīng)用VR技術(shù)時，相關(guān)資源素材需要自行去搜索，在此過程中，教師應(yīng)仔細(xì)對素材內(nèi)容進(jìn)行甄別，尤其不可出現(xiàn)政治性、知識性等錯誤，保證內(nèi)容科學(xué)。

2.合理安排課堂VR技術(shù)的使用

教師應(yīng)充分考慮VR技術(shù)在課堂上的穿插、時間分配，內(nèi)容上應(yīng)盡量貼合課本知識，同時，針對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與知識基礎(chǔ)，謹(jǐn)記VR技術(shù)的輔助功能，對知識的傳授也切不可過多、過繁，避免學(xué)生因使用VR技術(shù)產(chǎn)生負(fù)面的知識負(fù)荷過重等情況。

3.探究為主，VR技術(shù)為輔

根據(jù)以上教學(xué)案例分析、評價總結(jié)等，利用VR技術(shù)在提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果等方面有效，學(xué)習(xí)方式上，盡量選擇合作探究式學(xué)習(xí)，著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的邏輯思維能力，提升創(chuàng)新與實(shí)踐能力。VR技術(shù)使得學(xué)生能夠憑借多種感官獨(dú)立全面發(fā)現(xiàn)、探求知識，因此VR使用也較為適合探究式學(xué)習(xí)方式，從而發(fā)揮輔助作用。而教師在設(shè)計教案過程中，也應(yīng)將探究式合作學(xué)習(xí)目標(biāo)、內(nèi)容能貫穿、融合進(jìn)去，以本課為例，教師在進(jìn)行VR輔助教學(xué)時，先讓學(xué)生觀看有關(guān)“牛軛”以及“牛軛湖”的視頻，讓學(xué)生思考牛軛湖名稱的來源，合作探究牛軛湖形成的原因等，這樣由表面到深層次的探索過程，十分利于學(xué)生激發(fā)好奇心，產(chǎn)生探究心，提高合作解決問題的能力。

四、結(jié)論與啟示

利用VR設(shè)備應(yīng)用于地理情境教學(xué)使學(xué)生更容易掌握和理解抽象知識，對復(fù)雜的地理事物發(fā)展機(jī)制的理解更加生動易懂，通過三維視聽呈現(xiàn)真實(shí)場景，提高學(xué)生學(xué)習(xí)地理的興趣，解決了傳統(tǒng)地理課堂中空間感、體驗(yàn)感差等問題，啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生的地理核心素養(yǎng)。

另外，VR技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)，還能有利于學(xué)生突破單一學(xué)科知識的限制，面對問題情境，運(yùn)用跨學(xué)科知識，解決問題。以本文的牛軛湖形成過程的項目探究為例，通過VR交互情境，跨學(xué)科融合展開項目探究，運(yùn)用物理和地理學(xué)科知識的聯(lián)系和相互滲透，分析河流運(yùn)動過程中的物質(zhì)遷移與能量轉(zhuǎn)化及物理學(xué)“慣性”原理，從而讓學(xué)生理解河曲處凹岸與凸岸的形成過程及發(fā)展機(jī)理。

但由于目前頭戴式VR虛擬技術(shù)還在發(fā)展當(dāng)中，VR技術(shù)所創(chuàng)設(shè)的虛擬教學(xué)情境的沉浸性還不夠，適用于高中地理的VR技術(shù)教學(xué)資源開發(fā)力度不足，影響學(xué)生的體驗(yàn)效果和參與熱情。隨著科技的發(fā)展，如果能研究開發(fā)出更多配套教材的VR資源，教學(xué)效果將會更有成效，但這是一線教師個體力量無法做到的，需要社會科技進(jìn)步，讓VR技術(shù)更加高端和成熟，VR技術(shù)在情境教學(xué)中才能得到更廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡敏.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].福州：福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

[2]吳剛，楊雪平.VR在教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教學(xué)研究，2016，10（5）：15-16.

[3]胡畔.VR教育已成“互聯(lián)網(wǎng)+教育”下的新模式[N].中國經(jīng)濟(jì)時報，2017-3-2（2）.

[4]劉園.VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究與應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2016，18（6）：119-120.

[5]張佳琦.3D打印技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].上海：華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

[6]鄭路.思維導(dǎo)圖在初中地理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].曲阜：曲阜師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

[7]王耀平.交互式電子白板在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].上海：華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.