50款軟件在高中自然地理教學(xué)難點中的應(yīng)用：功能挖掘與操作介紹

李沁毅 鄧 鈞 全汝逸 黃燕樺 何子亮

（華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510631）

一、引言

地理學(xué)是關(guān)于地表的知識，具有區(qū)域性和綜合性的特征，其內(nèi)容表達需要借助地圖，由此決定了地理思維具有綜合、區(qū)域、空間、聯(lián)系等特性。[1]高中生的抽象思維能力較匱乏，同時課堂上可供立體觀察、實體交互的直觀教具較少，使得部分自然地理知識晦澀難懂、學(xué)生難以消化。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，教育類軟件和地理專業(yè)軟件層出不窮，為傳統(tǒng)課堂的教學(xué)難點提供了新穎、直觀、可交互的解決方案，能夠讓學(xué)生在興趣生成的過程中習(xí)得地理知識、發(fā)展地理思維。然而，專門針對地理教學(xué)開發(fā)的地理軟件較少。教師對各種軟件教學(xué)功能的開發(fā)與應(yīng)用往往零散且低效，這不利于其系統(tǒng)地學(xué)習(xí)新技術(shù)和新方法以形成新時代素養(yǎng)本位下的新教法?；诖?，本文對各類地理軟件進行教學(xué)維度的功能挖掘與介紹，并將其整理成“操作手冊”，以期為高中地理教師高效了解和熟悉各類軟件及其教學(xué)功能提供便利，推動地理新技術(shù)課堂的實現(xiàn)。

二、50款軟件的搜集與特點

首先，在各類應(yīng)用商店及相關(guān)網(wǎng)站搜索與地理學(xué)科相關(guān)的軟件，共86款。然后，參考其他研究者確立自然地理教學(xué)難點的依據(jù)，確定高中自然地理教學(xué)難點，[2]嘗試對所搜集到的軟件進行教學(xué)功能的挖掘，即是否能夠解決高中自然地理教學(xué)難點。若該軟件無解決難點功能則被剔除，若可實現(xiàn)難點教學(xué)則意味著具備教學(xué)價值功能，予以保留。經(jīng)過篩選后，共整理出50款極具課堂應(yīng)用價值的軟件。這些軟件具備如下共同特征：（1）軟件的內(nèi)容和主題側(cè)重于單個地理要素或物質(zhì)系統(tǒng)，如立足于地球、地外系統(tǒng)的探索類軟件“Star Walk2”、著重于植被要素的“形色”“花伴侶”等，因此大致能夠以自然地理環(huán)境的物質(zhì)、要素組成及其外部系統(tǒng)為分類依據(jù)，將各個軟件歸為行星地球類軟件、大氣運動類軟件、地質(zhì)地貌類軟件等；（2）形式新穎，面向的用戶群體年齡范圍較廣，說明軟件具有較強的專業(yè)性、知識性和趣味性，能為教師提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，而這也對教師的操作能力有一定要求，學(xué)習(xí)成本較高；（3）軟件所能解決的知識難點較具體，連貫性較低，說明其蘊含的教學(xué)價值較隱蔽（見表1），使教師投入挖掘和利用的時間較多。

表1 50款軟件所指向的自然地理教學(xué)難點

（續(xù)上表）

三、指向教學(xué)難點的軟件介紹

為降低教師應(yīng)用軟件的學(xué)習(xí)成本，筆者將50款軟件的基本特點、所指向的教學(xué)難點進行簡單介紹。其中，每個難點的具體操作步驟及相關(guān)截圖被整理成《地理軟件操作手冊》（見圖1），以供教師進一步學(xué)習(xí)。

圖1 地理軟件操作手冊

1.側(cè)重于行星地球教學(xué)的軟件

高中必修《地理一》和《選擇性必修1》的第一章內(nèi)容是關(guān)于影響自然地理環(huán)境的外部因素的知識，即行星地球類知識。其最大的難點在于“空間性”，例如日、地、月之間的運動關(guān)系及地理意義，需要學(xué)生富有空間想象力才能理解。而此階段學(xué)生并不具備立體幾何的知識，對宇宙空間缺乏直觀感受，因此學(xué)習(xí)過程障礙重重。軟件憑借其自由交互、三維立體等特點直觀地展示了宇宙空間、地球運動等畫面（見表2），使學(xué)生進行多視角觀察并全面認識地球與地外系統(tǒng)的運動特征及地理意義，充分滿足學(xué)生的空間觀察需求，為其知識生成提供支架。

表2 側(cè)重于行星地球教學(xué)的軟件

Sun Surveyor是一款以地平視角觀察太陽視運動的軟件，適用于太陽周日視運動時空變化規(guī)律的探索。學(xué)生可自主選擇觀察點，在“24小時”時間模式中，拖動時間滾動條，觀察不同日期日出、太陽上中天和日落的方位。當(dāng)時間模式切換為“365天”時，可觀察不同日期周日圈的位置變化。Worldwide Telescope是微軟公司開發(fā)的一款集豐富的天文資料和探索功能于一體的虛擬望遠鏡軟件。教學(xué)中，人教版必修《地理一》的月相觀察活動常常難以落實。此時，教師可借助該軟件搜索月球并選擇觀察時間和地點，通過更改連續(xù)的日期模擬地球上某地一月內(nèi)的月相變化，促使學(xué)生提出問題“月相為何發(fā)生變化”，再切換太陽系視角，調(diào)整視野至可見太陽、地球、月球三者關(guān)系的畫面，演示月相變化的原理（見圖2）。此外，該軟件也能解決天體系統(tǒng)的嵌套關(guān)系、東西時間差異等教學(xué)難點。

圖2 Sun Surveyor（左）和Worldwide Telescope軟件（右）截圖

2.側(cè)重于地質(zhì)地貌教學(xué)的軟件

地貌模塊知識對應(yīng)表1課標內(nèi)容要求1.4和I-1.3中的教學(xué)難點，包括地貌的特征、分布及其形成和演化規(guī)律，強調(diào)時空演變過程。地貌對于學(xué)生來說是靜態(tài)的結(jié)果，而地貌的形成卻是動態(tài)的過程。靜態(tài)思維往往導(dǎo)致學(xué)生難以想象各種地貌過程及其內(nèi)外力作用機制。受生活經(jīng)驗影響，學(xué)生也很難準確感知地貌的各種空間尺度。軟件具有強大的表現(xiàn)力，能在交互的基礎(chǔ)上呈現(xiàn)不同時空尺度的地貌演變過程，具有較大的教學(xué)價值（見表3）。

表3 側(cè)重于地質(zhì)地貌教學(xué)的軟件

地球萬象（見圖3）是一款兼具綜合性、直觀性和交互性的地貌模擬軟件。學(xué)生可通過自行操作，了解地貌形成過程。例如，在蜿蜒河流的演示模型中，學(xué)生可看到河流形態(tài)的動態(tài)演化過程并探究其成因，輕松解決“河曲及牛軛湖形成過程”這一難點。該軟件也提供了多種外力作用的動畫過程，如“生物風(fēng)化”“河流沖蝕”“冰楔作用”等。學(xué)生通過自主操作、觀察對比外力作用下地表物質(zhì)的位置變化，即可發(fā)現(xiàn)風(fēng)化和侵蝕這對相近概念的區(qū)別。類似的軟件還有Jigspace，該軟件內(nèi)容豐富多樣，包含了“科學(xué)”“空間”等多個探究版塊，形式精美有趣。借助此軟件，學(xué)生可通過AR與“科學(xué)”板塊中的“構(gòu)造板塊：消亡邊界”互動，探究海溝、島弧的形成過程。

圖3 地球萬象（左）和Jigspace軟件（右）截圖

地貌的學(xué)習(xí)需要真實的地貌資料。谷歌地球、奧維互動地球等虛擬地球軟件組織了大量衛(wèi)星圖像、三維圖像，具有搜索、縮放、測量等各種功能，是地貌教學(xué)的重要工具。以奧維互動地球（見圖4）為例，在學(xué)習(xí)風(fēng)蝕地貌時，學(xué)生可利用該軟件的檢索和縮放功能，清晰看到雅丹地貌的形態(tài)特征，利用其比例尺實現(xiàn)空間尺度感知，再結(jié)合其他軟件，如Earth NullSchool中的風(fēng)向圖層即可清晰了解雅丹地貌走向與風(fēng)向的關(guān)系。同理也可探究新月形沙丘等其他地貌的形態(tài)特征。

圖4 奧維互動地圖軟件截圖

3.側(cè)重于水文與大氣教學(xué)的軟件

水圈、大氣圈中發(fā)生的地理過程往往不可見，且是多種要素綜合作用的結(jié)果，具有高度的抽象性和綜合性。學(xué)生一方面需要學(xué)習(xí)行星風(fēng)帶、熱力環(huán)流、洋流等理想模型，另一方面又要以區(qū)域視角分析不同尺度下的真實情況，理解水圈和大氣圈的相互作用，這對于學(xué)生的尺度思想和綜合思維要求較高。同時解決大氣和水文教學(xué)難點的軟件（見表4）通過疊加水文或氣象要素圖層，展示動態(tài)真實的水—氣運動過程來降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，使其充分厘清理想模式與現(xiàn)實環(huán)流的差異及其原因。

部分專業(yè)性較強的軟件通過呈現(xiàn)真實的、動態(tài)的水—氣運動過程，幫助學(xué)生認識實際的大氣狀況和水文狀況，并結(jié)合區(qū)域要素分布特征綜合分析其成因。以Earth NullSchool軟件為例，它將大尺度的、不可見的風(fēng)可視化，在破解東亞和南亞季風(fēng)成因差異這一難點時，學(xué)生通過調(diào)節(jié)時間，可直觀看到兩地冬夏季風(fēng)的風(fēng)向差異并結(jié)合地理位置進行成因分析；在厄爾尼諾和拉尼娜的成因教學(xué)中，教師也可利用其海洋模式中的“海溫偏差值”，向?qū)W生直觀展示東太平洋海區(qū)的海溫距平情況，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用熱力環(huán)流原理，使教學(xué)順利進行。又如Windy包含多種海氣要素圖層，教師可利用其向?qū)W生展示世界表層洋流的分布實況，引導(dǎo)學(xué)生歸納其分布規(guī)律。其中“風(fēng)”圖層及海陸分布格局的呈現(xiàn)，也為學(xué)生探究洋流成因提供了素材。教師還能利用APP中的海溫分布圖層，引導(dǎo)學(xué)生觀察海溫的整體規(guī)律和局部特征，探究海溫的影響因素。

還有一些軟件將抽象的大氣現(xiàn)象趣味化和具象化，使學(xué)生借助動畫演示理解運動過程。以“天氣”（見圖5）為例，它是一款氣象模擬教育APP，以模型呈現(xiàn)不同場景的氣象發(fā)生過程，操作簡單、化難為簡。如臺風(fēng)場景，該軟件模擬熱帶洋面暖水區(qū)空氣受熱膨脹上升、成云致雨并最終發(fā)展為臺風(fēng)系統(tǒng)的全過程，結(jié)合簡要文字清楚地展示臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)，使臺風(fēng)的教學(xué)難點迎刃而解。同樣，它也能呈現(xiàn)大氣對流運動，將抽象概念形象化。

圖5 “天氣”軟件截圖

4.側(cè)重于土壤和植被教學(xué)的軟件

新一輪課程改革后，高中自然地理加入了植被和土壤模塊，課標具有明顯的地理實踐力培養(yǎng)指向。目前大多數(shù)中學(xué)尚不具備開展野外實踐的條件，這一矛盾使土壤觀察等相關(guān)內(nèi)容成為教學(xué)難點。具備較強實踐性的相關(guān)軟件可有效化解這部分難點（見表5）。以“形色”“花伴侶”軟件為例，學(xué)生可利用其地圖進行線上植物調(diào)查，探究植物與環(huán)境的關(guān)系。又如實驗空間：國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目課程共享平臺，向?qū)W生提供土壤觀察的操作指引、操作工具和觀察項目，為土壤觀察及其成因探究提供了便利條件。

表5 側(cè)重于土壤、植被教學(xué)的軟件

四、總結(jié)與展望

信息技術(shù)運用于地理課堂是新時代教育的發(fā)展方向。地理軟件不僅能為實現(xiàn)素養(yǎng)本位的地理教育提供巨大發(fā)揮空間，還能憑借其易安裝、低成本、易傳播的特點助力鄉(xiāng)村地理教育振興。因此，本文以減少教師應(yīng)用地理軟件的成本為落腳點，通過梳理不同軟件所能解決的教學(xué)難點來實現(xiàn)其教育價值，共探索了50款地理軟件并總結(jié)其具體的操作過程，旨在為新技術(shù)走進地理課堂提供借鑒。50款軟件雖有部分指向相同教學(xué)難點，但其實現(xiàn)的形式和過程各有特色，教師可結(jié)合課堂實際或?qū)W生喜好加以優(yōu)化選擇，還可以組合搭配不同形式的軟件以實現(xiàn)最佳的教學(xué)效果。

然而，現(xiàn)有軟件仍無法滿足所有的難點教學(xué)需求，如：橫波和縱波的區(qū)別、恒星日與太陽日的區(qū)別、地形倒置等。因此亟需一款依照課程標準設(shè)計的中學(xué)地理教學(xué)軟件以解決教學(xué)難點。此外，本文僅挖掘了指向教學(xué)難點的軟件功能，而軟件中的其他功能，諸如地理課堂實踐活動資源、面向研學(xué)的戶外功能等內(nèi)容還未涉及，有待廣大地理教育工作者的繼續(xù)關(guān)注和探索。