桌面VR系統(tǒng)在高中地理情境教學(xué)中的運用

李曉亞　史丹婷　席佳妮

[摘 要]桌面VR系統(tǒng)可真實、立體地呈現(xiàn)復(fù)雜的地理事象，將其運用于高中地理課堂教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的地理學(xué)科核心素養(yǎng)，進而落實地理新課程改革的相關(guān)目標與要求。文章探究桌面VR系統(tǒng)在高中地理情境教學(xué)中的實際運用。

[關(guān)鍵詞]桌面VR系統(tǒng);高中地理;情境教學(xué)

[中圖分類號]? ? G633.55? ? ? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）13-0079-03

隨著新課程改革的深入推進，傳統(tǒng)的地理課堂教學(xué)模式、教學(xué)手段已不足以落實培養(yǎng)學(xué)生地理學(xué)科核心素養(yǎng)的目標。地理學(xué)科是一門比較復(fù)雜的學(xué)科，其時空性特點尤為突出，許多地理事象是學(xué)生不能直接觀測到的或者不能在腦海中構(gòu)建出來的。立體直觀的動態(tài)演示、三維模擬圖等在地理情境教學(xué)中的運用能夠?qū)⒎彪s的地理事象簡單化、具象化、立體化，因此，桌面VR（虛擬現(xiàn)實）系統(tǒng)或?qū)⒊蔀檩o助地理課堂教學(xué)的重要手段。

一、桌面VR系統(tǒng)簡介

（一）概述

桌面VR系統(tǒng)主要由高清VR顯示器與應(yīng)用服務(wù)主機系統(tǒng)高度集成，設(shè)備內(nèi)置高精度紅外捕捉攝像頭，配合獨有的定位和捕捉系統(tǒng)，為體驗者頭部佩戴的立體追蹤眼鏡提供穩(wěn)定的捕捉和精準的定位，通過3D眼鏡以及觸控筆實現(xiàn)逼真的VR投放效果。桌面VR一體機設(shè)備通過增強現(xiàn)實攝像頭與大屏幕結(jié)合，把體驗者與虛擬世界的動態(tài)交互實時地呈現(xiàn)出來，在大屏幕上實現(xiàn)裸眼3D的效果。

（二）特點

1.3D顯示

桌面VR系統(tǒng)可將課本當中的知識以直觀生動的三維圖像方式呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，其逼真且炫酷的效果更容易吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性。

2.六自由度交互

六自由度觸控追蹤感應(yīng)筆能夠在空間中直接與虛擬物體進行交互，使得立體圖像始終與體驗者真實的視覺角度保持一致，以最直觀擬真化的操作方式，讓學(xué)生與知識情境近距離親密接觸，在體驗知識的過程中主動學(xué)習。

3.開放式教學(xué)

桌面VR系統(tǒng)是開放式的，在教學(xué)過程中教師和學(xué)生可看到同樣的虛擬場景，并就教學(xué)內(nèi)容進行溝通交流，實現(xiàn)無障礙教學(xué)。

（三）應(yīng)用現(xiàn)狀

VR技術(shù)與教育教學(xué)的融合效果初露鋒芒，教育領(lǐng)域出現(xiàn)了不少應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)品，但在高校課堂教學(xué)中應(yīng)用較多，在中學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及相關(guān)研究較少。桌面VR系統(tǒng)的開發(fā)尚不成熟，教學(xué)覆蓋面較小，適用范圍有限，將其應(yīng)用于課堂教學(xué)時存在缺乏教學(xué)理念與教學(xué)模式、教師和學(xué)生對桌面VR系統(tǒng)操作不夠熟練、學(xué)校軟硬件設(shè)施配備不齊全等問題。本文初步探討桌面VR系統(tǒng)在高中地理情境教學(xué)中的應(yīng)用與實踐。

二、桌面VR系統(tǒng)運用于高中地理情境教學(xué)的實踐案例

本文以人教版高中地理必修第一冊第一章第四節(jié)“地球的圈層結(jié)構(gòu)”和第三章第一節(jié)“水循環(huán)”為例，探究桌面VR系統(tǒng)在高中地理情境教學(xué)中的運用。

（一）利用桌面VR系統(tǒng)演示水循環(huán)的過程

知識內(nèi)容分析：水循環(huán)過程的實質(zhì)是水的三種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過程，但從地理角度來看，其涉及多個圈層的物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)移。從空間上來看，水循環(huán)的范圍大至全球，小至局部地區(qū);從時間上來看，水循環(huán)既可以是長時期的狀態(tài)，也可以是短時段的狀況。其時空性特點十分突出。課標要求學(xué)生掌握水循環(huán)的環(huán)節(jié)，繪制出水循環(huán)過程示意圖，并分析人類活動會影響哪些環(huán)節(jié)。如何讓學(xué)生跳出時空局限，掌握水循環(huán)的過程，是課堂教學(xué)中的難點。

學(xué)情分析：學(xué)生在初中階段學(xué)習了“水資源”的初步知識，在高中地理必修第一冊第一章也學(xué)習了水圈的相關(guān)知識，這為本課內(nèi)容的學(xué)習打下了一定的基礎(chǔ)。但學(xué)生難以自主地將地理規(guī)律原理與個人經(jīng)驗相結(jié)合，對概念、理論的歸納能力較弱。

難點突破：教師運用桌面VR設(shè)備，讓學(xué)生與虛擬的水循環(huán)過程動態(tài)交互，并在大屏幕上呈現(xiàn)水循環(huán)的裸眼3D效果（見圖1），讓學(xué)生深入理解水循環(huán)的過程;運用桌面VR互動設(shè)備，讓學(xué)生親身體驗與虛擬世界動態(tài)交互的過程，通過增強現(xiàn)實攝像頭與大屏幕結(jié)合，實現(xiàn)裸眼3D的效果，立體展示水循環(huán)的過程，加深學(xué)生的視覺感受，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣和參與課堂的積極性（見圖2）。

（二）利用桌面VR系統(tǒng)展示地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)

知識內(nèi)容分析：地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)內(nèi)容出自高中地理必修第一冊第一章第四節(jié)“地球的圈層結(jié)構(gòu)”，該節(jié)主要包含地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)和地球的外部圈層結(jié)構(gòu)兩部分內(nèi)容。其教學(xué)目的在于讓學(xué)生從宏觀上了解地球的結(jié)構(gòu)，進而了解自然環(huán)境的組成。其中地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)是學(xué)生不能直接觀測到的，科學(xué)家主要通過對地震波的研究來了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)主要包含三大圈層，學(xué)生需了解內(nèi)部圈層的劃分依據(jù)、組成及各層特點。

學(xué)情分析：與學(xué)生所熟悉且和生活密切相關(guān)的地球外部各圈層相比，地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)稍顯抽象，學(xué)生也覺得比較陌生。該知識的學(xué)習需要學(xué)生具備較強的讀圖分析能力、空間建構(gòu)能力和抽象思維能力。若課堂教學(xué)手段僅有圖片展示、板書、板圖、板畫和教師引導(dǎo)，會導(dǎo)致學(xué)生課堂參與感弱、探究樂趣少，其學(xué)習過程最后可能會變成“走形式”的死記硬背。因此，教師在教學(xué)過程中要讓學(xué)生動腦動手，提高學(xué)生自主學(xué)習的能力，積極調(diào)動學(xué)生對知識進行理解、分析、判斷和運用。

難點突破：在讀了地震波傳播速度圖與地球內(nèi)部圈層劃分圖之后，學(xué)生基本掌握了地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劃分依據(jù)，然后教師運用桌面VR設(shè)備，呈現(xiàn)出地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)立體剖面圖（見圖3），幫助學(xué)生建構(gòu)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，使學(xué)生對其產(chǎn)生直觀且立體的認識。同時，學(xué)生可使用六自由度觸控追蹤感應(yīng)筆點擊每一個圈層或不連續(xù)面，旁邊就會出現(xiàn)對該內(nèi)容的簡要介紹，并且各圈層和兩個不連續(xù)面是可以通過六自由度觸控追蹤感應(yīng)筆點擊后剝離拆分的（見圖4）。學(xué)生與桌面VR設(shè)備的互動使原本抽象且與學(xué)生日常生活距離遙遠的知識變得更具趣味性。在一層層拆分的過程中，地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型變成了學(xué)生的玩具，學(xué)生帶著強烈的好奇心完成該部分內(nèi)容的學(xué)習。整個教學(xué)過程都是基于學(xué)生自主學(xué)習的，教師僅在學(xué)生完成學(xué)習后通過相關(guān)習題檢驗學(xué)生的自學(xué)成果，幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識。

（三）利用桌面VR系統(tǒng)探究內(nèi)外力作用對地表形態(tài)的影響

知識內(nèi)容分析：課標的相關(guān)要求是“結(jié)合實例，解釋內(nèi)力和外力對地表形態(tài)變化的影響”。內(nèi)力和外力的表現(xiàn)形式都較為抽象，而且教材上的活動內(nèi)容、教學(xué)案例距離學(xué)生的生活實際較遠，因此，在教學(xué)過程中，教師可以借助動畫、圖片、模型演示等方式讓學(xué)生形象直觀地認識內(nèi)外力作用的發(fā)生、發(fā)展及其對地表形態(tài)的塑造過程，選取更加貼近學(xué)生生活的案例輔助教學(xué)。如何有效地引導(dǎo)學(xué)生理解地表形態(tài)變化的原因以及內(nèi)力和外力作用的關(guān)系是本節(jié)的教學(xué)難點。

學(xué)情分析：通過對第一冊前三章的學(xué)習，學(xué)生初步了解了地球的圈層結(jié)構(gòu)，掌握了大氣圈、水圈、巖石圈的相關(guān)知識。學(xué)生在初中階段對地表形態(tài)已有初步了解，但對地表形態(tài)的成因知之甚少，且高一學(xué)生的空間想象能力、抽象思維能力等還處于進一步發(fā)展中，對抽象的地理過程性知識理解較為困難。借助桌面VR系統(tǒng)、地理模型演示等，可將抽象的地理過程可視化，幫助學(xué)生直觀地認識和理解內(nèi)力作用對地表形態(tài)的影響。

難點突破：教師運用桌面VR設(shè)備，讓學(xué)生與虛擬的內(nèi)力作用過程動態(tài)交互，并在大屏幕上呈現(xiàn)裸眼3D效果，讓學(xué)生親身體驗火山噴發(fā)（見圖5）、地殼水平運動、地殼垂直運動的過程，理解內(nèi)力作用對地表形態(tài)的塑造;運用桌面VR設(shè)備，讓學(xué)生親身體驗與虛擬世界的動態(tài)交互過程，通過增強現(xiàn)實攝像頭與顯示大屏幕結(jié)合，呈現(xiàn)裸眼3D的效果，動態(tài)展示外力作用形成地貌的過程，如新月形沙丘（見圖6）、河口三角洲、冰斗角峰等的形成過程，增強學(xué)生的視覺感受，促進學(xué)生領(lǐng)悟地理過程性事象的發(fā)生和發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的地理學(xué)習興趣和參與課堂的積極性。

三、關(guān)于桌面VR系統(tǒng)運用于高中地理情境教學(xué)的思考

（一）桌面VR系統(tǒng)能有效提升學(xué)生學(xué)習興趣與學(xué)習成效

桌面VR系統(tǒng)的三維呈現(xiàn)、直觀擬真化操作、無障礙互動等優(yōu)勢顛覆了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，拉近了學(xué)生與那些他們認為遙不可及的地理事象的距離。對學(xué)生而言，知識變得更加生動、立體，學(xué)習變得不再枯燥乏味。對教師而言，教學(xué)難點的突破也能輕松實現(xiàn)。學(xué)生在基于VR系統(tǒng)的情境教學(xué)中學(xué)習成效明顯提高。

（二）桌面VR系統(tǒng)適用點和適用范圍需進一步深入研究

雖然桌面VR系統(tǒng)教學(xué)資源豐富，但其中部分人文地理課題僅包括知識框圖和知識羅列，3D和2D觀看效果差別不大。3D桌面更加適用于自然地理的教學(xué)，可直觀、立體地呈現(xiàn)一般原理和規(guī)律，促進學(xué)生深入了解和思考。此外，并非所有學(xué)校都有條件配備與學(xué)生人數(shù)相等的桌面VR設(shè)備。若學(xué)校硬件設(shè)施條件有限，比如VR眼鏡數(shù)量有限，只能夠讓少部分學(xué)生觀看3D效果，則大部分學(xué)生的觀看效果與在一體機上觀看動畫的效果無異。基于實際情況，桌面VR系統(tǒng)或許更加適合學(xué)生小組合作探究活動，在引導(dǎo)學(xué)生自主思考、合作探究和個性化學(xué)習方面發(fā)揮更大的作用。

（三）基于桌面VR系統(tǒng)的地理情境教學(xué)的成功開展依賴于教師良好的教學(xué)設(shè)計能力

基于桌面VR系統(tǒng)，地理課堂可以采取多種教學(xué)模式，如“講授模式”“自主探究學(xué)習模式”“協(xié)作學(xué)習模式”等。無論采用哪一種教學(xué)模式，都應(yīng)體現(xiàn)設(shè)備的核心功能——交互功能。教師應(yīng)通過學(xué)習和實踐，不斷改進教學(xué)策略，優(yōu)化教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)活動的設(shè)計，對學(xué)生的學(xué)習基礎(chǔ)和學(xué)習能力進行準確分析，運用合理的教學(xué)方法、模式，開展交互活動設(shè)計、教學(xué)評價設(shè)計等。

總之，桌面VR系統(tǒng)在高中地理情境教學(xué)中的運用能充分體現(xiàn)其直觀、生動、交互性強的特點，并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，有效突破教學(xué)重難點。但是桌面VR系統(tǒng)對學(xué)校的硬件設(shè)施有較高的要求，要實現(xiàn)技術(shù)和資源普及還有待時日。教師應(yīng)提早了解和掌握這一新信息技術(shù)手段，在教育信息化的發(fā)展改革中不斷提升自己的能力和素養(yǎng)。

（責任編輯 周侯辰）

[基金項目]本文系甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度重點課題“基于提升學(xué)科核心素養(yǎng)的高中地理學(xué)科基地建設(shè)研究——以甘肅省普通高中地理學(xué)科基地為例”（課題立項號：GS[2020]GHBZ130）的階段性研究成果之一。