具身認知視域下利用3D GIS技術(shù)賦能高中地理教學的實踐探究

李星玉 周忠發(fā) 劉智慧 黃登紅

摘 要：在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，借助地理信息技術(shù)提升學生的地理空間能力和地理實踐力，成為地理學科教學的重要趨勢。針對傳統(tǒng)地理課堂教學中地理實踐力培養(yǎng)落實難，野外觀察存在經(jīng)濟成本高、安全隱患、難以觀察全貌等問題，3D GIS技術(shù)為地理課堂教學提供了具身的教學方法和手段。本文從具身認知理論出發(fā)，闡明3D GIS技術(shù)賦能“地貌的觀察”適切性的基礎(chǔ)上，在案例設計中具體說明3D GIS技術(shù)開發(fā)教學資源的步驟及在地理課堂教學中的應用，為地理實踐力的落實以及師生地理信息素養(yǎng)的提升提供參考。

關(guān)鍵詞：3D GIS；具身認知；“地貌的觀察”；地理實踐力

中圖分類號：G633.55? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-5207（2024）08-0047-05

《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，要創(chuàng)新培育地理學科核心素養(yǎng)的學習方式，充分利用地理信息技術(shù)營造直觀、實時、生動的地理教學環(huán)境。地理實踐力是地理教學需要培育的地理學科核心素養(yǎng)之一。但傳統(tǒng)的地理教學存在地理實踐力培養(yǎng)落實難，野外地貌觀察經(jīng)濟成本高、安全隱患大、難以觀察全貌等問題。3D GIS技術(shù)的發(fā)展和以傾斜測量為代表的三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式的創(chuàng)新［1］，為地理教學提供了新的變革思路。具身認知理論認為學習是全身心參與的過程［2］。人與技術(shù)具身關(guān)系的普遍存在，推動了教育領(lǐng)域的具身轉(zhuǎn)向［3］。教學也從原來的認知參與逐漸變?yōu)榫呱韰⑴c［4］。具身的學習環(huán)境對于主體的在場來說具有基礎(chǔ)性的意義，用具身技術(shù)營造的學習環(huán)境，為學習者的在場體驗提供了潛在可能［5］，同時也為教育回歸生活世界提供了一種實踐路徑［6］?；诖?，本文嘗試從具身認知理論出發(fā)，將基于無人機傾斜攝影技術(shù)采集的虛擬場景資源，結(jié)合3D GIS技術(shù)應用于“地貌的觀察”教學中。

一、3D GIS技術(shù)賦能“地貌的觀察”的適切性

“地貌的觀察”是人教版必修一第四章的第二節(jié)，課標要求是“通過野外觀察或運用視頻、圖像，識別3～4種地貌，描述其景觀的主要特點?！北緱l課標凸顯了地理實踐力的培養(yǎng)，要求教師通過直觀的形式幫助學生對當?shù)氐孛策M行觀察。行為動詞為“描述”與“識別”，以對地貌景觀的特征形態(tài)和物質(zhì)組成描述為主［7］。

地理信息技術(shù)的可視化，為學生地理核心素養(yǎng)的培育提供了新方法［8］。利用3D GIS技術(shù)空間信息展示更為直觀，具備真實地反映地物實際情況和將抽象的地形地貌知識生動地在教學情境中直觀呈現(xiàn)的優(yōu)勢［9］，為學生的在場體驗提供了可能。對地貌進行深度觀察的前提是將其置于區(qū)域背景之中，從宏觀的角度全面認知地貌［10］。3D GIS技術(shù)在“地貌的觀察”這節(jié)課的運用不僅可以通過數(shù)字地球?qū)⒌孛驳挠^察立足于區(qū)域背景之下，還可以通過構(gòu)建本土的三維地貌模型還原學生生活中的地貌場景，結(jié)合VR、MR等技術(shù)為學生創(chuàng)設具身的虛擬地理實踐環(huán)境，使學生可以在室內(nèi)觀察真實還原的虛擬地貌景觀，對地貌進行觀測等實踐活動。生動逼真的地貌情境為個體的具身體驗創(chuàng)造了條件，有助于提升學生對地貌觀察的臨場感，同時學生可以從宏觀的角度對地貌進行感知，這可以促進學生對地貌進行深入的觀察，一定程度上避免了野外地貌觀察帶來的安全隱患以及管理成本大、難以觀測全貌的問題。應用3D GIS技術(shù)于“地貌的觀察”教學符合課標對地理實踐力的培育以及對地貌進行描述和識別的要求。

二、具身認知視域下利用3D GIS技術(shù)賦能“地貌的觀察”教學設計

1.前端分析

基于具身認知理論，依據(jù)“地貌的觀察”課標要求，選取位于貴州省畢節(jié)市大方與納雍兩縣交界處的九洞天風景區(qū)作為案例地。該地是學生熟悉的真實地理空間，為喚醒學生多重感官體驗、調(diào)動生活經(jīng)驗奠定基礎(chǔ)。此處地貌復雜多樣，有較為典型的山脊、山谷、陡崖等微觀地貌，符合課標中對地貌進行識別的要求。雖然學生對于身邊的地貌比較熟悉，但由于區(qū)域時空的限制，導致對地貌認識的深度有局限［11］。應用3D GIS技術(shù)還原家鄉(xiāng)地貌，構(gòu)造具身學習環(huán)境，讓學生在具身環(huán)境中利用地理信息工具對地貌進行沉浸觀察，有利于學生對地貌的深度學習。

（1）學情分析

學生在初中已經(jīng)學習世界的地形，且在高中階段學習了常見的地貌類型知識，為進行地貌的觀察奠定了知識基礎(chǔ)。高中一年級學生具備一定信息技術(shù)素養(yǎng)且具有較強的好奇心以及求知欲，對新穎的技術(shù)和工具比較感興趣，通過引入畢節(jié)九洞天風景區(qū)真實案例進行虛擬地理實踐，運用3D GIS技術(shù)以及創(chuàng)造性的制作三維地形等高線圖的學習活動可以激發(fā)他們的學習興趣和主動性，增強其內(nèi)在學習動機，促進有意義的學習。

（2）教學目標

依據(jù)學情分析及課標要求，預設教學目標如表1所示。

2.設計思路

設計以具身認知理論為指導，應用具身的3D GIS技術(shù)構(gòu)建生活中的地貌情境，為調(diào)動學生的生活經(jīng)驗奠定基礎(chǔ)。整堂課在3D GIS技術(shù)支持下的真實地貌情境中展開，學生在創(chuàng)設的真實地貌情境中，借助3D GIS技術(shù)和工具對地貌進行感知，將具身體驗轉(zhuǎn)換為知識。依循“地貌識別”“地貌探秘”“地貌考察”“地貌探尋”四個任務驅(qū)動教學實踐活動開展，設計思路如圖1所示。

3.利用3D GIS技術(shù)，開發(fā)具身資源

（1）軟件準備

Pix4D Mapper、Surfer、LocaSpace Viewer和SView軟件。軟件簡介與本節(jié)課教學應用如表2所示。

（2）利用Pix4D Mapper構(gòu)造九洞天三維地貌模型

打開Pix4D Mapper軟件創(chuàng)建新項目并命名；將無人機拍攝的九洞天的傾斜攝影照片，添加到新項目中并設置好圖片屬性；選擇輸出坐標系，最后處理選項模板選擇“3D Models”，在本地處理勾選“初始化處理”“點云和紋理”以及“DSM，正射影像和指數(shù)”。點擊開始，等待軟件自動處理完畢后勾選“空三射線”，即可根據(jù)拍攝到的九洞天傾斜攝影照片自動生成近似實景的三維模型（圖2）。

利用無人機采集的傾斜影像可以獲取更全面的地物紋理細節(jié)，能夠真實地反映地物的實際情況，模型放大細節(jié)如圖3所示，為學生創(chuàng)設真實的具身教學環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

選中三角紋理下的“Mesh”右鍵選擇“導出紋理”即可導出.obj、.fbx等多種格式的文件。.obj格式的文件可直接導入SView軟件實現(xiàn)測量、觀察、MR混合現(xiàn)實等具身交互操作，如圖4所示，為學生對地貌進行觀察等具身交互操作提供支持。

（3）利用Surfer制作三維等值線模型

首先在LocaSpace Viewer軟件中選擇“數(shù)據(jù)提取”“提取數(shù)據(jù)高程點”，選擇“繪制面”工具，然后在所需區(qū)域繪制一個面，以覆蓋制作三維等值線圖的范圍，選擇“基于場景地形提取”，并將采樣間距設置為“10米”點擊“開始提取”如圖5所示，即可獲得案例地的高程點數(shù)據(jù)。

打開Surfer軟件，選擇“圖形向?qū)А痹谶x擇文件一欄中打開下載好的高程點數(shù)據(jù)，選擇“下一個”勾選“等值線圖”及“3D Surface”選擇“下一個”然后點擊“結(jié)束”即可得到研究區(qū)的三維地形等高線圖，在對象管理器處勾選“比色刻度尺”，然后在屬性管理器處對兩幅圖進行變換顏色等細節(jié)調(diào)整的操作，最后對圖中元素進行排版布局，即可得到一副三維地形等高線圖，如圖6所示。地貌模型制作需要動手實踐，能讓學生深入感知地貌形態(tài)，培養(yǎng)學生的空間想象能力［12］。

4.教學過程

教學過程如表3所示。

5.開展多元評價

教學評價是開展教學實踐必不可少的一環(huán)，它能夠檢驗學生學習效果，為教師改進教學質(zhì)量和提升教學水平提供支持。依據(jù)課堂實踐任務，設計評價量表如表4所示，采取生生互評、教師評價以及學生自評等多元評價方式。

三、結(jié)語

3D GIS技術(shù)的應用為地理教育注入了新的活力，與傳統(tǒng)的地理課堂教學相比，應用3D GIS技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真的地貌模型，為學生還原了生活中真實的地貌情境，打破了地理課堂的時空局限，為地理教育回歸生活以及地理實踐力的培育提供了新的路徑和形式。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，3D GIS技術(shù)的進步將進一步推動地理課堂教學形式和學生學習方式的變革，促進教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為地理教育高質(zhì)量發(fā)展提供廣闊空間。

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