基于地理實(shí)踐力培養(yǎng)的高中地理AR沙盤教學(xué)研究

作者簡介：張輝（1982—），男，甘肅省張掖市實(shí)驗(yàn)中學(xué)。

根據(jù)《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對(duì)地理實(shí)踐力培養(yǎng)的綱領(lǐng)性要求，地理課程改革進(jìn)入從“知識(shí)傳輸”向“素養(yǎng)建構(gòu)”的范式轉(zhuǎn)換階段。在此背景下，AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）沙盤技術(shù)為破解地理實(shí)踐力培養(yǎng)的“去情境化”困境提供了創(chuàng)新性技術(shù)路徑。作為地理學(xué)科核心素養(yǎng)的具象化表征，地理實(shí)踐力包含空間定位、地理實(shí)驗(yàn)、決策推演等多元能力維度，其要求學(xué)習(xí)者在真實(shí)或擬真情境中完成“觀察一建模一預(yù)測\"的完整認(rèn)知循環(huán)。

一、地理實(shí)踐力的培養(yǎng)需求

地理實(shí)踐力是地理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生在真實(shí)情境中通過觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查和協(xié)作等方式解決地理問題的能力，要求學(xué)生在自然或社會(huì)真實(shí)場景中探究地理現(xiàn)象，通過考察、實(shí)驗(yàn)和調(diào)查等地理實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)意志品質(zhì)和行動(dòng)能力，引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象觀察推導(dǎo)形成機(jī)制，最終思考如何處理現(xiàn)實(shí)問題。

二、高中地理AR沙盤教學(xué)的必要性分析

（一）解決現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)性難題的需要

傳統(tǒng)的高中地理教學(xué)模式長期面臨三個(gè)結(jié)構(gòu)性難題。一是空間可視化維度缺失問題。現(xiàn)行教材依賴的二維平面圖與靜態(tài)物理模型，難以準(zhǔn)確表征復(fù)雜地理空間特征（如喀斯特溶洞的垂向分層結(jié)構(gòu)、冰川槽谷的U型橫剖面特征等），導(dǎo)致學(xué)生普遍存在空間認(rèn)知失真現(xiàn)象。二是動(dòng)態(tài)演化過程的教學(xué)呈現(xiàn)存在方法論缺陷。比如，對(duì)于沖積平原的階段性沉積過程、沙丘遷移的動(dòng)力學(xué)機(jī)制等地貌演變規(guī)律，現(xiàn)有簡化的流程示意圖和碎片化視頻資源既缺乏多參數(shù)交互調(diào)節(jié)功能，也無法實(shí)現(xiàn)過程階段的可控分解，嚴(yán)重制約學(xué)生對(duì)地質(zhì)時(shí)間尺度的因果鏈建構(gòu)能力。三是地質(zhì)構(gòu)造的抽象原理存在具象轉(zhuǎn)化瓶頸。比如，在教學(xué)“向斜成山、背斜成谷”等悖論式地貌現(xiàn)象時(shí)，若過度依賴語言描述和抽象想象，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷顯著增加。

（二）AR沙盤的優(yōu)勢

AR沙盤的介入為破解上述結(jié)構(gòu)性難題提供了技術(shù)范式創(chuàng)新。在空間解構(gòu)維度，AR沙盤支持學(xué)生以手勢交互實(shí)時(shí)解譯沖積扇沉積層的空間異質(zhì)性，或動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水文參數(shù)觀察地貌響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)控制變量法的數(shù)字化延伸。在過程認(rèn)知層面，AR沙盤可構(gòu)建沉浸式地質(zhì)演變場景，學(xué)生既能以第一視角觀測雅丹地貌的風(fēng)蝕速率隨氣象參數(shù)變化，也可通過時(shí)空壓縮技術(shù)追溯喀斯特地下河系統(tǒng)的發(fā)育歷程，從而構(gòu)建四維時(shí)空框架下的地貌認(rèn)知體系。尤為關(guān)鍵的是，AR沙盤通過多模態(tài)感知融合（視覺立體建模、聲效模擬、觸覺力反饋交互）打破了傳統(tǒng)教學(xué)的感官壁壘，使學(xué)生能夠形成建立跨尺度的知識(shí)聯(lián)結(jié)。

三、AR沙盤教學(xué)實(shí)踐研究—以“地球表面形態(tài)”為例

湘教版高中地理必修第一冊第二章“地球表面形態(tài)”以地貌類型為知識(shí)主線，其內(nèi)容結(jié)構(gòu)與AR沙盤的技術(shù)特性具有高度契合性。在流水地貌章節(jié)中，教材重點(diǎn)闡述侵蝕地貌（如長江三峽）與堆積地貌（如河口三角洲）的形態(tài)差異及形成過程，但靜態(tài)剖面圖難以呈現(xiàn)水動(dòng)力與沉積物運(yùn)移的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，而AR沙盤可通過流體力學(xué)模擬實(shí)現(xiàn)“侵蝕一搬運(yùn)一沉積”全過程的可視化交互。風(fēng)成地貌部分涉及新月形沙丘移動(dòng)規(guī)律與防治措施，傳統(tǒng)課堂依賴風(fēng)向箭頭圖示，而AR沙盤可構(gòu)建虛擬風(fēng)洞環(huán)境，實(shí)時(shí)展示沙粒躍移軌跡與沙丘形態(tài)隨風(fēng)向變化的響應(yīng)機(jī)制?？λ固氐孛舱鹿?jié)需解析地下河系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)，教材僅以平面示意圖表現(xiàn)溶洞與地表峰叢的關(guān)系，而AR沙盤能突破視覺局限，實(shí)現(xiàn)“地上一地下”三維空間耦合演示[2]。

（一）流水地貌

本節(jié)課程緊密圍繞《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對(duì)地理實(shí)踐力的培養(yǎng)要求，以AR沙盤為核心載體，構(gòu)建長江三峽與河口三角洲的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的地理觀察、實(shí)驗(yàn)探究、決策優(yōu)化等實(shí)踐能力。課程初始階段，學(xué)生通過操作AR沙盤實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，在疊加歷史地圖與現(xiàn)狀岸線圖層后，運(yùn)用手勢測量工具對(duì)長江河口陸海邊界進(jìn)行空間定位與動(dòng)態(tài)分析，測得50年間平均退縮距離約為2.3公里。這一過程旨在訓(xùn)練學(xué)生對(duì)地理要素時(shí)空演變規(guī)律的量化分析能力，通過色階標(biāo)注技術(shù)對(duì)三角洲沉積帶的粗砂（橙色標(biāo)識(shí)）與細(xì)泥（藍(lán)色標(biāo)識(shí)）的可視化識(shí)別，使學(xué)生掌握沉積物粒度分布與沉積環(huán)境判讀的基本調(diào)查方法。

在實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)，教師可采用分組對(duì)照的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架培養(yǎng)學(xué)生的變量控制能力。例如，A組學(xué)生通過調(diào)節(jié)流量滑塊參數(shù)，實(shí)時(shí)觀測AR沙盤模擬的河床下切速率變化，進(jìn)而歸納流水侵蝕強(qiáng)度與水文參數(shù)之間的非線性關(guān)系；B組學(xué)生則通過調(diào)節(jié)輸沙量，利用三角洲海岸線動(dòng)態(tài)退縮模型，結(jié)合衛(wèi)星影像時(shí)序?qū)Ρ?，分析沉積物通量衰減對(duì)地貌演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。兩組實(shí)驗(yàn)通過時(shí)空尺度壓縮技術(shù)，將地質(zhì)時(shí)間尺度的地貌演化過程轉(zhuǎn)化為可觀測、可調(diào)控的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有效突破了傳統(tǒng)地理實(shí)驗(yàn)的時(shí)空局限性。

決策優(yōu)化能力的培養(yǎng)體現(xiàn)在人地關(guān)系模擬環(huán)節(jié)。學(xué)生基于AR沙盤生成的三峽大壩建設(shè)前后生態(tài)數(shù)據(jù)，通過拖拽“候鳥”圖標(biāo)至濕地萎縮區(qū)，獲取棲息地適宜性指數(shù)曲線，并組合調(diào)水調(diào)沙參數(shù)設(shè)計(jì)治理方案。在角色扮演實(shí)踐中，工程師組依據(jù)AR沙盤的結(jié)果，預(yù)測三角洲淤進(jìn)速率與航道淤積風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用空間規(guī)劃原理標(biāo)注最優(yōu)沖沙點(diǎn)位；生態(tài)組則采用生態(tài)紅線劃定技術(shù)圈定核心保護(hù)區(qū)。最后，全班學(xué)生通過多目標(biāo)決策模擬平臺(tái)，對(duì)方案實(shí)施后的綜合效應(yīng)進(jìn)行量化評(píng)估。這一過程旨在訓(xùn)練學(xué)生在復(fù)雜系統(tǒng)中協(xié)調(diào)生態(tài)保護(hù)與工程效益的決策能力。

教師可將地理實(shí)踐力分解為可觀測、可評(píng)估的操作性指標(biāo)，使核心素養(yǎng)培養(yǎng)從理論層面有效轉(zhuǎn)化為具象化的教學(xué)行為，為新課標(biāo)倡導(dǎo)的“做中學(xué)”與“用中學(xué)”提供可推廣的實(shí)施范式。例如，在遷移應(yīng)用環(huán)節(jié)，學(xué)生導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)至家鄉(xiāng)河流模板和繪制河道，輸入近5年雨季降水量參數(shù)，使用預(yù)測功能觀察AR沙盤中的側(cè)蝕紅色預(yù)警區(qū)。然后使用虛擬工程工具包設(shè)計(jì)防護(hù)方案，選擇“拋石護(hù)岸”圖標(biāo)覆蓋高風(fēng)險(xiǎn)段，計(jì)算工程成本與防護(hù)效能比值，生成優(yōu)先實(shí)施區(qū)建議圖。全程通過手勢交互、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)彈窗與多色預(yù)警圖層，將V型谷侵蝕機(jī)制、三角洲沉積平衡、人地系統(tǒng)調(diào)控等抽象概念轉(zhuǎn)化為具象任務(wù)，幫助學(xué)生建立“空間結(jié)構(gòu)解析一動(dòng)力過程推演一治理決策優(yōu)化”的進(jìn)階思維體系[3]。

（二）風(fēng)成地貌

本節(jié)課程緊扣地理實(shí)踐力核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，通過AR沙盤構(gòu)建虛實(shí)融合的探究場景，系統(tǒng)性訓(xùn)練學(xué)生在風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)觀測、實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)控與生態(tài)工程決策等維度的實(shí)踐能力。課程以庫布齊沙漠公路沙丘掩埋實(shí)景圖為問題情境導(dǎo)入，引導(dǎo)學(xué)生思考風(fēng)沙遷移規(guī)律與人類干預(yù)的關(guān)聯(lián)性。學(xué)生佩戴AR眼鏡進(jìn)入虛擬沙漠環(huán)境后，首先開展空間動(dòng)態(tài)觀測實(shí)踐，通過手勢繪制工具精準(zhǔn)標(biāo)定沙丘脊線，AR沙盤實(shí)時(shí)生成三維流場模型，熱力圖層顯示迎風(fēng)坡輸沙通量達(dá)到背風(fēng)坡的差異，同步觸發(fā)風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)反饋，量化驗(yàn)證背風(fēng)坡渦旋區(qū)風(fēng)速衰減的流體力學(xué)特征。當(dāng)學(xué)生操作風(fēng)向調(diào)節(jié)面板將主導(dǎo)風(fēng)由西北風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)時(shí)，AR沙盤啟動(dòng)時(shí)空壓縮模擬程序，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)新月形沙丘重構(gòu)為縱向沙壟的過程，直觀揭示風(fēng)力方向與地貌響應(yīng)的動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)。

在工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生分組開展梯度化對(duì)比實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)變量控制能力。實(shí)驗(yàn)組通過虛擬草方格沙障的鋪設(shè)密度調(diào)控，觀測近地表風(fēng)速的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)合AR沙盤生成的年移動(dòng)距離數(shù)據(jù)，定量分析防沙工程效益與生態(tài)成本的閾值關(guān)系。角色扮演實(shí)踐中，學(xué)生分飾治沙工程師、環(huán)保志愿者與牧民代表三類利益相關(guān)方，基于AR沙盤推演的固沙效率曲線、風(fēng)速抑制數(shù)據(jù)和牧場退化模擬結(jié)果，開展方案論證，通過權(quán)重賦值法平衡工程效益與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展需求。

課后拓展環(huán)節(jié)銜接區(qū)域地理實(shí)踐要求，學(xué)生在AR沙盤載入?yún)^(qū)域數(shù)字模型，導(dǎo)入近十年氣象數(shù)據(jù)集后，通過手勢劃定周邊敏感區(qū)域。系統(tǒng)基于起沙風(fēng)閥值自動(dòng)標(biāo)注潛在沙源區(qū)，學(xué)生拖動(dòng)季風(fēng)方向箭頭，模擬不同季節(jié)的輸沙路徑?；贏R沙盤預(yù)測的植被覆蓋動(dòng)態(tài)，學(xué)生設(shè)計(jì)分級(jí)響應(yīng)方案，如橙色預(yù)警階段啟動(dòng)灌木補(bǔ)種預(yù)案，紅色預(yù)警階段聯(lián)動(dòng)市政部門實(shí)施機(jī)械固沙工程。全課程通過“現(xiàn)象觀測一機(jī)理探究一方案設(shè)計(jì)一效果驗(yàn)證”的實(shí)踐鏈條，將風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)理論轉(zhuǎn)化為可操作的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在參數(shù)調(diào)控、空間分析、決策優(yōu)化等實(shí)踐中達(dá)成地理實(shí)踐力的進(jìn)階發(fā)展[4]。

（三）喀斯特地貌

本節(jié)課程以培養(yǎng)學(xué)生地理實(shí)踐力為核心目標(biāo)，依托AR沙盤構(gòu)建桂林峰林溶洞系統(tǒng)的沉浸式探究場景，系統(tǒng)設(shè)計(jì)從現(xiàn)象觀測到工程決策的完整實(shí)踐鏈條。課程一開始，通過蘆笛巖鐘乳石斷裂事故的視頻創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注地下空間的穩(wěn)定性問題。學(xué)生操作AR沙盤加載桂林峰林實(shí)景模型后，開展虛擬地質(zhì)勘探實(shí)踐，通過手勢逐層剝離石灰?guī)r層觀測石筍橫切面的樹輪狀生長紋，結(jié)合光譜分析數(shù)據(jù)建立沉積紋層與氣候要素的關(guān)聯(lián)認(rèn)知。

在形成機(jī)制探究階段，學(xué)生可以通過參數(shù)調(diào)控實(shí)驗(yàn)深化過程認(rèn)知。例如，學(xué)生向虛擬巖層注入pH值為5.6的酸性水流后，根據(jù)AR沙盤實(shí)時(shí)生成的溶蝕速率曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂隙間距從50厘米縮減至10厘米時(shí)，溶洞橫向擴(kuò)展速度從4厘米/年激增至16厘米/年，由此歸納巖體結(jié)構(gòu)對(duì)溶蝕強(qiáng)度的控制機(jī)制。在探究人類活動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以設(shè)置旅游開發(fā)場景，觀測石筍生長速率變化情況，通過虛擬傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力云圖識(shí)別洞頂坍塌高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，培養(yǎng)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警與空間分析能力。在分組實(shí)踐中，學(xué)生扮演地質(zhì)勘探隊(duì)開展工程決策實(shí)踐?；贏R沙盤模擬數(shù)據(jù)劃定優(yōu)先加固區(qū)域，并設(shè)計(jì)游客分流方案，控制日接待人流量。此過程能培養(yǎng)學(xué)生權(quán)衡經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)保護(hù)的決策能力。在遷移應(yīng)用環(huán)節(jié)，學(xué)生可掃描校園地質(zhì)圖，疊加本地石灰?guī)r分布數(shù)據(jù)，通過AR沙盤識(shí)別地下水溶蝕活躍帶，評(píng)估教學(xué)樓地基潛蝕風(fēng)險(xiǎn)。

教學(xué)全程貫穿“現(xiàn)象觀測一機(jī)理解析一問題解決”的實(shí)踐閉環(huán)。學(xué)生通過地層穿透觀察訓(xùn)練空間透視與數(shù)據(jù)采集能力，借助參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)控掌握巖溶過程量化分析方法，利用風(fēng)險(xiǎn)可視化預(yù)警發(fā)展工程決策能力。AR沙盤將溶蝕動(dòng)力學(xué)、人類活動(dòng)干擾效應(yīng)等抽象理論轉(zhuǎn)化為可操作的探究任務(wù)，使地理實(shí)踐力培養(yǎng)深度融入“觀察工具使用一實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)一區(qū)域問題解決”全流程，切實(shí)達(dá)成“在真實(shí)情境中運(yùn)用地理工具解決復(fù)雜問題”的素養(yǎng)目標(biāo)[5]。

結(jié)語

綜上所述，以地理實(shí)踐力培養(yǎng)為導(dǎo)向的高中地理教學(xué)，可運(yùn)用AR沙盤建構(gòu)地理教學(xué)實(shí)踐框架，利用三維可視化呈現(xiàn)、動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)控、多角色決策模擬等功能，破解傳統(tǒng)地理教學(xué)困境，將抽象空間概念轉(zhuǎn)化為可交互的立體模型，顯著提升學(xué)生空間認(rèn)知精度；通過時(shí)空壓縮模擬，使地貌變化過程具象為可觀測的分鐘級(jí)實(shí)驗(yàn)，助力學(xué)生建立完整的地質(zhì)過程因果鏈；創(chuàng)設(shè)工程師、生態(tài)學(xué)家等多主體決策場景，將人地協(xié)調(diào)觀具體轉(zhuǎn)化為可操作的工程方案比選任務(wù)與生態(tài)閾值論證任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生形成系統(tǒng)思維與可持續(xù)發(fā)展理念。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張靜銘.淺談地理教學(xué)中教具的創(chuàng)造性應(yīng)用與地理實(shí)踐力培養(yǎng)［J］.中學(xué)地理教學(xué)參考，2019（20）：10-12.

[2]龔正權(quán)，劉梅英，饒青瑩，等.融合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地理探究實(shí)踐活動(dòng)：以AR地理沙盤輔助地理模型制作為例［J］，地理教學(xué)，2025（2）：57-59.

[3]龍富霖，周忠發(fā)，劉智慧.基于AR的高中地理教學(xué)研究：以區(qū)域整體性為例［J］.中學(xué)地理教學(xué)參考，2023（17）：54-58.

[4]季節(jié)，周侗，李玉潔.AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理教學(xué)研究：以AR中學(xué)地球儀手機(jī)APP為例[J].中國教育技術(shù)裝備，2021（18）：32-37.

[5]隋愛華.基于AR沙盤的高中地理教學(xué)案例研究：以“水庫大壩的選址”為例［J］.中學(xué)地理教學(xué)參考，2020（16）：75-76.