地理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用探究

陳嘉欣

隨著《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的推行、《關(guān)于實(shí)施全國(guó)中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0的意見(jiàn)》《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》等一系列文件的出臺(tái)，教學(xué)方式的創(chuàng)新、教師信息技術(shù)應(yīng)用能力的提升成為了地理教學(xué)中探討的熱點(diǎn)。現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展有利于改變傳統(tǒng)地理教學(xué)模式，突破環(huán)境及儀器設(shè)備等因素的限制，提高地理教學(xué)質(zhì)量。近年來(lái)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為地理教學(xué)中的熱門技術(shù)。應(yīng)用于教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以虛擬仿真技術(shù)為依托，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和認(rèn)知對(duì)象，使學(xué)生在這一過(guò)程中學(xué)習(xí)新知、培養(yǎng)實(shí)踐力的模擬仿真實(shí)驗(yàn)。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在地理教學(xué)的應(yīng)用價(jià)值

1.降低知識(shí)抽象難度，提高教學(xué)效果

根據(jù)戴爾的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論，教學(xué)活動(dòng)應(yīng)從具體經(jīng)驗(yàn)入手，逐步進(jìn)入抽象經(jīng)驗(yàn)，便于學(xué)生理解和接受所學(xué)知識(shí)，降低學(xué)習(xí)難度。高中地理所學(xué)的知識(shí)中涉及大量抽象的地理現(xiàn)象和過(guò)程，許多地理現(xiàn)象具備空間廣闊性大、時(shí)間廣延性長(zhǎng)、不可見(jiàn)等學(xué)科特殊性，如大尺度的天氣現(xiàn)象等;加之傳統(tǒng)的地理課堂實(shí)驗(yàn)往往過(guò)于局限，無(wú)法高度還原地理現(xiàn)象，從而導(dǎo)致教學(xué)效果實(shí)際上并沒(méi)有得到顯著的提高。而虛擬仿真技術(shù)沉浸式的特點(diǎn)，其所創(chuàng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境具有物理、環(huán)境和行為的真實(shí)感，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。如此一來(lái)，抽象知識(shí)具象化，使學(xué)生對(duì)難以全面觀察的地理現(xiàn)象有具體的認(rèn)識(shí)，也為實(shí)驗(yàn)后知識(shí)的總結(jié)概括創(chuàng)造了條件。

2.創(chuàng)新培育地理學(xué)科核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)方式

隨著“地理學(xué)科核心素養(yǎng)”的提出，如何創(chuàng)新地理學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生地理核心素養(yǎng)儼然已成為地理教學(xué)的熱點(diǎn)話題。而深入鉆研地理學(xué)科核心素養(yǎng)，不難發(fā)現(xiàn)，人地協(xié)調(diào)觀、綜合思維、區(qū)域認(rèn)知和地理實(shí)踐力是相互聯(lián)系的有機(jī)整體，都離不開(kāi)學(xué)生空間智能的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可營(yíng)造直觀、生動(dòng)的地理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力，創(chuàng)新地理教學(xué)方式;而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)交互性，使學(xué)生可自行對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制，且機(jī)器能夠?qū)θ说牟僮鹘o與實(shí)時(shí)反應(yīng)，因此可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生地理實(shí)踐力，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

3.實(shí)現(xiàn)資源共享，促進(jìn)教學(xué)平等

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)造價(jià)較高，對(duì)于經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的中學(xué)，目前開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有較大困難。但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)2D版本進(jìn)行直觀演示型操作，因此借助普通的計(jì)算機(jī)便可以完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的有效共享。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程

目前，我國(guó)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還處于探索階段，通過(guò)筆者與設(shè)計(jì)研發(fā)工程師溝通，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，歸納整理出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程。

1.實(shí)驗(yàn)選題分析

教師應(yīng)根據(jù)地理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和特征、地理課程標(biāo)準(zhǔn)和所要達(dá)到的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平，綜合考慮學(xué)生對(duì)虛擬地理實(shí)驗(yàn)的需求，分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的必要性、適用性、可行性。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）細(xì)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟。確定制作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，教師應(yīng)根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，明確所設(shè)計(jì)地理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模O(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，確定虛擬仿真實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的方式。以“鋒與天氣”為例，教師應(yīng)該考慮，實(shí)驗(yàn)的總體教學(xué)流程、實(shí)驗(yàn)需展示天氣過(guò)程的種類（冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒），每個(gè)天氣過(guò)程該如何呈現(xiàn)（過(guò)境前、過(guò)境時(shí)、過(guò)境后）、關(guān)鍵的過(guò)程節(jié)點(diǎn)中，界面是否需要顯示知識(shí)點(diǎn)和設(shè)置問(wèn)題等。

（2）實(shí)驗(yàn)的美工。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最終是以圖像的形式呈現(xiàn)，即需要將實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的地理現(xiàn)象、地理原理、地理過(guò)程等知識(shí)具象化。實(shí)驗(yàn)?zāi)_本應(yīng)盡可能文本化、細(xì)節(jié)化、數(shù)據(jù)化、圖像化。教師在整理完實(shí)驗(yàn)所需要設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)后，需要搜索地理事物的外觀、物理特性和運(yùn)動(dòng)等相關(guān)數(shù)據(jù)，分析要呈現(xiàn)的地理事物的幾何特征、物理特征和運(yùn)動(dòng)特征，通過(guò)參考教材、科普雜志、學(xué)術(shù)期刊等形式，再構(gòu)建相關(guān)模型、背景配色等。以“鋒與天氣”為例，教師應(yīng)考慮氣團(tuán)的大小和呈現(xiàn)形式、鋒的運(yùn)動(dòng)速度、界面的背景等。（該部分涉及到建模，教師可與研發(fā)工程師合作完成）

（3）實(shí)驗(yàn)的編程。實(shí)驗(yàn)的編程部分即實(shí)驗(yàn)程序開(kāi)發(fā)，選擇實(shí)驗(yàn)軟件。軟件編程并非教師的強(qiáng)項(xiàng)，大部分教師從未涉及該領(lǐng)域，因此實(shí)驗(yàn)的編程可以以校企合作、教師協(xié)作的形式完成。此外，一些高校擁有完備的硬件設(shè)備和技術(shù)條件，將高校地理信息科學(xué)專業(yè)學(xué)生與中學(xué)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)反饋結(jié)合起來(lái)，完善實(shí)驗(yàn)的制作，因此軟件編程也可以通過(guò)中學(xué)與高校的合作完成。通過(guò)以上兩種形式，研發(fā)工程師利用代碼控制美工構(gòu)建的圖片或模型將地理事物及其運(yùn)動(dòng)變化的工作機(jī)理呈現(xiàn)出來(lái)。在制作的過(guò)程中，教師和研發(fā)工程師溝通，共同制作在實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)的文本化內(nèi)容、音頻內(nèi)容等，使虛擬實(shí)驗(yàn)更加貼近教學(xué)需求。同時(shí)，學(xué)校教師可以學(xué)習(xí)和掌握實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（4）實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用、評(píng)價(jià)與完善。初步開(kāi)發(fā)出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后，教師將其在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用實(shí)證，進(jìn)行師生反饋評(píng)價(jià)，并根據(jù)反饋內(nèi)容進(jìn)行修改完善。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是優(yōu)化課堂教學(xué)的教輔工具，如何將其與地理課堂教學(xué)結(jié)合，切實(shí)地提高地理教學(xué)效果，是地理教師值得思考的問(wèn)題。筆者以高中地理“鋒與天氣”為例，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)部分的課堂教學(xué)。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

2017版新課標(biāo)對(duì)這部分內(nèi)容的要求是“分析鋒、低壓（氣旋）、高壓（反氣旋）等天氣系統(tǒng)，并運(yùn)用簡(jiǎn)易天氣圖，解釋常見(jiàn)天氣現(xiàn)象的成因。”這就要求學(xué)生掌握冷鋒、暖鋒以及準(zhǔn)靜止鋒的活動(dòng)規(guī)律及天氣特征，并能夠解釋生活當(dāng)中天氣現(xiàn)象的成因。而“鋒與天氣”是大尺度范圍的天氣現(xiàn)象，學(xué)生無(wú)法從現(xiàn)實(shí)生活中直觀地觀察該天氣現(xiàn)象的總體過(guò)程;現(xiàn)行教材主要是以圖片和文字的形式展開(kāi)教學(xué)，憑借高中一年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知水平，學(xué)生難以根據(jù)抽象的文字和圖片在腦海里構(gòu)建該天氣過(guò)程，所以“鋒與天氣”無(wú)疑也是教學(xué)難點(diǎn)。為引導(dǎo)學(xué)生重視對(duì)本課的學(xué)習(xí)，筆者建議以課本與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的形式展開(kāi)教學(xué)。氣團(tuán)和鋒等概念方面的學(xué)習(xí)以課本教學(xué)為主，設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要展示“冷鋒天氣”“暖鋒天氣”“準(zhǔn)靜止鋒天氣”“錮囚鋒天氣”的運(yùn)動(dòng)過(guò)程部分。其中前三種天氣類型為必須掌握內(nèi)容，“錮囚鋒天氣”為拓展內(nèi)容。筆者將以“暖鋒天氣”的教學(xué)為例，展示實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)準(zhǔn)備

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要在多媒體教室進(jìn)行，教師應(yīng)提前聯(lián)系預(yù)約多媒體教師，并將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共享到學(xué)生機(jī)。

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

（1）在講授完氣團(tuán)和鋒的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后，教師打開(kāi)“鋒面天氣實(shí)驗(yàn)”主界面，該界面以野外自然大氣景觀為背景，出現(xiàn)“冷鋒天氣”“暖鋒天氣”“準(zhǔn)靜止鋒天氣”“錮囚鋒天氣”四個(gè)動(dòng)作按鈕。

（2）教師用鼠標(biāo)左鍵單擊（以下簡(jiǎn)稱“左擊”）“暖鋒天氣”，在原界面的基礎(chǔ)上出現(xiàn)暖鋒天氣的概念及特征，教師簡(jiǎn)要和學(xué)生介紹“暖鋒”的相關(guān)知識(shí)。

（3）教師左擊屏幕下方的“Enter”按鈕進(jìn)入模擬暖鋒運(yùn)動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)界面，引導(dǎo)學(xué)生觀察冷暖氣團(tuán)的相對(duì)位置和形態(tài)特征。

（4）教師左擊界面下方“開(kāi)始”按鈕，將出現(xiàn)暖鋒運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程。其中，在暖鋒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中屏幕會(huì)在對(duì)應(yīng)的過(guò)程彈出關(guān)于暖鋒過(guò)境前、過(guò)境時(shí)、過(guò)境后天氣變化的問(wèn)題欄，需回答出問(wèn)題欄的問(wèn)題，暖鋒才會(huì)“繼續(xù)”運(yùn)動(dòng)。例如：在冷暖氣團(tuán)相遇時(shí)，視頻自動(dòng)暫停，屏幕下方出現(xiàn)以下問(wèn)題：“暖鋒天氣過(guò)境時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么天氣變化”，需勾選出正確答案，才能繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在此過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察暖鋒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鋒面的的位置和移動(dòng)方向、當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓蛯W(xué)生一起“跨越”問(wèn)題欄。

（5）教師建議學(xué)生在學(xué)生機(jī)上重復(fù)教師剛剛的演示操作，回顧暖鋒運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并歸納完成下表。

由于冷鋒和準(zhǔn)靜止鋒的操作方式和暖鋒基本一致，故不再贅述。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)意圖

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)讓大尺度的暖鋒形成過(guò)程在有限的屏幕上逼真地呈現(xiàn)。通過(guò)教師模擬暖鋒過(guò)境的過(guò)程以及學(xué)生的重復(fù)演示，學(xué)生可以在腦海中形成暖鋒過(guò)境的空間概念，從而掌握暖鋒運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓挠绊懀瑫r(shí)培養(yǎng)地理實(shí)踐力;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中“問(wèn)題欄”的設(shè)置，不僅使學(xué)生在觀察的過(guò)程中思考，還能讓教師了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的消化程度;通過(guò)學(xué)生自行演示后完成表格，可培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納能力。

五、結(jié)語(yǔ)

教學(xué)方式的創(chuàng)新是教育創(chuàng)新不可缺少的重要內(nèi)容，是提高教學(xué)質(zhì)量的必要手段。地理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)與學(xué)科地理教學(xué)的融合，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的創(chuàng)新，有助于提高教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)資源共享。