三維虛擬現實VR技術輔助地理教學的應用策略初探

何冰 羅柳青

[關鍵詞]VR技術;三維虛擬;地理情境;項目教學

在教育信息化發展潮流中，虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）在教學中的應用越來越廣泛。新課改明確要求學生在掌握地理基本知識的基礎上發展創新思維能力，而VR技術通過創設三維虛擬的教學情境，調動學生的感知和認知能力，幫助學生全方位獲取地理事物的空間信息，轉變學習方式，引導學生充分調動各種感覺器官融入場景，增強對學習內容的整體感知，激發學生的潛在學習動機和學習欲望，提升學習效果。

一、VR技術在地理教學中的適用性探討

隨著新課標的落實，高考地理著重考察學生從學生發現、分析、解決地理問題的思維路徑，對地理現象的規律和原理，理解其形成機理和機制。VR技術所構建的三維地理圖層，通過360度呈現真實畫面，有助于學生了解地理事物發展時間、空間、尺度變化規律，有利于學生通過真實情境分析和解決地理問題。以2020年高考地理綜合1卷平頂山題目為例，通過VR技術三維動態展現玄武巖臺地依次受“流水侵蝕—切割—起伏加大—面積變小”的真實場景，讓學生身臨其境體驗玄武巖臺地的變化過程，有利于學生理解地理事物的發展機理，改變以往傳統的地理教學模式，培養學生自主學習和探究的能力。

新課標、新教材形勢下，地理教學內容可利用VR技術應用在地理情境教學中可以發揮VR三維動態影像在視聽說和圖文處理方面的優勢，提高學生地理素養，發揮學生主體地位，提高學習效率和課堂教學效果。

二、VR技術在地理教學中的應用案例

本文以高中地理新教材必修一河流地貌中牛軛湖的形成教學為案例，探討VR技術在高中地理教學中的應用及策略，主要采用合作探究式的學習方法。

1.教學設計

（1）學情分析

在本節課中，根據已了解河流地貌形成的相關知識，對牛軛湖的形成進行重點學習，在時空限制下，學生無法親身體會、觀察牛軛湖的真實情境并實地體驗，故選用VR技術，增強學生代入感，激發學生對本課內容的學習興趣。

（2）教學目標

通過圖片欣賞、VR體驗，讓學生分析河流運動的規律，理解河曲處凹岸與凸岸的形成過程及發展機理;理解牛軛湖的形成源于河道的“自然裁彎”過程，讓學生理解河流地貌的形成原因，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。

（3）教學形式

本節課采用探究式教學的形式，以VR及多媒體等進行輔助教學，學生通過

佩戴VR眼鏡多方位、多角度身臨其境地感受實例環境，并思考探究性的問題，以分組形式為單位交流討論，教師對所學知識進行回顧總結，仍以觀看VR視頻的形式，最后小組派代表進行回答陳述，教師對回答點評并補充，同時設置隨堂練習題留給學生思考。

（4）課前準備

根據河流地貌中牛軛湖的形成相關內容，選取合適的VR資源，并結合資源的畫面質量、數量、體驗時間等，選取適合本課所需的視頻資源。因本節課對于河流地貌、牛軛湖等需進行實例的重點展示，經過篩選、對比，主要選用UtoVR等APP中的VR資源。在正式上課之前，對學生進行簡略培訓，主要為VR設備的正確使用，比如，VR眼睛的正確佩戴方法、如何調節VR眼鏡的清晰度和左右眼鏡距離的方法，以免學生能正確使用VR設備，保證正式課堂上的教學效果。

2.教學過程

（1）創設問題情景，凝練景觀特征

地理是一門兼具自然科學和人文科學的綜合性學科，知識面很廣，傳統地理課堂利用教師語言或者視頻創設情境導入，很難激發學生對地理的學習興趣。因此，把VR技術使用在課堂導入環節，利用VR設備創設沉浸性教學情境，啟發學生提出問題，分小組進行觀察分析和探究，激發學生學習興趣，培養創新意識及科學探究能力。

以高中地理河流地貌為例，學生難以親身體驗真實的河流地貌及其變化，使用VR設備可通過三維影像讓學生全景俯瞰黃河源36條彎曲河流形成的牛軛湖地理景觀，讓學生身臨其境對河流地貌展開探究，學生理解牛軛湖形狀如牛軛，或說像彎月形一樣的地理景觀特點，還讓學生加深了對牛軛湖周邊地理環境的認識，找出牛軛湖形成與河曲之間的關系，激發學生學習探究的好奇心。

（2）體驗地理過程，推導學理結構

新課標要求學生能從學習和生活中發現地理問題，提高問題解決能力。VR技術所具有的沉浸性和交互性能夠解決課堂教學中無法開展的假設與驗證，將VR技術應用于課堂的探究環節，讓學生把科學猜想進行驗證，通過虛擬技術“動手”做實驗，驗證假設，有助于提高學生地理實踐力，提高解決問題的能力。

結合VR動態演示，引導學生對牛軛湖的出口段的淤積與進口段淤積速度作比較，發現河曲發育可以分為兩個階段，從而本課對牛軛湖的“前世今生”展開探究（圖1）。

牛軛湖的形成與河道被“裁彎”后，進口段與出口段的淤積速度有關，而淤積過程實質就是流水的搬運過程。為了讓學生理解裁彎后的牛軛湖進口的淤積過程，學生可利用VR設備模擬“流水侵蝕與堆積作用”實驗（圖2），開展地理項目“水”和“沙”變化的探究，由此分析牛軛湖形成初期的河段淤積原因。

（3）鞏固學習成果，重現知識要點

我們可以將VR技術應用于課堂的鞏固環節，通過沉浸式虛擬現實重現知識，利用VR情境互動完成練習，復習回顧知識，有助于幫助學生加深理解，鞏固知識的探究過程和解決思路，并布置隨堂練習使學生在課堂及時鞏固知識點。

以河流地貌為例，通過VR交互設備開展課堂鞏固項目，讓學生通過VR情境互動練習，重現牛軛湖的形成過程。通過三維沉浸式交互項目，讓學生加深理解牛軛湖在河流演變過程中，其前身是古河道的一部分，隨著彎曲河段流速的改變，河流側蝕，形成牛軛湖現在橫向遷移的形態。通過VR情境互動演示，讓學生理解牛軛湖的形成源于河道的“自然裁彎”過程。

隨堂練習：

①選擇括號中牛軛湖形成的主要原因？（流水侵蝕作用、流水堆積作用、地殼抬升、地殼下沉）

②牛軛湖的形成與括號中的地理事件形成最為相似？（V型河谷、U型河谷、沖積扇、沙丘）

3.課堂小結

從時間安排上，本節課使用了三次VR設備，貫穿導入、學理、鞏固環節共耗時約10分23秒。

從教學效果來看，高中一年級學生自我意識不斷發展，對新奇事物非常好奇，樂于探索新科技和新的教學手段。同時，該年齡段學生也具有了一定的自控能力，因此本堂課并未出現學生因好奇心影響課堂節奏等問題，總體上，學生對于這種VR的使用興趣濃厚，激發了一定的學習興趣，并能直觀加深學生對于知識的理解。雖本節課內容有一定的難度，但是在VR的輔助下，學生也在清晰、簡練的動畫演示、圖片知識呈現中普遍做到保持學習興趣，努力理解知識。在小組討論的過程中，學生們能根據VR技術中所展示的相關知識進行討論，在總結時，雖然同學們所講的問題和答案不一定十分全面，但是仍然值得贊同和鼓勵。

4.案例實施評價

本次地理課堂使用VR輔助技術教學得到我校本年級師生的認可，課程后對我校高中一年級100名學生和5名地理教師進行問卷調查，被調查對象對使用VR表示完全贊同的占樣本總體的58%，比較贊同的占樣本總體的34%，抽樣調查結果顯示，大部分師生對于地理課堂教學使用VR輔助技術持歡迎的態度，認為VR技術對于教師的教法和學生的學習都有很大的幫助，且易于掌握。

因本次教學只在一個班級以試點形式開展，通過調查發現，其他非試點班的同學也非常希望在課堂上使用VR技術。從學習成績來看，通過對比1個試點班與1個非試點班級關于牛軛湖這一部分內容的試卷相關測試題正確率，試點班平均得分明顯高于非試點班，證明VR使用對于學習效果具有一定的影響。

課程實施流程見下圖3.VR輔助高中地理課程實施流程

三、VR技術輔助地理教學應用策略

通過對以上教學案例分析并觀察、反思、總結后，我認為也并非所有的地理知識都適合使用VR，對于有一定難度、具有動態演示的地理變化過程如本案例中的牛軛湖的形成，以及空間性的虛擬創建類知識適合使用VR設備教學。在使用VR進行輔助教學的過程中也應注意：

1.科學、合理選取VR視頻資源

VR技術資源暫時未有成體系的資源庫，教師在應用VR技術時，相關資源素材需要自行去搜索，在此過程中，教師應仔細對素材內容進行甄別，尤其不可出現政治性、知識性等錯誤，保證內容科學。

2.合理安排課堂VR技術的使用

教師應充分考慮VR技術在課堂上的穿插、時間分配，內容上應盡量貼合課本知識，同時，針對學生的學習情況與知識基礎，謹記VR技術的輔助功能，對知識的傳授也切不可過多、過繁，避免學生因使用VR技術產生負面的知識負荷過重等情況。

3.探究為主，VR技術為輔

根據以上教學案例分析、評價總結等，利用VR技術在提升學生學習興趣、學習效果等方面有效，學習方式上，盡量選擇合作探究式學習，著重培養學生發現問題、解決問題的邏輯思維能力，提升創新與實踐能力。VR技術使得學生能夠憑借多種感官獨立全面發現、探求知識，因此VR使用也較為適合探究式學習方式，從而發揮輔助作用。而教師在設計教案過程中，也應將探究式合作學習目標、內容能貫穿、融合進去，以本課為例，教師在進行VR輔助教學時，先讓學生觀看有關“牛軛”以及“牛軛湖”的視頻，讓學生思考牛軛湖名稱的來源，合作探究牛軛湖形成的原因等，這樣由表面到深層次的探索過程，十分利于學生激發好奇心，產生探究心，提高合作解決問題的能力。

四、結論與啟示

利用VR設備應用于地理情境教學使學生更容易掌握和理解抽象知識，對復雜的地理事物發展機制的理解更加生動易懂，通過三維視聽呈現真實場景，提高學生學習地理的興趣，解決了傳統地理課堂中空間感、體驗感差等問題，啟發學生思維，培養學生的地理核心素養。

另外，VR技術應用于課堂教學，還能有利于學生突破單一學科知識的限制，面對問題情境，運用跨學科知識，解決問題。以本文的牛軛湖形成過程的項目探究為例，通過VR交互情境，跨學科融合展開項目探究，運用物理和地理學科知識的聯系和相互滲透，分析河流運動過程中的物質遷移與能量轉化及物理學“慣性”原理，從而讓學生理解河曲處凹岸與凸岸的形成過程及發展機理。

但由于目前頭戴式VR虛擬技術還在發展當中，VR技術所創設的虛擬教學情境的沉浸性還不夠，適用于高中地理的VR技術教學資源開發力度不足，影響學生的體驗效果和參與熱情。隨著科技的發展，如果能研究開發出更多配套教材的VR資源，教學效果將會更有成效，但這是一線教師個體力量無法做到的，需要社會科技進步，讓VR技術更加高端和成熟，VR技術在情境教學中才能得到更廣泛應用。

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