桌面VR系統(tǒng)在高中地理情境教學(xué)中的運(yùn)用

陜西師范大學(xué)平?jīng)鰧?shí)驗(yàn)中學(xué)（744000）李曉亞 史丹婷 席佳妮

隨著新課程改革的深入推進(jìn)，傳統(tǒng)的地理課堂教學(xué)模式、教學(xué)手段已不足以落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生地理學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。地理學(xué)科是一門(mén)比較復(fù)雜的學(xué)科，其時(shí)空性特點(diǎn)尤為突出，許多地理事象是學(xué)生不能直接觀測(cè)到的或者不能在腦海中構(gòu)建出來(lái)的。立體直觀的動(dòng)態(tài)演示、三維模擬圖等在地理情境教學(xué)中的運(yùn)用能夠?qū)⒎彪s的地理事象簡(jiǎn)單化、具象化、立體化，因此，桌面VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）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(jiǎn)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(jī)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(dú)有的定位和捕捉系統(tǒng)，為體驗(yàn)者頭部佩戴的立體追蹤眼鏡提供穩(wěn)定的捕捉和精準(zhǔn)的定位，通過(guò)3D眼鏡以及觸控筆實(shí)現(xiàn)逼真的VR投放效果。桌面VR一體機(jī)設(shè)備通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像頭與大屏幕結(jié)合，把體驗(yàn)者與虛擬世界的動(dòng)態(tài)交互實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)出來(lái)，在大屏幕上實(shí)現(xiàn)裸眼3D的效果。

（二）特點(diǎn)

1.3D顯示

桌面VR系統(tǒng)可將課本當(dāng)中的知識(shí)以直觀生動(dòng)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(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(jìn)行交互，使得立體圖像始終與體驗(yàn)者真實(shí)的視覺(jué)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(shí)情境近距離親密接觸，在體驗(yàn)知識(shí)的過(guò)程中主動(dòng)學(xué)習(xí)。

3.開(kāi)放式教學(xué)

桌面VR 系統(tǒng)是開(kāi)放式的，在教學(xué)過(guò)程中教師和學(xué)生可看到同樣的虛擬場(chǎng)景，并就教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行溝通交流，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)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(kāi)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(shí)存在缺乏教學(xué)理念與教學(xué)模式、教師和學(xué)生對(duì)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(wèn)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(shí)踐。

二、桌面VR 系統(tǒng)運(yùn)用于高中地理情境教學(xué)的實(shí)踐案例

本文以人教版高中地理必修第一冊(cè)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(yùn)用。

（一）利用桌面VR系統(tǒng)演示水循環(huán)的過(guò)程

知識(shí)內(nèi)容分析：水循環(huán)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是水的三種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，但從地理角度來(lái)看，其涉及多個(gè)圈層的物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)移。從空間上來(lái)看，水循環(huán)的范圍大至全球，小至局部地區(qū)；從時(shí)間上來(lái)看，水循環(huán)既可以是長(zhǎng)時(shí)期的狀態(tài)，也可以是短時(shí)段的狀況。其時(shí)空性特點(diǎn)十分突出。課標(biāo)要求學(xué)生掌握水循環(huán)的環(huán)節(jié)，繪制出水循環(huán)過(guò)程示意圖，并分析人類(lèi)活動(dòng)會(huì)影響哪些環(huán)節(jié)。如何讓學(xué)生跳出時(shí)空局限，掌握水循環(huán)的過(guò)程，是課堂教學(xué)中的難點(diǎn)。

學(xué)情分析：學(xué)生在初中階段學(xué)習(xí)了“水資源”的初步知識(shí)，在高中地理必修第一冊(cè)第一章也學(xué)習(xí)了水圈的相關(guān)知識(shí)，這為本課內(nèi)容的學(xué)習(xí)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(gè)人經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)概念、理論的歸納能力較弱。

難點(diǎn)突破：教師運(yùn)用桌面VR設(shè)備，讓學(xué)生與虛擬的水循環(huán)過(guò)程動(dòng)態(tài)交互，并在大屏幕上呈現(xiàn)水循環(huán)的裸眼3D效果（見(jiàn)圖1），讓學(xué)生深入理解水循環(huán)的過(guò)程；運(yùn)用桌面VR互動(dòng)設(shè)備，讓學(xué)生親身體驗(yàn)與虛擬世界動(dòng)態(tài)交互的過(guò)程，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像頭與大屏幕結(jié)合，實(shí)現(xiàn)裸眼3D 的效果，立體展示水循環(huán)的過(guò)程，加深學(xué)生的視覺(jué)感受，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與課堂的積極性（見(jiàn)圖2）。

圖1

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(shí)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(cè)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(jìn)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(cè)到的，科學(xué)家主要通過(guò)對(duì)地震波的研究來(lái)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(diǎn)。

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(jué)得比較陌生。該知識(shí)的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具備較強(qiáng)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(shū)、板圖、板畫(huà)和教師引導(dǎo)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生課堂參與感弱、探究樂(lè)趣少，其學(xué)習(xí)過(guò)程最后可能會(huì)變成“走形式”的死記硬背。因此，教師在教學(xué)過(guò)程中要讓學(xué)生動(dòng)腦動(dòng)手，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，積極調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行理解、分析、判斷和運(yùn)用。

難點(diǎn)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(yùn)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(jiàn)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(duì)其產(chǎn)生直觀且立體的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，學(xué)生可使用六自由度觸控追蹤感應(yīng)筆點(diǎn)擊每一個(gè)圈層或不連續(xù)面，旁邊就會(huì)出現(xiàn)對(duì)該內(nèi)容的簡(jiǎn)要介紹，并且各圈層和兩個(gè)不連續(xù)面是可以通過(guò)六自由度觸控追蹤感應(yīng)筆點(diǎn)擊后剝離拆分的（見(jiàn)圖4）。學(xué)生與桌面VR 設(shè)備的互動(dòng)使原本抽象且與學(xué)生日常生活距離遙遠(yuǎn)的知識(shí)變得更具趣味性。在一層層拆分的過(guò)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(qiáng)烈的好奇心完成該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)。整個(gè)教學(xué)過(guò)程都是基于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的，教師僅在學(xué)生完成學(xué)習(xí)后通過(guò)相關(guān)習(xí)題檢驗(yàn)學(xué)生的自學(xué)成果，幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)。

圖3

圖4

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

知識(shí)內(nèi)容分析：課標(biāo)的相關(guān)要求是“結(jié)合實(shí)例，解釋內(nèi)力和外力對(duì)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(dòng)內(nèi)容、教學(xué)案例距離學(xué)生的生活實(shí)際較遠(yuǎn)，因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師可以借助動(dòng)畫(huà)、圖片、模型演示等方式讓學(xué)生形象直觀地認(rèn)識(shí)內(nèi)外力作用的發(fā)生、發(fā)展及其對(duì)地表形態(tài)的塑造過(guò)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(diǎn)。

學(xué)情分析：通過(guò)對(duì)第一冊(cè)前三章的學(xué)習(xí)，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(shí)。學(xué)生在初中階段對(duì)地表形態(tài)已有初步了解，但對(duì)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(jìn)一步發(fā)展中，對(duì)抽象的地理過(guò)程性知識(shí)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(guò)程可視化，幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)和理解內(nèi)力作用對(duì)地表形態(tài)的影響。

難點(diǎn)突破：教師運(yùn)用桌面VR設(shè)備，讓學(xué)生與虛擬的內(nèi)力作用過(guò)程動(dòng)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(yàn)火山噴發(fā)（見(jiàn)圖5）、地殼水平運(yùn)動(dòng)、地殼垂直運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，理解內(nèi)力作用對(duì)地表形態(tài)的塑造；運(yùn)用桌面VR設(shè)備，讓學(xué)生親身體驗(yàn)與虛擬世界的動(dòng)態(tài)交互過(guò)程，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)攝像頭與顯示大屏幕結(jié)合，呈現(xiàn)裸眼3D 的效果，動(dòng)態(tài)展示外力作用形成地貌的過(guò)程，如新月形沙丘（見(jiàn)圖6）、河口三角洲、冰斗角峰等的形成過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生的視覺(jué)感受，促進(jìn)學(xué)生領(lǐng)悟地理過(guò)程性事象的發(fā)生和發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的地理學(xué)習(xí)興趣和參與課堂的積極性。

圖5

圖6

三、關(guān)于桌面VR 系統(tǒng)運(yùn)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(xí)興趣與學(xué)習(xí)成效

桌面VR系統(tǒng)的三維呈現(xiàn)、直觀擬真化操作、無(wú)障礙互動(dòng)等優(yōu)勢(shì)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(rèn)為遙不可及的地理事象的距離。對(duì)學(xué)生而言，知識(shí)變得更加生動(dòng)、立體，學(xué)習(xí)變得不再枯燥乏味。對(duì)教師而言，教學(xué)難點(diǎn)的突破也能輕松實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在基于VR系統(tǒng)的情境教學(xué)中學(xué)習(xí)成效明顯提高。

（二）桌面VR 系統(tǒng)適用點(diǎn)和適用范圍需進(jìn)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(shí)框圖和知識(shí)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(jìn)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(jī)上觀看動(dòng)畫(huà)的效果無(wú)異。基于實(shí)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(dòng)，在引導(dǎo)學(xué)生自主思考、合作探究和個(gè)性化學(xué)習(xí)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(kāi)展依賴(lài)于教師良好的教學(xué)設(shè)計(jì)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(xí)模式”“協(xié)作學(xué)習(xí)模式”等。無(wú)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(guò)學(xué)習(xí)和實(shí)踐，不斷改進(jìn)教學(xué)策略，優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力進(jìn)行準(zhǔn)確分析，運(yùn)用合理的教學(xué)方法、模式，開(kāi)展交互活動(dòng)設(shè)計(jì)、教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)等。

總之，桌面VR 系統(tǒng)在高中地理情境教學(xué)中的運(yùn)用能充分體現(xiàn)其直觀、生動(dòng)、交互性強(qiáng)的特點(diǎn)，并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效突破教學(xué)重難點(diǎn)。但是桌面VR 系統(tǒng)對(duì)學(xué)校的硬件設(shè)施有較高的要求，要實(shí)現(xiàn)技術(shù)和資源普及還有待時(shí)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)。