基于圖層操作的進階式地理交互學件開發與探索

高立洋

地理是一門具有綜合性、區域性等特點的學科。教師在課堂上僅僅通過語言描述無法窮盡不同的地理事物，若想讓學生掌握地理事物的空間分布，必須用地圖語言把廣闊地理事象的空間結構、空間分布、空間聯系、時間變化展現出來^[1]。地圖作為地理學的第二語言，包含豐富的地理信息，并按照一定規則將地球表面各種事物用地圖符號表現在平面上，以反映各種自然、社會現象的地理分布和相互關系^[2]。

有研究表明，人們接收的空間信息中，80%以上是地理空間信息^[3]。因此，地理學科在發展學生空間思維、培養學生空間素養方面理應承擔更大的責任和義務。得益于地理信息技術的迅速發展，諸如最短路徑、空間疊置和緩沖區分析等地理信息系統（GIS）的空間分析功能在現實問題解決中得到廣泛認可并發揮重要作用^[4]。筆者嘗試發揮現代信息技術的優勢，選擇合適的平臺、軟件創設圖層疊置功能，開發出基于圖層操作的進階式地理交互學件（以下簡稱“學件”），用于教師課堂教學和學生自主學習，讓學生在移動終端對不同地理圖層進行疊置操作。

一、開發依據

（一）培養學生核心素養的需要

《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，地理學科核心素養主要包括人地協調觀、綜合思維、區域認知和地理實踐力，它們是相互聯系的有機整體。開發該學件的初衷，首要是實現學生核心素養的創造性培養。

實踐發現，學生對圖層進行疊置操作，有助于培養地理核心素養。圖層疊置，是指借助地理信息系統軟件，將含有不同地理要素的專題地圖進行疊置操作，通過綜合考慮和精細分析某一空間區域的多個要素，解決區域背景下的具體問題，培養學生運用綜合觀點和區域觀點認識地理環境的思維方式和能力，實現思維可視化。可見，對某一空間區域不同要素圖層的疊加和拆分操作，不僅符合一般的地理空間分析習慣，而且對學生的綜合思維和區域認知思維培養有較大幫助。

（二）滿足學生個性化學習的需要

學件是教師為達成教學目的使用的一種教學輔助工具，也是教師發揮教學重要作用的手段^[5]。由于地理學科內容時空跨度大，學生個體存在較大差異，加之當代中學生是互聯網時代的原住民，接觸過豐富的現代信息技術，所以教師要實現因材施教，必須考慮學生的學習特點，研發支持學生自主學習的學件，滿足學生學習需求。

為此，筆者決定開發一款服務于地理圖層操作、適用于課堂內外、兼具科學性和體驗性的利于學生自主探究的學件。該學件以圖層操作為功能特征，對不同地理要素的圖層進行疊加和拆分，通過創設學習情境，讓學生經歷科學探究的過程，借助交互性為學生大膽猜想、小心求證的探究性學習提供技術支撐，幫助學生糾正和深化已有學習認知，建立新的科學概念或者想法，培養探究能力和科學態度。

二、開發策略

（一）寓情于景提供沉浸式體驗

基于圖層操作的學件，能夠通過一定數量的文字、圖片和形式豐富的音視頻資料，借助活動任務設計，建構系統化的探究情境，讓學生更好地進入探究學習狀態。在具體的教學情境中，教師可以引導學生進行沉浸式體驗，深度探究具體問題。這既能夠避免人機交互產生的情感缺失，又能提高學生線上自主學習效率。

（二）項目式學習提高問題解決力

項目式學習中，教師要提供一些關鍵素材創設教學情境，引導學生在具體情境中解決問題。圖層操作學件以交互操作為技術支撐，能夠讓教師引導學生對某一空間區域的開放式問題進行探究學習，從感性選擇相關圖層開始，到驗證各要素的關聯性和客觀評價各要素價值，最后提出解決背景問題的措施，為學生提供探究式學習情境，培養學生應對未來挑戰的能力。

（三）關卡進階助推螺旋式發展

為了進一步優化學生學習體驗，遵循學生認知規律，學件要建構進階關卡，助推學生能力螺旋式發展。基于圖層操作特征，學件將聚焦圖層篩選、邏輯歸因、價值評價和問題解決四個核心任務來設置關卡，通過問題鏈和情境創設引導學生對某一具體問題進行深入分析，螺旋式助推學生能力發展。

（四）水平對標精準化素養培養

為了增強學生核心素養培養效果，學件的探究任務設計將聚焦地理核心素養水平要求。除了聚焦區域認知思維外，對于學生綜合思維的培養，教師設計學件時還需精細化對標不同水平要求，根據地理要素的復雜程度、行為動詞綜合分析情況等有針對性地安排探究任務，結合進階關卡螺旋式發展學生核心素養。

（五）任務建構優化在線體驗性

基于當前教學對現代信息技術要求較高和學生自主學習的特殊性，除依據課程標準和教育規律以外，學件將依托信息技術設置豐富的交互式任務和過程性評價，優化學生的在線學習體驗。圖層操作、語音指令、任務作答等交互式任務，可以引導學生持續思考探究；選擇、填空、簡答等問題，可以為學生提供實時的自主學習過程性評價。

（六）多感官聯動夯實學習效果

研究發現，學生的感知通道差異不大，所以，教師從多個渠道輸入信息，刺激學生多種感官來優化教學，能夠取得良好的教學效果^[6]。基于圖層操作的學件，將調動學生的視覺感官，在閱讀中認知背景；調動學生的聽覺感官，借助指令進行探究進階；調動學生的觸覺感官，操作地圖完成圖層疊置。在多元感官的聯動刺激中，學件不斷夯實學生學習效果。

（七）自主制作發揮教師能動性

可以說，比較了解學生學習情況的是任課教師，任課教師應是設計學件和跟蹤學生學習過程的最佳人選。一線教師大多擁有豐富的教學經驗，對課程標準、教材把握也比較到位，能有效避免學件開發中脫離課標、教材、學情等問題。更重要的是，自主制作學件還能激發教師的主觀能動性，讓教師主動研究適合的學件以服務學生的學習。

三、技術實現

基于以上分析，我們發現，教師需要借助能夠實現圖層操作的交互性較強且方便使用的平臺、軟件來制作學件。當前教師教學中使用的平臺大多是通用性、基礎性的，很難兼顧不同學科的差異化需求。而且，一些軟件雖然具有圖層疊加功能，如ArcGIS和天地圖等，但因這些軟件過于專業或者無法實現二次開發，限制了學件某些功能的實現。

為了獲得圖層操作效果，筆者通過大量嘗試，發現教師可用PPT中對底圖和要素透明圖層的動畫設置實現圖層疊加或拆分操作^[7-8]。然而，僅僅借助PPT動畫，教師難以滿足學生在線自主學習的需要。為此，筆者嘗試了多種可將PPT轉化為線上交互操作的途徑，如運用九云圖、PP匠、91速課等，將PPT較為完整地轉變為HTML5網頁再進行分享和在線操作。運用PP匠、91速課，教師還可增加語音指導功能以優化交互性，但它們對于較復雜的動畫或者鏈接功能轉化效果欠佳。而且，受平臺、軟件在用戶二次開發上的限制，僅僅基于PPT的動畫與鏈接等基本功能制作的HTML5網頁，在交互性方面表現一般。

為了充分挖掘PPT功能，并將其轉換為可供交互的學件，筆者聚焦PPT尋找解決方法，最終發現了iSpring Suite插件。通過此插件，教師可以把PPT課件發布為HTML5格式的網頁，且動畫、鏈接等無損。之后，教師將對應的網頁發布到網站上，方便學生便捷操作。iSpring Suite插件還有豐富的場景功能，可以進一步提高學件的交互性（如圖1）^[9]。

四、案例分析

下面通過具體案例來介紹此學件的使用方法。日常教學中，教師引導學生分析區位條件時常常需要綜合考慮不同的地理要素。這是培養學生綜合思維的良好契機。筆者結合探究活動“澳大利亞‘小麥—牧羊帶分布的影響因素”內容，運用地理交互學件，開展教學活動，提高教學效果。

（一）創設情境，讓學生沉浸式體驗自主學習

情境教學是地理課標中的一條重要建議，對教師教學效果的提升很有幫助，在線上學生自主學習中也較為需要。此案例中，教師先介紹了澳大利亞小麥—牧羊帶的素材背景，創設出探究其分布的教學情境，以激發學生的好奇心。之后，以問題設置、語音錄制等方式，引導學生深入探究其區位因素。環環相扣的問題鏈和原聲語音，不僅拉近了師生之間的距離，有效避免了人機交互的不足，還會給學生營造出沉浸式的自主學習環境（如圖2），調動了學生的多元感官。

（二）圖層操作，可視化培養學生的綜合思維

為了培養學生綜合分析不同地理要素的能力，教師借助澳大利亞小麥—牧羊帶區位條件分析案例，在學件中為學生提供了豐富的、相同尺度的半透明專題圖層。這些圖層有些要素與小麥—牧羊帶的形成相關，有些無關。教師引導學生認識同尺度下的差異化圖層，其實是在強化學生的區域認知能力。學生根據初步判斷進行有針對性的圖層疊加操作，能夠可視化驗證小麥—牧羊帶與不同要素的相關性，從而初步篩選出影響小麥—牧羊帶分布的要素。

但是僅僅進行相關要素篩選，它在提升學生綜合思維能力上的作用是有限的。從核心素養培養來看，該交互僅能實現學生綜合思維水平二的培養，即能夠對給定的簡單地理事象，從多個地理要素相互影響、相互制約的角度進行分析；能夠結合時空變化，對其發生、發展進行分析，給出簡要的地域性解釋。因此，教師還需設計更豐富的交互來優化學生核心素養的培養。

（三）關卡進階，螺旋式提高學生的素養水平

為了激發學生的學習興趣，此學件創設了闖關進階的情境，并基于核心素養水平劃分設置了不同的關卡任務（見表1）。

關卡一中，教師引導學生用圖層操作篩選小麥—牧羊帶分布影響要素，符合綜合思維水平二的要求。

關卡二中，基于綜合思維水平三的要求（能夠結合給定的復雜地理事象，綜合各要素，系統分析其相互影響、相互制約的關系，從時空綜合維度對其發生、發展和演化進行分析，給出合理的地域性解釋），教師設置了對不同圖層所代表要素和小麥—牧羊帶分布的邏輯表述任務，引導學生在感性判斷的基礎上，理性分析各要素的具體影響。考慮到學生的基礎和能力有差異，在理性邏輯表達之前，教師還設置了選擇、填空題，為學生搭建腳手架。

關卡三中，基于綜合思維水平四的要求（能夠對現實中的地理事象，如自然環境的變化、區域發展、資源環境與國家安全問題等，運用要素綜合、時空綜合、地方綜合的分析思路，對其進行系統性、地域性的解釋），教師引導學生客觀評價不同影響因素，并對各影響因素進行分類，比如哪些是自然因素，哪些是社會經濟因素，哪些是有利因素、不利因素，哪些是直接因素、根本因素，哪些是偶發因素、普遍因素，等等，預測不同因素的影響程度，幫助學生對該類問題形成系統認識，實現舉一反三。

關卡四中，在學生對該問題形成客觀、系統認識的基礎上，教師引導學生在可持續發展觀念的指導下，應用所學知識解決實際問題。在學生了解了澳大利亞小麥—牧羊帶的不利影響因素后，教師還要引導學生從可持續發展的角度，提出合適的應對措施，螺旋式提升學生核心素養。

（四）交互測評，過程化評價學生學習效果

為了支持關卡進階模式的順暢推進，筆者充分利用PPT及其iSpring Suite插件的不同交互功能（如圖3）。比如，為了增強學件的交互性與沉浸感，筆者對需要按鈕操作的環節錄制了語音，通過語音引導、說明提高交互效率，優化交互體驗^[10]。

學件還充分利用iSpring Suite中的測驗、互動、對話模擬等插件，通過交互式測評方便學生對自己的學習過程進行實時評價^[11]。其中，測驗模塊包含選擇、填空、簡答、配對、排序、評分、問卷等常規測驗內容，還有圖點等地理性較強的內容，考查學生對區域的認知能力；互動模塊包含流程類、注釋類、目錄類等的交互功能 ；模擬情景對話模塊中，教師能夠快速創建關聯場景的情景模擬對話，優化人機交互體驗，有效訓練學生的表達能力^[12]。

五、總結評價

在此基礎上，筆者與團隊進行了豐富的實踐操作，針對學科與跨學科教學設計了20個交互式學件，歸納出PPT軟件與iSpring Suite插件支持的基于圖層操作的進階式地理交互學件開發邏輯（如圖4），有效提升教學交互性，滿足學生自主學習需求。

學件有以下兩方面的創新之處：一是創造性地實現云端的圖層交互操作。學件借助PPT插件，不僅解決了圖層操作的功能需求問題，還符合教師的操作習慣，充分調動學生的視覺、聽覺、觸覺等多種感官，借助問題鏈設計有效地促進學生高階思維的培養。二是實現學生核心素養的可視化培養。對不同要素專題地圖進行疊加操作，就是對某一區域的不同地理要素進行綜合分析的思維可視化過程；對某一區域不同要素專題地圖進行拆分操作，就是對該區域進行詳細分析的思維可視化過程。這也符合“做中學”的要求，是對“雙新”“雙減”教學要求的有效落實。

目前，教師可以將學件發布到網站上供學生自主學習，初步解決了在線使用問題。對學生使用反饋進行分析后，我們發現，它還存在交互效果和使用體驗欠佳的問題。比如文字類型的交互評價，因為iSpring Suite的填空與簡答等交互題目只有在與答案意思和表述完全一致的情況下才會判斷正確，導致部分意思正確但表述略有差異的答案被誤判，從而影響了學生的學習體驗。同時，當前學件界面設計比較簡單，不利于學生的沉浸式學習。教師也沒有收集和分析學生在學件上的交互數據，進一步制約了學件效果的發揮。

應該說，文字類型交互評價不準確是教師面臨的一個較為普遍的問題。大部分教學平臺也存在這樣的問題，此問題的有效解決還需基于機器學習的技術發展作為支撐。當前，教師可以通過尋找替代平臺或者在iSpring Suite填空、簡答交互題中盡可能多地提供差異化的答案表述來降低此問題的發生頻率。針對學件界面設計問題，在學件基本框架和功能明確后，筆者會進一步優化排版設計，多維度創設虛擬場景，以解決這一問題。此外，要不斷升級網站服務器配置，對收集到的學習數據進行分析，向學生反饋對應的學習報告，客觀評價學生的素養水平，為學生推送有針對性的學習資源，從而實現自適應性學習平臺的搭建，助力學生的學習更加智能、便捷。

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（作者系上海市民立中學地理教研組組長，一級教師）

責任編輯：孫建輝