高中生地理空間認知能力培養路徑研究

一、引言

在數字技術重塑教育生態的當下，地理學科教學面臨著前所未有的機遇與挑戰。在高中地理教學中，培養學生的空間認知能力，始終是學科教學的核心命題。從板塊運動的宏觀尺度到城市功能區的微觀布局，從地球圈層的立體構造到氣候變遷的時空演變，地理學科的空間性特征貫穿知識體系始終[]。然而，傳統教學手段在應對復雜地理空間關系時，常因二維呈現局限、動態模擬缺失等問題，致使學生難以構建完整的空間認知框架。增強現實技術，以其虛實融合、動態交互的特性，為地理教學開辟了新路徑[2。通過將虛擬地理信息精準疊加于現實場景，AR技術不僅能夠突破時空限制，更能為學生提供沉浸式、個性化的學習體驗。本文立足高中地理教學實際，剖析了空間認知能力培養的現存困境，探索了AR技術的創新應用路徑，以期為地理教學模式變革注入新動能。

二、培養高中生地理空間認知能力的意義

地理空間認知能力是高中生理解地理學科核心內容的關鍵要素，其對于學生把握地理知識、發展學科素養具有不可替代的作用3。從學科知識角度來看，地理學科中地形地貌的演變、氣候類型的分布、城市空間結構的形成等核心內容，均與地理空間緊密相連。具備良好的地理空間認知能力，學生能夠更清晰地理解地理事物的空間位置、形態結構和相互關系，深化對地理規律的認識；從思維發展層面而言，地理空間認知能力的培養有助于高中生從形象思維向抽象思維過渡，同時，也能提升學生的空間想象、空間分析和空間推理等思維能力。此種思維能力的發展不僅對地理學科學習有益，還能遷移到其他學科，以及生活實踐中，幫助學生解決復雜問題，培養創新思維；在實踐應用方面，地理空間認知能力是學生將地理知識應用于實際生活的基礎。無論是外出旅行時的路線規劃、對區域環境的評估，還是未來從事與地理相關的職業，都需要扎實的地理空間認知能力作為支撐。因此，培養高中生的地理空間認知能力，對其個人成長和未來發展意義深遠。

三、高中生地理空間認知能力培養困境分析（一）時空呈現受限，信息傳遞單一

在高中地理教學中，教師通常依賴于教材中的靜態地圖、圖表或口頭講解來傳遞地理信息。這種傳統的教學方式難以展現地理現象的動態變化過程與復雜的空間關系。例如，氣候類型的分布、洋流運動或板塊構造的變化等都具有強烈的時間演變和空間延展特征。但受限于教學手段，學生往往只能通過記憶和抽象理解來掌握這些內容，缺乏直觀感知。這種時空呈現方式的局限性，導致信息傳遞路徑單一，影響了學生對地理空間結構和過程的整體把握，進而制約其空間認知能力的發展。

（二）三維建模艱難，空間想象薄弱

地理空間認知要求學生具備將二維地圖信息轉化為三維空間模型的能力，而現實中許多高中生在這方面存在明顯短板。由于缺乏空間思維訓練和實際觀察經驗，學生往往難以構建地形起伏、地表形態或區域布局的立體圖像，也無法準確理解空間方位、距離和聯系。傳統教學工具如紙質地圖和平面投影圖無法有效模擬真實地理環境，使學生在面對復雜空間問題時容易產生認知障礙，從而影響其空間推理與建模能力的提升。

（三）思維發展不均，認知水平參差

不同學生的空間認知能力發展程度存在較大差異，這與學生個體的學習興趣、知識基礎、思維方式，以及接受能力密切相關。部分學生能夠快速識別地理要素之間的空間關聯并進行邏輯推導，而另一些學生則在判斷方向、分析地圖信息或理解區域特征方面表現較弱。此種認知水平的不均衡使得統一教學難以滿足所有學生的學習需求，教師在課堂上也難以精準調控教學節奏和深度，造成部分學生“吃不飽”、部分學生“跟不上”的局面，進一步加劇了空間認知能力培養的難度。

（四）互動形式匱乏，缺失反饋機制

當前，多數高中地理課堂教學仍以教師講授為主，學生多處于被動接受知識的狀態，缺乏主動探索和實踐的機會，致使學生學習興趣不高、參與度不足。同時，由于在教學過程中缺少有效的師生互動與及時反饋機制，學生難以了解自身認知發展的薄弱環節，教師也無法根據學生的學習情況動態調整教學方案。此種單向的信息傳輸模式一定程度上削弱了學生的主體地位，不利于激發學生的探究精神和空間思維能力，從而影響了學生地理空間認知能力的深人發展與全面提升。

四、基于AR技術的高中生地理空間認知能力培養路徑

現象

（一）場景構建：創設動態情境，直觀展現地理

在高中地理教學中，教師借助增強現實技術，可以將抽象的地理知識以動態、立體的方式呈現，為學生營造沉浸式的學習環境5。通過虛擬與現實結合的方式，學生能夠更直觀地觀察和理解地理現象的空間分布、運動變化及其相互關系，從而突破傳統教學中時空呈現受限的問題，提升其空間感知能力和整體認知水平。

以湘教版地理必修一“地球的運動”課程教學為例，地球自轉與公轉的原理因其高度的抽象性和時空尺度巨大，常常讓學生感到難以捉摸。教師若僅憑口頭講解和靜態的二維插圖，很難讓學生真正把握地軸傾斜、公轉軌道的橢圓形狀，以及由此引發的復雜現象。面對這一教學難點，教師可以巧妙地引入特定的AR教學軟件。

當學生使用智能手機或平板電腦，對準教材上印有相應觸發標記的頁面時，屏幕上不再是平面的文字和圖片，而是瞬間變為一個生動逼真的宇宙場景。畫面中，一個色彩細膩、比例恰當的地球模型，帶著傾斜的地軸，開始圍繞模擬太陽緩緩公轉，同時自身也在不停自轉。

借助此項技術，教師可以將抽象的知識點變得觸手可及，學生可以清晰地觀察到地球自轉的“自西向東”方向，精確測量出地軸相對于公轉軌道平面的 23.5^° 傾斜角，甚至能直觀感受公轉軌道并非完美的圓形而是略帶扁平的橢圓。由此，教師不僅能夠極大地激發學生的學習興趣和探究欲，更能夠有效突破傳統教學在時空表現上的局限，讓地理空間認知能力的培養變得生動而高效。

（二）分層訓練：設計進階任務，精準提升認知水平

基于AR技術的教學任務可依據學生的認知發展水平進行分層設計，形成由淺入深、循序漸進的學習路徑。不同層次的學生可根據自身能力完成相應任務，在不斷挑戰與提升中實現個性化學習。此種差異化的訓練方式有助于激發學生的學習動力，促進地理空間認知能力的逐步建構與深化。

例如，在湘教版地理必修一“地球的運動”課程教學中，教師也可以依托AR技術的交互性與可視化優勢，設計分層任務，實現因材施教，逐步提升學生的空間認知能力。分層任務如圖1所示。

圖1基于AR技術的任務分層圖

對于空間認知能力較弱的學生，教師可設計基礎性任務，重點幫助學生建立直觀的空間表象，如利用AR三維模型讓學生手動旋轉地球，觀察并標注自轉與公轉方向，或在公轉軌道上定位二分二至日的地球位置；針對中等能力水平的學生，教師可設置進階性探究任務，引導其從靜態認知轉向動態分析。在此過程中，學生可自主調節模擬速度，反復觀察晝夜長短與太陽高度角的關系，從而深化對地球運動地理意義的理解；對于空間認知能力較強的學生，教師則可設計開放性的研究任務，培養其綜合分析與批判性思維能力，如讓學生觀察其對地球五帶范圍、太陽直射點移動幅度，以及晝夜長短分布的影響，進而推測氣候變化趨勢及其對農業生產的影響。通過AR技術設計分層任務，既能幫助基礎薄弱的學生夯實空間概念，又能為能力較強的學生提供深度探究的平臺，使不同層次學生的地理空間認知能力在原有基礎上得到有效提升。

（三）建模應用：實施立體方案，強化空間結構認知

AR技術能夠將二維地圖信息轉化為三維可視化模型，幫助學生在真實感更強的環境中進行空間建模與分析。學生可通過操作和觀察建立對地形地貌、區域結構等復雜空間關系的理解，有效彌補傳統教學中空間想象難、建模困難的短板，從而提升其空間思維能力和地理認知深度。

以“地球的運動”課程教學為例，地球圈層結構與運動規律一直是教學難點。傳統二維教材和靜態模型難以直觀展示地球內部圈層與外部大氣層的空間關系，更無法動態呈現地球運動過程中各圈層的相互作用。AR技術的引人有效解決了這一教學困境。學生在佩戴AR設備后，能夠清晰地觀察到地球內部的地殼、地幔、地核的分層結構，以及外部大氣層的垂直分布。此種立體的展示方式能夠使學生對地球的空間結構形成更加直觀的認識，突破傳統教學中“平面想象立體”的認知障礙。在講解地球公轉對氣候的影響時，系統可以動態展示隨著地球公轉，太陽直射點的移動如何導致不同緯度太陽輻射能量的差異分布。同時，AR模型能夠可視化呈現由此產生的大氣環流變化，赤道地區的暖濕氣流上升、極地冷空氣下沉的運動軌跡，以及三圈環流系統的形成過程都能夠得以生動展現。學生通過手勢操作，可以從任意角度觀察氣流運動，甚至“走進”環流系統內部，理解氣壓帶、風帶的形成機制。此種沉浸式的學習體驗不僅能夠解決學生空間想象困難的問題，更能讓學生深入理解地球空間結構與運動對氣候系統的影響機制。

（四）交互創新：打造多維互動，即時生成智能反饋

AR平臺支持多感官參與的交互方式，可有效增強學生在學習過程中的主動性和參與感。同時，AR可實時記錄學生的操作行為并提供智能化反饋，幫助其及時調整學習方案。此種即時互動與反饋機制不僅能夠提升教師教學的針對性和有效性，也有助于學生在實踐中不斷優化地理空間認知結構，提高學習效率與質量。

例如，在“地球的運動”課程教學中，AR平臺也可以為師生提供豐富的交互形式。AR平臺支持豐富的交互操作。學生可以通過手勢對地球模型進行自由縮放和旋轉，從任意角度觀察地球自轉和公轉的運動狀態。此種直觀的操作方式使學生能夠自主構建空間認知，如通過改變觀察視角以理解極晝極夜現象的形成原理。同時，平臺還集成了語音交互功能，學生可以通過語音指令查詢關鍵參數，如“查詢當前地球公轉速度”或“顯示夏至日太陽直射點坐標”，系統可以即時呈現相關信息，以提高學生的學習效率。在探究性實驗環節，AR平臺支持學生通過調節參數來模擬不同情境下的地球運動。比如，學生可以嘗試改變地球自轉速度，觀察晝夜交替周期的變化；或者調整公轉軌道偏心率，探究其對四季長度的影響。這種“假設-驗證”式的學習方式，不僅能夠加深學生對地球運動規律的理解，還能夠培養其科學的探究能力。最后，AR系統的智能分析功能還可以實時記錄學生的模型觀察時長、問題回答準確率等各項操作數據，并通過算法分析，生成學習診斷報告。當系統檢測到學生對某些概念（如晝夜長短變化規律）存在理解偏差時，會自動推送針對性的微課視頻和練習題，幫助學生及時糾正錯誤認知。此種即時反饋機制可有效優化學生的地理空間認知結構，顯著提升學生的學習效率。

五、結束語

將增強現實AR技術與高中地理教育深度融合，能夠為提升學生的地理空間認知能力開辟新的教育途徑。該技術不僅能夠通過動態情境的直觀展現和分層任務的精確引導，實現對傳統教學模式的時空限制和思維差異問題的有效突破，而且在立體建模的深人分析和多維互動的智能反饋方面，同樣展現出顯著的技術優勢。未來，隨著AR技術的不斷進步，其在地理教學中的應用將更加緊密，能夠為培養具備高階地理空間認知能力的創新型人才奠定堅實基礎，并引領高中地理教育步入智能化、個性化的新時代。

作者單位：向吉成甘肅省高臺縣第一中學

參考文獻

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