數字星球教學系統構建初探

　　數字星球教學系統的構建，以建構主義等新的學習理論為指導，綜合運用遙感、遙測、地理信息系統、球幕投影技術、多媒體、虛擬現實及網絡等技術，將航空航天遙感所積累的有關地球、月球、太陽和其它行星海量的、枯燥的、繁瑣的、一般用戶很難理解的數據信息，轉換成生動、直觀、易于理解的三維圖像并集成圖形、動畫和其它視頻媒體，整合地理學科課程內容、學科教學理論，形成綜合的交互式立體圖像顯示系統和學習環境平臺。其外觀表現為計算機軟硬件系統，其內涵卻是由計算機程序和地理信息數據、圖形、圖像、視頻、動畫、學科知識內容組織而成的地理學科教學環境、學習資源、內容媒體。
　　一、構建星球尺度的空間圖像——宇宙與地球
　　源于希臘語的“地理”一詞，字面上的意思是記下或描寫地球。隨著科學技術的發展，人類能在愈來愈大的范圍和深度認識、思考地球及其它星球。運用球幕投影技術可以將學習者帶入一個虛擬真實的地球以及其它星球——太陽、月球、火星等，真切地體驗、看到超越時間與空間的現象與過程，去認識、了解我們的生存空間與環境，開啟認識與思維之窗。
　　二、全球尺度的空間分布設計
　　地理是一門關于空間的科學。掌握地理事象的地理分布和空間結構是學習地理最基本的要求，也是學好地理最重要的基礎。這部分的設計采用要素式組織模式，自然地理要素按照地形、氣候、水文、土壤、生物等要素編排，人文地理按照人口、文化、經濟、農業、工業、聚落、種族、交通、通信等要素編排，反映地理的學科體系和地理教材的核心內容，如世界地形、世界政區、世界的人口、世界的降水、世界氣溫、世界的氣候、世界的自然帶、世界的語言、世界的宗教、世界時區、宇宙星空、火星的氣溫分布、月貌等（圖1）。
　　三、全球尺度的空間運動設計
　　地理學科涉及的內容，無論自然環境，還是人類社會，都在不斷運動、不斷變化。在學習地理知識、分析地理現象和討論地理問題時，都要考慮動態變化，用發展變化的觀點看問題。運用球幕投影技術模擬展示地理事物在全球尺度的空間運動過程，更能體現出球幕投影技術的全球性和動態性優勢，這方面的設計主要集中在以下內容：地球的運動、大氣環流、全球性氣壓帶和風帶、季風環流；全球性的海水運動等。
　　四、地理現象的時間動態設計
　　以空間與時間相結合的方式全方位地再現地球上的各種地理過程，顯示地理事物在不同時段地理信息的空間分布，實現地理事物變化趨勢的教學，幫助學生認識地理事物的發展過程，培養學生科學、客觀地分析問題的能力。這方面的設計主要有：板塊運動、大陸漂移、地球自轉產生晝夜更替、晨昏線的變化、氣候變暖、海冰的消融形成過程等。
　　五、全球尺度基礎上的細節、局部、區域表達功能
　　地理學在闡述世界上自然、經濟和社會現象的空間聯系和空間結構，人和自然界的相互關系以及人類和所處區域之間的關系等時，總是以區域的范疇（即世界、全球，而在大部分時間是世界的一部份，包括流域、各種類型的自然單元、國家、城市、鄉村）來進行的。因此，第二輪設計實驗旨在開發系統在全球尺度基礎上的細節、局部、區域表達的功能。
　　六、教學設計——形成結構化資源與課件
　　在三維資源設計的基礎上，開展系統的教學設計，從學習內容的設計擴展到對學習過程的設計，以及對教學策略的關注，特別是在實現既能發揮教師主導作用，又能充分體現學生主體地位的“主導-主體相結合”的新型教學結構的支撐方面，通過設計與實踐應用中的反復修正與完善，生成一批可修改的結構化課件和應用模板，也使得數字星球從單一的球幕投影與多屏幕投影系統發展成為依據數字地球的理念、新的學習理論和教學理論，融合地理空間信息、多媒體信息、實時交互及多屏顯示，以平面和立體模式，將發生于遙遠空間、漫長時間及瞬時發生的地理事物、現象、過程及其發展變化變成一種直觀生動的方式呈現，使得教學不受時間與空間、宏觀與微觀的限制，延伸人的各種感官、思維，并為學生創設豐富多彩的探索空間和實現自主建構的各種自主和協作學習活動，激發學習的積極主動性，使他們在愉悅的情境下，以豐富的想象、牢固的記憶和靈活的思維獲得學習的成功。圖2為數字星球教學系統所呈現的太陽系三維影像及課程內容頁面。
　　作為信息時代的教育技術，數字星球教學系統能夠實現地理事象的空間分布、空間聯系、空間變化、空間綜合（地方與區域）的可視化表達，融文本、聲音、圖像、圖形、動畫、視頻、平面、立體于一體，改變過去書本單一的線性結構，活化教學內容，將知識多角度、多層次、多形式地傳遞給學生，為學生創設了一個能認知、能體驗、能感悟的地理教學情景。系統通過物化技術（數字視像圓球體屏幕、計算機、網絡等硬件及其軟件等）和智能技術（促進學習的認知策略、學習策略、教學設計等）來支持地理學習/教學；通過將學科特色的信息技術有效地融合于學科的教學過程來營造一種學習者能感知、能體驗的富有樂趣和享受感覺的信息化地理教學環境，激發學生內在的學習興趣與動機。通過學習者的主動參與，培養他們更積極的地理學習態度、有效地幫助他們學會如何進行地理思維與信息時代學習和研究地理問題的方法，實現一種既能發揮教師主導作用又能充分體現學生主體地位的以“自主、探究、合作”為特征的教與學方式。
　　綜上所述，筆者認為，數字星球教學系統以先進的計算機技術為基礎，使得前沿科學知識走進地理教學課堂成為可能；使地理學習超越了傳統學校教育中依賴單一媒體、單一模式、有限資源的方式，它可以幫助教師將學科教學內容跟真實世界的情境結合起來，并促使學生在地理知識及其應用和他們作為未來公民與工作者的生活之間建立聯系，又克服了直接走進地球及宇宙星空和現實生活這種教育空想的現實局限，使知識和產出知識的活動以及應用知識的情境結合起來，使知識回歸其與世界的聯系，使知識的建構過程、協商過程和參與過程，即真正意義上的學習呈現出探究與認識世界的本質和實踐性的特點，使學校情境中的學習與人類探究世界這一更廣泛意義上的學習在本質上統一起來，從而徹底摒棄學校地理學習中的去情境化現象，使學校地理學習成為通過探求知識獲得解放的活動，而不是讓學生走向為書本奴役的道路。
　　數字星球教學系統所內含的對于地理學習的綜合性、真實性、情境性、適應性的追求具有積極的意義，并能為在具備條件時在更高層次上實現這些目標奠定基礎。