基于ARSandbox的中學地理可視化教學及應用示范

王夏青 周芳 米元 鄒小燕 喻偉建 王海珍

摘 ?要 AR Sandbox有助于學生對地理環境的手動實踐操作和實時監控，是實現可視化教學的理想平臺。介紹AR Sandbox平臺基本原理及應用優勢，并以中學地理“等高線地形圖的判讀”章節的教學案例作為應用示范，希望能為今后AR Sandbox在國內中學地理教學中的應用提供理論依據和科學參考。

關鍵詞 AR Sandbox;3D模型;可視化教學;中學地理;等高線

中圖分類號：G633.55 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0032-04

1 引言

傳統中學地理教學以學生的被動聽覺接收知識信息為主。這種教學方式難以激發學生的學習興趣和主觀能動性，導致學生逐漸失去對地理學科的興趣。研究表明，相比于學生的被動聽課，通過視覺和動覺的學習更能幫助大腦深刻地識別和記憶不同的知識信息[1-2]。基于視覺的可視化教學是指抽象難懂的思維過程外顯化，即通過利用一定的工具、技術，將平時難以理解的、難以學習的抽象知識或理論簡單化、圖形化、圖像化[3]。基于動覺的教學要求學生在學習過程中進行更多的手動實踐研究活動。因此，探索基于視覺和動覺的可視化教學模式是當前中學地理教學亟待開展的研究，這一認識與《普通中學地理課程標準（2017修訂版）》中提出的要求一致，即“要指導學生開展觀察、實踐、探究和研究活動，轉變學生機械模仿、被動接受的學習方式，促進學生主動和富有個性地學習”[4]。

中學地理教學常利用二維（2D）平面展現三維（3D）的野外實景，這就要求學生擁有較強的空間思維能力，將地形、規模、符號等具體化，從而實現2D和3D實景的有效銜接。然而，由于中學生有限的野外觀察經驗，使得這種基于空間思維的銜接成為他們高效學習地理知識的最大限制性因素。因此，中學地理教師常利用實體模型、虛擬現實（Virtual Reality，VR）模型和增強現實（Augmented Reality，AR）模型提高學生的空間思維能力。

VR模型的具體內涵是綜合利用計算機圖形、系統和各種現實及控制等接口設備，在計算機上生成的、可交互的三維環境中提供沉浸感覺的技術[5-6]。但VR模型最大的不足是學生無法直觀體驗地理景象的動態過程。

相比于VR模型，AR模型通過計算機虛擬環境和野外實景的疊加，實現現實環境在計算機中的3D動態展示。因此，近年來的AR模型教學在國際上得到廣泛推廣和使用。如Bacca et al.[7]基于32篇已發表文章系統性地分析和評價了AR模型在教育中的優缺點及未來趨勢。當前部分國內中學教師也在課堂上在逐漸嘗試AR模型的使用。如羅春和陽金秀[8]以“秒懂初中地理”APP為例，闡明了AR技術在不同教學環節的有效運用，初步實現地理課堂的可視化和多元化教學，并探討了AR技術在初中地理教學中的應用前景。然而，這些AR模型在教學中推廣的局限性主要表現在：

1）學生可望而不可即，無法動手實踐和探索;

2）相關科技公司有限的模塊開發。

因此，在中學地理教學中有必要探索更簡單、易操作的地理實景展示技術和設備，從而塑造直觀的、動態的地理環境，使學生認識和模擬不同時空范圍的地理實景，自主、合作地探索及獲取相關知識，并認識到相關內容在今后生活工作中的應用，進一步提高學科核心素養。AR Sandbox（AR沙箱）的出現使得上述教學過程成為可能。

AR Sandbox由于搭建了2D景象與真實地理環境間的聯系，正逐漸成為一個引人注目的工具。由于沙箱中建模的3D景觀與其投影在屏幕上的2D圖像同步，相比于學生研究地形圖并試圖想象其真實的地形，他們更容易直觀感受二者之間的聯系。此外，這個可視化和易操控的AR沙箱的另一個獨特之處是通過構想景觀演變的過程研究虛擬水文運動與真實的模型景觀的相互作用。雖然國際上已有一些關于該平臺在大學地理課堂教學的案例[9]，但其在國內中學地理教學中仍未見相關報道。因此，本文首先介紹AR沙箱的組成及其優勢，并以“等高線地形圖的判讀”章節為例，探索該平臺在中學地理教學中的應用，以期為中學地理課堂教學改革和新技術儀器的應用及推廣提供參考。

2 AR Sandbox簡介

AR Sandbox是由美國California大學Davis分校的Keck W.M.地球科學動態可視化中心（KeckCAVES）研發的，其最初的目的是通過3D可視化增強對淡水湖泊生態系統的理解和管理[10]。該平臺主要由電腦、超短焦距投影儀、3D動態感應攝像頭（Microsoft Xbox Kinect）、沙箱以及沙子等硬件設備和可視化處理軟件組成，詳見圖1A。AR Sand-box相對小巧，約占2 m3立體空間，可用于課堂上實時教學或開放實驗室手動操作和模擬。關于AR Sandbox的具體介紹和發展歷程詳見KeckCAVES網站（http：//kechcaves.org/），在此不做詳細介紹。2018年12月，AR Sandbox被安裝于湖南文理學院資源環境與旅游學院地理科學專業實驗室，如圖1A所示。

AR Sandbox是一種允許用戶親自動手操作且實時觀測的展示工具。用戶可根據自己構思及設想在沙箱中利用沙子塑造各種地形地貌，如山地、溝谷、農田、城市群落等。在此基礎上，3D動態感應攝像頭獲取沙子表面基于沙箱底部的高差變化，并基于電腦可視化軟件自動計算沙子地貌的等高線，隨后將等高線和用以表示不同海拔高度的顏色圖形利用超短焦距投影儀對沙區進行投影，從而生成地形海拔及等高線等信息可視化的實時模擬地貌，如圖1B所示。當用戶用手或鏟子改變沙子地貌，3D攝像頭會及時獲取這些變化并將變化后的等高線及不同海拔的顏色重新投影到沙區。

另一方面，AR Sandbox還可模擬虛擬降水、蒸發、地表徑流、土壤侵蝕等過程。當用戶把手或其他物體放到沙區上空，虛擬降水以藍色水流逐漸呈現在沙區地貌上。起初降水在地貌區逐漸消失或緩慢流動，主要體現了地貌區降水的土壤滲透作用。當然，水流等可通過電腦軟件控制。隨著降水的增加，沙區的虛擬水體會沿著地貌表明坡度、坡向等逐漸向匯水區流動，從而實現自然環境的模擬。因此，AR Sandbox可廣泛應用于地貌、水文、土壤、環境科學、地質工程、區域規劃及災害預防等方面的教學和公眾的知識普及。

3 AR Sandbox在中學地理教學中的優勢

AR Sandbox在中學地理課堂中既可隨意在沙箱中塑造不同地理環境，又可基于計算機軟件在顯示器上體現出地貌的平面效果，從而實現2D平面與3D景觀在同一環境下的同步顯示。因此，相比于其他只可遠觀的AR平臺，AR Sandbox在中學地理教學中擁有顯著的優勢和廣闊的前景。

學生親自手動塑造地理實景，增強對地理環境的認識和記憶 ?由于沙子的可塑性，學生可基于野外活動或電子地圖對地理環境實景的認識，在沙盤中手動塑造單一地形（如山峰、溝谷等），或按照比例真實模擬某區域地理環境，甚至可以結合3D打印機將人文環境特征模擬到沙盤地理景觀中。這些實踐和操作可積極調動學生的主觀能動性，以游戲的方式激發學生對地理環境實景的探索，并在塑造過程中通過增強動覺實現對地理環境的有效記憶。通過調查表明，人們在AR Sandbox前至少駐留20分鐘把玩或操作，這已遠超其他AR平臺的嘗試時間[11]。此外，人們還經常為了實現預定模擬場景而主動與其他人合作。因此，AR?Sandbox在中學地理課堂上的使用既可使學生主動探索教學內容，又可增強學生的團隊合作能力，從而提高學生的地理學科核心素養。

3D景觀和2D圖像的直觀體現，促進學生的空間思維能力 ?空間思維雖是中學生學習地理科學的必備能力，但也成為他們提高地理認識水平的限制性因素。AR Sandbox通過在沙箱中直觀塑造地理景觀，并基于配備的3D攝像機和可視化軟件在計算機屏幕中同步展示該景觀的2D圖像。這一特點打破了學生的空間想象障礙，對2D平面圖和對應的3D景觀形成直觀的認識。這為學生在學習和生活中閱讀相關平面地圖提供了科學依據和參考，從而提高了學生學習地理知識的效率。

培養學生以發展眼光看地理環境的能力 ?地理環境的動態性和可變性是地理科學最基本的特征，學生學習地理科學也要求以發展的眼光看待地理事物。但是，這些特征在傳統課堂上無法讓學生直觀感受和認識。AR Sandbox除可靜態展示地理景觀外，還可以通過操作即時改變模擬地貌（如建造大壩、建筑物等）、增強（減弱）降水及蒸發或改變地表屬性等，實現地理環境的動態模擬。因此，AR Sandbox的沙盤推演及實時模擬可為學生理解地理環境的動態變化提供最直觀的平臺。

4 AR Sandbox的教學應用示范：以“等高線地形圖的判讀”為例

在認識AR Sandbox工具及其在地理教學中優勢的基礎上，以湘教版《地理》（七年級上冊）“等高線地形圖的判讀”為例，示范該儀器平臺在地理課堂教學中的實際應用，并對比該方法與傳統教學的差異，為AR Sandbox工具今后在地理教學中的應用提供依據。

首先，相比于利用山地實景圖片和模型的傳統教學過程，基于AR Sandbox工具的教學準備過程進行了適當調整。如表1所示，基于AR Sandbox的教學準備過程中增加了學生主動建模不同山體類型的過程，并擬要求學生通過觀測不同山體3D模型的等高線分布特征和屏幕上的2D平面效果，基于空間觀察和想象自行總結各山體的等高線地形圖特征，以期實現該部分內容的深刻理解和及時記憶。但相對于傳統教學，基于AR Sandbox工具的教學可能需要對學生紀律進行有效管理及對課堂時間進行合理安排。因此，比起常規的備課，教師可能需花費更多的準備時間進行儀器的調試和課堂安排等。

其次，在課堂教學過程中將學生按不同地形數量分組并依次在沙盤區完成各地形的建模，觀察等高線在各3D地形的分布特點。如圖2所示，各組在沙盤中依次模擬山峰和鞍部（A）、洼地（B）、山脊和山谷（C）、陡崖（D和E）等。在此基礎上，學生觀測不同顏色海拔上的封閉的等高線分布，并明確不同3D地形的等高線高低分布特征和趨勢。同時，小組其他成員觀察各地形在計算機顯示器上呈現的2D等高線分布圖，并將等高線在沙盤中的3D分布與顯示屏中的2D圖形相對應，實現3D和2D的連接，從而提高對等高線地形圖的3D空間思維能力。通過小組討論，總結出各地形的等高線特征，如凸高中低是山谷，凸低中高是山脊，密陡疏緩、多條等高線重合是陡崖等。在課后，讓各組學生均完成所有地形的建模和歸納等高線分布特征，從而加深對該部分內容的認識和記憶。

5 結語

基于視覺和動覺的可視化教學可充分激發學生對地理科學的學習興趣，并能幫助其對相關內容進行深入理解和記憶。允許學生親自動手操作且實時觀測的AR Sandbox是中學地理教學和實踐的有效工具。AR Sandbox的直觀性、易操作性和多功能性促使其在中學地理的地貌、水文、土壤、人文環境、區域規劃及災害等章節中均可實現可視化教學，使其擁有廣泛的可利用性和可推廣性。

以“等高線地形圖的判讀”為例的AR Sandbox教學示范充分展示了該平臺在教學中的優勢，但這只是對該平臺的最簡單的應用，針對AR Sandbox在不同階段學校（中學、大學等）不同地理課堂中的教學形式的研究仍需廣泛開展。此外，該平臺在地質工程建設和預測計算等方面的應用也需要進行深入研究。因此，AR Sandbox今后在地理環境教學和研究中擁有更加光明的應用前景。

參考文獻

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[11]Reed S， Hsi S， Kreylos O， et al. Augmented rea-lity turns a sandbox into a geoscience lesson[J].Eos?Earth & Space Science News，2016，97.