地理虛擬仿真實驗設計與應用探究

陳嘉欣

隨著《普通高中地理課程標準（2017年版）》的推行、《關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》《中國教育現(xiàn)代化2035》等一系列文件的出臺，教學方式的創(chuàng)新、教師信息技術應用能力的提升成為了地理教學中探討的熱點。現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展有利于改變傳統(tǒng)地理教學模式，突破環(huán)境及儀器設備等因素的限制，提高地理教學質(zhì)量。近年來，虛擬仿真實驗成為地理教學中的熱門技術。應用于教學的虛擬仿真實驗是以虛擬仿真技術為依托，結合課程標準，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和認知對象，使學生在這一過程中學習新知、培養(yǎng)實踐力的模擬仿真實驗。

一、虛擬仿真實驗在地理教學的應用價值

1.降低知識抽象難度，提高教學效果

根據(jù)戴爾的“經(jīng)驗之塔”理論，教學活動應從具體經(jīng)驗入手，逐步進入抽象經(jīng)驗，便于學生理解和接受所學知識，降低學習難度。高中地理所學的知識中涉及大量抽象的地理現(xiàn)象和過程，許多地理現(xiàn)象具備空間廣闊性大、時間廣延性長、不可見等學科特殊性，如大尺度的天氣現(xiàn)象等;加之傳統(tǒng)的地理課堂實驗往往過于局限，無法高度還原地理現(xiàn)象，從而導致教學效果實際上并沒有得到顯著的提高。而虛擬仿真技術沉浸式的特點，其所創(chuàng)造的學習環(huán)境具有物理、環(huán)境和行為的真實感，使學生產(chǎn)生身臨其境的感覺。如此一來，抽象知識具象化，使學生對難以全面觀察的地理現(xiàn)象有具體的認識，也為實驗后知識的總結概括創(chuàng)造了條件。

2.創(chuàng)新培育地理學科核心素養(yǎng)的學習方式

隨著“地理學科核心素養(yǎng)”的提出，如何創(chuàng)新地理學習方式，培養(yǎng)學生地理核心素養(yǎng)儼然已成為地理教學的熱點話題。而深入鉆研地理學科核心素養(yǎng)，不難發(fā)現(xiàn)，人地協(xié)調(diào)觀、綜合思維、區(qū)域認知和地理實踐力是相互聯(lián)系的有機整體，都離不開學生空間智能的培養(yǎng)。虛擬仿真實驗可營造直觀、生動的地理實驗環(huán)境，培養(yǎng)學生空間思維能力，創(chuàng)新地理教學方式;而虛擬仿真實驗的強交互性，使學生可自行對實驗過程進行控制，且機器能夠?qū)θ说牟僮鹘o與實時反應，因此可以提升學生的學習興趣，培養(yǎng)學生地理實踐力，提高學生創(chuàng)新能力。

3.實現(xiàn)資源共享，促進教學平等

由于虛擬仿真實驗造價較高，對于經(jīng)濟落后地區(qū)的中學，目前開展虛擬仿真實驗教學有較大困難。但是虛擬仿真實驗可以通過2D版本進行直觀演示型操作，因此借助普通的計算機便可以完成虛擬仿真實驗教學，從而實現(xiàn)教學資源的有效共享。

二、虛擬仿真實驗的設計流程

目前，我國對虛擬仿真實驗的設計還處于探索階段，通過筆者與設計研發(fā)工程師溝通，查閱相關文獻，歸納整理出虛擬仿真實驗的設計流程。

1.實驗選題分析

教師應根據(jù)地理實驗的特點、學生的認知發(fā)展水平和特征、地理課程標準和所要達到的學業(yè)質(zhì)量水平，綜合考慮學生對虛擬地理實驗的需求，分析虛擬仿真實驗教學資源的必要性、適用性、可行性。

2.實驗設計過程

（1）細化實驗教學步驟。確定制作虛擬仿真實驗后，教師應根據(jù)課程標準的要求，明確所設計地理實驗的實驗原理、實驗目的，設計可行的實驗教學過程，確定虛擬仿真實驗呈現(xiàn)的方式。以“鋒與天氣”為例，教師應該考慮，實驗的總體教學流程、實驗需展示天氣過程的種類（冷鋒、暖鋒、準靜止鋒），每個天氣過程該如何呈現(xiàn)（過境前、過境時、過境后）、關鍵的過程節(jié)點中，界面是否需要顯示知識點和設置問題等。

（2）實驗的美工。虛擬仿真實驗最終是以圖像的形式呈現(xiàn)，即需要將實驗所設計的地理現(xiàn)象、地理原理、地理過程等知識具象化。實驗腳本應盡可能文本化、細節(jié)化、數(shù)據(jù)化、圖像化。教師在整理完實驗所需要設計的知識點后，需要搜索地理事物的外觀、物理特性和運動等相關數(shù)據(jù)，分析要呈現(xiàn)的地理事物的幾何特征、物理特征和運動特征，通過參考教材、科普雜志、學術期刊等形式，再構建相關模型、背景配色等。以“鋒與天氣”為例，教師應考慮氣團的大小和呈現(xiàn)形式、鋒的運動速度、界面的背景等。（該部分涉及到建模，教師可與研發(fā)工程師合作完成）

（3）實驗的編程。實驗的編程部分即實驗程序開發(fā)，選擇實驗軟件。軟件編程并非教師的強項，大部分教師從未涉及該領域，因此實驗的編程可以以校企合作、教師協(xié)作的形式完成。此外，一些高校擁有完備的硬件設備和技術條件，將高校地理信息科學專業(yè)學生與中學學生的實驗反饋結合起來，完善實驗的制作，因此軟件編程也可以通過中學與高校的合作完成。通過以上兩種形式，研發(fā)工程師利用代碼控制美工構建的圖片或模型將地理事物及其運動變化的工作機理呈現(xiàn)出來。在制作的過程中，教師和研發(fā)工程師溝通，共同制作在實驗中呈現(xiàn)的文本化內(nèi)容、音頻內(nèi)容等，使虛擬實驗更加貼近教學需求。同時，學校教師可以學習和掌握實驗操作過程，有助于實驗教學。

（4）實驗的應用、評價與完善。初步開發(fā)出虛擬仿真實驗后，教師將其在教學過程中應用實證，進行師生反饋評價，并根據(jù)反饋內(nèi)容進行修改完善。

三、虛擬仿真實驗的應用

虛擬仿真實驗是優(yōu)化課堂教學的教輔工具，如何將其與地理課堂教學結合，切實地提高地理教學效果，是地理教師值得思考的問題。筆者以高中地理“鋒與天氣”為例，結合教學內(nèi)容設計了虛擬仿真實驗，并在此基礎上開展了實驗部分的課堂教學。

1.實驗設計背景

2017版新課標對這部分內(nèi)容的要求是“分析鋒、低壓（氣旋）、高壓（反氣旋）等天氣系統(tǒng)，并運用簡易天氣圖，解釋常見天氣現(xiàn)象的成因。”這就要求學生掌握冷鋒、暖鋒以及準靜止鋒的活動規(guī)律及天氣特征，并能夠解釋生活當中天氣現(xiàn)象的成因。而“鋒與天氣”是大尺度范圍的天氣現(xiàn)象，學生無法從現(xiàn)實生活中直觀地觀察該天氣現(xiàn)象的總體過程;現(xiàn)行教材主要是以圖片和文字的形式展開教學，憑借高中一年級學生的認知水平，學生難以根據(jù)抽象的文字和圖片在腦海里構建該天氣過程，所以“鋒與天氣”無疑也是教學難點。為引導學生重視對本課的學習，筆者建議以課本與虛擬仿真實驗相結合的形式展開教學。氣團和鋒等概念方面的學習以課本教學為主，設計的虛擬仿真實驗主要展示“冷鋒天氣”“暖鋒天氣”“準靜止鋒天氣”“錮囚鋒天氣”的運動過程部分。其中前三種天氣類型為必須掌握內(nèi)容，“錮囚鋒天氣”為拓展內(nèi)容。筆者將以“暖鋒天氣”的教學為例，展示實驗教學過程。

2.實驗教學準備

虛擬仿真實驗需要在多媒體教室進行，教師應提前聯(lián)系預約多媒體教師，并將虛擬仿真實驗共享到學生機。

3.實驗教學過程

（1）在講授完氣團和鋒的相關知識點后，教師打開“鋒面天氣實驗”主界面，該界面以野外自然大氣景觀為背景，出現(xiàn)“冷鋒天氣”“暖鋒天氣”“準靜止鋒天氣”“錮囚鋒天氣”四個動作按鈕。

（2）教師用鼠標左鍵單擊（以下簡稱“左擊”）“暖鋒天氣”，在原界面的基礎上出現(xiàn)暖鋒天氣的概念及特征，教師簡要和學生介紹“暖鋒”的相關知識。

（3）教師左擊屏幕下方的“Enter”按鈕進入模擬暖鋒運動的虛擬實驗界面，引導學生觀察冷暖氣團的相對位置和形態(tài)特征。

（4）教師左擊界面下方“開始”按鈕，將出現(xiàn)暖鋒運動的全過程。其中，在暖鋒運動過程中屏幕會在對應的過程彈出關于暖鋒過境前、過境時、過境后天氣變化的問題欄，需回答出問題欄的問題，暖鋒才會“繼續(xù)”運動。例如：在冷暖氣團相遇時，視頻自動暫停，屏幕下方出現(xiàn)以下問題：“暖鋒天氣過境時，會出現(xiàn)什么天氣變化”，需勾選出正確答案，才能繼續(xù)進行實驗。在此過程中，教師引導學生觀察暖鋒運動過程中鋒面的的位置和移動方向、當?shù)氐奶鞖庾兓蛯W生一起“跨越”問題欄。

（5）教師建議學生在學生機上重復教師剛剛的演示操作，回顧暖鋒運動過程，并歸納完成下表。

由于冷鋒和準靜止鋒的操作方式和暖鋒基本一致，故不再贅述。

四、教學設計意圖

虛擬仿真實驗讓大尺度的暖鋒形成過程在有限的屏幕上逼真地呈現(xiàn)。通過教師模擬暖鋒過境的過程以及學生的重復演示，學生可以在腦海中形成暖鋒過境的空間概念，從而掌握暖鋒運動過程對當?shù)氐奶鞖庾兓挠绊懀瑫r培養(yǎng)地理實踐力;實驗過程中“問題欄”的設置，不僅使學生在觀察的過程中思考，還能讓教師了解學生對知識的消化程度;通過學生自行演示后完成表格，可培養(yǎng)學生總結歸納能力。

五、結語

教學方式的創(chuàng)新是教育創(chuàng)新不可缺少的重要內(nèi)容，是提高教學質(zhì)量的必要手段。地理虛擬仿真實驗教學是信息技術與學科地理教學的融合，是對傳統(tǒng)教學方式的創(chuàng)新，有助于提高教學效果，實現(xiàn)資源共享。