中學地理虛擬仿真實驗教學案例研究
——以“地形圖的判讀”為例

李慧敏 徐 豐 李艷萍

（[1]信陽師范學院地理科學學院 河南·信陽 464000；[2]河北師范大學田家炳中學 河北·石家莊 050000）

1 虛擬仿真教學國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外虛擬仿真教學的發(fā)展現(xiàn)狀

國外對虛擬仿真的研究比較早，被認為始于1950年代。近年來，英國開放大學通過建設開放科學實驗室的方式，構(gòu)建3D沉浸式的環(huán)境；美國耶魯大學利用平板電腦完成可以利用移動應用程序進行分享的課程實驗；加拿大維多利亞大學在虛擬仿真實驗中的發(fā)展主要是通過建設3D實驗室和人類學創(chuàng)客實驗室體現(xiàn)的。

1.2 國內(nèi)虛擬仿真教學的發(fā)展現(xiàn)狀

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》明確提出要加強教育信息化建設，為推進落實，2017年，北京大學地球科學沉浸式3D全息交互虛擬仿真教學平臺通過了驗收；中國人民大學建設基于大數(shù)據(jù)文科綜合訓練虛擬仿真實驗教學中心；北京郵電大學電子信息虛擬仿真實驗教學中心創(chuàng)建了“理論教學—虛擬實驗—實驗室教學”的實驗教學模式。

2 虛擬仿真實驗應用于中學地理教學的應用價值與意義

中學地理虛擬仿真實驗，即在中學地理課堂中，依托學科特色，在計算機系統(tǒng)中模擬真實的教學實驗活動，從而掌握地理知識點的概念及其規(guī)律，理解并掌握特定地理現(xiàn)象的成因與定理等的項目。虛擬仿真實驗在情景創(chuàng)設、情景建構(gòu)等教學過程轉(zhuǎn)變方面獨具特色，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 直觀具體便于學生接受

虛擬仿真實驗在中學地理教學中的使用能夠直觀的再現(xiàn)地理現(xiàn)象，培養(yǎng)學生科學觀察的能力，促進學生空間想象能力的提升，利用直觀具體的視覺沖擊幫助學生理解地理知識難點，培養(yǎng)其地理學習的興趣。

2.2 效率高的同時安全性極高

地理實踐是支持學生地理學科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要手段。在中學地理課堂教學中，某些章節(jié)需要學生野外考察或者實踐操作進行相關學習，時間消耗長的同時容易發(fā)生意外。而虛擬仿真教學不局限于某個特定地點，可以通過網(wǎng)絡共享數(shù)據(jù)資源，具有虛擬操作性等學習功能，能夠幫助學習者快速進行相關學習，效率極高。

2.3 提升教學效果，增強課堂趣味性

虛擬仿真實驗能夠真實的動態(tài)演示地理現(xiàn)象的運動發(fā)展過程，揭示地理事物發(fā)展運動的內(nèi)在規(guī)律。例如在學習“等高線地形圖”這一章節(jié)時，教師可以通過虛擬仿真將等高線圖以更加逼真立體的形式表現(xiàn)出來，增強地理課堂教學的趣味性，提升教學效果。

3 虛擬仿真實驗教學案例

本文以七年級上冊第一章第四節(jié)“地形圖的判讀”為例，將教學內(nèi)容和虛擬仿真實驗相結(jié)合進行了相關的教學設計。

3.1 課標分析

2011年版《義務教育地理課程標準》明確要求學生在學習完相關知識點后能夠在等高線地形圖上判斷坡的陡緩，這就要求其空間思維能力能夠達到三維立體的地形圖到平面的等高線圖的轉(zhuǎn)換水平，學生能夠總結(jié)出坡度的陡緩與等高線的疏密程度之間的關系，而不只是死記硬背等高線的原理及規(guī)律，這是本節(jié)內(nèi)容學習的重難點。

3.2 教學目標

（1）能用自己的語言簡單概括海拔、等高線、等高距、等高面的概念，理解并掌握等高線地形圖的概念及其特點。（2）能夠理解坡度的陡緩與等高線疏密的關系；能夠在等高線地形圖上判讀出各種山體類型，并說明判斷依據(jù)。（3）能夠總結(jié)等高線地形圖與地形剖面圖之間的關系，并且學會繪制地形剖面圖。

3.3 設計思路

本文以“地形圖的判讀”為例，需要在多媒體教室進行授課。教師下載安裝好101教育PPT后，通過模擬演示，幫助學生理解本節(jié)與等高線相關的基本知識，加深理解。

3.3.1 應用于等高線學習的教學

教師向?qū)W生360度展示某一山體（如圖1所示），引導學生思考此山體的基本特征。

圖1：山體不同角度鼠標操作過程截圖

[思考與討論]請同學們仔細觀察并總結(jié)等高線是什么？等高線有哪些特點？等高線地形圖是如何生成的？

[實驗步驟]（1）在模擬場景中，教師依次點擊“山體”“海拔”“等高面”“等高線”等，這幾種要素可以重疊同時出現(xiàn)，也可以點擊重置讓每個要素單獨出現(xiàn)。教師可以通過長按鼠標左鍵360度演示海拔、等高面、等高線的形態(tài)特征（如圖2所示）。（2）通過點擊點擊“海拔”“等高面”“等高線”“俯視”按鈕模擬等高線地形圖的生成過程（如圖3所示）。重復操作，學生仔細觀看。

圖2：各要素疊加圖

圖3：等高線地形圖的生成過程

[設計意圖]本節(jié)教材內(nèi)容出現(xiàn)在七年級上冊，學生通過以往的學習對地圖知識已經(jīng)有了初步的理解，但是其空間感知能力較弱，很難理解等高線地形圖的繪制原理，通過教師的模擬演示，能夠引導學生理解掌握等高線地形圖的相關概念及特點，了解繪制原理，初步實現(xiàn)空間思維的轉(zhuǎn)換。

3.3.2 應用于等高線的疏密程度與各種地形類型關系的教學

[思考與討論]等高線地形圖上山峰、山脊、山谷、陡崖如何確定？等高線的疏密程度與坡度的陡緩之間有什么關系？

[實驗步驟]（1）教師指導學生利用鼠標360度觀察三維立體地形模型。（2）依次點擊“等高線”“俯視”按鈕或者點擊“等高線”按鈕后自行進行拖拽，使三維立體地形模型處于俯視狀態(tài)。（3）點擊“海拔”按鈕，為等高線附高度值。學生觀察不同等高線上高度值的變化（如圖4所示）。（4）總結(jié)坡度與等高線之間的關系，指出等高線地形圖上的山脊、山谷等地形部位，并點擊“山谷”“山脊”按鈕進行驗證與糾錯（如圖5所示）。

圖4：俯視圖

圖5：“山谷”“山脊”驗證圖

[設計意圖]中學階段學生的空間思維能力尚未完全建立，空間想象力明顯不足，難以將平面的等高線圖與三維立體的地形圖聯(lián)系起來。虛擬仿真實驗可以讓地理現(xiàn)象在屏幕上真實的呈現(xiàn)出來，教師利用現(xiàn)代信息技術引導學生觀察等高線圖，實現(xiàn)教學目標。在本案例中，學生對此山體的各部位已經(jīng)有了初步的了解，教師指導學生進行模擬演示，通過平面等高線圖與三維地形圖的對比，引導學生思考相關知識點。

3.3.3 應用于地形剖面圖繪制的教學

[思考與討論]如何繪制地形剖面圖？

[實驗步驟]教師指導學生點擊剖面線按鈕繪制剖面線，此時可以選擇分步繪制或一鍵繪制，學生反復觀看并思考剖面線繪制的方法（如圖6所示）。

圖6：剖面線繪制圖

[設計意圖]在教師進行語言講解的同時，學生跟隨點擊相關按鈕，通過反復觀察與操作，學生能夠了解到剖面圖的繪制原理，并且在教師的引導下學生能夠總結(jié)歸納等高線地形圖與地形剖面圖之間的關系。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)教學模式主要是通過在課堂上學習理論知識進行，時空的局限性很大且精神樂趣少。而虛擬仿真實驗是融合了現(xiàn)代信息技術輔助傳統(tǒng)實驗教學的新型教學方式，具有成本低、直觀性強、建設速度快、實時性等特點，可以突破時空的限制，在交互性的虛擬學習環(huán)境中進行學習，實驗教學的指導效率極高，是一種方便高效的教學輔助工具。通過虛擬仿真實驗演示相關地理知識，能夠彌補教學硬件上的不足。但是虛擬仿真教學也具有一些問題，比如可能忽略掉學生的個性差異，不能很好地促進每個人的均衡發(fā)展，在體現(xiàn)教師的教學機智和人格魅力方面不如傳統(tǒng)的教學方式等。因此，在教學中要充分發(fā)揮虛擬仿真實驗的輔助教學作用，結(jié)合傳統(tǒng)教學模式進行教學。