地理數(shù)字教材交互式動畫的運用與改進

張維四 李玉梅

摘要： 交互式動畫是數(shù)字教材的重要組成積件，具有交互性強、依托教材重點圖像和直觀動態(tài)的特征。在地理教學中，教師可以運用交互式動畫引入教學情境、進行規(guī)律總結(jié)和提供練習指導等。今后，研發(fā)地理數(shù)字教材時，還應利用地理信息系統(tǒng)的思想和功能，從加強圖層疊加功能的開發(fā)、加強時間變化動畫的控制功能設置和加強三維立體圖像的呈現(xiàn)等方面改進交互式動畫。

關(guān)鍵詞：數(shù)字教材；地理教學；交互式動畫；地理信息系統(tǒng)；三維立體圖像

數(shù)字教材以紙質(zhì)教材的體系結(jié)構(gòu)為依托，構(gòu)建具有可操控性媒體功能、筆記功能和反饋功能的閱讀平臺，使讀者除了能夠瀏覽紙質(zhì)教材中的圖文內(nèi)容外，還可以欣賞視頻、觀看動畫、處理練習等[1]。交互式動畫是指嵌入數(shù)字教材圖文中，通過鏈接可以打開的能夠進行點擊、拖曳等操作控制的動畫系統(tǒng)。它化靜為動，豐富教學資源，幫助學生更深入地理解文本內(nèi)容，或呈現(xiàn)某一內(nèi)容的學習思路，及時進行反饋練習，提高學生學習效率。

《義務教育地理課程標準（2022年版）》強調(diào)，“將現(xiàn)代信息技術(shù)與地理教學充分融合”，“嘗試研制與信息技術(shù)深度融合的新型教科書”，地理數(shù)字教材及其交互式動畫為實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與地理教學的深度融合提供了重要的支持。那么，教師如何基于數(shù)字教材和運用交互式動畫進行深度教學？本文以人教地理數(shù)字教材為例，凸顯交互式動畫的特點與優(yōu)勢，介紹地理教學中交互式動畫的應用實踐與改進建議。

一、交互式動畫的主要特征

人教地理數(shù)字教材不僅設置了書簽、標注、截圖等常規(guī)功能，而且基于紙質(zhì)教材樣式，增加了相關(guān)鏈接、視頻、動畫等教學積件。其中，特色鮮明、功能強大的就是交互式動畫。交互式動畫具有以下主要特征。

（一）具有較強的交互性

建構(gòu)主義教學觀認為，學習在本質(zhì)上是學習者主動建構(gòu)心理表征的過程。學習是為了滿足學習者自身發(fā)展的需要，引起學習者身心發(fā)展變化，是學習者主動建構(gòu)知識和能動改造自身的過程，是一種社會性交往活動?？梢?，學習離不開互動。人教地理數(shù)字教材的重要特征之一就是富媒體性，即交互性，主要體現(xiàn)在交互式動畫方面。

人教地理數(shù)字教材交互式動畫的交互性主要表現(xiàn)在兩個方面：一是基于問題的交互性，二是基于操作的交互性。其中，基于問題的交互性是指大部分的交互式動畫通過問題卡片進行引導。為了引導學生有邏輯地思考學習內(nèi)容，交互式動畫往往不急于給出答案，而是通過提示按鈕給出有關(guān)空間位置、地理概念等方面的信息，引導學生逐步深入學習。問題—思考—提示—回答的交互方式，有利于實現(xiàn)學生與教材內(nèi)容的互動，增強教學反饋效果?；诓僮鞯慕换バ允侵笇W生與數(shù)字教材的互動。通過參數(shù)調(diào)節(jié)、按鍵點擊或拖曳入位等方式，學生能夠自主進行選擇性學習。這使知識的生成更具靈活性、自主性，學習過程盡可能地活動化、非線性化，知識學習更生動，知識落實更高效。

（二）以教材重點圖像為依托

教材具有明顯的規(guī)范性和工具性，數(shù)字教材也不例外。圖像是學生地理學習的重要工具，所以地理數(shù)字教材中的交互式動畫以圖像為重要呈現(xiàn)基點。讀圖是學生從真實世界走向認知世界的橋梁。在這個過程中，學生往往要結(jié)合已有經(jīng)驗借助地圖嘗試還原真實世界。交互式動畫的動態(tài)呈現(xiàn)方式和交互反饋機制，有助于學生更好地理解制圖者、教材內(nèi)容和以此為媒介的客觀世界。

交互式動畫一般圍繞教材中的重點圖像展開。動畫彈窗的基本框架往往是左圖右文，用右側(cè)的文字解釋左側(cè)的圖像；往往是左圖右問，用右側(cè)的問題引導學生理解左側(cè)的圖像；往往是左圖右例，用右側(cè)的案例說明左側(cè)的圖像；往往是左穩(wěn)定右變換，用右側(cè)的事實理論等注釋左側(cè)的圖像。這樣的編排，能夠讓學生明確左側(cè)的圖像是學習重點，力求形成地學思維方式——心象地圖。交互式動畫還能通過拖曳式填圖、疊圖和控制式增減圖中要素等方法幫助學生探究圖像的內(nèi)涵，進而總結(jié)地理事物的空間分布規(guī)律，理解空間運動機制?？傊换ナ絼赢嬕詧D為境，實現(xiàn)圖文、文圖、圖圖的動態(tài)信息交互。這不僅能幫助學生高效理解地理概念，還能示范空間分析過程，培養(yǎng)地理學習方法。

（三）具有鮮明的直觀動態(tài)性

受二維平面或篇幅的限制，紙質(zhì)教材中的知識往往是結(jié)構(gòu)化或者邏輯化地呈現(xiàn)，內(nèi)容概括性較強。為了激發(fā)學生的學習興趣，更好地讓學生理解所學知識，教師需要在教學過程中補充一些實例或信息，凸顯交互式動畫的優(yōu)勢——直觀動態(tài)性。

首先，交互式動畫能夠集成大量的景觀圖、動圖、示意圖、視頻和文字案例等，立體呈現(xiàn)更為豐富的信息，增強教學的直觀性。其次，它還能實現(xiàn)大量教學內(nèi)容的可視化動態(tài)設計，再現(xiàn)地理過程（如冰川過程），模擬地理演變（如不同狀態(tài)下的水土流失過程），顯示多層次地理分布（如氣候的影響因素），描繪某些地理屬性的周期性循環(huán)（如太陽直射點的運動），刻畫地理事物位置或數(shù)量的動態(tài)變化（如動物遷徙）等。最后，交互式動畫還能通過點、線、面、色、體等諸多要素的變化，提示學生關(guān)注何時、何地、何物的地理視角和對比思考的地理方法。

需注意的是，教師運用交互式動畫時，要關(guān)注動畫呈現(xiàn)的時刻、時長、節(jié)奏、次序、速率、視覺載負量等因素。這是因為，交互式動畫雖然有利于學生更好地理解地理時空過程的脈絡，但過多過快的信息量沖擊也會影響學生對信息的理解、記憶與加工。

二、交互式動畫應用的主要環(huán)節(jié)

地理教學的重點之一是幫助學生建立地理空間觀念，培養(yǎng)學生的空間思維能力。教學的基本過程包括體驗空間感知、梳理空間格局、理解空間機制等。首先，學生要充分感知空間信息中的位置信息、時間信息和屬性信息。這部分難度不大，教材往往筆墨不多，學生重視程度有限，但這些內(nèi)容是學生學好地理的基礎。其次，空間格局學習的核心是理順空間秩序，梳理空間規(guī)律。一方面，要關(guān)注以空間分布和空間尺度為內(nèi)容的空間結(jié)構(gòu)；另一方面，要關(guān)注以空間運動和空間發(fā)展為內(nèi)容的空間演變。運用交互式動畫，教師能夠引導學生更容易地分析空間分布的差異與聯(lián)系、空間尺度的轉(zhuǎn)換與組織、空間運動過程的演化和空間發(fā)展的模擬預測等。最后，理解空間機制需要進行空間多要素分析、時空耦合分析和人地關(guān)系分析等，揭示某地理事物為什么會在那里出現(xiàn)、怎樣發(fā)展、發(fā)生什么作用和產(chǎn)生什么影響。對此，交互式動畫能通過大量的可交互與可視化信息，破解以上難題。

（一）引入情境環(huán)節(jié)

新課程強調(diào)情境教學，新教材也在每節(jié)課之首安排了可以探究的情境案例，目的是運用生動的場景激發(fā)學生的學習興趣，增加學生對知識的直觀性理解。由于紙質(zhì)教材篇幅所限，以及學生見識不同，他們對情境理解的深度往往不同。另外，如果對情境導入案例了解不深入，就弱化了其功能，使它只局限在激發(fā)學生學習興趣方面。集成大量信息的交互式動畫，以鮮活、動態(tài)的方式豐富了教學情境，同時通過交互方式引導學生深入了解案例，為教師后續(xù)教學作好鋪墊。

例如，“洋流”一節(jié)中，教材提供的情境案例是一張玩具鴨散落地分布圖和一段百字左右的文字介紹。對此，教師可利用交互式動畫引導學生深入認識此案例。首先，閱讀文字資料，按照年份在地圖中找到玩具鴨的發(fā)現(xiàn)地點。學生通過拖曳序號入圖的方式，了解了貨船失事后塑料玩具鴨散落分布的情況。其次，交互式動畫中，右側(cè)呈現(xiàn)的是洋流分布圖和提出的新問題，這時教師可以引導學生依據(jù)世界洋流分布圖，推測玩具鴨是沿著哪些洋流漂流的。學生根據(jù)玩具鴨漂流的時間順序，點擊洋流分布圖上的相關(guān)洋流，如果點擊正確，左邊的地圖上可以顯示這一漂流過程依托的洋流路徑（如圖1）。

通過以上活動，按照一定的順序，學生基本了解了太平洋中的大部分洋流和大西洋中的若干洋流，為教學洋流的概念、性質(zhì)和分布規(guī)律做好了準備。此部分洋流教學的主要思維方法是歸納法。歸納法是從個別推斷一般的方法，常需要真實的、具有一定數(shù)量的事例為前提，讓學生在比較、歸類及概括中得出結(jié)論。交互式動畫的分步出現(xiàn)位置、分層出現(xiàn)具體洋流的方法，為有序歸納作好鋪墊。

（二）規(guī)律總結(jié)環(huán)節(jié)

學習地理，重要的就是認識地理規(guī)律，并基于此規(guī)律理解地理原理，踐行人地協(xié)調(diào)觀。地理規(guī)律常依托地圖而呈現(xiàn)，尤其是分布規(guī)律。地圖一方面對真實世界進行概括，另一方面通過圖形圖像的方式比較直觀地介紹地理事物，架起連接客觀世界與認知世界的橋梁。由于客觀世界的復雜以及地圖概括程度的差異，學生利用地圖直接總結(jié)出一些地理規(guī)律是有難度的，因此需要教師的引導與分析。運用交互式動畫，教師能夠細化分析步驟，按照學生學習水平調(diào)控內(nèi)化過程，通過比較與抽象等方法，幫助學生概括相關(guān)規(guī)律。

例如，對于“陸地水平分異規(guī)律”內(nèi)容，課標要求“運用圖表并結(jié)合實例，分析自然環(huán)境的整體性和地域分異規(guī)律”。教材中提供了一張世界陸地自然帶分布圖、四張有代表性的自然景觀圖片和一段結(jié)論，分析過程較少，實例也不充分。教師在總結(jié)教學內(nèi)容和歸納規(guī)律時，可以利用交互式動畫幫助學生明確思路和落實知識。

首先，呈現(xiàn)動畫中的問題：以30°E經(jīng)線為例，從赤道向北極依次出現(xiàn)哪些自然帶。交互式動畫的提示功能可以顯示出30°E經(jīng)線，學生拖動相關(guān)圖例符號到課件右側(cè)進行有序排列（若拖曳有誤，及時反饋問題示意重新拖動），構(gòu)建基本分布模式。完成后，學生點擊“說明”按鈕，交互式動畫一邊閃動相關(guān)自然帶符號，一邊呈現(xiàn)各自然帶景觀圖片，為下一步成因分析做準備（如圖2）。根據(jù)景觀圖片的植被特點，學生可得出自然帶南北更替的主要影響因素是熱量。

其次，依據(jù)交互式動畫中問題2的要求，在表格中梳理緯度地帶性相關(guān)特征與成因內(nèi)容，使知識得以結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)（如圖3）。

（三）練習指導環(huán)節(jié)

學生思考與解答練習題，往往要先解讀相關(guān)信息再利用原理和規(guī)律進行分析，從而得出答案。地理練習題的解答，一般要通過解讀文字或數(shù)據(jù)信息還原地理情境，在地理情境中思考時空特征，利用地理規(guī)律思考。教材中的練習沒有詳解，當題目涉及場景復雜或利用原理規(guī)律較多時，學生就會出現(xiàn)解題困難的情況。針對以上問題，教師運用交互式動畫，通過圖、文、視頻或動畫的方式還原題目情境，并借助提示或鏈接分層分步出示相關(guān)原理規(guī)律，幫助學生解題。

例如，教學“正午太陽高度”內(nèi)容之后，教材設計了一個根據(jù)圖表數(shù)據(jù)判斷四地緯度的練習。當學生沒有解題思路時，教師可以點擊交互式動畫下方的提示，即顯示思考角度（正午太陽方位和正午太陽高度）和相關(guān)計算公式。當思考某地而不得時，可以點擊該地（如①）的“提示”，交互式動畫以文字說明方式幫助學生分析正午太陽方位信息及地理意義、正午太陽高度特點及地理意義（如圖4）。如果學生還不理解，這時繼續(xù)點擊“①地正午太陽方向及緯度判斷”按鈕，呈現(xiàn)包括位置、時間和太陽光線信息的示意圖，還原情境（如圖5）。

三、基于地理信息系統(tǒng)功能的交互式動畫改進建議

數(shù)字教材是紙質(zhì)教材與信息技術(shù)融合的成果。其實，地理學科與信息技術(shù)融合的一個典型例子是出現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)。簡單地說，地理信息系統(tǒng)是管理與研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)，已在資源、環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。地理信息系統(tǒng)的思想與手段，既是中學地理學習的內(nèi)容，也是地理學習的工具[2]。所以，從地理信息系統(tǒng)的功能視角改進數(shù)字教材相關(guān)積件，是地理交互式動畫改進的一個重要方向。

在視圖操控方面，可以設置地圖比例縮放，增加鷹眼顯示，開啟地圖平移或漫游模式，顯示或隱藏經(jīng)緯網(wǎng)、遙感影像，安排圖層控制進行不同比例尺地圖環(huán)境下的要素增刪與分布顯示，設置時間條控制顯示不同時期的地理影像等。在查詢方面，可以設置對話框查詢地理事物的位置（如經(jīng)緯度、高度、方位、時間等），進行相關(guān)量算（如距離、面積、體積等），進行多媒體查詢、空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計（如某一區(qū)域地理事物的數(shù)量）或插值等。在空間分析方面，可以設置圖層疊加分析（如氣候圖、地形圖疊層分析某種農(nóng)業(yè)優(yōu)勢地區(qū)），設置緩沖區(qū)分析（如通過設置閾值及其變化判斷某污染源的影響），設置模擬預測的窗口等。在三維可視化方面，可以創(chuàng)設地理體三維顯示（如平移、旋轉(zhuǎn)、剪切等），進行球面、平面及不同投影方式的變換，開發(fā)布爾操作（如立體交叉、切割、剖面、開鑿隧道等）。

基于地理信息系統(tǒng)的動畫開發(fā)與改進，對硬件、軟件和網(wǎng)絡等都提出了較高的要求。從地理信息系統(tǒng)的重點思想和操作難度角度，目前可以從以下三個方面進行考慮。

（一）加強圖層圖像疊加功能的開發(fā)與改進

圖層圖像疊加便于直觀發(fā)現(xiàn)不同要素的空間聯(lián)系，探究空間事物的因果關(guān)系。例如在“認識世界氣候類型的氣候特征”交互式動畫問題2中（如圖6），比較溫帶海洋性氣候在北美和歐洲西部分布的位置、范圍的差異并推測原因，教師點擊“提示”按鈕，可顯示兩地的地形圖，幫助學生進行對比分析。如果在此基礎上拖動兩張地形圖疊制在氣候圖上，則能明顯地看出：北美西部山地高大，溫帶海洋性氣候因此受到約束；歐洲西部地形開敞，除北部和南部山地外，大部分以平原為主，溫帶海洋性氣候向東擴展許多。

（二）加強時間變化動畫的控制功能設置

交互式動畫能夠動態(tài)演示某一地理事物的演變過程。在動畫中，各幀之間的信息遠比單獨幀呈現(xiàn)的信息更為重要，也增加了學生理解、記憶、加工的信息量，加大了學生學習的難度。若增加設置時間控制按鍵，則能增加交互性、靈活性，適應不同學生的理解程度。例如，在“冰川作用與地貌”交互式動畫中增加冰川堆積地貌形成動畫（如圖7），增加時間控制功能，會更方便學生理解。

（三）加強三維立體圖像呈現(xiàn)

球（面）平（面）矛盾是中學生地理認知中的難點。學生空間概念的建立需要從二維認知走向三維認知，從小尺度認知走向大尺度認知。橫縱事物在球面的空間組織及對其他地理事物的影響一直困擾著學生。初中地理表現(xiàn)明顯的是經(jīng)緯網(wǎng)知識，高中地理表現(xiàn)明顯的是三圈環(huán)流知識，如果能夠利用旋轉(zhuǎn)、透視等三維表現(xiàn)手段幫助學生，則會事半功倍。例如，“三圈環(huán)流”交互式動畫中只是基于教材原圖分步呈現(xiàn)了氣壓帶、風帶形成過程，平面圖和立體示意圖是分開的，如果把立體示意圖與平面圖結(jié)合起來呈現(xiàn)在三維球面上，則更逼真，學生更容易理解。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進步，更多、更具表現(xiàn)力的技術(shù)方式會被運用到交互式動畫中，如及時更新數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術(shù)、高清晰度無極縮放的遙感技術(shù)、增強或虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。地理數(shù)字教材的亮點表現(xiàn)之一就是運用了交互式動畫，因此，教師在教學中要抓住它的交互性強、直觀動態(tài)等特征，依托教材重點圖像突出教學重點、突破教學難點，更好賦能地理教學。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數(shù)字教育研究院2021年度重點課題“基于Web二三維地理信息技術(shù)的地理學科工具與數(shù)字教材的融合研究”（課題編號：RJA0121002）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 王潤.數(shù)字教材與紙質(zhì)教材關(guān)系演進：歷程、邏輯與展望[J].教育學報，2021（5）：111-122.

[2] 孫建輝.用好信息技術(shù)，“活化”地理教學——專訪人民教育出版社原總編輯韋志榕[J].中小學數(shù)字化教學，2020（3）：5-8.

（作者張維四系北京市第一五六中學教師，中學一級教師；李玉梅系北京市第三中學教師，中學一級教師）

責任編輯：孫建輝