基于科學可視化的高三地理教學設計探究

沈蘭蘭

摘要：科學可視化在解釋自然科學概念、模擬自然科學過程時有獨特的優勢，具有提升學生學習興趣、提升教學效率、增強探究性等方面的價值，同時符合學校進行教育信息化建設的規劃?？茖W可視化技術具有以下四個特征：形象化、交互性、多維性、趣味化。若將科學可視化融入到高三地理復習課堂中，使其常態化并被師生所接受，就必須科學、合理、有效地組織和規劃教學流程以及教學設計。

關鍵詞：科學可視化高三地理教學設計

近年來，推動教育信息化2.0時代，基于人工智能、大數據等信息技術助力課堂教學已成為教育工作者的共識。教育信息化下的新的教育產物，如科學可視化、人工智能、虛擬課堂、“在線課堂”、智慧課堂等應運而生，重點突出個性化、信息化、數據化、智能化的學習過程?？茖W可視化能夠提升學生學習地理學科的興趣、提升教師課堂教學效率、加強學生探究性學習能力，同時符合學校進行教育信息化建設的規劃。因此，可將科學可視化融入到高三地理復習課堂中，使其常態化并被師生所接受。本文以“常見的天氣系統”為例，詳細闡述基于科學可視化的高三地理復習教學設計。

一、科學可視化的內涵

科學可視化是一門研究如何利用視覺表征促進學生群體知識傳遞和課堂生成創造的學科，它的發展趨勢正由靜態向動態、抽象向具體、瞬時向連續、一維向多維轉變。大量的科學可視化素材及應用技術，一方面為學生提供思維可視化的支架和導航，另一方面還可以幫助學生對知識進行復雜構建及解決疑難問題。信息化時代下的科學可視化技術和素材不斷發生變化，從以靜態展示到動態演示，從以表格、圖片為主到以多媒體動畫、仿真為主，再到現在演變為交互性更強的可視化技術和素材。與此同時，技術帶來的人機交互能力也在不斷提升，一些交互式的可視化技術，如VR、AR、增強現實、虛擬現實等信息化技術開始在中小學課堂教學領域中逐步應用。

二、科學可視化教學設計

筆者通過相關文獻和平臺的查閱，如北斗導航地理基礎教育系統、中國科技大學火花學院等，選定高三復習教學內容“常見的天氣系統”。具體實施框架如下（見圖1）：

課前分析：根據《普通高中地理課程標準（2017年版）》關于“常見的天氣系統”要求，學生不僅要理解冷暖氣團、冷暖鋒等基本概念，還要學會分析其成因、空間分布、大小尺度變化規律等。學生能結合具體情境，根據地圖識別氣旋、反氣旋的空間分布，判斷中心氣流的運動狀態，在此基礎上分析其對天氣產生的影響。本節課要求學生能根據題目繪制相關示意圖，如鋒面、氣旋、反氣旋等，探討各種天氣系統在不同時段對天氣影響的差異?？v觀近五年全國卷高考地理真題，就這一知識點而言，高考的命題特點主要表現在以下幾方面：1.以天氣變化數據圖、天氣系統示意圖、等溫線圖、等壓線圖等一些等值線圖為背景，考查天氣系統的類型、成因、空間分布特征、大小尺度運動變化及其對天氣產生的影響;2.以局部等壓線圖、天氣預報數據等為背景，考查天氣系統的發展變化及其對生產生活的影響。在“常見的天氣系統”知識點中，高三文科生在一輪復習中很難做到面面俱到，在具體情境中，學生往往很難將所學的知識靈活運用。在枯燥疲乏的知識點復習中，如果能運用科學可視化技術及豐富的素材，可以減輕高三學生備考壓力，加強對知識點的理解。

課中活動：由于筆者執教單位已經覆蓋了智慧課堂技術，借助該平臺，學生在課前完成練習，并在平臺上提交作業。通過大數據分析，根據反饋結果進行課堂教學的設計，做到教學決策數據化。在教學過程中，教師可以運用中國科技大學火花學院提供的科學可視化素材進行課堂教學，對現有知識層面進行拓展，科學可視化素材均是采用AR技術和3D模型展示常見的天氣系統的結構。縱觀近五年的高考地理真題，學生對天氣系統、鋒面氣旋的時空變化、大小尺度變化難以分辨，無法靈活調動知識進行解題，現具體闡述以下兩個教學案例。

案例一：天氣系統識別與天氣狀況的判定

科學可視化資源與形式：提供的基礎信息圖層分別為世界氣壓中心圖、世界海陸分布圖、世界政區圖、中國政區圖等;提供基礎判定圖層分別為氣壓中心周邊水平方向風向、氣壓中心垂直方向氣流運動及天氣狀況，高壓脊線、低壓槽線，冷鋒鋒面、暖鋒鋒面等。

科學可視化技術選擇：借助科大訊飛智慧課堂平臺，學生利用平板，分組同屏展示解題結果。實際等壓線圖復雜多變，學生根據具體情境可嘗試在平板上繪制等壓線圖，并可在低壓中心、高壓中心圖上自主判定水平風向、垂直氣流運動方向等。

科學可視化技術具體應用：通過展示以上科學可視化的素材，教師帶領學生復習基本的天氣系統知識，學生可以在平板上任意切換地理圖層，對天氣系統的時空尺度有了更清晰的認識，所執教班級的學生解答對應高考題時較為輕松，大大提高了課堂效率。同時，有了直觀、動態的展示，學生還可以進行知識遷移，以解決以下問題：1.季節判定;2.天氣系統判定;3.風向判定;4.降水位置判定;5.判斷風速;6.空氣運動方向（水平方向、垂直方向）判定。

案例二：鋒面氣旋的變化過程

科學可視化資源與形式：提供的基礎信息圖層分別是世界海陸輪廓圖、世界政區圖、北美及亞歐大陸鋒面氣旋等壓線圖、氣旋（臺風）等壓線圖，以及鋒面氣旋的產生、發展、消亡過程圖。學生點擊后可察看風向、降水位置、冷暖鋒鋒面等信息等。

科學可視化表征方法：學生利用平板在低壓氣旋等壓線圖上可拖拽位置、設置地點間自動連線，可自動模擬生成不同地點間冷暖氣團的過境情況。

科學可視化技術選擇：借助科大訊飛智慧課堂平臺，學生利用平板，分組同屏展示解題結果。

科學可視化技術應用：通過展示以上科學可視化素材可以動態演示低壓中心氣流的運動狀態，生動形象地展示氣旋在南半球和北半球的不同情況及氣旋控制下的天氣。直觀、動態的模擬圖展示，可以提高課堂效率，突出本節課重難點知識，學生能根據具體情境判斷鋒面移動的時空變化過程，如鋒面移動1→鋒面移動2→鋒面移動3。

三、科學可視化教學評價

本節課融入了大量的科學可視化素材，增強了課堂趣味性，提高了課堂效率，緩解了高三考生備考的壓力。本節課打破了傳統教學，運用了很多科學可視化素材，課堂互動性強，通過科學可視化方法可以建立地理的視覺表征，提升學生地理學科核心素養。因此，一線教師更應注重應用科學可視化的素材來拓展學生思維，應用新的教學工具和方法來提高地理課堂的效率。以上教學案例

是筆者在高三地理復習中的嘗試，一定程度上突破了教學重難點，使抽象知識生動具體，易于理解和掌握，大大提高了課堂效率。傳統的高三復習課枯燥乏味，題海戰術耗時多、效率低。而基于科學可視化的高三地理教學，可以做到精準化，避免學生重復盲目做題，幫助其理解抽象的自然地理知識。

通過實踐研究，筆者認為科學可視化技術運用到高中地理課堂中具有以下四個特征：1.形象化，能直觀形象地呈現動態數據、動態模型。2.多維性，學生能清晰了解自然地理知識的多個屬性，充分展示了地理學科的空間變化、尺度變化、要素變化。3.交互性，實現人與機器的交互，增強真實感。4.趣味化，增強趣味性，緩解了高三考生的備考壓力。

參考文獻：

＼[1＼]李亞男，王楠.基于知識可視化的移動學習環境設計研究＼[J＼].中國電化教育，2013（11）：2124.

＼[2＼]葉新東.未來課堂環境下的可視化教學研究＼[D＼].上海：華東師范大學，2014.

責任編輯：唐丹丹