桌面VR系統(tǒng)在高中地理情境教學中的運用

陜西師范大學平?jīng)鰧嶒炛袑W（744000）李曉亞 史丹婷 席佳妮

隨著新課程改革的深入推進，傳統(tǒng)的地理課堂教學模式、教學手段已不足以落實培養(yǎng)學生地理學科核心素養(yǎng)的目標。地理學科是一門比較復雜的學科，其時空性特點尤為突出，許多地理事象是學生不能直接觀測到的或者不能在腦海中構建出來的。立體直觀的動態(tài)演示、三維模擬圖等在地理情境教學中的運用能夠?qū)⒎彪s的地理事象簡單化、具象化、立體化，因此，桌面VR（虛擬現(xiàn)實）系統(tǒng)或?qū)⒊蔀檩o助地理課堂教學的重要手段。

一、桌面VR系統(tǒng)簡介

（一）概述

桌面VR 系統(tǒng)主要由高清VR 顯示器與應用服務主機系統(tǒng)高度集成，設備內(nèi)置高精度紅外捕捉攝像頭，配合獨有的定位和捕捉系統(tǒng)，為體驗者頭部佩戴的立體追蹤眼鏡提供穩(wěn)定的捕捉和精準的定位，通過3D眼鏡以及觸控筆實現(xiàn)逼真的VR投放效果。桌面VR一體機設備通過增強現(xiàn)實攝像頭與大屏幕結合，把體驗者與虛擬世界的動態(tài)交互實時地呈現(xiàn)出來，在大屏幕上實現(xiàn)裸眼3D的效果。

（二）特點

1.3D顯示

桌面VR系統(tǒng)可將課本當中的知識以直觀生動的三維圖像方式呈現(xiàn)在學生眼前，其逼真且炫酷的效果更容易吸引學生的注意力，調(diào)動學生的學習積極性。

2.六自由度交互

六自由度觸控追蹤感應筆能夠在空間中直接與虛擬物體進行交互，使得立體圖像始終與體驗者真實的視覺角度保持一致，以最直觀擬真化的操作方式，讓學生與知識情境近距離親密接觸，在體驗知識的過程中主動學習。

3.開放式教學

桌面VR 系統(tǒng)是開放式的，在教學過程中教師和學生可看到同樣的虛擬場景，并就教學內(nèi)容進行溝通交流，實現(xiàn)無障礙教學。

（三）應用現(xiàn)狀

VR 技術與教育教學的融合效果初露鋒芒，教育領域出現(xiàn)了不少應用虛擬現(xiàn)實技術的產(chǎn)品，但在高校課堂教學中應用較多，在中學教學中的應用及相關研究較少。桌面VR 系統(tǒng)的開發(fā)尚不成熟，教學覆蓋面較小，適用范圍有限，將其應用于課堂教學時存在缺乏教學理念與教學模式、教師和學生對桌面VR 系統(tǒng)操作不夠熟練、學校軟硬件設施配備不齊全等問題。本文初步探討桌面VR系統(tǒng)在高中地理情境教學中的應用與實踐。

二、桌面VR 系統(tǒng)運用于高中地理情境教學的實踐案例

本文以人教版高中地理必修第一冊第一章第四節(jié)“地球的圈層結構”和第三章第一節(jié)“水循環(huán)”為例，探究桌面VR 系統(tǒng)在高中地理情境教學中的運用。

（一）利用桌面VR系統(tǒng)演示水循環(huán)的過程

知識內(nèi)容分析：水循環(huán)過程的實質(zhì)是水的三種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過程，但從地理角度來看，其涉及多個圈層的物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)移。從空間上來看，水循環(huán)的范圍大至全球，小至局部地區(qū)；從時間上來看，水循環(huán)既可以是長時期的狀態(tài)，也可以是短時段的狀況。其時空性特點十分突出。課標要求學生掌握水循環(huán)的環(huán)節(jié)，繪制出水循環(huán)過程示意圖，并分析人類活動會影響哪些環(huán)節(jié)。如何讓學生跳出時空局限，掌握水循環(huán)的過程，是課堂教學中的難點。

學情分析：學生在初中階段學習了“水資源”的初步知識，在高中地理必修第一冊第一章也學習了水圈的相關知識，這為本課內(nèi)容的學習打下了一定的基礎。但學生難以自主地將地理規(guī)律原理與個人經(jīng)驗相結合，對概念、理論的歸納能力較弱。

難點突破：教師運用桌面VR設備，讓學生與虛擬的水循環(huán)過程動態(tài)交互，并在大屏幕上呈現(xiàn)水循環(huán)的裸眼3D效果（見圖1），讓學生深入理解水循環(huán)的過程；運用桌面VR互動設備，讓學生親身體驗與虛擬世界動態(tài)交互的過程，通過增強現(xiàn)實攝像頭與大屏幕結合，實現(xiàn)裸眼3D 的效果，立體展示水循環(huán)的過程，加深學生的視覺感受，激發(fā)學生的學習興趣和參與課堂的積極性（見圖2）。

圖1

圖2

（二）利用桌面VR 系統(tǒng)展示地球的內(nèi)部圈層結構

知識內(nèi)容分析：地球的內(nèi)部圈層結構內(nèi)容出自高中地理必修第一冊第一章第四節(jié)“地球的圈層結構”，該節(jié)主要包含地球的內(nèi)部圈層結構和地球的外部圈層結構兩部分內(nèi)容。其教學目的在于讓學生從宏觀上了解地球的結構，進而了解自然環(huán)境的組成。其中地球的內(nèi)部圈層結構是學生不能直接觀測到的，科學家主要通過對地震波的研究來了解地球內(nèi)部結構。地球的內(nèi)部圈層結構主要包含三大圈層，學生需了解內(nèi)部圈層的劃分依據(jù)、組成及各層特點。

學情分析：與學生所熟悉且和生活密切相關的地球外部各圈層相比，地球的內(nèi)部圈層結構稍顯抽象，學生也覺得比較陌生。該知識的學習需要學生具備較強的讀圖分析能力、空間建構能力和抽象思維能力。若課堂教學手段僅有圖片展示、板書、板圖、板畫和教師引導，會導致學生課堂參與感弱、探究樂趣少，其學習過程最后可能會變成“走形式”的死記硬背。因此，教師在教學過程中要讓學生動腦動手，提高學生自主學習的能力，積極調(diào)動學生對知識進行理解、分析、判斷和運用。

難點突破：在讀了地震波傳播速度圖與地球內(nèi)部圈層劃分圖之后，學生基本掌握了地球內(nèi)部結構的劃分依據(jù)，然后教師運用桌面VR設備，呈現(xiàn)出地球內(nèi)部結構立體剖面圖（見圖3），幫助學生建構地球內(nèi)部結構模型，使學生對其產(chǎn)生直觀且立體的認識。同時，學生可使用六自由度觸控追蹤感應筆點擊每一個圈層或不連續(xù)面，旁邊就會出現(xiàn)對該內(nèi)容的簡要介紹，并且各圈層和兩個不連續(xù)面是可以通過六自由度觸控追蹤感應筆點擊后剝離拆分的（見圖4）。學生與桌面VR 設備的互動使原本抽象且與學生日常生活距離遙遠的知識變得更具趣味性。在一層層拆分的過程中，地球的內(nèi)部結構模型變成了學生的玩具，學生帶著強烈的好奇心完成該部分內(nèi)容的學習。整個教學過程都是基于學生自主學習的，教師僅在學生完成學習后通過相關習題檢驗學生的自學成果，幫助學生鞏固所學知識。

圖3

圖4

（三）利用桌面VR 系統(tǒng)探究內(nèi)外力作用對地表形態(tài)的影響

知識內(nèi)容分析：課標的相關要求是“結合實例，解釋內(nèi)力和外力對地表形態(tài)變化的影響”。內(nèi)力和外力的表現(xiàn)形式都較為抽象，而且教材上的活動內(nèi)容、教學案例距離學生的生活實際較遠，因此，在教學過程中，教師可以借助動畫、圖片、模型演示等方式讓學生形象直觀地認識內(nèi)外力作用的發(fā)生、發(fā)展及其對地表形態(tài)的塑造過程，選取更加貼近學生生活的案例輔助教學。如何有效地引導學生理解地表形態(tài)變化的原因以及內(nèi)力和外力作用的關系是本節(jié)的教學難點。

學情分析：通過對第一冊前三章的學習，學生初步了解了地球的圈層結構，掌握了大氣圈、水圈、巖石圈的相關知識。學生在初中階段對地表形態(tài)已有初步了解，但對地表形態(tài)的成因知之甚少，且高一學生的空間想象能力、抽象思維能力等還處于進一步發(fā)展中，對抽象的地理過程性知識理解較為困難。借助桌面VR系統(tǒng)、地理模型演示等，可將抽象的地理過程可視化，幫助學生直觀地認識和理解內(nèi)力作用對地表形態(tài)的影響。

難點突破：教師運用桌面VR設備，讓學生與虛擬的內(nèi)力作用過程動態(tài)交互，并在大屏幕上呈現(xiàn)裸眼3D 效果，讓學生親身體驗火山噴發(fā)（見圖5）、地殼水平運動、地殼垂直運動的過程，理解內(nèi)力作用對地表形態(tài)的塑造；運用桌面VR設備，讓學生親身體驗與虛擬世界的動態(tài)交互過程，通過增強現(xiàn)實攝像頭與顯示大屏幕結合，呈現(xiàn)裸眼3D 的效果，動態(tài)展示外力作用形成地貌的過程，如新月形沙丘（見圖6）、河口三角洲、冰斗角峰等的形成過程，增強學生的視覺感受，促進學生領悟地理過程性事象的發(fā)生和發(fā)展，激發(fā)學生的地理學習興趣和參與課堂的積極性。

圖5

圖6

三、關于桌面VR 系統(tǒng)運用于高中地理情境教學的思考

（一）桌面VR 系統(tǒng)能有效提升學生學習興趣與學習成效

桌面VR系統(tǒng)的三維呈現(xiàn)、直觀擬真化操作、無障礙互動等優(yōu)勢顛覆了傳統(tǒng)的課堂教學方式，拉近了學生與那些他們認為遙不可及的地理事象的距離。對學生而言，知識變得更加生動、立體，學習變得不再枯燥乏味。對教師而言，教學難點的突破也能輕松實現(xiàn)。學生在基于VR系統(tǒng)的情境教學中學習成效明顯提高。

（二）桌面VR 系統(tǒng)適用點和適用范圍需進一步深入研究

雖然桌面VR 系統(tǒng)教學資源豐富，但其中部分人文地理課題僅包括知識框圖和知識羅列，3D 和2D觀看效果差別不大。3D桌面更加適用于自然地理的教學，可直觀、立體地呈現(xiàn)一般原理和規(guī)律，促進學生深入了解和思考。此外，并非所有學校都有條件配備與學生人數(shù)相等的桌面VR設備。若學校硬件設施條件有限，比如VR眼鏡數(shù)量有限，只能夠讓少部分學生觀看3D 效果，則大部分學生的觀看效果與在一體機上觀看動畫的效果無異?；趯嶋H情況，桌面VR 系統(tǒng)或許更加適合學生小組合作探究活動，在引導學生自主思考、合作探究和個性化學習方面發(fā)揮更大的作用。

（三）基于桌面VR 系統(tǒng)的地理情境教學的成功開展依賴于教師良好的教學設計能力

基于桌面VR 系統(tǒng)，地理課堂可以采取多種教學模式，如“講授模式”“自主探究學習模式”“協(xié)作學習模式”等。無論采用哪一種教學模式，都應體現(xiàn)設備的核心功能——交互功能。教師應通過學習和實踐，不斷改進教學策略，優(yōu)化教學目標、教學內(nèi)容、教學活動的設計，對學生的學習基礎和學習能力進行準確分析，運用合理的教學方法、模式，開展交互活動設計、教學評價設計等。

總之，桌面VR 系統(tǒng)在高中地理情境教學中的運用能充分體現(xiàn)其直觀、生動、交互性強的特點，并能激發(fā)學生的學習興趣，有效突破教學重難點。但是桌面VR 系統(tǒng)對學校的硬件設施有較高的要求，要實現(xiàn)技術和資源普及還有待時日。教師應提早了解和掌握這一新信息技術手段，在教育信息化的發(fā)展改革中不斷提升自己的能力和素養(yǎng)。