AR技術(shù)在中學(xué)地理研學(xué)旅行中的應(yīng)用探索

祁磊 何新瑩 于雷

研學(xué)旅行顧名思義是指在旅行中研究性學(xué)習(xí)，中學(xué)地理研學(xué)旅行是在專業(yè)教師的帶領(lǐng)下，由中學(xué)生參與的，對旅行途中的地理現(xiàn)象進(jìn)行探究的一種學(xué)習(xí)方式。研學(xué)旅行是培養(yǎng)中學(xué)生地理實踐力的重要途徑，將理論知識與實踐探索相結(jié)合，有利于學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識，同時培養(yǎng)了地理核心素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。但是，中學(xué)地理課程中存在大量的抽象概念，難以通過短期的研學(xué)旅行觀察和觀測到很多地理現(xiàn)象的形成過程。比如地質(zhì)地貌類景觀的形成經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)歷史時期，研學(xué)旅行過程中學(xué)生往往只能看到目前階段所形成的結(jié)果，其具體的形成過程即使身處野外也難以通過觀察獲得。

將AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理研學(xué)旅行，針對地理現(xiàn)象，在實地反演自然地理過程和人文地理變遷，達(dá)到讓學(xué)生身臨其境經(jīng)歷、體驗和探索地理現(xiàn)象的教學(xué)目的，可以有效地提升學(xué)生對課本知識的理解。這樣學(xué)生既可以更全面地掌握地理要素宏觀演變過程，也可以更深入地了解各類地物的微觀屬性特征。

一、AR技術(shù)及其在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用

AR技術(shù)是通過計算機(jī)虛擬技術(shù)增強(qiáng)用戶現(xiàn)實體驗，將計算機(jī)生成的虛擬物與真實環(huán)境融相疊加的技術(shù)。該技術(shù)生成十分逼真的三維虛擬環(huán)境，讓用戶達(dá)到身臨其境的感覺，增強(qiáng)用戶對真實環(huán)境的感知。目前AR 技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、建筑、傳媒、軍事與旅游等各個領(lǐng)域。

現(xiàn)階段，由于傳統(tǒng)地理教學(xué)受限于教學(xué)資源以及教學(xué)條件的影響，越來越多的教師和學(xué)者開始研究AR技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用。宋瑛等［1］指出把AR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)可以讓學(xué)生擺脫在傳統(tǒng)教學(xué)模式中的被動地位，更為主動積極地利用這項技術(shù)，并將其作為信息與知識的媒介。林佩園［2］則研究了人教版高中地理必修一的AR教學(xué)實踐，詳細(xì)地編寫了《宇宙中的地球》章節(jié)與AR結(jié)合的教學(xué)設(shè)計案例，指出了必修一中能夠進(jìn)行AR演示的知識模塊。王玨璠［3］探索了AR技術(shù)融合與開發(fā)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息采集技術(shù)、數(shù)據(jù)整合融合等技術(shù)手段和方法，實現(xiàn)了AR技術(shù)在移動端的完整應(yīng)用，給AR技術(shù)與地理學(xué)科教學(xué)融合發(fā)展提供了可行性方案。楊培生等［4］重點研究了AR技術(shù)在自然災(zāi)害的防治宣傳上的應(yīng)用，他將AR技術(shù)與移動互聯(lián)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建山洪災(zāi)害交互式宣傳系統(tǒng)，并且分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)和流程，實現(xiàn)了山洪災(zāi)害從可讀到可視、靜態(tài)到動態(tài)、一維到多維的融合轉(zhuǎn)變，提升了自然災(zāi)害宣傳工作的交互性、真實性和趣味性，這為學(xué)生更好地理解其他自然災(zāi)害的形成機(jī)制和提高防災(zāi)減災(zāi)意識起到一定的借鑒作用。

目前AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理教學(xué)已經(jīng)取得了豐富的研究成果，而將AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理研學(xué)旅行的研究卻鮮有報道。因此，有必要探討AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理研學(xué)旅行的必要性和可行性及其作用。

二、AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理研學(xué)旅行的必要性與可行性

1.AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理研學(xué)旅行的必要性分析

（1）地理現(xiàn)象的特殊性

研學(xué)旅行中觀察到的地理現(xiàn)象尤其是自然地理現(xiàn)象的過程有時比較極端，要么太快（如雪崩），要么太慢（如巖石風(fēng)化過程）；其空間范圍有時也比較極端，要么太?。ㄈ缤寥浪诿字羞\移），要么太大（如青藏高原的形成）；同時，自然地理現(xiàn)象的發(fā)生時間和地點具有較大的不確定性，而且很多現(xiàn)象發(fā)生時具有很大的危險性，這使得野外研學(xué)旅行難以做到在現(xiàn)場讓學(xué)生通過觀察獲得翔實的知識。對于這些景觀，嘗試將AR虛擬效果融入到野外地理景觀中，可以讓學(xué)生在現(xiàn)場體驗到地理景觀的形成和演化過程。

（2）研學(xué)組織的局限性

長期以來，中學(xué)地理研學(xué)旅行受教育經(jīng)費、傳統(tǒng)觀念和安全問題等因素的制約，大多數(shù)中學(xué)開展野外研學(xué)活動時面臨諸多難題。從學(xué)生層面來看，研學(xué)旅行如果組織不到位或野外復(fù)雜的地理環(huán)境對學(xué)生形成干擾，最終可能演變?yōu)樾蓍e觀光旅游。另外，研學(xué)旅行是在真實的情境中開展的綜合性學(xué)習(xí)活動，而真實世界具有復(fù)雜性、不確定性和動態(tài)性等特點，且野外地理現(xiàn)象的形成往往需要用多種學(xué)科（如物理、化學(xué)、歷史、生物等）的知識來解答，這樣對于傳統(tǒng)的地理教師而言，一旦切換了教學(xué)方式，很可能會陷入難以回答的窘境。將AR技術(shù)應(yīng)用到地理研學(xué)旅行中，既可以減輕教師壓力，同時提高了研學(xué)的效率，使學(xué)生充分理解相關(guān)的地理知識。

2.AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理研學(xué)旅行的可行性分析

（1）AR技術(shù)在中學(xué)地理教學(xué)中日漸成熟

前文已經(jīng)探討了AR技術(shù)在各行各業(yè)尤其是地理教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。針對地理知識的相關(guān)App的開發(fā)以及眾多學(xué)者對AR關(guān)鍵技術(shù)的研究都將助力其在中學(xué)地理研學(xué)旅行中的應(yīng)用。雖然，目前的AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理研學(xué)旅行還處在一個初始階段，但是能夠預(yù)見未來AR技術(shù)巨大的應(yīng)用前景，將AR 技術(shù)融入到地理研學(xué)旅行勢必會帶來前所未有的體驗。因此，AR技術(shù)的發(fā)展為課題的開發(fā)實踐提供了技術(shù)的支持。

（2）地理研學(xué)旅行活動發(fā)展迅速

新一輪課程改革下對“學(xué)科核心素養(yǎng)”的要求不斷加強(qiáng)，研學(xué)旅行可以更好地落實地理核心素養(yǎng)。2016年12月，教育部等11部門印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)中小學(xué)生研學(xué)旅行的意見》，要求各地將研學(xué)旅行擺在更加重要的位置，推動研學(xué)旅行健康快速發(fā)展。此后，研學(xué)旅行逐漸成為熱門話題，并得到了快速發(fā)展。這為AR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)地理研學(xué)旅行提供了契機(jī)，依托AR技術(shù)，可以開展諸多高風(fēng)險、不可見、不可達(dá)、難以想象現(xiàn)象、特征和規(guī)律的認(rèn)知及研學(xué)活動［5］。

（3）學(xué)生對電子產(chǎn)品的熟練操作和對AR技術(shù)的普遍接受

AR技術(shù)應(yīng)用于研學(xué)旅行是通過電子產(chǎn)品作為媒介來實現(xiàn)的，中學(xué)生基本能夠熟練使用電子產(chǎn)品，這對野外研學(xué)旅行期間使用相關(guān)AR產(chǎn)品提供前提。另外，中學(xué)生通過地理傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)已經(jīng)有了一定的地理知識儲備，也支持在地理教學(xué)中使用現(xiàn)代技術(shù)，雖然一部分學(xué)生并不了解AR技術(shù)，但AR技術(shù)作為具有劃時代意義的現(xiàn)代技術(shù)之一，學(xué)生們對使用AR技術(shù)完成中學(xué)地理研學(xué)旅行持有開放態(tài)度［6］。

三、AR技術(shù)在地理研學(xué)中的應(yīng)用示例

人教版地理選擇性必修1第二章第一節(jié)“營造地表形態(tài)的力量” 要求學(xué)生結(jié)合實例，解釋內(nèi)力和外力作用對地表形態(tài)變化的影響。廣東韶關(guān)的丹霞山國家地質(zhì)公園內(nèi)有世界上發(fā)育最典型、類型最齊全、造型最豐富的丹霞地貌，也是華南地區(qū)眾多高中學(xué)校地理研學(xué)的首選之地。讓學(xué)生實地觀察宏偉的丹霞地貌，比單純的課堂講解更能加深其對山地抬升、流水侵蝕等內(nèi)外力作用對地表形態(tài)塑造的理解。但是，學(xué)生在野外也只能看到靜態(tài)的地貌特征，其發(fā)育過程更多的是靠學(xué)生結(jié)合實地去想象，受教師專業(yè)水平和學(xué)生思維差異限制，最終可能會導(dǎo)致學(xué)生并未真正掌握丹霞地貌的發(fā)育過程。針對這種教學(xué)的局限性，可以嘗試與AR技術(shù)相結(jié)合，使用AR軟件公司提前開發(fā)好的軟硬件平臺融入到當(dāng)前的丹霞景觀中，讓學(xué)生在實地體驗丹霞地貌的形成過程。

學(xué)生在現(xiàn)場選擇安全的觀察地點，借助AR設(shè)備（AR軟件承載設(shè)備：手機(jī)、平板電腦、AR眼鏡等）與某一處的丹霞地貌景觀進(jìn)行空間匹配，反演AR軟件生成的丹霞景觀形成過程。透過AR設(shè)備學(xué)生能夠觀察到，在距今1.4億年至7 000萬年的中生代晚期至新生代早期，該山區(qū)是一個大型內(nèi)陸盆地（湖泊）；之后受喜馬拉雅造山運動影響，盆地周邊山地強(qiáng)烈隆起，而盆地內(nèi)則接受大量碎屑沉積，逐漸形成了巨厚的紅色地層；紅層在地殼運動中被抬升并受斷裂切割后，在流水侵蝕、風(fēng)化剝蝕、重力崩塌等外動力地質(zhì)作用下，形成以陡崖坡為特征的地貌［7］。

將AR技術(shù)融入到丹霞地貌的觀察中，使漫長的地質(zhì)歷史時期濃縮為數(shù)十秒鐘，讓學(xué)生在實地體會完整的自然地理過程，加深了學(xué)生對內(nèi)外力作用如何塑造地表形態(tài)的理解，同時更有效地提高了學(xué)生的空間思維能力。

四、AR技術(shù)在地理研學(xué)旅行中的作用

1.突破地理研學(xué)旅行中教學(xué)的時空局限

地理研學(xué)旅行中遇到的很多地理現(xiàn)象，尤其是自然地理現(xiàn)象，即使學(xué)生置身其中，也很難通過觀察而全面掌握該地理現(xiàn)象的形成原理。如經(jīng)歷了漫長地質(zhì)歷史時期和復(fù)雜地質(zhì)作用的地質(zhì)地貌類景觀、發(fā)生時間極短且具有極大不確定性的自然災(zāi)害、難以到達(dá)的深水區(qū)或洞穴內(nèi)部的地理景觀等，針對具有這些特征的地理現(xiàn)象，借助AR技術(shù)可以將漫長的地質(zhì)歷史時期壓縮到幾分鐘甚至幾秒，或?qū)⒖焖侔l(fā)生的地理過程緩慢呈現(xiàn)，或?qū)⑸钏畢^(qū)、洞穴內(nèi)部的地理景觀動態(tài)展現(xiàn)出來。最終讓學(xué)生在野外更高效地掌握地理知識。

2.提升地理研學(xué)旅行中學(xué)生的探究能力

通過AR技術(shù)可以將課本中的平面地理景觀和野外的靜態(tài)地理景觀的形成過程生動形象地呈現(xiàn)出來，克服學(xué)生在文字理解上空間想象力的不足。如在野外觀察河漫灘時，指導(dǎo)教師一邊講述河漫灘的形成過程，一邊借助AR技術(shù)演示河曲中凹岸不斷被侵蝕而發(fā)生崩塌后退，凸岸不斷受底部環(huán)流帶來的泥沙發(fā)生堆積，最終水位下降裸露形成河漫灘的動畫過程。這樣可以幫助學(xué)生構(gòu)建地理事物之間的動態(tài)聯(lián)系，鍛煉空間思維。同時，在研學(xué)旅行中，學(xué)生通過使用AR相關(guān)軟件與實物進(jìn)行匹配，理解地理景觀的形成過程，提升學(xué)生在研學(xué)旅行中的主體地位，激發(fā)學(xué)生對自然地理過程的探索，進(jìn)一步提高研學(xué)的效率。

3.減輕地理研學(xué)旅行中教師的教學(xué)壓力

研學(xué)旅行中，指導(dǎo)教師不僅承擔(dān)著專業(yè)知識解答的任務(wù)，還要監(jiān)管學(xué)生安全、安排飲食起居、排隊購票、聯(lián)絡(luò)景區(qū)管理人員、心理輔導(dǎo)等多重任務(wù)。研學(xué)旅行途中連日的工作可能使得指導(dǎo)老師在教學(xué)環(huán)節(jié)上會顯得心有余而力不足。將AR技術(shù)應(yīng)用到地理研學(xué)旅行，在一定程度上可以減輕教師壓力，保證了研學(xué)既定目標(biāo)的順利完成。

4.保障地理研學(xué)旅行中師生的人身安全

一些自然地理現(xiàn)象還具有高危險性的特點，如火山爆發(fā)、滑坡、雪崩等，這些地理現(xiàn)象同時具備隨機(jī)性和發(fā)生時間極短的特征，即使是上文提到的廣東丹霞山，也可能在研學(xué)途中出現(xiàn)巖體崩落的情況，因此，要想在野外實地觀察到這些地理現(xiàn)象往往要承擔(dān)很大風(fēng)險。借助于AR設(shè)備，選擇安全地點將這類景觀的背景場地與AR軟件實時交互，降低了對師生產(chǎn)生傷害的可能性。

五、結(jié)論

研學(xué)旅行在培養(yǎng)中學(xué)生地理實踐力上發(fā)揮著巨大作用，未來隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代地不斷發(fā)展，AR技術(shù)輔助地理研學(xué)旅行教學(xué)將會受到熱捧。一方面，由于地理現(xiàn)象的特殊性和研學(xué)組織的局限性等因素，使得AR技術(shù)很有必要與地理研學(xué)旅行進(jìn)行融合；另一方面，AR技術(shù)已經(jīng)在傳統(tǒng)地理教學(xué)中日漸成熟，中學(xué)生對互聯(lián)網(wǎng)世界的熟悉程度都為AR技術(shù)在地理研學(xué)旅行的應(yīng)用提供了可行性。在未來的中學(xué)地理研學(xué)旅行中，可以借助AR學(xué)習(xí)環(huán)境，突破地理教學(xué)的時空限制，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 宋瑛，關(guān)克勇.基于新版課標(biāo)地理實踐力的認(rèn)知與培養(yǎng)［J］.天津師范大學(xué)學(xué)報（基礎(chǔ)教育版）， 2018，19（3）：64-68.

［2］ 林佩園.AR技術(shù)應(yīng)用于高中地理學(xué)科教學(xué)策略研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2021.

［3］ 王玨璠.增強(qiáng)現(xiàn)實地理野外實習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.開封：河南大學(xué)，2020.

［4］ 楊培生，邵美蘭，許小華，等.基于AR技術(shù)的山洪災(zāi)害交互式宣傳系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究［J］.江西水利科技，2021，47（6）：416-421.

［5］ 張麗娜，由秀萍，董志成.關(guān)于中學(xué)地理研學(xué)旅行的幾點思考［J］.中學(xué)地理教學(xué)參考（下半月）， 2017（12）：67-69.

［6］ 胡家誠.基于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的高中地理可視化教學(xué)實踐研究［D］.沈陽：沈陽師范大學(xué)，2021.

［7］ 朱誠，馬春梅，張廣勝.中國典型丹霞地貌成因研究［M］.北京：科學(xué)出版社，2015.

通信作者：于雷