運用VR技術培養中學生的地理空間思維能力

摘" 要" 地理空間思維能力是中學生地理學科素養的基礎內容，對其地理學習和理解具有重要意義。虛擬現實（Virtual Reality， VR）技術在地理空間思維能力培養方面具有獨特優勢。通過探討虛擬現實技術和地理空間思維能力的概念及應用范疇，分析了運用VR技術發展中學生地理空間思維能力的優勢和應用，總結當前研究的不足并提出未來研究的方向。

關鍵詞" VR；地理教學；地理空間思維能力

中圖分類號：G633.55" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）05-0067-03

0" 引言

2021年，教育部等六部門聯合發布《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》，意見明確：強化校本教研。校本教研要立足學校實際，以實施新課程新教材、探索新方法新技術、提高教師專業能力為重點，著力增強教學設計的整體性、系統化，不斷提高基于課程標準的教學水平[1]。意見提到：推動教育數字轉型、智能升級、融合創新，支撐教育高質量發展。可通過VR等新興技術，為中小學實驗提供創新教學方式，增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學質量和效果。虛擬現實（Virtual Reality， VR）技術是一種在數字平臺上呈現創建對象和環境的技術，它是以計算機生成數字信號來模擬現實世界。這種通過計算機圖形創建的仿真世界[2]，能夠讓使用者具有更強的現實感和臨場感[3]。同時，使用者借助頭戴式護目鏡和手持配件能夠在仿真世界中進行交互操作[4]。由于VR技術對于環境模擬的真實感和交互能力具有無可比擬的優勢，使得其在地理教學中具有廣泛的應用前景。

空間性是地理學科區別于其他學科的一個顯著特征，引導學生理解地理事物的空間差異和空間聯系，培養學生地理空間思維能力成為義務教育階段學生學習地理學科所必備的能力。地理教學中借助VR技術強大的現實感和臨場感，能夠打破時空限制，將抽象知識虛擬化，使學生能夠在這個虛擬的環境中進行感官交流和身體參與的體驗，幫助學生從地理的視角認識和理解我們所生存的世界，有效地增進學生對地理環境的理解，并提高地理空間思維能力。越來越多的學者認為，空間思維是學生將來在數學、科學和地理方面取得成功的基礎[5]。

1" VR技術與地理空間思維能力的概念發展

及應用范疇

1.1" VR技術

VR是一種基于仿真技術、傳感技術和多媒體計算機技術的沉浸式交互環境。它由計算機生成，通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多種感官刺激作用于用戶，給用戶一種身臨其境的感覺。VR是高度發達的計算機技術在各個領域應用的結晶和反映。其應用研究涵蓋了廣泛的學科，包括心理學、人工智能、計算機科學等。

VR有三個顯著的特點。第一，它具有沉浸感。VR不僅能讓實驗者在視覺上感受到虛擬的三維環境，還能通過嗅覺、觸覺、聽覺、味覺等感知模擬的真實環境，讓用戶在整個過程中有身臨其境的感覺。理想的虛擬環境應該是現實環境的再現，使人仿佛置身于現實世界。第二，它具有互動性。這是用戶在虛擬環境中對對象的自然可操作性程度和對虛擬環境的即時信息反饋。當用戶進入仿真環境時，VR使用戶能夠與環境進行交互。當用戶操作時，周圍的環境也會做出響應。例如，用戶可以在虛擬環境中移動，移動的過程中周圍的環境也隨之發生改變。第三，它具有概念化特點。VR不僅能使實驗者在虛擬環境中獲得真實的體驗，而且能發揮主觀能動性，形成新的概念。利用VR的概念可以拓展用戶的地理空間思維能力，對其測試和訓練具有現實意義。

1.2" 地理空間思維能力

地理空間思維能力是由空間概念、表征工具、空間推理三個要素組成，指在理解并建立地理空間概念的基礎上，通過運用空間表征工具進行空間推理，尋求地理問題的解決方式并做出決策的一種心理過程[6]。趙麗佳等[7]在此基礎上將地理空間思維能力劃分為地理空間感知思維能力、地理空間比較思維能力、地理空間綜合思維能力和地理空間決策思維能力四個部分。

地理空間感知思維能力是感知地理實體屬性以及地理實體之間的位置和關系，是對地理空間認知的前提。地理空間比較思維是理解地理實體之間“空間差異何在”的工具。地理空間中地理實體之間存在客觀差異，研究地理實體之間的差異，尋找差異中的“共性”，是地理科學研究的重要內容。地理現象、地理結果往往需要綜合地球科學、氣候、地形、水文、人類活動等多種因素進行分析，研究此類地理問題，離不開地理空間綜合思維能力。在綜合上述三種思維能力之后，才能利用地理空間決策思維能力解決具體地理空間問題。

培養中學生四種維度的地理空間思維能力可以通過地理空間活動、地理空間游戲學習和地理空間語言進行實施。地理空間游戲常常伴隨著地理空間表征工具，如三維地圖Google Earth、VR world等，而地理空間表征工具又以VR技術為代表。VR技術為中學生提供了重要的地理空間活動探索途徑，同時為培養中學生地理空間思維能力提供新的學習

方式。

2" VR技術在培養地理空間思維能力方面的

優勢

2.1" 創設多樣的教學環境增強地理空間感知思維能力

傳統教學環境中，建立學生的空間概念主要通過教學者使用地球儀和地圖工具來幫助學生了解抽象概念和地理事物的分布，比如地軸、地球自轉與公轉特點、國家及某個區域的位置特征和分布規律等，來培養學生的立體空間思維。在虛擬現實的研究系統平臺上，教學者可以創設更為豐富的地理教學資源，將以往平面教材的知識內容嵌入虛擬環境中，使知識形態更加立體，比如學生在帶上VR眼鏡之后從不同角度觀察歐洲西部地形以及風帶氣流流動如何影響溫帶海洋性氣候的形成等，增強了學生的地理空間感知思維能力。同時，在虛擬現實研究系統平臺上可以實現分布式協同實驗的交流。在這種協作環境中，學生可以完成協作研究、遠程實驗和其他操作等。因此，VR技術不僅可以將書本抽象概念具體呈現，還可以創設更加多樣化的實驗環境，這是傳統實驗環境所無法替代的。VR技術的實驗平臺可以與傳統地理工具的實驗環境互補，共同促進地理空間思維能力研究目標的實現。

2.2" 提供可視化的虛擬地理環境發揮地理空間形象思維能力

虛擬現實技術在虛擬世界和真實世界之間建構起認知橋梁，實現復雜空間關系和抽象概念的可視化，從而幫助學生更好地發展空間思維能力[2]。VR技術創建的虛擬地理空間是計算機技術與VR技術的結合，而計算機可視化技術的發展為VR技術提供了基礎支撐。在地理空間思維能力的研究中，許多研究證實了VR技術的地理空間可視化對提升地理空間思維能力具有積極作用。他們借助VR實現地形地貌的可視化，比如地球內部的構造，學生能直接拆分地球內部的地殼、地幔、外核和內核等，并能通過轉動身體和手柄方向對空間的位置和方向進行全方位的操作和定位，動態展現地球的內部構造。通過手柄可以推進地球內部同時也可以退出看到地球在浩瀚宇宙的形態，這種可視化的交互能夠增強學生對空間關系的認知，促進學生空間形象思維能力的提升。

2.3" 培養虛擬地理空間思維能力降低教育成本

利用VR技術輔助或替代傳統的紙筆測試或物理儀器實驗研究而開發和設計的地理空間思維能力稱為虛擬地理空間思維能力。與基于傳統紙筆測試或物理儀器的實驗研究相比，虛擬地理空間思維能力實驗系統具有獨特的優勢。首先，虛擬認知不需要支付必要的有形的物質成本。真正的認知活動總是要消耗一定的體力和能量，也要消耗一定的物質、能量和時間。VR技術可以完成空間實驗中物質之間相互作用的過程認知能力研究，可以節省實驗過程中的材料消耗，降低認知成本。其次，相同的虛擬地理空間數據可以支持更多的學生學習，主要成本是設備和虛擬地理空間的制作費用，隨著數字技術和人工智能的快速發展，將來的學生群體逐漸擴大，用戶的平均使用成本也將大幅下降。

3" VR技術在中學地理教學中的應用探索

無論是在科學研究中還是在日常活動中，學生都應該具備一定的地理空間知識。地理空間思維能力作為學生智力培養的重要組成部分已成為學生融入社會適應生存的基本能力，同時也是社會空間思維領域非常關注的一個課題。

地理空間思維能力的培養和研究需要虛擬現實技術。

目前，中學生傳統的地理空間思維能力研究方法效度較低，不能滿足地理空間思維能力的實驗研究。結合大數據、地理信息以及人工智能技術[1]，虛擬現實技術可以模擬現實地理空間中危險復雜的環境，將那些遙遠的難以感知的地理對象、地理過程，變成直觀可感的地理模型、地理圖像，有效提升學生的學習興趣及地理空間認知能力。

以“認識黃土高原地形區”為例，利用Steam平臺的Google Earth VR程序創建虛擬地理空間環境開展教學活動，探究VR技術在中學地理教學中的應用。

活動1：定位置。教師通過描述黃土高原的位置并利用Google Earth VR向學生一步步展示如何在VR環境中一步步進入黃土高原位置圖。學生根據教師展示的步驟操作找到VR環境中的黃土高原，感受虛擬空間中黃土高原的地形地勢，說明黃土高原位于太行山脈以西、烏鞘嶺以東，長城以南，秦嶺以北，并指出它跨越的區域。通過這種直觀展示，學生能夠在腦海中形成立體可觀的地理模型，這很好地培養了學生的地理空間定位思維能力。

活動2：識地貌。學生戴上VR眼鏡進入三維的虛擬環境中身臨其境地感受黃土塬、黃土梁、黃土峁、黃土川等景觀。伴隨教師講解各種地貌的不同特點，即塬指殘留的高原面，頂部平坦開闊，四周被流水侵蝕形成溝壑。塬面受流水侵蝕，溝谷發育分割成條狀的山梁。梁進一步被溝谷切割分離，形成孤立的饅頭狀山丘。溝谷進一步發育形成川，川是黃土高原農業較發達、人口集中的地區。學生能夠突破空間距離真實感受黃土高原的地貌特征。

活動3：賞文明。教師通過指導學生移動外部手柄操作欣賞窯洞景觀。窯洞是黃土高原特有的傳統民居。黃土具有直立性，不易崩塌。而且又比較干燥，容易開挖。適宜開鑿窯洞作為居所。學生在這種虛擬地理空間中增加了存在感和交互性，能切實欣賞窯洞的內外部景觀。

活動4：引思考。在使用VR進行體驗后，教師引導學生小組合作探究黃土高原水土流失的原因，學生在進行討論探究的過程中通過思考建立起知識之間的聯系，在原有認知基礎上不斷地進行有意義的建構，增強了學生的地理空間想象思維能力。

本節課通過VR技術這一地理空間表征工具創設活動課堂，學生更好地習得了地理空間想象和空間思維能力。在VR技術創建的三維學習環境中認識黃土高原地形區，學生的學習興趣和動機明顯提高，課程活動的參與度增強，能夠通過三維空間感知黃土高原的地理位置特征及其跨越的省級行政區。并能掌握黃土高原物質的形成緣由、黃土物質的形成原因，了解黃土高原千溝萬壑的地形地貌特征。

4" 結束語

地理空間思維能力是人類生活中不可缺少的一種能力，它是當今中學生社會空間思維領域教育非常關注的一個課題，VR技術是提升中學生地理空間思維能力的有效工具。

綜上所述，VR技術作為新技術、新工具所創造的虛擬仿真研究環境，不僅具有傳統地理空間思維能力研究方法無法比擬的性質，而且可以讓學生在實驗過程中同時運用視覺思維和邏輯思維，提高學生對地理空間信息的感知能力。

然而，VR技術在地理空間可視化能力領域的應用研究處于發展階段，以往的相關研究較少，虛擬地理空間可視化能力在不同方向的性能研究結果上無法達成一致。同時虛擬空間思維能力的研究在理論和技術上還需要進一步的研究和探討。

總之，虛擬地理空間思維能力無論在技術研究還是理論研究上都具有巨大的研究空間和潛力，無論是在商業應用中，還是在教育實踐中，都需要進行政策和商業推廣，擴大應用范圍，加快更新速度，實現地理空間思維能力在虛擬空間中的應用普及。

5" 參考文獻

[1] 李家樂.淺談人工智能與電子信息技術在教育中的應用

[J].教育現代化，2019，6（38）：243-244.

[2] 宋殿義，張煒，龔佑興等.基于虛擬現實技術的實踐教

學初探[J].高教學刊，2020（20）：114-116.

[3] 周忠，周頤，肖江劍.虛擬現實增強技術綜述[J].中國

科學：信息科學，2015，45（2）：157-180.

[4] Wann J， Mon-Williams M. What does virtual reality

need？ human factors issues in the design of three-

dimensional computer environments[J].International

Journal of Human-Computer Studies，1996，44（6）：

829-847.

[5] Bednarz S W， Jo I， Shin E. Spatial thinking in primary geography[M]//Teaching Primary Geography：Setting the Foundation. Cham： Springer International Publishing， 2022：133-144.

[6] Committee on the Support for the Thinking Spatially，

Committee on Geography，Board on Earth Sciences amp;

Resources，Division on Earth and Life Studies，

National Research Council. Learning to Think

Spatially[M].National Academies Press，2005.

[7] 趙麗佳.基于GIS的中學生地理空間思維能力培養研究

[D].南京：南京師范大學，2020.