基于地理實踐力培養的高中地理AR沙盤教學研究

作者簡介：張輝（1982—），男，甘肅省張掖市實驗中學。

根據《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》對地理實踐力培養的綱領性要求，地理課程改革進入從“知識傳輸”向“素養建構”的范式轉換階段。在此背景下，AR（增強現實）沙盤技術為破解地理實踐力培養的“去情境化”困境提供了創新性技術路徑。作為地理學科核心素養的具象化表征，地理實踐力包含空間定位、地理實驗、決策推演等多元能力維度，其要求學習者在真實或擬真情境中完成“觀察一建模一預測\"的完整認知循環。

一、地理實踐力的培養需求

地理實踐力是地理學科核心素養的重要組成部分，是學生在真實情境中通過觀察、實驗、調查和協作等方式解決地理問題的能力，要求學生在自然或社會真實場景中探究地理現象，通過考察、實驗和調查等地理實踐活動，培養意志品質和行動能力，引導學生從現象觀察推導形成機制，最終思考如何處理現實問題。

二、高中地理AR沙盤教學的必要性分析

（一）解決現實結構性難題的需要

傳統的高中地理教學模式長期面臨三個結構性難題。一是空間可視化維度缺失問題。現行教材依賴的二維平面圖與靜態物理模型，難以準確表征復雜地理空間特征（如喀斯特溶洞的垂向分層結構、冰川槽谷的U型橫剖面特征等），導致學生普遍存在空間認知失真現象。二是動態演化過程的教學呈現存在方法論缺陷。比如，對于沖積平原的階段性沉積過程、沙丘遷移的動力學機制等地貌演變規律，現有簡化的流程示意圖和碎片化視頻資源既缺乏多參數交互調節功能，也無法實現過程階段的可控分解，嚴重制約學生對地質時間尺度的因果鏈建構能力。三是地質構造的抽象原理存在具象轉化瓶頸。比如，在教學“向斜成山、背斜成谷”等悖論式地貌現象時，若過度依賴語言描述和抽象想象，會導致學生認知負荷顯著增加。

（二）AR沙盤的優勢

AR沙盤的介入為破解上述結構性難題提供了技術范式創新。在空間解構維度，AR沙盤支持學生以手勢交互實時解譯沖積扇沉積層的空間異質性，或動態調節水文參數觀察地貌響應，實現控制變量法的數字化延伸。在過程認知層面，AR沙盤可構建沉浸式地質演變場景，學生既能以第一視角觀測雅丹地貌的風蝕速率隨氣象參數變化，也可通過時空壓縮技術追溯喀斯特地下河系統的發育歷程，從而構建四維時空框架下的地貌認知體系。尤為關鍵的是，AR沙盤通過多模態感知融合（視覺立體建模、聲效模擬、觸覺力反饋交互）打破了傳統教學的感官壁壘，使學生能夠形成建立跨尺度的知識聯結。

三、AR沙盤教學實踐研究—以“地球表面形態”為例

湘教版高中地理必修第一冊第二章“地球表面形態”以地貌類型為知識主線，其內容結構與AR沙盤的技術特性具有高度契合性。在流水地貌章節中，教材重點闡述侵蝕地貌（如長江三峽）與堆積地貌（如河口三角洲）的形態差異及形成過程，但靜態剖面圖難以呈現水動力與沉積物運移的動態關聯，而AR沙盤可通過流體力學模擬實現“侵蝕一搬運一沉積”全過程的可視化交互。風成地貌部分涉及新月形沙丘移動規律與防治措施，傳統課堂依賴風向箭頭圖示，而AR沙盤可構建虛擬風洞環境，實時展示沙粒躍移軌跡與沙丘形態隨風向變化的響應機制。喀斯特地貌章節需解析地下河系統空間結構，教材僅以平面示意圖表現溶洞與地表峰叢的關系，而AR沙盤能突破視覺局限，實現“地上一地下”三維空間耦合演示[2]。

（一）流水地貌

本節課程緊密圍繞《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》對地理實踐力的培養要求，以AR沙盤為核心載體，構建長江三峽與河口三角洲的對比實驗，系統培養學生的地理觀察、實驗探究、決策優化等實踐能力。課程初始階段，學生通過操作AR沙盤實現地理空間數據的精準采集，在疊加歷史地圖與現狀岸線圖層后，運用手勢測量工具對長江河口陸海邊界進行空間定位與動態分析，測得50年間平均退縮距離約為2.3公里。這一過程旨在訓練學生對地理要素時空演變規律的量化分析能力，通過色階標注技術對三角洲沉積帶的粗砂（橙色標識）與細泥（藍色標識）的可視化識別，使學生掌握沉積物粒度分布與沉積環境判讀的基本調查方法。

在實驗探究環節，教師可采用分組對照的實驗設計框架培養學生的變量控制能力。例如，A組學生通過調節流量滑塊參數，實時觀測AR沙盤模擬的河床下切速率變化，進而歸納流水侵蝕強度與水文參數之間的非線性關系；B組學生則通過調節輸沙量，利用三角洲海岸線動態退縮模型，結合衛星影像時序對比，分析沉積物通量衰減對地貌演變的驅動機制。兩組實驗通過時空尺度壓縮技術，將地質時間尺度的地貌演化過程轉化為可觀測、可調控的數字化實驗系統，有效突破了傳統地理實驗的時空局限性。

決策優化能力的培養體現在人地關系模擬環節。學生基于AR沙盤生成的三峽大壩建設前后生態數據，通過拖拽“候鳥”圖標至濕地萎縮區，獲取棲息地適宜性指數曲線，并組合調水調沙參數設計治理方案。在角色扮演實踐中，工程師組依據AR沙盤的結果，預測三角洲淤進速率與航道淤積風險數據，運用空間規劃原理標注最優沖沙點位；生態組則采用生態紅線劃定技術圈定核心保護區。最后，全班學生通過多目標決策模擬平臺，對方案實施后的綜合效應進行量化評估。這一過程旨在訓練學生在復雜系統中協調生態保護與工程效益的決策能力。

教師可將地理實踐力分解為可觀測、可評估的操作性指標，使核心素養培養從理論層面有效轉化為具象化的教學行為，為新課標倡導的“做中學”與“用中學”提供可推廣的實施范式。例如，在遷移應用環節，學生導出實驗數據至家鄉河流模板和繪制河道，輸入近5年雨季降水量參數，使用預測功能觀察AR沙盤中的側蝕紅色預警區。然后使用虛擬工程工具包設計防護方案，選擇“拋石護岸”圖標覆蓋高風險段，計算工程成本與防護效能比值，生成優先實施區建議圖。全程通過手勢交互、實時數據彈窗與多色預警圖層，將V型谷侵蝕機制、三角洲沉積平衡、人地系統調控等抽象概念轉化為具象任務，幫助學生建立“空間結構解析一動力過程推演一治理決策優化”的進階思維體系[3]。

（二）風成地貌

本節課程緊扣地理實踐力核心素養的培養目標，通過AR沙盤構建虛實融合的探究場景，系統性訓練學生在風沙運動觀測、實驗參數調控與生態工程決策等維度的實踐能力。課程以庫布齊沙漠公路沙丘掩埋實景圖為問題情境導入，引導學生思考風沙遷移規律與人類干預的關聯性。學生佩戴AR眼鏡進入虛擬沙漠環境后，首先開展空間動態觀測實踐，通過手勢繪制工具精準標定沙丘脊線，AR沙盤實時生成三維流場模型，熱力圖層顯示迎風坡輸沙通量達到背風坡的差異，同步觸發風速傳感器數據反饋，量化驗證背風坡渦旋區風速衰減的流體力學特征。當學生操作風向調節面板將主導風由西北風轉為東北風時，AR沙盤啟動時空壓縮模擬程序，動態呈現新月形沙丘重構為縱向沙壟的過程，直觀揭示風力方向與地貌響應的動力學關聯。

在工程實踐環節，學生分組開展梯度化對比實驗，培養變量控制能力。實驗組通過虛擬草方格沙障的鋪設密度調控，觀測近地表風速的動態變化，結合AR沙盤生成的年移動距離數據，定量分析防沙工程效益與生態成本的閾值關系。角色扮演實踐中，學生分飾治沙工程師、環保志愿者與牧民代表三類利益相關方，基于AR沙盤推演的固沙效率曲線、風速抑制數據和牧場退化模擬結果，開展方案論證，通過權重賦值法平衡工程效益與生態可持續發展需求。

課后拓展環節銜接區域地理實踐要求，學生在AR沙盤載入區域數字模型，導入近十年氣象數據集后，通過手勢劃定周邊敏感區域。系統基于起沙風閥值自動標注潛在沙源區，學生拖動季風方向箭頭，模擬不同季節的輸沙路徑。基于AR沙盤預測的植被覆蓋動態，學生設計分級響應方案，如橙色預警階段啟動灌木補種預案，紅色預警階段聯動市政部門實施機械固沙工程。全課程通過“現象觀測一機理探究一方案設計一效果驗證”的實踐鏈條，將風沙運動理論轉化為可操作的數字化實驗，使學生在參數調控、空間分析、決策優化等實踐中達成地理實踐力的進階發展[4]。

（三）喀斯特地貌

本節課程以培養學生地理實踐力為核心目標，依托AR沙盤構建桂林峰林溶洞系統的沉浸式探究場景，系統設計從現象觀測到工程決策的完整實踐鏈條。課程一開始，通過蘆笛巖鐘乳石斷裂事故的視頻創設問題情境，引導學生關注地下空間的穩定性問題。學生操作AR沙盤加載桂林峰林實景模型后，開展虛擬地質勘探實踐，通過手勢逐層剝離石灰巖層觀測石筍橫切面的樹輪狀生長紋，結合光譜分析數據建立沉積紋層與氣候要素的關聯認知。

在形成機制探究階段，學生可以通過參數調控實驗深化過程認知。例如，學生向虛擬巖層注入pH值為5.6的酸性水流后，根據AR沙盤實時生成的溶蝕速率曲線，發現當裂隙間距從50厘米縮減至10厘米時，溶洞橫向擴展速度從4厘米/年激增至16厘米/年，由此歸納巖體結構對溶蝕強度的控制機制。在探究人類活動影響的實驗中，學生可以設置旅游開發場景，觀測石筍生長速率變化情況，通過虛擬傳感器網絡的應力云圖識別洞頂坍塌高風險區，培養地質災害預警與空間分析能力。在分組實踐中，學生扮演地質勘探隊開展工程決策實踐。基于AR沙盤模擬數據劃定優先加固區域，并設計游客分流方案，控制日接待人流量。此過程能培養學生權衡經濟效益與生態保護的決策能力。在遷移應用環節，學生可掃描校園地質圖，疊加本地石灰巖分布數據，通過AR沙盤識別地下水溶蝕活躍帶，評估教學樓地基潛蝕風險。

教學全程貫穿“現象觀測一機理解析一問題解決”的實踐閉環。學生通過地層穿透觀察訓練空間透視與數據采集能力，借助參數動態調控掌握巖溶過程量化分析方法，利用風險可視化預警發展工程決策能力。AR沙盤將溶蝕動力學、人類活動干擾效應等抽象理論轉化為可操作的探究任務，使地理實踐力培養深度融入“觀察工具使用一實驗方案設計一區域問題解決”全流程，切實達成“在真實情境中運用地理工具解決復雜問題”的素養目標[5]。

結語

綜上所述，以地理實踐力培養為導向的高中地理教學，可運用AR沙盤建構地理教學實踐框架，利用三維可視化呈現、動態參數調控、多角色決策模擬等功能，破解傳統地理教學困境，將抽象空間概念轉化為可交互的立體模型，顯著提升學生空間認知精度；通過時空壓縮模擬，使地貌變化過程具象為可觀測的分鐘級實驗，助力學生建立完整的地質過程因果鏈；創設工程師、生態學家等多主體決策場景，將人地協調觀具體轉化為可操作的工程方案比選任務與生態閾值論證任務，促進學生形成系統思維與可持續發展理念。

[參考文獻]

[1]張靜銘.淺談地理教學中教具的創造性應用與地理實踐力培養［J］.中學地理教學參考，2019（20）：10-12.

[2]龔正權，劉梅英，饒青瑩，等.融合增強現實技術的地理探究實踐活動：以AR地理沙盤輔助地理模型制作為例［J］，地理教學，2025（2）：57-59.

[3]龍富霖，周忠發，劉智慧.基于AR的高中地理教學研究：以區域整體性為例［J］.中學地理教學參考，2023（17）：54-58.

[4]季節，周侗，李玉潔.AR技術應用于中學地理教學研究：以AR中學地球儀手機APP為例[J].中國教育技術裝備，2021（18）：32-37.

[5]隋愛華.基于AR沙盤的高中地理教學案例研究：以“水庫大壩的選址”為例［J］.中學地理教學參考，2020（16）：75-76.