高中生地理空間認(rèn)知能力培養(yǎng)路徑研究

一、引言

在數(shù)字技術(shù)重塑教育生態(tài)的當(dāng)下，地理學(xué)科教學(xué)面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。在高中地理教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的空間認(rèn)知能力，始終是學(xué)科教學(xué)的核心命題。從板塊運動的宏觀尺度到城市功能區(qū)的微觀布局，從地球圈層的立體構(gòu)造到氣候變遷的時空演變，地理學(xué)科的空間性特征貫穿知識體系始終[]。然而，傳統(tǒng)教學(xué)手段在應(yīng)對復(fù)雜地理空間關(guān)系時，常因二維呈現(xiàn)局限、動態(tài)模擬缺失等問題，致使學(xué)生難以構(gòu)建完整的空間認(rèn)知框架。增強現(xiàn)實技術(shù)，以其虛實融合、動態(tài)交互的特性，為地理教學(xué)開辟了新路徑[2。通過將虛擬地理信息精準(zhǔn)疊加于現(xiàn)實場景，AR技術(shù)不僅能夠突破時空限制，更能為學(xué)生提供沉浸式、個性化的學(xué)習(xí)體驗。本文立足高中地理教學(xué)實際，剖析了空間認(rèn)知能力培養(yǎng)的現(xiàn)存困境，探索了AR技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用路徑，以期為地理教學(xué)模式變革注入新動能。

二、培養(yǎng)高中生地理空間認(rèn)知能力的意義

地理空間認(rèn)知能力是高中生理解地理學(xué)科核心內(nèi)容的關(guān)鍵要素，其對于學(xué)生把握地理知識、發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)具有不可替代的作用3。從學(xué)科知識角度來看，地理學(xué)科中地形地貌的演變、氣候類型的分布、城市空間結(jié)構(gòu)的形成等核心內(nèi)容，均與地理空間緊密相連。具備良好的地理空間認(rèn)知能力，學(xué)生能夠更清晰地理解地理事物的空間位置、形態(tài)結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，深化對地理規(guī)律的認(rèn)識；從思維發(fā)展層面而言，地理空間認(rèn)知能力的培養(yǎng)有助于高中生從形象思維向抽象思維過渡，同時，也能提升學(xué)生的空間想象、空間分析和空間推理等思維能力。此種思維能力的發(fā)展不僅對地理學(xué)科學(xué)習(xí)有益，還能遷移到其他學(xué)科，以及生活實踐中，幫助學(xué)生解決復(fù)雜問題，培養(yǎng)創(chuàng)新思維；在實踐應(yīng)用方面，地理空間認(rèn)知能力是學(xué)生將地理知識應(yīng)用于實際生活的基礎(chǔ)。無論是外出旅行時的路線規(guī)劃、對區(qū)域環(huán)境的評估，還是未來從事與地理相關(guān)的職業(yè)，都需要扎實的地理空間認(rèn)知能力作為支撐。因此，培養(yǎng)高中生的地理空間認(rèn)知能力，對其個人成長和未來發(fā)展意義深遠(yuǎn)。

三、高中生地理空間認(rèn)知能力培養(yǎng)困境分析（一）時空呈現(xiàn)受限，信息傳遞單一

在高中地理教學(xué)中，教師通常依賴于教材中的靜態(tài)地圖、圖表或口頭講解來傳遞地理信息。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以展現(xiàn)地理現(xiàn)象的動態(tài)變化過程與復(fù)雜的空間關(guān)系。例如，氣候類型的分布、洋流運動或板塊構(gòu)造的變化等都具有強烈的時間演變和空間延展特征。但受限于教學(xué)手段，學(xué)生往往只能通過記憶和抽象理解來掌握這些內(nèi)容，缺乏直觀感知。這種時空呈現(xiàn)方式的局限性，導(dǎo)致信息傳遞路徑單一，影響了學(xué)生對地理空間結(jié)構(gòu)和過程的整體把握，進而制約其空間認(rèn)知能力的發(fā)展。

（二）三維建模艱難，空間想象薄弱

地理空間認(rèn)知要求學(xué)生具備將二維地圖信息轉(zhuǎn)化為三維空間模型的能力，而現(xiàn)實中許多高中生在這方面存在明顯短板。由于缺乏空間思維訓(xùn)練和實際觀察經(jīng)驗，學(xué)生往往難以構(gòu)建地形起伏、地表形態(tài)或區(qū)域布局的立體圖像，也無法準(zhǔn)確理解空間方位、距離和聯(lián)系。傳統(tǒng)教學(xué)工具如紙質(zhì)地圖和平面投影圖無法有效模擬真實地理環(huán)境，使學(xué)生在面對復(fù)雜空間問題時容易產(chǎn)生認(rèn)知障礙，從而影響其空間推理與建模能力的提升。

（三）思維發(fā)展不均，認(rèn)知水平參差

不同學(xué)生的空間認(rèn)知能力發(fā)展程度存在較大差異，這與學(xué)生個體的學(xué)習(xí)興趣、知識基礎(chǔ)、思維方式，以及接受能力密切相關(guān)。部分學(xué)生能夠快速識別地理要素之間的空間關(guān)聯(lián)并進行邏輯推導(dǎo)，而另一些學(xué)生則在判斷方向、分析地圖信息或理解區(qū)域特征方面表現(xiàn)較弱。此種認(rèn)知水平的不均衡使得統(tǒng)一教學(xué)難以滿足所有學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，教師在課堂上也難以精準(zhǔn)調(diào)控教學(xué)節(jié)奏和深度，造成部分學(xué)生“吃不飽”、部分學(xué)生“跟不上”的局面，進一步加劇了空間認(rèn)知能力培養(yǎng)的難度。

（四）互動形式匱乏，缺失反饋機制

當(dāng)前，多數(shù)高中地理課堂教學(xué)仍以教師講授為主，學(xué)生多處于被動接受知識的狀態(tài)，缺乏主動探索和實踐的機會，致使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、參與度不足。同時，由于在教學(xué)過程中缺少有效的師生互動與及時反饋機制，學(xué)生難以了解自身認(rèn)知發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，教師也無法根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況動態(tài)調(diào)整教學(xué)方案。此種單向的信息傳輸模式一定程度上削弱了學(xué)生的主體地位，不利于激發(fā)學(xué)生的探究精神和空間思維能力，從而影響了學(xué)生地理空間認(rèn)知能力的深人發(fā)展與全面提升。

四、基于AR技術(shù)的高中生地理空間認(rèn)知能力培養(yǎng)路徑

現(xiàn)象

（一）場景構(gòu)建：創(chuàng)設(shè)動態(tài)情境，直觀展現(xiàn)地理

在高中地理教學(xué)中，教師借助增強現(xiàn)實技術(shù)，可以將抽象的地理知識以動態(tài)、立體的方式呈現(xiàn)，為學(xué)生營造沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境5。通過虛擬與現(xiàn)實結(jié)合的方式，學(xué)生能夠更直觀地觀察和理解地理現(xiàn)象的空間分布、運動變化及其相互關(guān)系，從而突破傳統(tǒng)教學(xué)中時空呈現(xiàn)受限的問題，提升其空間感知能力和整體認(rèn)知水平。

以湘教版地理必修一“地球的運動”課程教學(xué)為例，地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的原理因其高度的抽象性和時空尺度巨大，常常讓學(xué)生感到難以捉摸。教師若僅憑口頭講解和靜態(tài)的二維插圖，很難讓學(xué)生真正把握地軸傾斜、公轉(zhuǎn)軌道的橢圓形狀，以及由此引發(fā)的復(fù)雜現(xiàn)象。面對這一教學(xué)難點，教師可以巧妙地引入特定的AR教學(xué)軟件。

當(dāng)學(xué)生使用智能手機或平板電腦，對準(zhǔn)教材上印有相應(yīng)觸發(fā)標(biāo)記的頁面時，屏幕上不再是平面的文字和圖片，而是瞬間變?yōu)橐粋€生動逼真的宇宙場景。畫面中，一個色彩細(xì)膩、比例恰當(dāng)?shù)牡厍蚰Ｐ停瑤е鴥A斜的地軸，開始圍繞模擬太陽緩緩公轉(zhuǎn)，同時自身也在不停自轉(zhuǎn)。

借助此項技術(shù)，教師可以將抽象的知識點變得觸手可及，學(xué)生可以清晰地觀察到地球自轉(zhuǎn)的“自西向東”方向，精確測量出地軸相對于公轉(zhuǎn)軌道平面的 23.5^° 傾斜角，甚至能直觀感受公轉(zhuǎn)軌道并非完美的圓形而是略帶扁平的橢圓。由此，教師不僅能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲，更能夠有效突破傳統(tǒng)教學(xué)在時空表現(xiàn)上的局限，讓地理空間認(rèn)知能力的培養(yǎng)變得生動而高效。

（二）分層訓(xùn)練：設(shè)計進階任務(wù)，精準(zhǔn)提升認(rèn)知水平

基于AR技術(shù)的教學(xué)任務(wù)可依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平進行分層設(shè)計，形成由淺入深、循序漸進的學(xué)習(xí)路徑。不同層次的學(xué)生可根據(jù)自身能力完成相應(yīng)任務(wù)，在不斷挑戰(zhàn)與提升中實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)。此種差異化的訓(xùn)練方式有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，促進地理空間認(rèn)知能力的逐步建構(gòu)與深化。

例如，在湘教版地理必修一“地球的運動”課程教學(xué)中，教師也可以依托AR技術(shù)的交互性與可視化優(yōu)勢，設(shè)計分層任務(wù)，實現(xiàn)因材施教，逐步提升學(xué)生的空間認(rèn)知能力。分層任務(wù)如圖1所示。

圖1基于AR技術(shù)的任務(wù)分層圖

對于空間認(rèn)知能力較弱的學(xué)生，教師可設(shè)計基礎(chǔ)性任務(wù)，重點幫助學(xué)生建立直觀的空間表象，如利用AR三維模型讓學(xué)生手動旋轉(zhuǎn)地球，觀察并標(biāo)注自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)方向，或在公轉(zhuǎn)軌道上定位二分二至日的地球位置；針對中等能力水平的學(xué)生，教師可設(shè)置進階性探究任務(wù)，引導(dǎo)其從靜態(tài)認(rèn)知轉(zhuǎn)向動態(tài)分析。在此過程中，學(xué)生可自主調(diào)節(jié)模擬速度，反復(fù)觀察晝夜長短與太陽高度角的關(guān)系，從而深化對地球運動地理意義的理解；對于空間認(rèn)知能力較強的學(xué)生，教師則可設(shè)計開放性的研究任務(wù)，培養(yǎng)其綜合分析與批判性思維能力，如讓學(xué)生觀察其對地球五帶范圍、太陽直射點移動幅度，以及晝夜長短分布的影響，進而推測氣候變化趨勢及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。通過AR技術(shù)設(shè)計分層任務(wù)，既能幫助基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生夯實空間概念，又能為能力較強的學(xué)生提供深度探究的平臺，使不同層次學(xué)生的地理空間認(rèn)知能力在原有基礎(chǔ)上得到有效提升。

（三）建模應(yīng)用：實施立體方案，強化空間結(jié)構(gòu)認(rèn)知

AR技術(shù)能夠?qū)⒍S地圖信息轉(zhuǎn)化為三維可視化模型，幫助學(xué)生在真實感更強的環(huán)境中進行空間建模與分析。學(xué)生可通過操作和觀察建立對地形地貌、區(qū)域結(jié)構(gòu)等復(fù)雜空間關(guān)系的理解，有效彌補傳統(tǒng)教學(xué)中空間想象難、建模困難的短板，從而提升其空間思維能力和地理認(rèn)知深度。

以“地球的運動”課程教學(xué)為例，地球圈層結(jié)構(gòu)與運動規(guī)律一直是教學(xué)難點。傳統(tǒng)二維教材和靜態(tài)模型難以直觀展示地球內(nèi)部圈層與外部大氣層的空間關(guān)系，更無法動態(tài)呈現(xiàn)地球運動過程中各圈層的相互作用。AR技術(shù)的引人有效解決了這一教學(xué)困境。學(xué)生在佩戴AR設(shè)備后，能夠清晰地觀察到地球內(nèi)部的地殼、地幔、地核的分層結(jié)構(gòu)，以及外部大氣層的垂直分布。此種立體的展示方式能夠使學(xué)生對地球的空間結(jié)構(gòu)形成更加直觀的認(rèn)識，突破傳統(tǒng)教學(xué)中“平面想象立體”的認(rèn)知障礙。在講解地球公轉(zhuǎn)對氣候的影響時，系統(tǒng)可以動態(tài)展示隨著地球公轉(zhuǎn)，太陽直射點的移動如何導(dǎo)致不同緯度太陽輻射能量的差異分布。同時，AR模型能夠可視化呈現(xiàn)由此產(chǎn)生的大氣環(huán)流變化，赤道地區(qū)的暖濕氣流上升、極地冷空氣下沉的運動軌跡，以及三圈環(huán)流系統(tǒng)的形成過程都能夠得以生動展現(xiàn)。學(xué)生通過手勢操作，可以從任意角度觀察氣流運動，甚至“走進”環(huán)流系統(tǒng)內(nèi)部，理解氣壓帶、風(fēng)帶的形成機制。此種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗不僅能夠解決學(xué)生空間想象困難的問題，更能讓學(xué)生深入理解地球空間結(jié)構(gòu)與運動對氣候系統(tǒng)的影響機制。

（四）交互創(chuàng)新：打造多維互動，即時生成智能反饋

AR平臺支持多感官參與的交互方式，可有效增強學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動性和參與感。同時，AR可實時記錄學(xué)生的操作行為并提供智能化反饋，幫助其及時調(diào)整學(xué)習(xí)方案。此種即時互動與反饋機制不僅能夠提升教師教學(xué)的針對性和有效性，也有助于學(xué)生在實踐中不斷優(yōu)化地理空間認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提高學(xué)習(xí)效率與質(zhì)量。

例如，在“地球的運動”課程教學(xué)中，AR平臺也可以為師生提供豐富的交互形式。AR平臺支持豐富的交互操作。學(xué)生可以通過手勢對地球模型進行自由縮放和旋轉(zhuǎn)，從任意角度觀察地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的運動狀態(tài)。此種直觀的操作方式使學(xué)生能夠自主構(gòu)建空間認(rèn)知，如通過改變觀察視角以理解極晝極夜現(xiàn)象的形成原理。同時，平臺還集成了語音交互功能，學(xué)生可以通過語音指令查詢關(guān)鍵參數(shù)，如“查詢當(dāng)前地球公轉(zhuǎn)速度”或“顯示夏至日太陽直射點坐標(biāo)”，系統(tǒng)可以即時呈現(xiàn)相關(guān)信息，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。在探究性實驗環(huán)節(jié)，AR平臺支持學(xué)生通過調(diào)節(jié)參數(shù)來模擬不同情境下的地球運動。比如，學(xué)生可以嘗試改變地球自轉(zhuǎn)速度，觀察晝夜交替周期的變化；或者調(diào)整公轉(zhuǎn)軌道偏心率，探究其對四季長度的影響。這種“假設(shè)-驗證”式的學(xué)習(xí)方式，不僅能夠加深學(xué)生對地球運動規(guī)律的理解，還能夠培養(yǎng)其科學(xué)的探究能力。最后，AR系統(tǒng)的智能分析功能還可以實時記錄學(xué)生的模型觀察時長、問題回答準(zhǔn)確率等各項操作數(shù)據(jù)，并通過算法分析，生成學(xué)習(xí)診斷報告。當(dāng)系統(tǒng)檢測到學(xué)生對某些概念（如晝夜長短變化規(guī)律）存在理解偏差時，會自動推送針對性的微課視頻和練習(xí)題，幫助學(xué)生及時糾正錯誤認(rèn)知。此種即時反饋機制可有效優(yōu)化學(xué)生的地理空間認(rèn)知結(jié)構(gòu)，顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

五、結(jié)束語

將增強現(xiàn)實AR技術(shù)與高中地理教育深度融合，能夠為提升學(xué)生的地理空間認(rèn)知能力開辟新的教育途徑。該技術(shù)不僅能夠通過動態(tài)情境的直觀展現(xiàn)和分層任務(wù)的精確引導(dǎo)，實現(xiàn)對傳統(tǒng)教學(xué)模式的時空限制和思維差異問題的有效突破，而且在立體建模的深人分析和多維互動的智能反饋方面，同樣展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢。未來，隨著AR技術(shù)的不斷進步，其在地理教學(xué)中的應(yīng)用將更加緊密，能夠為培養(yǎng)具備高階地理空間認(rèn)知能力的創(chuàng)新型人才奠定堅實基礎(chǔ)，并引領(lǐng)高中地理教育步入智能化、個性化的新時代。

作者單位：向吉成甘肅省高臺縣第一中學(xué)

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