数字星球教学系统构建初探

　　数字星球教学系统的构建，以建构主义等新的学习理论为指导，综合运用遥感、遥测、地理信息系统、球幕投影技术、多媒体、虚拟现实及网络等技术，将航空航天遥感所积累的有关地球、月球、太阳和其它行星海量的、枯燥的、繁琐的、一般用户很难理解的数据信息，转换成生动、直观、易于理解的三维图像并集成图形、动画和其它视频媒体，整合地理学科课程内容、学科教学理论，形成综合的交互式立体图像显示系统和学习环境平台。其外观表现为计算机软硬件系统，其内涵却是由计算机程序和地理信息数据、图形、图像、视频、动画、学科知识内容组织而成的地理学科教学环境、学习资源、内容媒体。
　　一、构建星球尺度的空间图像——宇宙与地球
　　源于希腊语的“地理”一词，字面上的意思是记下或描写地球。随着科学技术的发展，人类能在愈来愈大的范围和深度认识、思考地球及其它星球。运用球幕投影技术可以将学习者带入一个虚拟真实的地球以及其它星球——太阳、月球、火星等，真切地体验、看到超越时间与空间的现象与过程，去认识、了解我们的生存空间与环境，开启认识与思维之窗。
　　二、全球尺度的空间分布设计
　　地理是一门关于空间的科学。掌握地理事象的地理分布和空间结构是学习地理最基本的要求，也是学好地理最重要的基础。这部分的设计采用要素式组织模式，自然地理要素按照地形、气候、水文、土壤、生物等要素编排，人文地理按照人口、文化、经济、农业、工业、聚落、种族、交通、通信等要素编排，反映地理的学科体系和地理教材的核心内容，如世界地形、世界政区、世界的人口、世界的降水、世界气温、世界的气候、世界的自然带、世界的语言、世界的宗教、世界时区、宇宙星空、火星的气温分布、月貌等（图1）。
　　三、全球尺度的空间运动设计
　　地理学科涉及的内容，无论自然环境，还是人类社会，都在不断运动、不断变化。在学习地理知识、分析地理现象和讨论地理问题时，都要考虑动态变化，用发展变化的观点看问题。运用球幕投影技术模拟展示地理事物在全球尺度的空间运动过程，更能体现出球幕投影技术的全球性和动态性优势，这方面的设计主要集中在以下内容：地球的运动、大气环流、全球性气压带和风带、季风环流；全球性的海水运动等。
　　四、地理现象的时间动态设计
　　以空间与时间相结合的方式全方位地再现地球上的各种地理过程，显示地理事物在不同时段地理信息的空间分布，实现地理事物变化趋势的教学，帮助学生认识地理事物的发展过程，培养学生科学、客观地分析问题的能力。这方面的设计主要有：板块运动、大陆漂移、地球自转产生昼夜更替、晨昏线的变化、气候变暖、海冰的消融形成过程等。
　　五、全球尺度基础上的细节、局部、区域表达功能
　　地理学在阐述世界上自然、经济和社会现象的空间联系和空间结构，人和自然界的相互关系以及人类和所处区域之间的关系等时，总是以区域的范畴（即世界、全球，而在大部分时间是世界的一部份，包括流域、各种类型的自然单元、国家、城市、乡村）来进行的。因此，第二轮设计实验旨在开发系统在全球尺度基础上的细节、局部、区域表达的功能。
　　六、教学设计——形成结构化资源与课件
　　在三维资源设计的基础上，开展系统的教学设计，从学习内容的设计扩展到对学习过程的设计，以及对教学策略的关注，特别是在实现既能发挥教师主导作用，又能充分体现学生主体地位的“主导-主体相结合”的新型教学结构的支撑方面，通过设计与实践应用中的反复修正与完善，生成一批可修改的结构化课件和应用模板，也使得数字星球从单一的球幕投影与多屏幕投影系统发展成为依据数字地球的理念、新的学习理论和教学理论，融合地理空间信息、多媒体信息、实时交互及多屏显示，以平面和立体模式，将发生于遥远空间、漫长时间及瞬时发生的地理事物、现象、过程及其发展变化变成一种直观生动的方式呈现，使得教学不受时间与空间、宏观与微观的限制，延伸人的各种感官、思维，并为学生创设丰富多彩的探索空间和实现自主建构的各种自主和协作学习活动，激发学习的积极主动性，使他们在愉悦的情境下，以丰富的想象、牢固的记忆和灵活的思维获得学习的成功。图2为数字星球教学系统所呈现的太阳系三维影像及课程内容页面。
　　作为信息时代的教育技术，数字星球教学系统能够实现地理事象的空间分布、空间联系、空间变化、空间综合（地方与区域）的可视化表达，融文本、声音、图像、图形、动画、视频、平面、立体于一体，改变过去书本单一的线性结构，活化教学内容，将知识多角度、多层次、多形式地传递给学生，为学生创设了一个能认知、能体验、能感悟的地理教学情景。系统通过物化技术（数字视像圆球体屏幕、计算机、网络等硬件及其软件等）和智能技术（促进学习的认知策略、学习策略、教学设计等）来支持地理学习/教学；通过将学科特色的信息技术有效地融合于学科的教学过程来营造一种学习者能感知、能体验的富有乐趣和享受感觉的信息化地理教学环境，激发学生内在的学习兴趣与动机。通过学习者的主动参与，培养他们更积极的地理学习态度、有效地帮助他们学会如何进行地理思维与信息时代学习和研究地理问题的方法，实现一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的以“自主、探究、合作”为特征的教与学方式。
　　综上所述，笔者认为，数字星球教学系统以先进的计算机技术为基础，使得前沿科学知识走进地理教学课堂成为可能；使地理学习超越了传统学校教育中依赖单一媒体、单一模式、有限资源的方式，它可以帮助教师将学科教学内容跟真实世界的情境结合起来，并促使学生在地理知识及其应用和他们作为未来公民与工作者的生活之间建立联系，又克服了直接走进地球及宇宙星空和现实生活这种教育空想的现实局限，使知识和产出知识的活动以及应用知识的情境结合起来，使知识回归其与世界的联系，使知识的建构过程、协商过程和参与过程，即真正意义上的学习呈现出探究与认识世界的本质和实践性的特点，使学校情境中的学习与人类探究世界这一更广泛意义上的学习在本质上统一起来，从而彻底摒弃学校地理学习中的去情境化现象，使学校地理学习成为通过探求知识获得解放的活动，而不是让学生走向为书本奴役的道路。
　　数字星球教学系统所内含的对于地理学习的综合性、真实性、情境性、适应性的追求具有积极的意义，并能为在具备条件时在更高层次上实现这些目标奠定基础。