地理虚拟仿真实验设计与应用探究

陈嘉欣

随着《普通高中地理课程标准（2017年版）》的推行、《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》《中国教育现代化2035》等一系列文件的出台，教学方式的创新、教师信息技术应用能力的提升成为了地理教学中探讨的热点。现代信息技术的快速发展有利于改变传统地理教学模式，突破环境及仪器设备等因素的限制，提高地理教学质量。近年来，虚拟仿真实验成为地理教学中的热门技术。应用于教学的虚拟仿真实验是以虚拟仿真技术为依托，结合课程标准，构建高度仿真的虚拟实验环境和认知对象，使学生在这一过程中学习新知、培养实践力的模拟仿真实验。

一、虚拟仿真实验在地理教学的应用价值

1.降低知识抽象难度，提高教学效果

根据戴尔的“经验之塔”理论，教学活动应从具体经验入手，逐步进入抽象经验，便于学生理解和接受所学知识，降低学习难度。高中地理所学的知识中涉及大量抽象的地理现象和过程，许多地理现象具备空间广阔性大、时间广延性长、不可见等学科特殊性，如大尺度的天气现象等;加之传统的地理课堂实验往往过于局限，无法高度还原地理现象，从而导致教学效果实际上并没有得到显著的提高。而虚拟仿真技术沉浸式的特点，其所创造的学习环境具有物理、环境和行为的真实感，使学生产生身临其境的感觉。如此一来，抽象知识具象化，使学生对难以全面观察的地理现象有具体的认识，也为实验后知识的总结概括创造了条件。

2.创新培育地理学科核心素养的学习方式

随着“地理学科核心素养”的提出，如何创新地理学习方式，培养学生地理核心素养俨然已成为地理教学的热点话题。而深入钻研地理学科核心素养，不难发现，人地协调观、综合思维、区域认知和地理实践力是相互联系的有机整体，都离不开学生空间智能的培养。虚拟仿真实验可营造直观、生动的地理实验环境，培养学生空间思维能力，创新地理教学方式;而虚拟仿真实验的强交互性，使学生可自行对实验过程进行控制，且机器能够对人的操作给与实时反应，因此可以提升学生的学习兴趣，培养学生地理实践力，提高学生创新能力。

3.实现资源共享，促进教学平等

由于虚拟仿真实验造价较高，对于经济落后地区的中学，目前开展虚拟仿真实验教学有较大困难。但是虚拟仿真实验可以通过2D版本进行直观演示型操作，因此借助普通的计算机便可以完成虚拟仿真实验教学，从而实现教学资源的有效共享。

二、虚拟仿真实验的设计流程

目前，我国对虚拟仿真实验的设计还处于探索阶段，通过笔者与设计研发工程师沟通，查阅相关文献，归纳整理出虚拟仿真实验的设计流程。

1.实验选题分析

教师应根据地理实验的特点、学生的认知发展水平和特征、地理课程标准和所要达到的学业质量水平，综合考虑学生对虚拟地理实验的需求，分析虚拟仿真实验教学资源的必要性、适用性、可行性。

2.实验设计过程

（1）细化实验教学步骤。确定制作虚拟仿真实验后，教师应根据课程标准的要求，明确所设计地理实验的实验原理、实验目的，设计可行的实验教学过程，确定虚拟仿真实验呈现的方式。以“锋与天气”为例，教师应该考虑，实验的总体教学流程、实验需展示天气过程的种类（冷锋、暖锋、准静止锋），每个天气过程该如何呈现（过境前、过境时、过境后）、关键的过程节点中，界面是否需要显示知识点和设置问题等。

（2）实验的美工。虚拟仿真实验最终是以图像的形式呈现，即需要将实验所设计的地理现象、地理原理、地理过程等知识具象化。实验脚本应尽可能文本化、细节化、数据化、图像化。教师在整理完实验所需要设计的知识点后，需要搜索地理事物的外观、物理特性和运动等相关数据，分析要呈现的地理事物的几何特征、物理特征和运动特征，通过参考教材、科普杂志、学术期刊等形式，再构建相关模型、背景配色等。以“锋与天气”为例，教师应考虑气团的大小和呈现形式、锋的运动速度、界面的背景等。（该部分涉及到建模，教师可与研发工程师合作完成）

（3）实验的编程。实验的编程部分即实验程序开发，选择实验软件。软件编程并非教师的强项，大部分教师从未涉及该领域，因此实验的编程可以以校企合作、教师协作的形式完成。此外，一些高校拥有完备的硬件设备和技术条件，将高校地理信息科学专业学生与中学学生的实验反馈结合起来，完善实验的制作，因此软件编程也可以通过中学与高校的合作完成。通过以上两种形式，研发工程师利用代码控制美工构建的图片或模型将地理事物及其运动变化的工作机理呈现出来。在制作的过程中，教师和研发工程师沟通，共同制作在实验中呈现的文本化内容、音频内容等，使虚拟实验更加贴近教学需求。同时，学校教师可以学习和掌握实验操作过程，有助于实验教学。

（4）实验的应用、评价与完善。初步开发出虚拟仿真实验后，教师将其在教学过程中应用实证，进行师生反馈评价，并根据反馈内容进行修改完善。

三、虚拟仿真实验的应用

虚拟仿真实验是优化课堂教学的教辅工具，如何将其与地理课堂教学结合，切实地提高地理教学效果，是地理教师值得思考的问题。笔者以高中地理“锋与天气”为例，结合教学内容设计了虚拟仿真实验，并在此基础上开展了实验部分的课堂教学。

1.实验设计背景

2017版新课标对这部分内容的要求是“分析锋、低压（气旋）、高压（反气旋）等天气系统，并运用简易天气图，解释常见天气现象的成因。”这就要求学生掌握冷锋、暖锋以及准静止锋的活动规律及天气特征，并能够解释生活当中天气现象的成因。而“锋与天气”是大尺度范围的天气现象，学生无法从现实生活中直观地观察该天气现象的总体过程;现行教材主要是以图片和文字的形式展开教学，凭借高中一年级学生的认知水平，学生难以根据抽象的文字和图片在脑海里构建该天气过程，所以“锋与天气”无疑也是教学难点。为引导学生重视对本课的学习，笔者建议以课本与虚拟仿真实验相结合的形式展开教学。气团和锋等概念方面的学习以课本教学为主，设计的虚拟仿真实验主要展示“冷锋天气”“暖锋天气”“准静止锋天气”“锢囚锋天气”的运动过程部分。其中前三种天气类型为必须掌握内容，“锢囚锋天气”为拓展内容。笔者将以“暖锋天气”的教学为例，展示实验教学过程。

2.实验教学准备

虚拟仿真实验需要在多媒体教室进行，教师应提前联系预约多媒体教师，并将虚拟仿真实验共享到学生机。

3.实验教学过程

（1）在讲授完气团和锋的相关知识点后，教师打开“锋面天气实验”主界面，该界面以野外自然大气景观为背景，出现“冷锋天气”“暖锋天气”“准静止锋天气”“锢囚锋天气”四个动作按钮。

（2）教师用鼠标左键单击（以下简称“左击”）“暖锋天气”，在原界面的基础上出现暖锋天气的概念及特征，教师简要和学生介绍“暖锋”的相关知识。

（3）教师左击屏幕下方的“Enter”按钮进入模拟暖锋运动的虚拟实验界面，引导学生观察冷暖气团的相对位置和形态特征。

（4）教师左击界面下方“开始”按钮，将出现暖锋运动的全过程。其中，在暖锋运动过程中屏幕会在对应的过程弹出关于暖锋过境前、过境时、过境后天气变化的问题栏，需回答出问题栏的问题，暖锋才会“继续”运动。例如：在冷暖气团相遇时，视频自动暂停，屏幕下方出现以下问题：“暖锋天气过境时，会出现什么天气变化”，需勾选出正确答案，才能继续进行实验。在此过程中，教师引导学生观察暖锋运动过程中锋面的的位置和移动方向、当地的天气变化，和学生一起“跨越”问题栏。

（5）教师建议学生在学生机上重复教师刚刚的演示操作，回顾暖锋运动过程，并归纳完成下表。

由于冷锋和准静止锋的操作方式和暖锋基本一致，故不再赘述。

四、教学设计意图

虚拟仿真实验让大尺度的暖锋形成过程在有限的屏幕上逼真地呈现。通过教师模拟暖锋过境的过程以及学生的重复演示，学生可以在脑海中形成暖锋过境的空间概念，从而掌握暖锋运动过程对当地的天气变化的影响，同时培养地理实践力;实验过程中“问题栏”的设置，不仅使学生在观察的过程中思考，还能让教师了解学生对知识的消化程度;通过学生自行演示后完成表格，可培养学生总结归纳能力。

五、结语

教学方式的创新是教育创新不可缺少的重要内容，是提高教學质量的必要手段。地理虚拟仿真实验教学是信息技术与学科地理教学的融合，是对传统教学方式的创新，有助于提高教学效果，实现资源共享。