三维虚拟现实VR技术辅助地理教学的应用策略初探

何冰 罗柳青

[关键词]VR技术;三维虚拟;地理情境;项目教学

在教育信息化发展潮流中，虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）在教学中的应用越来越广泛。新课改明确要求学生在掌握地理基本知识的基础上发展创新思维能力，而VR技术通过创设三维虚拟的教学情境，调动学生的感知和认知能力，帮助学生全方位获取地理事物的空间信息，转变学习方式，引导学生充分调动各种感觉器官融入场景，增强对学习内容的整体感知，激发学生的潜在学习动机和学习欲望，提升学习效果。

一、VR技术在地理教学中的适用性探讨

随着新课标的落实，高考地理着重考察学生从学生发现、分析、解决地理问题的思维路径，对地理现象的规律和原理，理解其形成机理和机制。VR技术所构建的三维地理图层，通过360度呈现真实画面，有助于学生了解地理事物发展时间、空间、尺度变化规律，有利于学生通过真实情境分析和解决地理问题。以2020年高考地理综合1卷平顶山题目为例，通过VR技术三维动态展现玄武岩台地依次受“流水侵蚀—切割—起伏加大—面积变小”的真实场景，让学生身临其境体验玄武岩台地的变化过程，有利于学生理解地理事物的发展机理，改变以往传统的地理教学模式，培养学生自主学习和探究的能力。

新课标、新教材形势下，地理教学内容可利用VR技术应用在地理情境教学中可以发挥VR三维动态影像在视听说和图文处理方面的优势，提高学生地理素养，发挥学生主体地位，提高学习效率和课堂教学效果。

二、VR技术在地理教学中的应用案例

本文以高中地理新教材必修一河流地貌中牛轭湖的形成教学为案例，探讨VR技术在高中地理教学中的应用及策略，主要采用合作探究式的学习方法。

1.教学设计

（1）学情分析

在本节课中，根据已了解河流地貌形成的相关知识，对牛轭湖的形成进行重点学习，在时空限制下，学生无法亲身体会、观察牛轭湖的真实情境并实地体验，故选用VR技术，增强学生代入感，激发学生对本课内容的学习兴趣。

（2）教学目标

通过图片欣赏、VR体验，让学生分析河流运动的规律，理解河曲处凹岸与凸岸的形成过程及发展机理;理解牛轭湖的形成源于河道的“自然裁弯”过程，让学生理解河流地貌的形成原因，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

（3）教学形式

本节课采用探究式教学的形式，以VR及多媒体等进行辅助教学，学生通过

佩戴VR眼镜多方位、多角度身临其境地感受实例环境，并思考探究性的问题，以分组形式为单位交流讨论，教师对所学知识进行回顾总结，仍以观看VR视频的形式，最后小组派代表进行回答陈述，教师对回答点评并补充，同时设置随堂练习题留给学生思考。

（4）课前准备

根据河流地貌中牛轭湖的形成相关内容，选取合适的VR资源，并结合资源的画面质量、数量、体验时间等，选取适合本课所需的视频资源。因本节课对于河流地貌、牛轭湖等需进行实例的重点展示，经过筛选、对比，主要选用UtoVR等APP中的VR资源。在正式上课之前，对学生进行简略培训，主要为VR设备的正确使用，比如，VR眼睛的正确佩戴方法、如何调节VR眼镜的清晰度和左右眼镜距离的方法，以免学生能正确使用VR设备，保证正式课堂上的教学效果。

2.教学过程

（1）创设问题情景，凝练景观特征

地理是一门兼具自然科学和人文科学的综合性学科，知识面很广，传统地理课堂利用教师语言或者视频创设情境导入，很难激发学生对地理的学习兴趣。因此，把VR技术使用在课堂导入环节，利用VR设备创设沉浸性教学情境，启发学生提出问题，分小组进行观察分析和探究，激发学生学习兴趣，培养创新意识及科学探究能力。

以高中地理河流地貌为例，学生难以亲身体验真实的河流地貌及其变化，使用VR设备可通过三维影像让学生全景俯瞰黄河源36条弯曲河流形成的牛轭湖地理景观，让学生身临其境对河流地貌展开探究，学生理解牛轭湖形状如牛轭，或说像弯月形一样的地理景观特点，还让学生加深了对牛轭湖周边地理环境的认识，找出牛轭湖形成与河曲之间的关系，激发学生学习探究的好奇心。

（2）体验地理过程，推导学理结构

新课标要求学生能从学习和生活中发现地理问题，提高问题解决能力。VR技术所具有的沉浸性和交互性能够解决课堂教学中无法开展的假设与验证，将VR技术应用于课堂的探究环节，让学生把科学猜想进行验证，通过虚拟技术“动手”做实验，验证假设，有助于提高学生地理实践力，提高解决问题的能力。

结合VR动态演示，引导学生对牛轭湖的出口段的淤积与进口段淤积速度作比较，发现河曲发育可以分为两个阶段，从而本课对牛轭湖的“前世今生”展开探究（图1）。

牛轭湖的形成与河道被“裁弯”后，进口段与出口段的淤积速度有关，而淤积过程实质就是流水的搬运过程。为了让学生理解裁弯后的牛轭湖进口的淤积过程，学生可利用VR设备模拟“流水侵蚀与堆积作用”实验（图2），开展地理项目“水”和“沙”变化的探究，由此分析牛轭湖形成初期的河段淤积原因。

（3）巩固学习成果，重现知识要点

我们可以将VR技术应用于课堂的巩固环节，通过沉浸式虚拟现实重现知识，利用VR情境互动完成练习，复习回顾知识，有助于帮助学生加深理解，巩固知识的探究过程和解决思路，并布置隨堂练习使学生在课堂及时巩固知识点。

以河流地貌为例，通过VR交互设备开展课堂巩固项目，让学生通过VR情境互动练习，重现牛轭湖的形成过程。通过三维沉浸式交互项目，让学生加深理解牛轭湖在河流演变过程中，其前身是古河道的一部分，随着弯曲河段流速的改变，河流侧蚀，形成牛轭湖现在横向迁移的形态。通过VR情境互动演示，让学生理解牛轭湖的形成源于河道的“自然裁弯”过程。

随堂练习：

①选择括号中牛轭湖形成的主要原因？（流水侵蚀作用、流水堆积作用、地壳抬升、地壳下沉）

②牛轭湖的形成与括号中的地理事件形成最为相似？（V型河谷、U型河谷、冲积扇、沙丘）

3.课堂小结

从时间安排上，本节课使用了三次VR设备，贯穿导入、学理、巩固环节共耗时约10分23秒。

从教学效果来看，高中一年级学生自我意识不断发展，对新奇事物非常好奇，乐于探索新科技和新的教学手段。同时，该年龄段学生也具有了一定的自控能力，因此本堂课并未出现学生因好奇心影响课堂节奏等问题，总体上，学生对于这种VR的使用兴趣浓厚，激发了一定的学习兴趣，并能直观加深学生对于知识的理解。虽本节课内容有一定的难度，但是在VR的辅助下，学生也在清晰、简练的动画演示、图片知识呈现中普遍做到保持学习兴趣，努力理解知识。在小组讨论的过程中，学生们能根据VR技术中所展示的相关知识进行讨论，在总结时，虽然同学们所讲的问题和答案不一定十分全面，但是仍然值得赞同和鼓励。

4.案例实施评价

本次地理课堂使用VR辅助技术教学得到我校本年级师生的认可，课程后对我校高中一年级100名学生和5名地理教师进行问卷调查，被调查对象对使用VR表示完全赞同的占样本总体的58%，比较赞同的占样本总体的34%，抽样调查结果显示，大部分师生对于地理课堂教学使用VR辅助技术持欢迎的态度，认为VR技术对于教师的教法和学生的学习都有很大的帮助，且易于掌握。

因本次教学只在一个班级以试点形式开展，通过调查发现，其他非试点班的同学也非常希望在课堂上使用VR技术。从学习成绩来看，通过对比1个试点班与1个非试点班级关于牛轭湖这一部分内容的试卷相关测试题正确率，试点班平均得分明显高于非试点班，证明VR使用对于学习效果具有一定的影响。

课程实施流程见下图3.VR辅助高中地理课程实施流程

三、VR技术辅助地理教学应用策略

通过对以上教学案例分析并观察、反思、总结后，我认为也并非所有的地理知识都适合使用VR，对于有一定难度、具有动态演示的地理变化过程如本案例中的牛轭湖的形成，以及空间性的虚拟创建类知识适合使用VR设备教学。在使用VR进行辅助教学的过程中也应注意：

1.科学、合理选取VR视频资源

VR技术资源暂时未有成体系的资源库，教师在应用VR技术时，相关资源素材需要自行去搜索，在此过程中，教师应仔细对素材内容进行甄别，尤其不可出现政治性、知识性等错误，保证内容科学。

2.合理安排课堂VR技术的使用

教师应充分考虑VR技术在课堂上的穿插、时间分配，内容上应尽量贴合课本知识，同时，针对学生的学习情况与知识基础，谨记VR技术的辅助功能，对知识的传授也切不可过多、过繁，避免学生因使用VR技术产生负面的知识负荷过重等情况。

3.探究为主，VR技术为辅

根据以上教学案例分析、评价总结等，利用VR技术在提升学生学习兴趣、学习效果等方面有效，学习方式上，尽量选择合作探究式学习，着重培养学生发现问题、解决问题的逻辑思维能力，提升创新与实践能力。VR技术使得学生能够凭借多种感官独立全面发现、探求知识，因此VR使用也较为适合探究式学习方式，从而发挥辅助作用。而教师在设计教案过程中，也应将探究式合作学习目标、内容能贯穿、融合进去，以本课为例，教师在进行VR辅助教学时，先让学生观看有关“牛轭”以及“牛轭湖”的视频，让学生思考牛轭湖名称的来源，合作探究牛轭湖形成的原因等，这样由表面到深层次的探索过程，十分利于学生激发好奇心，产生探究心，提高合作解决问题的能力。

四、结论与启示

利用VR设备应用于地理情境教学使学生更容易掌握和理解抽象知识，对复杂的地理事物发展机制的理解更加生动易懂，通过三维视听呈现真实场景，提高学生学习地理的兴趣，解决了传统地理课堂中空间感、体验感差等问题，启发学生思维，培养学生的地理核心素养。

另外，VR技术应用于课堂教学，还能有利于学生突破单一学科知识的限制，面对问题情境，运用跨学科知识，解决问题。以本文的牛轭湖形成过程的项目探究为例，通过VR交互情境，跨学科融合展开项目探究，运用物理和地理学科知识的联系和相互渗透，分析河流运动过程中的物质迁移与能量转化及物理学“惯性”原理，从而让学生理解河曲处凹岸与凸岸的形成过程及发展机理。

但由于目前头戴式VR虚拟技术还在发展当中，VR技术所创设的虚拟教学情境的沉浸性还不够，适用于高中地理的VR技术教学资源开发力度不足，影响学生的体验效果和参与热情。随着科技的发展，如果能研究开发出更多配套教材的VR资源，教学效果将会更有成效，但这是一线教师个体力量无法做到的，需要社会科技进步，让VR技术更加高端和成熟，VR技术在情境教学中才能得到更广泛应用。

参考文献

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