AR技术应用于中学地理教学研究

季节 周侗 李玉洁

摘  要 2016年虚拟技术元年迄今，地理课堂和教学模式的虚拟化是地理教育改革创新和提升教学质量的有效途径。以“AR中学地球仪”手机APP为载体，在宏观层面基于教学维度、内容结构和演示状态剖析AR教学的特点，并以湘教版地理教材选修一“洋流”一节为教学实例，通过构造对比评价框架，从微观视角展示AR技术应用于真实教学情境的优势，演绎教学设计中核心素养的具体渗透过程。

关键词 增强现实技术;中学地理;“AR中学地球仪”APP;核心素养

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）18-0032-06

Research on AR Technology Applied in Middle School Geogra-phy Teaching//JI Jie， ZHOU Tong， LI Yujie

Abstract In the first year of virtual technology in 2016， the virtuali-zation of geography classrooms and teaching models is an effective way to reform and innovate geography education and improve the quality of teaching. Taking the mobile phone APP of “AR Middle School Globe” as the carrier， the characteristics of AR teaching are analyzed based on the teaching dimensions， content structure and presentation status at the macro level， and the Hunan Education Edi-tion textbook elective course “Ocean Current” is used as a teaching example. The evaluation framework demonstrates the advantages of

AR technology applied to real teaching situations from a micro per-

spective， and deduces the specific penetration process of core literacy

in instructional design.

Key words augmented reality education reform; middle school geo-graphy; “AR middle school globe” APP; core literacy

0  引言

2017年，新版高中地理课程标准出版，其教学提示部分指出：“教师要充分利用地理视频、虚拟技术、地理信息技术等资源支持教学”[1]。2018年，教育部等五部门相继印发《教师教育振兴行动计划（2018—2022年）》，明确提出要充分利用云计算、大数据、虚拟现实、人工智能等新技术，推进教师教育信息化教学服务平台建设和应用，推动以自主、合作、探究为主要特征的教学方式变革。

AR（Augmented Reality）技术即增强现实技术，是在虚拟现实基础上发展起来的新技术，也被称为混合现实技术[2]。区别于完全沉浸式的VR（Virtual Reality）系统[3]，

AR系统可以任由操纵者进行虚拟与现实的切换。地理是一门以空间思维为导向的学科，通过AR设备，地理教材中众多抽象的空间概念能够以更为真实的方式呈现。David Fonseca等人通过教学实验发现，在涉及空间概念的领域，AR技术能够帮助学生更形象地观察空间结构，从而有效地提升教师教学质量[4]。联系到中学地理教学，教师可以依据不同的学情与教学内容进行教学设计，寓虚拟于现实，实现地理教学的具体化、形象化。

从虚拟技术元年至今，我国众多商业公司相继开发了教育与虚拟技术相结合的科教产品，虚拟技术与地理教學的结合应用也陆续出现。关于AR技术在中学地理教学中的实际应用，目前学者的研究对象主要分为三类：第一类是以“秒懂初中地理”手机应用为例的付费式APP[5]，该类APP将较多功能进行了付费封锁，且对教材内容的覆盖度不高，无法满足教师的教学需求;第二类是以“AR沙盘”为例的大型AR设备[6]，昂贵的价格导致其无法实现中学地理教学的普及;第三类是以Unity-3D为引擎的自主开发类APP[7]，教师应用此类APP进行教学的自主性与可支配性提升，然而技术要求过高，开发周期过长，严重影响教学进度与效率。笔者通过对不同AR应用的优劣势进行评估后，最终选择以“AR中学地球仪”APP为例，探寻虚拟技术与中学地理教学深度融合的可能性。

1  “AR中学地球仪”APP概述

“AR中学地球仪”APP是由王树声先生创办的地理教学研究室与北斗图书合作开发的，不可单独使用，需要用户购买对应的AR地球仪，通过APP扫描地球仪的二维码激活后使用。APP完全对接中学地理课标要求，将教材内容通过移动终端屏幕立体化呈现，使原本二维且枯燥的知识变得立体而透彻，促进学生在脑海中生成形象的思维架构，将需要掌握的知识转变为思维架构过程中的附属品。APP依据初高中教材设置了“地球地图”“自然地理”“世界地理”和“中国地理”四大模块，并按照具体内容划分了若干子模块，如表1所示。

2  “AR中学地球仪”APP应用于中学教学的优势

2.1  教学三维化，促进核心素养的渗透

传统地理课堂往往遵循三板模式，教学活动全程二维。而地理是一门以空间概念为导向的学科，二维界面的视觉局限性使得学生在知识获取过程中难以实现空间思维的构建，从而无法全面地掌握知识。“AR中学地球仪”APP通过虚拟与现实的交叉，提供立体的教学资源以助力教师将教学内容升维。三维化的教学内容使得学生与教师课堂交互的落脚点不再处于平面，而是转移到实体地球仪，从而实现课堂模式的升维。通过教学内容与课堂模式的三维化，可以培养学生的空间思维能力以及全面获取知识的能力，也更利于教师在教学中实现核心素养的渗透。

以“自然地理”模块“江淮准静止锋”和“昆明准静止锋”的对比为例，APP将准静止锋的形成过程可视化，便于学生通过三维视角观察准静止锋平面图及剖面图（图1）。教师即可引导学生按照区域差异进行同类异构，并结合地形与气候因素进行分析，促进学生综合思维的形成。

以“自然地理”所有子模块为研究对象，以教学内容与课堂模式的三维化为依据，总结归纳不同子模块对应的教学过程可涵盖的不同核心素养，结果如表2所示。

2.2  模块主题化，构建整体性教学

知识点零散化抑制了学习过程的相互关联，阻碍了知识的迁移。考虑到知识结构主题化的优势，APP依据教材内容将相关子模块以主题形式重组后进行分类编排。教师在使用APP进行教学活动时，可依据APP的逻辑思路指导，有意识地按照知识的整体性框架进行教学设计与授课，从而提升课前备课效率与课堂节奏掌控能力。学生上课时通过观察APP展示的子模块内容，能够提前形成思维架构，从而有效地创建完整的知识体系;课后复习时同样能依照APP设定进行主题式复习，有助于对知识框架的整体掌握。

以图2所示APP目录页为例，直接登录APP时，首页目录栏显示的所有知识点子模块并列排布。但用户点击进入“大气环流”主题的任意子模块可发现，APP将“热力环流”“三圈环流”和“气压带风带的形成及季节性移动”这三个子模块设置为一个主题。

图3所示左侧为知识主题导航栏，右侧为该选中知识点的延伸与拓展。在教学过程中，教师能够有意识地将“热力环流”“三圈环流”和“气压带风带”进行关联，加强“大气环流”知识的相互迁移，提升教学整体性;学生能够有效地厘清知识的前后关系并形成逻辑，并且结合右侧子模块拓展内容构建一个完整的“大气环流”知识框架，从而获得更深层次的理解。

笔者通过对APP内容的深度细化，总结归纳出不同子模块的关联主题。图4所示为所有子模块的主题分类。

2.3  资源动态化，优化教学质量

中学地理教师在进行授课时通常使用PPT作为教学辅助工具，多数教师会从网络搜取现成的PPT和教学视频等，有限的来源渠道导致教学资源的可靠性与科学性降低，课堂授课效果也因此受到影响。“AR中学地球仪”APP内置的教学资源有效地解决了这一问题，笔者通过对该APP的深入体验后发现，虽然各模块内AR子模块数量占比较低，但APP所有子模块内容都支持动态演示功能。动态资源可自动循环播放并配有文字与音频讲解，同时支持3D视角变换，相比教师日常收集的传统辅助资源优势明显。

以“自然地理”模块中的“流水作用”子模块为例，APP设置了冲积扇的形成演示，如图5所示。教师在进行授课时可通过展示APP资源，依照动态演示进行动态讲解，基于动态演示加深学生对冲积扇形成过程的感性认识，培养学生对流水地貌的总体理性认识，提升教学效率，优化教学质量。

3  “AR中学地球仪”APP在中学教学中的应用实例

由表2可知，“洋流的三种影响”子模块对应的AR三维化教学覆盖了区域认知、综合思维、人地协调观和地理实践力，可见该教学内容的核心素养渗透度较高，对比价值较大。在新教材必修环节难度下调的背景下，为了更直观地体现AR教学的优势，笔者以高中地理湘教版（2019）选择性必修1第四章第二节“洋流”的教学为例，将传统模式与AR模式进行对比，具体教学模式对比如表3所示。通过对表3“‘洋流教学实例”的解读，依据AR模式较传统模式的优势及地理核心素养的课堂体现，笔者将两者的差异化对比归纳为图6所示对比评价框架。

3.1  AR教学优势的具体体现

将表3与图6进行结合分析，可发现APP通过AR技术加工，将原本二维的平面图转为三维立体图，如教学环节1的立体风带图，教学环节2、3的立体洋流图，教学环节4的西欧局部立体环流图等，從而实现三维视角的课堂融入，促进核心素养的体现与教学。

通过对“气压带风带模式”“全球洋流分布”“洋流影响渔场分布”“洋流影响沿岸气候”和“污染物质扩散”五个子模块组合，实现“洋流”主题化，促进学生整体思维架构的建构，利于教师的整体性教学。

APP对静态资源进行动态化，如教学环节1的动态风带图，教学环节2、3动态洋流图，教学环节4的动态环流图和教学环节5的污染物扩散图等，丰富了课堂教学内容，优化了教学质量。

3.2  核心素养渗透的具体体现

表3所示教学环节3、4中传统模式下教师通过列举图片案例，进行描述法讲解与格式化授课，教学方式与知识结构单一，难以形成知识的区域组合与差异化对比。AR模式下，教师可自行展示不同海域洋流，指导学生对不同区域进行对比分析，自主探究可能形成渔场的海域。由于秘鲁渔场形成的特殊性，教师将秘鲁渔场与三大渔场进行对比，要求学生思考上述分析方法的局限，加深对四大渔场的差异化认知。基于异域异构的渔场形成过程以及不同区域相同分析法的局限性，培养学生多角度思考问题的能力和对研究方法的批判性认识，以小见大，从而促进学生综合思维的提升。此外，教师在引导学生自主发掘澳大利亚气候分布差异的基础上，提出洋流对气候的影响，同时结合西欧气候与洋流动画加深学生理解，并以此动画案例进行人文地理拓展，提高学生的知识迁移能力和不同区域的综合分析能力。

教学环节5中传统模式下教师展示图片或视频案例，在内容讲解的基础上初步实现对情感态度与价值观的浅层次提炼。AR模式下，教师引导学生通过观察福岛核泄漏3、6、30天的污染范围动画，使他们首先产生对知识的感性认识;在此基础上，教师将案例与彼时国内“食用盐疯抢事件”进行结合探究，培养学生的科学价值观与环保意识，促进人地协调观的形成。

如图6所示，上述五个环节的传统模式导致教师处于高度主导地位，学生被动学习，课堂参与度与体验感较差，从而影响课堂氛围，阻碍师生间的良性互动。教育教学中的任何技术作用究其根本都只有一个目的，即促进学生全面发展[8]，使学生主体地位得到延伸与拓展。通过APP引导，教师可将实体地球仪与AR内容结合，进行现实与虚拟的互动教学，深化学生主体地位，活跃课堂气氛，提升学生兴趣，并通过模拟实验与自主探究的教学方法，强化学生的地理实践力。

4  结语

“AR中学地球仪”APP具有直观、立体和动态的优势，可以应用于不同主题的中学地理教学实践。本文分析了“AR中学地球仪”APP在中学地理教学中的应用模式，并以具体的教学案例探讨了核心素养渗透方面的应用前景。以“AR中学地球仪”APP教学为典例的创新模式，不仅能够满足课程内容要求，且实现了核心素养的全课堂覆盖，同时能够帮助教师在紧跟科技的脚步中抓住课程发展的重要根基，激发学生的地理学习兴趣，增强学生课堂学习和课外自主学习的效果。■

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]全希.增强现实技术（AR）在地理教学中的应用探究：以中图版“多民族的国家”为例[J].地理教育，2016（12）：

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[3]张述林.基于VR技术的地理教学[J].地理教学，2018（7）：

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[4]Fonseca D， Villagrasa S， Martí M， et al. Visuali-zation Methods in Architecture Education Using 3D Virtual Models and Augmented Reality in Mobile and Social Networks[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2013（93）：1337-1343.

[5]李旭.刍议AR技术在中学地理教学中的应用[J].地理教育，2019（2）：7-9.

[6]杨文喜.基于AR沙盘的高中地理等高线教学研究[D].福州：福建师范大学，2018.

[7]李梦真.面向初中地理教育的移动端增強现实应用研究[D].江苏：江南大学，2018.

[8]王慧霞.论数字化时代教育技术泛化的教与学[J].天津师范大学学报（基础教育版），2016，17（1）：12-15.