桌面VR系统在高中地理情境教学中的运用

李晓亚　史丹婷　席佳妮

[摘 要]桌面VR系统可真实、立体地呈现复杂的地理事象，将其运用于高中地理课堂教学，有助于培养学生的地理学科核心素养，进而落实地理新课程改革的相关目标与要求。文章探究桌面VR系统在高中地理情境教学中的实际运用。

[关键词]桌面VR系统;高中地理;情境教学

[中图分类号]    G633.55            [文献标识码]    A          [文章編号]    1674-6058（2022）13-0079-03

随着新课程改革的深入推进，传统的地理课堂教学模式、教学手段已不足以落实培养学生地理学科核心素养的目标。地理学科是一门比较复杂的学科，其时空性特点尤为突出，许多地理事象是学生不能直接观测到的或者不能在脑海中构建出来的。立体直观的动态演示、三维模拟图等在地理情境教学中的运用能够将繁杂的地理事象简单化、具象化、立体化，因此，桌面VR（虚拟现实）系统或将成为辅助地理课堂教学的重要手段。

一、桌面VR系统简介

（一）概述

桌面VR系统主要由高清VR显示器与应用服务主机系统高度集成，设备内置高精度红外捕捉摄像头，配合独有的定位和捕捉系统，为体验者头部佩戴的立体追踪眼镜提供稳定的捕捉和精准的定位，通过3D眼镜以及触控笔实现逼真的VR投放效果。桌面VR一体机设备通过增强现实摄像头与大屏幕结合，把体验者与虚拟世界的动态交互实时地呈现出来，在大屏幕上实现裸眼3D的效果。

（二）特点

1.3D显示

桌面VR系统可将课本当中的知识以直观生动的三维图像方式呈现在学生眼前，其逼真且炫酷的效果更容易吸引学生的注意力，调动学生的学习积极性。

2.六自由度交互

六自由度触控追踪感应笔能够在空间中直接与虚拟物体进行交互，使得立体图像始终与体验者真实的视觉角度保持一致，以最直观拟真化的操作方式，让学生与知识情境近距离亲密接触，在体验知识的过程中主动学习。

3.开放式教学

桌面VR系统是开放式的，在教学过程中教师和学生可看到同样的虚拟场景，并就教学内容进行沟通交流，实现无障碍教学。

（三）应用现状

VR技术与教育教学的融合效果初露锋芒，教育领域出现了不少应用虚拟现实技术的产品，但在高校课堂教学中应用较多，在中学教学中的应用及相关研究较少。桌面VR系统的开发尚不成熟，教学覆盖面较小，适用范围有限，将其应用于课堂教学时存在缺乏教学理念与教学模式、教师和学生对桌面VR系统操作不够熟练、学校软硬件设施配备不齐全等问题。本文初步探讨桌面VR系统在高中地理情境教学中的应用与实践。

二、桌面VR系统运用于高中地理情境教学的实践案例

本文以人教版高中地理必修第一册第一章第四节“地球的圈层结构”和第三章第一节“水循环”为例，探究桌面VR系统在高中地理情境教学中的运用。

（一）利用桌面VR系统演示水循环的过程

知识内容分析：水循环过程的实质是水的三种形态相互转化的过程，但从地理角度来看，其涉及多个圈层的物质交换和能量转移。从空间上来看，水循环的范围大至全球，小至局部地区;从时间上来看，水循环既可以是长时期的状态，也可以是短时段的状况。其时空性特点十分突出。课标要求学生掌握水循环的环节，绘制出水循环过程示意图，并分析人类活动会影响哪些环节。如何让学生跳出时空局限，掌握水循环的过程，是课堂教学中的难点。

学情分析：学生在初中阶段学习了“水资源”的初步知识，在高中地理必修第一册第一章也学习了水圈的相关知识，这为本课内容的学习打下了一定的基础。但学生难以自主地将地理规律原理与个人经验相结合，对概念、理论的归纳能力较弱。

难点突破：教师运用桌面VR设备，让学生与虚拟的水循环过程动态交互，并在大屏幕上呈现水循环的裸眼3D效果（见图1），让学生深入理解水循环的过程;运用桌面VR互动设备，让学生亲身体验与虚拟世界动态交互的过程，通过增强现实摄像头与大屏幕结合，实现裸眼3D的效果，立体展示水循环的过程，加深学生的视觉感受，激发学生的学习兴趣和参与课堂的积极性（见图2）。

（二）利用桌面VR系统展示地球的内部圈层结构

知识内容分析：地球的内部圈层结构内容出自高中地理必修第一册第一章第四节“地球的圈层结构”，该节主要包含地球的内部圈层结构和地球的外部圈层结构两部分内容。其教学目的在于让学生从宏观上了解地球的结构，进而了解自然环境的组成。其中地球的内部圈层结构是学生不能直接观测到的，科学家主要通过对地震波的研究来了解地球内部结构。地球的内部圈层结构主要包含三大圈层，学生需了解内部圈层的划分依据、组成及各层特点。

学情分析：与学生所熟悉且和生活密切相关的地球外部各圈层相比，地球的内部圈层结构稍显抽象，学生也觉得比较陌生。该知识的学习需要学生具备较强的读图分析能力、空间建构能力和抽象思维能力。若课堂教学手段仅有图片展示、板书、板图、板画和教师引导，会导致学生课堂参与感弱、探究乐趣少，其学习过程最后可能会变成“走形式”的死记硬背。因此，教师在教学过程中要让学生动脑动手，提高学生自主学习的能力，积极调动学生对知识进行理解、分析、判断和运用。

难点突破：在读了地震波传播速度图与地球内部圈层划分图之后，学生基本掌握了地球内部结构的划分依据，然后教师运用桌面VR设备，呈现出地球内部结构立体剖面图（见图3），帮助学生建构地球内部结构模型，使学生对其产生直观且立体的认识。同时，学生可使用六自由度触控追踪感应笔点击每一个圈层或不连续面，旁边就会出现对该内容的简要介绍，并且各圈层和两个不连续面是可以通过六自由度触控追踪感应笔点击后剥离拆分的（见图4）。学生与桌面VR设备的互动使原本抽象且与学生日常生活距离遥远的知识变得更具趣味性。在一层层拆分的过程中，地球的内部结构模型变成了学生的玩具，学生带着强烈的好奇心完成该部分内容的学习。整个教学过程都是基于学生自主学习的，教师仅在学生完成学习后通过相关习题检验学生的自学成果，帮助学生巩固所学知识。

（三）利用桌面VR系统探究内外力作用对地表形态的影响

知识内容分析：课标的相关要求是“结合实例，解释内力和外力对地表形态变化的影响”。内力和外力的表现形式都较为抽象，而且教材上的活动内容、教学案例距离学生的生活实际较远，因此，在教学过程中，教师可以借助动画、图片、模型演示等方式让学生形象直观地认识内外力作用的發生、发展及其对地表形态的塑造过程，选取更加贴近学生生活的案例辅助教学。如何有效地引导学生理解地表形态变化的原因以及内力和外力作用的关系是本节的教学难点。

学情分析：通过对第一册前三章的学习，学生初步了解了地球的圈层结构，掌握了大气圈、水圈、岩石圈的相关知识。学生在初中阶段对地表形态已有初步了解，但对地表形态的成因知之甚少，且高一学生的空间想象能力、抽象思维能力等还处于进一步发展中，对抽象的地理过程性知识理解较为困难。借助桌面VR系统、地理模型演示等，可将抽象的地理过程可视化，帮助学生直观地认识和理解内力作用对地表形态的影响。

难点突破：教师运用桌面VR设备，让学生与虚拟的内力作用过程动态交互，并在大屏幕上呈现裸眼3D效果，让学生亲身体验火山喷发（见图5）、地壳水平运动、地壳垂直运动的过程，理解内力作用对地表形态的塑造;运用桌面VR设备，让学生亲身体验与虚拟世界的动态交互过程，通过增强现实摄像头与显示大屏幕结合，呈现裸眼3D的效果，动态展示外力作用形成地貌的过程，如新月形沙丘（见图6）、河口三角洲、冰斗角峰等的形成过程，增强学生的视觉感受，促进学生领悟地理过程性事象的发生和发展，激发学生的地理学习兴趣和参与课堂的积极性。

三、关于桌面VR系统运用于高中地理情境教学的思考

（一）桌面VR系统能有效提升学生学习兴趣与学习成效

桌面VR系统的三维呈现、直观拟真化操作、无障碍互动等优势颠覆了传统的课堂教学方式，拉近了学生与那些他们认为遥不可及的地理事象的距离。对学生而言，知识变得更加生动、立体，学习变得不再枯燥乏味。对教师而言，教学难点的突破也能轻松实现。学生在基于VR系统的情境教学中学习成效明显提高。

（二）桌面VR系统适用点和适用范围需进一步深入研究

虽然桌面VR系统教学资源丰富，但其中部分人文地理课题仅包括知识框图和知识罗列，3D和2D观看效果差别不大。3D桌面更加适用于自然地理的教学，可直观、立体地呈现一般原理和规律，促进学生深入了解和思考。此外，并非所有学校都有条件配备与学生人数相等的桌面VR设备。若学校硬件设施条件有限，比如VR眼镜数量有限，只能够让少部分学生观看3D效果，则大部分学生的观看效果与在一体机上观看动画的效果无异。基于实际情况，桌面VR系统或许更加适合学生小组合作探究活动，在引导学生自主思考、合作探究和个性化学习方面发挥更大的作用。

（三）基于桌面VR系统的地理情境教学的成功开展依赖于教师良好的教学设计能力

基于桌面VR系统，地理课堂可以采取多种教学模式，如“讲授模式”“自主探究学习模式”“协作学习模式”等。无论采用哪一种教学模式，都应体现设备的核心功能——交互功能。教师应通过学习和实践，不断改进教学策略，优化教学目标、教学内容、教学活动的设计，对学生的学习基础和学习能力进行准确分析，运用合理的教学方法、模式，开展交互活动设计、教学评价设计等。

总之，桌面VR系统在高中地理情境教学中的运用能充分体现其直观、生动、交互性强的特点，并能激发学生的学习兴趣，有效突破教学重难点。但是桌面VR系统对学校的硬件设施有较高的要求，要实现技术和资源普及还有待时日。教师应提早了解和掌握这一新信息技术手段，在教育信息化的发展改革中不断提升自己的能力和素养。

（责任编辑 周侯辰）

[基金项目]本文系甘肃省教育科学“十三五”规划2020年度重点课题“基于提升学科核心素养的高中地理学科基地建设研究——以甘肃省普通高中地理学科基地为例”（课题立项号：GS[2020]GHBZ130）的阶段性研究成果之一。