元宇宙赋能地理教学的学习模式探析

李艺璇

（中国计量大学 人文与外语学院, 浙江 杭州 310018）

一、提出问题

2023年8月，工信部等五个部门联合印发的《工业元宇宙创新发展三年行动计划（2022－2025）》提出，推进构建虚拟教室、虚拟实验室等教育教学环境，鼓励通过平台共享虚拟仿真实验实训资源，扩大优质教学资源覆盖。[1]《普通高中地理课程标准（2017年版）》指出，虚拟现实技术可以提供近似真实的环境，为不能外出的学生提供地理实践的替代性体验。[2]元宇宙技术可以改变传统的地理教育模式，形成虚实交互、人机互动的崭新地理教育场景，从而实现传统地理教育模式的转型升级。

目前，关于元宇宙赋能地理教学的研究成果还不多，徐旭和陈实基于哲学解释学视角，从解释学循环的“前理解”“视域融合”和“应用”三个要素出发，试图解释元宇宙时代的地理教学，并提出了元宇宙时代地理学习需要面对的挑战。[3]许汇暄阐述了元宇宙虚拟地图的著作权归属的争议，并提出了对元宇宙虚拟地图著作权保护的建议。[4]陈茜月提出元宇宙核心技术将赋能地理信息档案管理工作，为档案数据的安全性、可用性、智能性带来更优的技术体验。[5]总体来看，当前暂无元宇宙赋能地理教学的场景式学习模式的相关研究，研究视角和内容有待开拓。

本文结合元宇宙技术，针对地理教学展示单一、缺乏互动性和趣味性等问题，对虚实结合的元宇宙场景式学习的应用进行探析，以帮助一线教师适应地理教学的数字化转型和高质量发展。

二、理论基础

1.元宇宙概念简介

元宇宙（Metaverse）出自美国著名科幻作家丹尼·史蒂芬在 1992 年创作发表的科幻小说《雪崩》。最初译本中“Metaverse”是“超元域”的意思，在之后因习惯译法，被翻译成“元宇宙”。[6]该书中对虚拟世界和未来科技社会的构想给人们提供了巨大的想象空间。有相关学者提出了元宇宙的概念，如张夏恒和李想认为元宇宙是指依托互联网、信息技术、虚拟仿真技术、数字技术等构成的一种沉浸式体验的互联网要素融合形态。[7]简单来说，元宇宙就是指现实中的人利用网络技术，在虚拟世界中得到数字孪生，从而构建出超越时间和空间的虚拟世界，现实中的人可以在虚拟世界和现实世界中任意切换，打破现实世界中的一些壁垒，模糊虚拟与现实的边界，最终达到虚实共生的虚拟现实世界。

2.场景式学习的概念

场景式学习是在现实空间和虚拟场景相互融合的环境中，通过让学生沉浸式模拟不同角色，在不同情境中多视角感受不同场景，提高地理实践能力的一种情境教学法。陈耀华等认为场景式学习是基于“现场”或“景况”进行的学习。其“现场”或“景况”既可以是学习者所在的真实现场或学习者亲眼所见、亲身经历的真实景况，也可以是将真实的现场或景况通过技术摄取、通过网络传输至学习者的屏幕或银幕，或利用虚拟现实和增强现实技术创设的虚拟、仿真的“现场”或“景况”。[8]他所认为的场景式学习模式是一种新的学习方式，是场景化学习的强化和升级版。

3.场景式学习的可行性

我国在“十二五”期间，就已投入教育资源公共服务平台和教育管理公共服务平台的建设，并做好了“宽带网络校校通、优质资源班班通、网络学习空间人人通”。“三通两平台”的持续建设使得我国广大师生能够通过网络直播或录播回看等多种在线形式开展学习，为场景式学习提供了必需的硬件支持。而现代地理教学已经积累了丰富的多媒体资源，包括视频、音频、动画等，可以用于创设各种地理情境。这些资源可以通过在线平台的分享和应用，为学习者提供丰富的场景式学习材料。元宇宙技术的发展，使得场景式学习在地理教学中得以实施，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、在线协作平台等技术可以为学习者提供真实的学习场景和互动体验。

4.地理教学场景式学习的作用和意义

场景式学习通过多感官的参与，如视觉、听觉、触觉等，促进学生全方位的感知和认知。这种多感官体验有助于加深学生对地理概念的理解，提高综合认知水平，让学习者在实际情境中学习和运用地理。通过VR和AR等技术，实现地理场景的高度还原，让学生仿佛置身于真实地理环境中，突破了传统教育的地理限制，为学生提供更广阔的学习空间，有助于提升学习的真实感和体验感。元宇宙技术可以创造各种虚拟场景，包括地理应用场景，如城市规划、环境保护等。通过这些应用场景，学生可以更直观地理解地理知识在实际生活中的应用，培养实际问题解决能力和地理思维。场景式学习也支持实时互动和社交互动，学生可以在虚拟空间中进行合作学习，与他人共同探索地理场景，培养合作精神和团队意识。

总之，地理教学场景式学习通过应用虚拟现实模型形象进行立体展示，给学生以身临其境之感，使复杂的知识点简单化，寓教于乐。

三、地理教学场景式学习课程设计模式探讨

1.场景式学习教学体系架构

开发元宇宙场景式学习课程，首先要结合学校真实的教室场景，利用智慧教室、互动白板、云终端等构建校内的“学习工场”。同时，还可以5G、6G为支撑，通过远程教育云平台，搭建校内互动课堂、名师讲堂、全景课堂和AR虚拟实验场景的虚拟空间，让学生在家即可感受到学校的真实学习环境，享受沉浸式学习。

元宇宙教育课堂不论是理论性知识还是技能性知识都能在一定程度上做到技术统摄。[9]如5G、6G网络环境，可以实现沉浸式云扩展现实、全息通信、感官互联、智慧交互实践的实时控制，为教学提供网络保障，资源生产。元宇宙教育平台可借助5G、6G网络环境提供给学生基础的自学知识资源。教师可借助元宇宙教育平台，给予学生沉浸式的情境教学资源或个性化教学资源。学校可借助此平台相互交换地理教师教学资源与学生学习资源，从而形成全球地理教学资源一体化。元宇宙依靠人工智能、云计算等获取并处理教育数据，从备课到课后服务阶段无缝衔接处理，确保教师、学校在第一时间可以得到课堂与教学的反馈。教学场景基于数字孪生、人工智能、物联网以及XR等技术，实现了元宇宙与现实世界的虚实融生。教学评价机制可依托区块链技术。在学生学习的过程与结果中，教师可通过区块链技术了解学生的学习情况评价、学习成果评价、能力素养评价与学分认证等，既高效、统一地实现了教师管理，也使学生的学习过程与结果变得可视化。交互界面，由机脑双向信息交互，利用智能摄像头、教学大屏幕、AR—VR—MR一体机和传感器等终端载体，增强学生在元宇宙平台的学习沉浸感，达成从二维到三维的转换，实现多模态、多方面、多角度的参与学习和体验（见图1）。

图1 元宇宙场景式学习教学体系架构

2.典型场景式学习课程教学构想

(1)理论性知识的教学构想

基于元宇宙技术的典型地理场景式学习课程可以结合VR、AR等技术，创造更为沉浸和互动的学习体验。

在课程开始时，教师可以向学习者介绍元宇宙技术的基本概念和应用，解释如何利用元宇宙技术来创造虚拟的学习环境。教师可以通过图像、视频或模型，展示学习者将要进入的虚拟地理学习场景。学习者通过头戴式显示器或其他设备进入虚拟学习场景，并与其他学习者进行互动。教师带领学习者进行虚拟场景导览，介绍场景中的各个元素和互动方式，并引导学习者注意相关的理论知识。例如，按照国家课程标准设计，与现行教材配套的地理互动教学软件，涵盖高中地理教学中涉及的天体运动、地球科学、大气运动、海水运动、地形地貌、植被土壤、自然灾害、地理技术等重难点内容。软件以3D仿真模型及超高清大图为基础，配合显示算法及特效形象展示各类自然地理现象及其形成过程。在虚拟场景中，教师可以利用虚拟物体、动画或文字提示等方式进行讲解。例如，数字星球演示仪可以非常形象、全方位地展示相关教学内容，既可以演示宇宙中各天体和星体，如太阳系八大行星等，也可以演示各种地理知识，如全球气压带、风带、洋流等。数字星球演示仪改变了传统模型教具缺乏趣味性的演示模式，为师生互动教学增添了新意，极大满足了教学所需。

在课程结束时，教师可以引导学习者进行反思和总结。学习者分享他们在虚拟场景中的体验和收获，回顾所学的理论知识，并思考如何将所学应用到实际生活中。

通过以上教学构想，基于元宇宙技术的典型地理场景式学习课程可以提供更加沉浸和更多互动的学习体验，帮助学习者更好地理解和应用地理知识。

(2)技能性知识的教学构想

课程设计应该充分考虑学生的学习需求和兴趣以及元宇宙技术的特点。教师可以将教学内容分为不同的主题，如地图阅读与制图技能、气象观测与解读、气候变化与气象预测、城市规划与地理信息分析、环境保护、地球科学实验与实践等。每个主题都包含一些典型的场景，以便学生在元宇宙中进行模拟实践。

在场景式学习中，教师应注重培养学生实际运用地理技能的能力。以下是一个地理技能性知识的教学构想（见表1）。

表1 地理技能性知识教学构想

通过场景式学习，学生不仅能够学习地理技能性知识，培养在实际地理工作中所需的实用技能，还能培养解决问题的能力和团队协作精神。这样的教学构想，旨在使地理学习更加有趣，激发学生对地理学科的兴趣。

四、元宇宙技术在地理场景式学习课程中的优势

1.复刻地理环境的真实感

元宇宙技术在地理场景式学习课程中具有复刻地理环境真实感的优势。首先，元宇宙技术可以提供更真实的虚拟地理环境，使学生能够身临其境地感受到传统教室的氛围和互动。例如，AR互动沙盘能够解决地理教学展示单一的问题。AR互动沙盘结合了AR、人工智能、等众多科技，可以呈现盆地、湖泊、河流、山丘等地貌，从而让学生了解不同的地势形态及自然变化。结合气候和地形变化，还可以演示水利治理、自然灾害，帮助学生进行园林创作、地形绘制等。通过使用虚拟现实设备，学生可以在模拟的教室中与教师和其他学生进行面对面地互动，激发学生的学习兴趣和积极性。

其次，元宇宙技术可以提供更多样化的学习场景和互动方式。传统的教室教学往往受到时间和空间的限制，而元宇宙技术可以创造实地考察等各种虚拟现实场景，让学生自主进行实践活动，提高学习的趣味性和实用性。此外，元宇宙技术还可以提供个性化的学习体验。虚拟教室的设定可以让学生按照自己的节奏进行学习，教师可以根据学生的实时反馈进行个性化指导和评估，从而更好地满足学生的学习需求，提高学习效果。

2.基于互动功能的连接感

元宇宙技术在地理场景式学习课程中具有基于互动功能的连接感，可以为学生提供更加身临其境的学习体验。通过虚拟现实和增强现实技术，学生可以在模拟的地理环境中与虚拟教室中的师生进行实时互动。这种互动功能可以增强学生与其他师生之间的联系，提高学习效果。在虚拟教室中，学生可以通过语音、文字或图像等方式实时交流，共同完成学习任务和项目。这种合作与交流的互动功能可以帮助学生培养团队合作精神和解决问题的能力，提高学习的质量和效果。

此外，元宇宙技术还可以提供更多元化的学习资源和工具。学生可以利用虚拟教室中的工具和资源，如3D视频教学资源、AR互动沙盘、语音立体地形图等，丰富学习内容，提升学习体验。同时，学生还可以通过与虚拟教室中的教师和其他学生互动，获取更多的学习资源和知识。基于互动功能的连接感能够解决地理教学缺乏互动性和趣味性的问题，促进学生之间的合作与交流，提高学生的学习动力和学习效果，推动地理教育的发展。

3.一站式智能后台解决

元宇宙技术提供统一平台，集成了各种学习资源和工具，如教材、课件、作业等，为师生提供便捷的学习和教学环境。师生可以通过这个平台进行各种学习活动和管理任务，无需在不同的应用程序之间切换，提高了工作效率。其次，元宇宙技术的后台智能化功能可以为学生提供个性化的学习支持。通过数据分析和人工智能技术，系统可以根据学生的学习情况和需求，提供个性化的学习建议和指导。例如，系统可以根据学生的学习表现和反馈，推荐适合其水平和兴趣的学习资源，帮助学生针对性地提高地理水平。元宇宙技术的后台解决方案还能提供实时的教学监控。教师可实时了解学生的学习进度、掌握程度、作业完成情况等学习情况，并采取相应的教学策略进行指导。一站式智能后台的支持能够提高学习和教学的效率与质量，为学生和教师提供更好的学习和教学体验。

五、元宇宙技术在地理场景式学习课程中的挑战

1.外源性挑战

元宇宙赋能地理教育面临着内外部的双重压力。元宇宙教育存在缺乏顶层设计、技术成熟度低、使用门槛过高等现实问题。[10]这些问题将成为元宇宙在地理教学中深入应用的外源性挑战。首先，技术的成本和可用性是一个挑战。元宇宙技术涉及虚拟现实、增强现实、智能后台等多个技术领域。这些技术的成本较高，且在某些地区可能不太容易获取。此外，技术的稳定性和可靠性也是一个问题。元宇宙在应用过程中可能会出现系统崩溃、网络延迟等情况，影响学习体验。其次，内容的开发和更新是另一个挑战。为了实现真实而丰富的地理场景式学习，需要开发大量虚拟场景、教材、课件等内容，投入大量人力和资源，并不断更新和维护，以保持内容的新鲜和时效性。

2.自源性压力

元宇宙技术赋能地理教育领域的自源性压力，是教师和学生的培训和适应挑战。教师需要掌握元宇宙技术的操作和应用，利用它来进行教学和管理。学生也需要适应新的学习环境和方式，学会使用虚拟设备和平台进行学习和交流。这需要投入时间和资源来进行培训和支持。隐私和安全问题也是一个挑战。使用元宇宙技术进行学习和互动，可能涉及学生和教师的个人信息和数据。因此，需要对元宇宙赋能地理教育施行动态化、常态化的治理，规范教育元宇宙的发展路向，防止数据安全、隐私泄露、伦理侵犯、语言暴力等风险的发生。

综上所述，元宇宙技术在地理场景式课程中面临成本和可用性、内容开发和更新、教师和学生培训、隐私和安全等挑战。因此，需要充分地投入和支持，以确保元宇宙技术在教育领域的有效应用。

六、结语

元宇宙将成为未来教育发展的一个新领域。以技术驱动地理教学繁荣，探索元宇宙技术与地理教学深度融合的应用场景建设、教学资源建设、师资建设是地理教育数字化转型的必然要求。本文为地理教育元宇宙场景式学习的科学建设和发展探明方向，助力构筑地理教学新样态。元宇宙场景式学习模式将为地理教学带来跨越性的变革，并推动地理教学的高质量发展。