具身认知视域下利用3D GIS技术赋能高中地理教学的实践探究

李星玉 周忠发 刘智慧 黄登红

摘 要：在教育数字化转型背景下，借助地理信息技术提升学生的地理空间能力和地理实践力，成为地理学科教学的重要趋势。针对传统地理课堂教学中地理实践力培养落实难，野外观察存在经济成本高、安全隐患、难以观察全貌等问题，3D GIS技术为地理课堂教学提供了具身的教学方法和手段。本文从具身认知理论出发，阐明3D GIS技术赋能“地貌的观察”适切性的基础上，在案例设计中具体说明3D GIS技术开发教学资源的步骤及在地理课堂教学中的应用，为地理实践力的落实以及师生地理信息素养的提升提供参考。

关键词：3D GIS；具身认知；“地貌的观察”；地理实践力

中图分类号：G633.55       文献标识码：A       文章编号：1005-5207（2024）08-0047-05

《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，要创新培育地理学科核心素养的学习方式，充分利用地理信息技术营造直观、实时、生动的地理教学环境。地理实践力是地理教学需要培育的地理学科核心素养之一。但传统的地理教学存在地理实践力培养落实难，野外地貌观察经济成本高、安全隐患大、难以观察全貌等问题。3D GIS技术的发展和以倾斜测量为代表的三维数据生产方式的创新［1］，为地理教学提供了新的变革思路。具身认知理论认为学习是全身心参与的过程［2］。人与技术具身关系的普遍存在，推动了教育领域的具身转向［3］。教学也从原来的认知参与逐渐变为具身参与［4］。具身的学习环境对于主体的在场来说具有基础性的意义，用具身技术营造的学习环境，为学习者的在场体验提供了潜在可能［5］，同时也为教育回归生活世界提供了一种实践路径［6］。基于此，本文尝试从具身认知理论出发，将基于无人机倾斜摄影技术采集的虚拟场景资源，结合3D GIS技术应用于“地貌的观察”教学中。

一、3D GIS技术赋能“地貌的观察”的适切性

“地貌的观察”是人教版必修一第四章的第二节，课标要求是“通过野外观察或运用视频、图像，识别3～4种地貌，描述其景观的主要特点。”本条课标凸显了地理实践力的培养，要求教师通过直观的形式帮助学生对当地地貌进行观察。行为动词为“描述”与“识别”，以对地貌景观的特征形态和物质组成描述为主［7］。

地理信息技术的可视化，为学生地理核心素养的培育提供了新方法［8］。利用3D GIS技术空间信息展示更为直观，具备真实地反映地物实际情况和将抽象的地形地貌知识生动地在教学情境中直观呈现的优势［9］，为学生的在场体验提供了可能。对地貌进行深度观察的前提是将其置于区域背景之中，从宏观的角度全面认知地貌［10］。3D GIS技术在“地貌的观察”这节课的运用不仅可以通过数字地球将地貌的观察立足于区域背景之下，还可以通过构建本土的三维地貌模型还原学生生活中的地貌场景，结合VR、MR等技术为学生创设具身的虚拟地理实践环境，使学生可以在室内观察真实还原的虚拟地貌景观，对地貌进行观测等实践活动。生动逼真的地貌情境为个体的具身体验创造了条件，有助于提升学生对地貌观察的临场感，同时学生可以从宏观的角度对地貌进行感知，这可以促进学生对地貌进行深入的观察，一定程度上避免了野外地貌观察带来的安全隐患以及管理成本大、难以观测全貌的问题。应用3D GIS技术于“地貌的观察”教学符合课标对地理实践力的培育以及对地貌进行描述和识别的要求。

二、具身认知视域下利用3D GIS技术赋能“地貌的观察”教学设计

1.前端分析

基于具身认知理论，依据“地貌的观察”课标要求，选取位于贵州省毕节市大方与纳雍两县交界处的九洞天风景区作为案例地。该地是学生熟悉的真实地理空间，为唤醒学生多重感官体验、调动生活经验奠定基础。此处地貌复杂多样，有较为典型的山脊、山谷、陡崖等微观地貌，符合课标中对地貌进行识别的要求。虽然学生对于身边的地貌比较熟悉，但由于区域时空的限制，导致对地貌认识的深度有局限［11］。应用3D GIS技术还原家乡地貌，构造具身学习环境，让学生在具身环境中利用地理信息工具对地貌进行沉浸观察，有利于学生对地貌的深度学习。

（1）学情分析

学生在初中已经学习世界的地形，且在高中阶段学习了常见的地貌类型知识，为进行地貌的观察奠定了知识基础。高中一年级学生具备一定信息技术素养且具有较强的好奇心以及求知欲，对新颖的技术和工具比较感兴趣，通过引入毕节九洞天风景区真实案例进行虚拟地理实践，运用3D GIS技术以及创造性的制作三维地形等高线图的学习活动可以激发他们的学习兴趣和主动性，增强其内在学习动机，促进有意义的学习。

（2）教学目标

依据学情分析及课标要求，预设教学目标如表1所示。

2.设计思路

设计以具身认知理论为指导，应用具身的3D GIS技术构建生活中的地貌情境，为调动学生的生活经验奠定基础。整堂课在3D GIS技术支持下的真实地貌情境中展开，学生在创设的真实地貌情境中，借助3D GIS技术和工具对地貌进行感知，将具身体验转换为知识。依循“地貌识别”“地貌探秘”“地貌考察”“地貌探寻”四个任务驱动教学实践活动开展，设计思路如图1所示。

3.利用3D GIS技术，开发具身资源

（1）软件准备

Pix4D Mapper、Surfer、LocaSpace Viewer和SView软件。软件简介与本节课教学应用如表2所示。

（2）利用Pix4D Mapper构造九洞天三维地貌模型

打开Pix4D Mapper软件创建新项目并命名；将无人机拍摄的九洞天的倾斜摄影照片，添加到新项目中并设置好图片属性；选择输出坐标系，最后处理选项模板选择“3D Models”，在本地处理勾选“初始化处理”“点云和纹理”以及“DSM，正射影像和指数”。点击开始，等待软件自动处理完毕后勾选“空三射线”，即可根据拍摄到的九洞天倾斜摄影照片自动生成近似实景的三维模型（图2）。

利用无人机采集的倾斜影像可以获取更全面的地物纹理细节，能够真实地反映地物的实际情况，模型放大细节如图3所示，为学生创设真实的具身教学环境奠定基础。

选中三角纹理下的“Mesh”右键选择“导出纹理”即可导出.obj、.fbx等多种格式的文件。.obj格式的文件可直接导入SView软件实现测量、观察、MR混合现实等具身交互操作，如图4所示，为学生对地貌进行观察等具身交互操作提供支持。

（3）利用Surfer制作三维等值线模型

首先在LocaSpace Viewer软件中选择“数据提取”“提取数据高程点”，选择“绘制面”工具，然后在所需区域绘制一个面，以覆盖制作三维等值线图的范围，选择“基于场景地形提取”，并将采样间距设置为“10米”点击“开始提取”如图5所示，即可获得案例地的高程点数据。

打开Surfer软件，选择“图形向导”在选择文件一栏中打开下载好的高程点数据，选择“下一个”勾选“等值线图”及“3D Surface”选择“下一个”然后点击“结束”即可得到研究区的三维地形等高线图，在对象管理器处勾选“比色刻度尺”，然后在属性管理器处对两幅图进行变换颜色等细节调整的操作，最后对图中元素进行排版布局，即可得到一副三维地形等高线图，如图6所示。地貌模型制作需要动手实践，能让学生深入感知地貌形态，培养学生的空间想象能力［12］。

4.教学过程

教学过程如表3所示。

5.开展多元评价

教学评价是开展教学实践必不可少的一环，它能够检验学生学习效果，为教师改进教学质量和提升教学水平提供支持。依据课堂实践任务，设计评价量表如表4所示，采取生生互评、教师评价以及学生自评等多元评价方式。

三、结语

3D GIS技术的应用为地理教育注入了新的活力，与传统的地理课堂教学相比，应用3D GIS技术构建虚拟仿真的地貌模型，为学生还原了生活中真实的地貌情境，打破了地理课堂的时空局限，为地理教育回归生活以及地理实践力的培育提供了新的路径和形式。随着现代信息技术的快速发展，3D GIS技术的进步将进一步推动地理课堂教学形式和学生学习方式的变革，促进教育的数字化转型，为地理教育高质量发展提供广阔空间。

参考文献：

［1］ 万铭.基于3DGIS技术的杭州城市景观分析及评价研究［D］.杭州：浙江大学，2020.

［2］ 殷明，刘电芝.身心融合学习：具身认知及其教育意蕴［J］.课程·教材·教法，2015，35（7）：57-65.

［3］ 邓敏杰，李艺.走向技术具身：信息技术时代学习者主体性再认识［J］.电化教育研究，2023，44（8）：26-32.

［4］ 祝智庭，戴岭，赵晓伟.“近未来”人机协同教育发展新思路［J］.开放教育研究，2023，29（5）：4-13.

［5］ 王美倩，郑旭东.在场：工具中介支持的具身学习环境现象学［J］.开放教育研究，2016，22（1）：60-65.

［6］ 张刚要，李艺.教育回归生活世界：技术具身性的启示［J］.当代教育科学，2017（1）：7-11.

［7］ 韦志榕，朱翔.普通高中地理课程标准解读（2017年版2020年修订）［M］.北京：高等教育出版社，2020.

［8］ 关一龙，蔺芳，吴红波.地理信息技术与高中地理教学的融合实践——以“黄土高原水土流失”为例［J］.地理教育，2022（11）：8-12.

［9］ 黄倩. 三维GIS制图技术在中学地理地形地貌教学中的应用［D］.武汉：华中师范大学，2021.

［10］ 何雷鸣，徐海龙.立足研学旅行的地貌深度观察策略——以新疆天山研学行为例［J］.地理教育，2020（8）：56-59.

［11］ 储文娟.利用信息技术开展高中地理课堂探究式教学的实践——以“地貌的观察”为例［J］.地理教育，2023（S2）：106-107.

［12］ 王景晨，俞飞虹，郝雨楠.指向地理实践力培育的地貌及等高线模型制作实践活动设计［J］.地理教育，2023（2）：18-21.