国家虚拟仿真实验建设下高校世界自然地理教学改革模型的构建

李双双 延军平 刘新颜

(陕西师范大学地理科学与旅游学院， 陕西 西安 710119)

0 引 言

为适应信息化时代教育教学的新规律，突出以学生为中心的教学理念，创新多样化的教学方法，到2020年，教育部将推出1 000个“示范性虚拟仿真实验教学项目”[1].同时，依据持续建设和完善项目原则，依托国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，对国家虚拟仿真实验教学项目的对外联通和服务进行持续监管[2].国家虚拟仿真实验建设，为中国地理学高等教育提供了新的思路和机遇，许多高校响应建设自己的平台.

在高等院校地理学科体系中，世界自然地理是区域地理思维训练，培养学生可持续发展和全球地理观，满足中学地理教育需要、丰富国民基本地理素养的重要课程[3-5].受学科性质、实习经费、师资力量和管理体制等因素的影响，大多数高校的世界地理无法通过开展区域实习，加强学生对世界自然地理环境以及人地关系直观认知.同时，中国地理学进入新时代，地理大数据驱动的第四范式逐渐突破传统地理学的教学和研究方式，迫切需要高等院校世界自然地理革新教学观念[6].在教学过程中，中国学生“课堂沉默”是一种普遍的、独有的“教育现象”，高校学生沉默行为动机具有多元性，且倾向于学习热情弱化、知识被动接受化的适应性沉默[7].因此，如何加强学生学习主动性和积极性，也成为当前世界自然地理教学的难题.

地理学虚拟仿真实验平台建设，不但是专业知识丰富化的重要途径，也是激发学生探索热情和热爱学科的关键方式.本文以国家实施虚拟仿真实验建设为切入，对世界自然地理面临的区域实践、理解抽象自然过程、丰富教学资料和完成信息革新等4大机遇进行分析，进而结合团队多年教学经验，总结世界自然地理虚拟仿真建设需要重视的原则.最后，初步设计世界地理虚拟仿真建设主要模块，完成虚拟仿真系统的架构，以期为高等院校地理教育教学发展和信息化改革提供新的思路.

1 世界自然地理虚拟仿真教学建设意义

世界自然地理最重要的学科性质是：区域性和综合性.其中，野外实践是区域认知和专业技能学习的重要途径，自然地理过程是野外实践和课程教学的核心基础.人类对地理环境知识体系的不断更新，需要注重世界地理教育资料的实时性，也需要抓住信息时代对课程改革的机遇，完成教学手段和教学理念的革新.

(1)探索世界地理区域实践.

2018年8月，北京师范大学与加拿大女王大学在加拿大进行地理联合实习，这是中国高等地理教育国际化的重要实践，也可加深学生对加拿大地理环境的认知[8].但是，由于实习经费、师资力量、管理体制的限制，相对于中国地理或自然地理要素实习而言，世界地理区域实践往往难以大规模实施.教育实践中，师生对世界地理认识主要源于教材、地图或视频资料，缺乏直观的认知和感受.如何进行世界地理区域实践，一直是高等院校地理教育面临的客观难题.值得一提的是，随着虚拟仿真实验平台建设深入，以虚拟现实、3D可视化自然地理过程、虚拟三维实习场景为切入，为高等院校世界地理区域实践提供了新的思路和革新机遇.

(2)理解世界地理自然过程.

世界地理教学过程中，许多自然地理过程相对抽象.比如：板块构造运动学说发展，地质历史演变过程、五大湖形成原因等.利用文字资料、简单的图片或动画，学生往往无法准确想象自然地理过程.通过三维实景和虚拟现实技术，可将抽象的自然地理过程具体化，通过微信公众号、PC端等虚拟平台完成自主学习和移动学习，有利于学生提高学习积极性，并准确建构世界自然地理知识体系.

(3)丰富世界地理教学资料.

世界地理教学资料具有丰富性和实时性.科学家不断更新地理环境的认识，为世界地理教学带来很大的挑战.比如：人类多元起源学说和古人类走出非洲，是讲述非洲自然地理环境古老性的重要内容.2018年Nature杂志发表，陕西蓝田上陈旧石器遗址可追溯到212万年前，更新了非洲以外来自格鲁吉亚的185万年前类似直立人的古人类化石和使用工具的证据[9].如何建立一套实时性、系统性的信息发布机制，利用时效新闻更新教学资料，是世界地理教学革新的迫切需求.利用大数据和人工智能技术，借助虚拟仿真技术架构虚拟资料存储库，为丰富世界地理教学资料提供了新的机遇.

(4)完成世界地理信息革新的机遇.

经过百年快速发展，地理研究经历了“经验范式” “实证范式” “地理系统仿真范式”向“数据密集型地学发现范式”的转变,利用信息技术，研究地理要素相互关系，揭示世界地理现象发生本质规律，甚至预测地理事件发生和发展过程成为可能[10].这种趋势促使高等院校世界地理教学迫切需要完成信息革新，将虚拟仿真技术融入教学实践，进而改变已有的教学理念和评估体系.

2 世界自然地理虚拟仿真教学建设原则

世界自然地理学是区域地理的组成部分，衔接要素地理与综合研究，也是公民核心地理素养培养、适应全球化发展的必备专业课程.世界自然地理的学科定位、中学地理教学需求和公民基本素养培养责任，决定了虚拟仿真建设理念与其他学科的差异性，也是世界自然地理虚拟仿真建设独特性和创新性的保障.

在总结团队多年教学实践经验基础上，本研究认为世界自然地理虚拟仿真建设，应重视以下5个基本原则：

(1)具体性原则——突出特色定位.

区域是地理学基本的概念，由于地理要素、空间位置和人地关系演变的差异，不同区域具有不同的特色定位.无论是经济地理单元(丝绸之路经济带、长江流域经济带、北美五大湖城市群、英伦城市群、德国鲁尔工业区城市群、欧洲西北部城市群和日本太平洋沿岸城市群等)，还是自然地理单元(黄土高原、青藏高原、西伯利亚平原和撒哈拉以南非洲、巴西热带雨林等)，都具有独一无二的区域特色.因此，在世界自然地理虚拟仿真建设中，需要突出区域特色定位，其是构建虚拟仿真模块的核心理念.

(2)差异性原则——比较区域差异.

地理学关注时间尺度可从小时、天到年代、百年、千年等.自然地理单元涉及个体、种群、群落、景观、生态系统、区域、国家和全球，人文经济地理单元包括社区、街区、城市、省份、国家、大洲和全球.世界自然地理研究尺度包括区域、大洲、全球，时间尺度关注地质时期和人类历史中，对世界格局影响的事件.因此，在世界自然地理虚拟仿真建设中，需要重视不同时空尺度，比较区域差异，发现地理规律.

(3)综合性原则——分析耦合过程.

地理学对综合性认识，经历了“罗列—叠加—排序—系统”的过程.罗列是地理要素的空间分布的描述；叠加注重地理要素的组合关系；排序是资源有限条件下优先权的决策；系统则更加重视动态的变化过程[10].随着地理学分支学科发展深入，地理学发展方向就越综合.因此，世界自然地理虚拟仿真建设应该从综合角度切入，打破孤立自然要素设计，注重分析耦合过程，要融入系统性思维，重视地理要素的动态变化过程.

(4)联系性原则——构建空间关系.

建立空间思维是世界自然地理教育的核心命题.在世界自然地理虚拟仿真系统设计中，以全球为尺度构建空间关系，让学生认识到空间对理解地理问题的重要性.如青藏高原是亚洲的水塔，许多大江大河都发源于此，雅鲁藏布江流经孟加拉国为布拉马普特拉河，独龙江流经缅甸为伊洛瓦底江，怒江流经缅甸和泰国为萨尔温江，澜沧江流经老挝、泰国、柬埔寨和越南为湄公河，跨国河流的水利开发，面临全流域的可持续发展和生存问题，需要构建上下游的空间关系.

(5)发展性原则——完善区域可持续发展对策.

地理学是一门经世致用的科学，历史环境研究是为了未来更好地适应，而人地关系的终极理念和实现方式就是可持续发展.发展性应该贯穿世界自然地理虚拟仿真建设的始终.在高校教师引导下，学生自主研究世界范围地理现象变化趋势，能够提出解决区域发展问题，完善区域可持续发展对策.

3 世界自然地理虚拟仿真教学模型构建

依据世界自然地理模拟仿真建设原则，设计5个主要模块，完成虚拟仿真教学系统的构建.其中，世界地图模块，以“看图-用图-绘图”为逻辑主线，提供认识世界的视角；地理过程模块，以虚拟仿真技术对关键地理过程进行可视化，提供认识世界的机制；交流讨论模块，以“交流-分享-讨论”为逻辑主线，提供师生互动平台；区域专题模块，关注世界区域特色和人地关系规律，提高学生分析区域可持续发展对策的能力；国家专题模块，以国家自然地理环境为主基础，认识文化与地理的相互作用，提高对地理学的综合认识.具体建设架构逻辑以及虚拟仿真技术应用如图1所示.

图1 世界自然地理虚拟仿真教学的模型框架

3.1 世界地图模块——认识世界的视角

地图是地理学特有的语言，不但可以帮助学生认识世界，建构区域空间关系，而且可以提供学生对世界自然地理的差异性、综合性和联系性的理解.与已有地图模块架构逻辑不同的是，以“看图—用图—绘图”为主线，3个子模块相辅相成，各有侧重.其中，看图是一种相对被动的过程，主要通过教材或系统提供的图件，使学生理解教材编著者的逻辑和传达的知识点；用图是一种相对主动的过程，以区域专题为学习对象，通过学生自主探索和搜集最新信息，用图表达自己的观点；绘图是一种创造的过程，侧重于研究性探索，学生主要通过绘制地图说明世界自然地理现象、过程和规律(图2).

图2 世界自然地理虚拟仿真教学模型——世界地图模块

值得一提的是，具体实践教学过程中，看图、用图和绘图并不相互分离，而是一个完整或连续的学习过程.例如：同学们观察世界板块构造分布或者法国自然地理概况图，手绘过程就有创新.学生自主绘制属于自己的地图，然后用自己的语言讲述自己关注的专题知识和思考结论.

模拟仿真技术应用途径：① 地图归纳系统.可利用3D仿真、VR等虚拟技术，构建地图书架或储存设施，实现地图收集、分类和分享等功能.② 地图展示系统.虚拟地图展示展廊，将学生优秀地图作品进行实景展示.③ 地图探索实验.选取世界自然地理案例，通过设计超过10步以上操作步骤，动态化演示地图在世界探索的价值.

3.2 地理过程模块——认识世界的机理

世界自然地理教学中，存在一些难以理解的地理过程.借助虚拟仿真技术，将机理过程化或步骤化.通过学生自主探索，提高学习兴趣和求知欲.在地理过程模块设计中，建构逻辑为：自然地理要素和人地相互关系.具体包括：地质—地貌过程、水文—气象过程、生物—土壤过程、人地关系过程等4个子模块.主要过程有：宇宙演化、地球演化、海洋演化、板块构造、水分循环、气候变迁、冰川形成、生物进化、土壤发育、生态演替和河流演变等(图3).

模拟仿真技术应用途径：① 地理机制的可视化.与地理要素模拟仿真建设不同，世界自然地理过程可视化，需突出区域特色.例如：冰川作用形成地貌特征，需要明确冰川所在区域，是阿拉斯加冰川，还是阿尔卑斯山冰川.② 地理机制的步骤化.以逐步引导、逐步学习为基础，突出探索过程，融入发展理念，让学生思考完善区域可持续发展对策.

图3 世界自然地理虚拟仿真教学模型——地理过程模块

3.3 交流讨论模块——学生交流与分享

心理学家维果斯基指出：“人的思维等高级心理机制具有两阶段性，首先是发生在对话中、发生在言语中，后内化为自己内心感受”[11].表达是人类的天性，对话和反馈是教学活动的重要环节，交流和讨论是激发学习热情和创造力的重要途径.因此，在世界自然地理虚拟仿真系统中，需重视交流和讨论模块建构.可分为2个子模块：师生互动交流和学生互动交流(图4).

图4 世界自然地理虚拟仿真教学模型——学生交流模块

模拟仿真技术应用途径：① 虚拟地理特色的会议场景.比如：除必要的会议氛围外，墙画摆设、圆桌的设计需突出世界地理特色.② 实现实时交互的平台.运用虚拟现实技术，模拟交流过程.在这部分，虚拟现实可能有所超前，但可预留改进空间或接口，为未来完善做准备.③ 依托已建成的地理要素虚拟仿真实验平台，可以开发虚拟地质标本室、虚拟植物标本室，虚拟水文模拟室、虚拟气象观测场等.在具体现场中，实现师生互动交流，更好地认识世界自然地理过程.

3.4 区域专题模块——特色定位与发展

与地理过程模块不同，区域专题模块需要更加突出区域特色定位，要侧重于最具有代表性的地理现象或过程.例如：荷兰低地与风车专题，需要明确荷兰地势低洼的特征、全球变暖下海平面上升的威胁，风车为荷兰土地利用和能源发展提供创造性方案，未来如何可持续发展需要探索.以大洲为基本单元，每个大洲可设计4～5个区域专题，并在教学过程中不断丰富与完善.

模拟仿真技术应用途径：交互式的探索过程，精细化的场景模型.以荷兰低地与风车专题为例，可设计10步以上探索过程，如“探索风的来源—西风带和沿海环境提供风力资源”“探索风车需求—土地资源稀缺、地势低洼为风车出现提供现实问题”“探索创造风车—风车如何解决积水问题并创造土地”“探索海平面上升影响—构造下沉与海平面上升叠加，使得荷兰面临新的人地关系问题”等.

3.5 国家专题模块——认识文化与地理

无论是高等师范院校的师范生培养，还是国家战略层次的“一带一路”和人类命运共同体，都需要对国家自然地理环境有所认知，并构建系统的知识体系.因此，有必要设置国家专题模块，认识国家文化与地理环境的关系.在系统逻辑框架方面，国家专题模块是区域专题模块的细化.在关注内容上，除国家基本地理事实外，更侧重于文化与自然地理环境的关系.在关注尺度上，国家专题以国家为主，区域专题则侧重于自然地理单元，如斯堪的纳维亚半岛、高加索地区、阿拉伯半岛、全球热带雨林等.

模拟仿真技术应用途径：①系统性管理.不同国家自然地理环境复杂性有所差异，同时自然地理环境与人类活动的关系也具有多样性.模拟仿真技术可在可视化基础上，构建1套高效和系统的管理体系.②步骤化探索.有效的仿真设计，将国家知识点步骤化，以激发学生的学习热情；以小组合作式的探索，提高学生自主学习世界地理的动机，进而丰富高校世界自然地理教学形式.

4 结论与展望

4.1 结论

以世界自然地理课程为切入，本文对国家虚拟仿真实验建设对高校地理教育的意义进行分析，总结了虚拟仿真实验建设的原则和主要模块架构.得到结论如下：

与地学其他学科相比，世界自然地理具有自己独特的思维方式、学科地位以及教学理念.在此，提出世界自然地理虚拟仿真实验建设应重视5个基本原则：具体性、差异性、综合性、联系性和发展性，分别对应：突出区域特色定位、比较区域地理差异、分析要素耦合过程、构建区域空间关系和完善区域可持续发展对策.

结合国家虚拟仿真实验带来的新理念，初步设计5个主要模块.其中，世界地图模块，以“看图—用图—绘图”为逻辑主线，提供认识世界的视角；地理过程模块，对关键地理过程进行可视化，提供认识世界的机制；交流讨论模块，以“交流—分享—讨论”为逻辑主线，提供师生互动平台；区域专题模块，关注世界区域特色和人地关系规律，提高学生完善区域可持续发展对策的能力；国家专题模块，以国家自然地理环境为基础，认识文化与地理的相互作用.

4.2 展望

关于世界自然地理仿真教学建设未来还有许多工作值得探索，具体如下：

地理教育教学的发展机遇.国家实施虚拟仿真实验建设，为世界自然地理教学革新提供新的机遇，也为地理教育教学提供了新的理念和新的思路.在未来，建设世界自然地理模拟仿真平台的同时，需要关注其他地理学分支学科的建设，明确学科特色和建设目标，完善建设模块和内容共享机制，避免重复建设带来的资源浪费.

新平台的可持续建设与维护.参考已有的地学虚拟仿真实验平台的建设经验，加之部分虚拟现实的软硬件投入相对较高，未来世界自然地理虚拟仿真实验平台可能面临持续性资金投入、长时间人员维护和多周期建设的问题.因此，建议构建世界自然地理或地理学虚拟仿真实验发展联盟，整合有效资源和不同高校教学经验，建设统一平台，实现实时共享机制，为更好实现世界地理教学革新提供基础.

创新世界地理虚拟仿真的架构.虚拟仿真实验平台的建设成本相对较高，研究已有项目显示：“虚实结合、虚实互补，能实不虚”是多数项目建设的基本原则.因此，在高校世界自然地理虚拟仿真实验教学项目建设中，应该更加注重实用性，特别要重视“能实不虚”的原则，避免资源浪费.同时，创新世界地理虚拟仿真教学框架，突出学科发展理念和方向，使得系统构建更具有地理特色.