基于AR技术辅助高中地理教学难点突破

[摘 要]

伴随着教育信息化时代的到来，高中教育需要基于新技术手段实现课程改革的目标。AR技术以其高度的集成性、即时的交互性、动态的虚拟性等特点，受到高中地理教师等教育工作者的关注。在阐释AR技术及其特点的基础上，分析了AR技术辅助高中地理教学的必要性与可行性，并结合教学实践探讨了基于AR技术辅助高中地理教学难点突破的五大策略，从而提高高中地理教学的有效性。

[关键词]

高中地理;AR技术;难点突破

华东师范大学钟启泉教授指出：“教育改革的核心在于课程改革，课程改革的核心在于课堂改革。推动育人模式创新，必须找准课堂教学改革这个着力点，让教育信息化形成有效支撑点，助推课程改革目标实现。”AR技术辅助高中地理教学，是实施课堂教学改革的生动实践。AR技术将虚拟的学习内容与现实环境进行有意义的关联，将现实世界中难以直观体验的信息呈现出来，并为学生所感知。它在高中地理教学中的应用，必将有效克服地理教学中的短板，为教学难点突破提供有力支持，从而提高高中地理教学的有效性。

一、AR技术及其主要特点

AR技术是增强现实（Augmented Reality）技术的简称，并伴随着现代信息技术的快速发展不断升级。作为一种新技术，它能够无缝地实现真实和虚拟两个不同世界的信息集成，让用户看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟对象，从而带给人们独特的视觉体验。[1]

AR技术包括多媒体技术、三维建模技术、实时视频控制技术、传感技术、实时跟踪技术和场景融合技术等。主要体现以下特点：集成性，即能够超越现实，在现实和虚拟世界中架构起信息通道，从而体现出高度的集成性;交互性，AR技术的交互性不仅仅在于其应用领域广泛，而且这种交互性能够做到即时、实时;虚拟性，即能够建立三维空间，并有效实现虚拟物体的增添和定位。

二、AR技术辅助高中地理教学的必要性

（一）AR技术辅助契合地理学科特点

高中地理学科特点明显：一是，空间性显著。地理事物和现象的形成、发展及变化多涉及空间位置，一些难以单纯用文字描述的内容，如结合AR技术进行场景和过程模拟，就可以展示的非常清晰。二是，知识的综合性强。学生不仅要了解地理事物或现象本身，还要进一步深入学习不同的地理要素之间存在的联系、依赖或制约的关系。例如地形、气候等地理要素相互联系构成了自然综合体;工业、农业、交通运输等部门相互联系形成了生产综合体，这些如果依托AR技术则可以将事物之间的逻辑关系较充分演示出来。三是，地理事件存在着区域差异性。例如纬度位置相近的长江中下游和青藏高原地区，有着截然不同的区域环境。这种差异如采用AR技术进行模拟比较，会非常直观生动。四是，知识的规律性明显。例如我们想了解荒漠的形成，如采用AR技术展示全球荒漠分布图，并结合分析地区气候成因，就可让学生身临其境地了解荒漠分布的规律性。

（二）地理核心素养提升需要AR技术有效介入

综合思维和地理实践能力，是高中地理核心素养的两个重要方面。前者体现了学生全面、系统、动态地认识地理事物和现象的品质与能力，后者是指学生在进行户外考察、社会调查、模拟实验等地理实践活动中所具备的行动能力和品质。由于高中生在这两方面的能力水平普遍不足，导致一些教学难点难以较好突破。如基于AR技术开展教学，则可以有效克服短板。例如讲述台风给人类造成的危害时，通过AR技术边阐述相关概念，边演示台风形成的过程与运行情况，再播放台风前后地表形态发生的巨大变化视频，让学生从掌握概念入手，构建起地理事物之间的因果逻辑关系，锻炼了空间思维，提升了综合思维能力。

三、AR技術辅助高中地理教学的可行性

当前，AR技术已经正式应用在一些地理教学中。例如，有些教师基于AR环境，通过让学生旋转虚拟地球，从而深入探究太阳和地球、白天和黑夜的关系。还有学者开发出一个增强现实的系统天气观察员，从而有效帮助学生进行大气系统等知识的学习。华东师范大学更是基于移动增强现实技术，开发了一款“快乐寻宝”的教育游戏。教师将地理学科知识融入游戏当中，让参与者通过任务驱动、在线答题进行闯关，增强了实时互动的效果。大量实践应用表明，AR技术辅助高中地理突破教学难点切实可行。

四、基于AR技术辅助高中地理教学难点突破策略

AR技术辅助高中地理教学难点突破，要充分发挥AR技术的优势，并根据高中地理教学难点突破的需要，灵活选择AR技术运用的策略。

（一）运用AR技术创设教学情境，为难点突破搭建场景

高中地理教学中，教师在突破教学难点时，采用的方法往往过于简单，常通过一味地强调将自己的教学主张强加给学生，这就导致知识难点虽然经过教师的多次高强度灌输，但实际效果却不显著。这就需要教师转变突破难点的教学方法，改变灌输式教学方式，利用AR技术，创设与地理难点相关的知识情境，从而使难点置于特定的知识场景中，[2]以此实现对教学难点的有效突破。

例如“地球的宇宙环境”一节的教学难点，是使学生理解地球上能够存在生命的原因。如果直接讲解，效果显然是有限的。教师可以利用AR技术创设教学情境，先借助AR技术，模拟建构地球的宇宙环境;然后将画面聚焦到太阳系，演绎太阳系八大行星的运动情况与结构特点，理解普通性;再聚焦地球，引导学生进行细致的观察，并借助既有的知识进行比较，了解地球的特殊性;最后引导学生从日地距离、地球自转与公转周期、地球体积与质量等几个方面展开探究学习活动。

这些环节，由于借助AR技术创设教学情境，并且遵循地理教学的一般规律，从地球所处的大环境再到太阳系，最后聚焦地球，层层深入，直指教学难点，实现了将抽象的教学难点形象化，从而助力学生全面了解地球上能够存在生命的原因，在有效突破教学难点的同时，也促进了学生地理思维的发展。

（二）运用AR技术优化呈现方式，为难点突破降低难度

目前，不少高中地理教师在教学时，过于注重知识点教学，对知识点缺乏整合意识，从而导致高中地理教学效率低下，教学难点得不到有效突破。因此，在高中地理教学时，如何引导学生将零碎化的知识进行整合是地理教学的一个难点。目前，教师主要采用口头总结归纳的方式，这不利于学生从整体到细节的把握;或者部分教师借助黑板板书，既受制于黑板空间，不利于教学内容展开，又受到课堂教学时间的限制，不利于知识点的精细化拓展。

AR技术的运用，能够有效优化高中地理知识呈现的方式，利用AR技术直观、形象等优势，将课堂教学知识点进行整合，从而构建系统的、直观的知识框架和知识体系，让学生对所学内容进行系统的梳理。

在教授“地球的运动”章节时，教学的难点在于大多数学生的空间思维能力较弱。传统的课堂讲解，很难帮助学生在大脑中模拟出公转和自转的空间运行方式，最终导致学生不理解自转和公转的地理意义，而AR技术演示地球运动并构建思维导图，可以帮助学生进行空间想象和深化对知识点的理解。如教师讲述地球的自转时，首先用生活中的自然现象和毛主席“坐地日行八万里”的诗句，启发学生对地球自转进行联想，接着通过课堂讲解和适当板书对相关概念进行阐述，让学生了解基本概念，然后借助AR技术模拟地球自转运动。此时学生看到的画面是地球绕着自转轴自西向东地转动，自转轴与赤道面始终保持垂直，且无论是侧视角度还是俯视角度，其转动方向不变。转动一圈，时间从0变为23时56分4秒。由于地球上任何一点自转一圈都是经历了360度，所以其角速度不变，而线速度则随着纬度的增高而变小。特别提示两处极点的角速度和线速度均为零。从AR模拟画面上，学生还可以直观地观测到昼夜的变化、不同的地区存在不同的地方时。再通过水流入下水道的演示则显示，南半球呈现顺时针旋转，北半球呈现逆时针旋转，赤道上不旋转直接往下流，这就很好地解释了地球自转产生的水平运动偏向。

经过一系列的演示，教师就可以引导学生自主构建地球自转思维导图。在学生构建完成后，教师再将本节课知识点的思维导图（图1：地球自转的思维导图）通过画面逐步呈现出来。这样，学生对于地球自转的相关知识点就可以全面且熟练地掌握，特别是对于教学难点地球自转的地理意义有了直观深入的理解。同样，地球的公转运动可以“照葫芦画瓢”，帮助学生自主构建并有效掌握。

可见基于AR技术所呈现的思维导图，不仅直观、系统地展示了本课的知识体系，而且该思维导图还有效促进学生地理思维的发展，帮助他们建构与丰富了地理知识体系，提高了他们自主建构知识的能力，实现了素质教育的目标要求。

（三）运用AR技术增强课堂互动，为难点突破汇集智慧

认知学习理论指出，交互是个人认知能力发展的活水源泉。因此，高中地理教学中，我们要善于利用AR技术的技术优势，尊重、遵循学生认知特点和认知规律，增强高中地理课堂学习互动性，包括教师与学生互动，学生与学生群体之间的互动，学生与学习对象的互动等，通过增强课堂互动效果达到汇聚智慧的目的，从而让学生的地理学习更加深入，直接抵达地理难点知识的核心，提高难点知识解决的有效性。

例如“岩石圈与地表形态”的教学，我们可以借助AR技术，开发地球圈层教学游戏。游戏关卡的设计，主要按照地球圈层设计，分为两大关卡，第一大关卡是地球外部圈层，又分为大气层、水圈、生物圈等三个子关卡;第二大关卡是地球内部圈层，主要包括三个子关卡，分别是地壳、地幔、地核等。每一个关卡闯关成功后，借助AR技术，演绎该圈层的形态结构等。

这个环节，利用AR技术与闯关游戏有机结合，大大提高课堂的趣味性和交互性，实现学生与教材内容的交互以及学生之间的有效互动。因为要想闯关成功，学生必须要对地球的外部圈层和内部圈层获得深刻的认识，需要充分解读教材，从而培养其自主学习能力。闯关成功后，再借助AR技术的模拟优势，将各个圈层的结构、形态等，全面地呈现出来，从而带给学生更加直观的视觉和记忆体验，强化了学生对圈层难点知识的掌握情况。[3]这种改变利用AR模拟技术直接呈现的方式，利用游戏形式，激发了学生突破学习重难点的兴趣，并激起学生的学习好胜心，寓教于乐，有力地实现地理教学难点突破。

（四）运用AR技术模拟地理实验，为难点突破优化体验

地理实验是高中地理教学的一个关键环节，它对于突破地理难点知识具有重要的辅助作用，也是提高学生地理实践应用能力的必然路径。然而在高中地理实验过程中，往往需要耗费较多的时间，同时受制于教学条件和实验器材的影响，导致部分高中地理实验教学不能常态化的开展，制约了高中地理教学效能提升，也反向增强了地理教学难点突破的难度。我们可以利用AR技术进行模拟实验，让学生在模拟实验的过程中，实现对实验各个环节、程序、实验注意点、实验现象的知识掌握。[4]

以“水循环”为例，从水循环的过程与环节而言，如果要进行实验室常規实验是难以实现的，或者需要耗费巨大的实验成本。我们可以利用AR技术进行模拟实验展示，通过多媒体直观地演示，让学生了解到水循环的基本过程以及主要环节。在模拟演示实验过程中，可以按照海陆间循环、内陆循环、海上内循环三种基本类型演示，从而强化学生对水循环的系统认识。

可见AR技术模拟地理实验，不仅能够使实验室无法开展的实验得以直观化地显示，在大大节约教学成本的同时，更使得学生系统地了解到水循环的基本类型，以及各个类型水循环的过程和基本环节。让学生在多媒体演示的过程中，对水循环的意义获得了深刻的认识与掌握，从而有效突破地理教学难点。

（五）运用AR技术模拟实践活动，将难点突破推向深入

实践活动最显著的特点是以实践的方式实施。与其他地理教学活动相比，实践活动体现出综合性的优势，一方面需要学生具备较高的地理综合素养，另一方面能够有效促进学生地理综合素养的发展。然而，在高中阶段，学生学习时间紧张，地理学科作为江苏省高考选修科目，其教学课时有限，导致地理实践活动的虚化，制约了学生地理实践应用能力的进一步发展，也制约了学生地理难点知识的进一步深化与突破。AR技术在高中地理教学中的有效运用，能够弥补这一不足，借助AR技术为学生提供模拟实践活动的机会，从而将地理难点突破推向深入。

例如“全球气候变化及其对人类的影响”一课，如何从微观引领学生了解全球气候变化对人类的影响是一个难点。学生对这一问题的了解常常是宏观的，因此认识也是停留在肤浅的层面。通过实践活动，可以有效提高学生对这一问题的认识。为此，我们可以利用AR技术进行模拟。通过走进图卢瓦，展示该国面临的即将被海水淹没的实际境况，再引导学生了解该国的地理现状，以及海平面上升的数据信息资源;接着，引导学生利用网络，搜集全球变暖的地理图片或者信息资源，包括全球变暖给全球地理环境带来的影响图片与视频资源等，组织学生进行集中交流;最后，结合模拟实践活动，引导学生针对全球变暖问题，提出解决问题的方案，修改完善并形成实践活动报告。

利用AR技术，有效打破传统地理实践活动时间和空间的束缚，使学生借助AR技术和互联网平台，能够深入到世界各地，从微观聚焦全球变暖现象和导致的严重后果;最后撰写实践活动报告，有效实现地理教学难点的突破，并在提交问题解决方案的过程中，培养学生的社会责任感，强化学生绿色发展、可持续发展理念。[5]

五、AR技术辅助教学的前景与展望

2017年，国务院《国家教育事业发展“十三五”规划》通知明确提出“要全力推动信息技术与教育教学深度融合。……综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”。[6]可以預见，在未来教育中，AR技术辅助教学将受到热捧。一方面，AR技术仅需要一台电脑配合一个摄像头就可以实现真实环境和虚拟对象的融合互动，较低的硬件条件和经济成本让AR技术更容易在学校落地生根;另一方面，AR技术将虚拟的学习内容与现实环境进行了有意义的关联，为学生创设出极具体验感的探究环境。当然，AR技术在高中地理教育中的应用还处于初级发展阶段，一些关键技术如“增强现实教育应用中的3D建模”“虚拟行为交互”等还需要进一步突破和优化。在未来高中地理教学中，我们要深掘并遵循教育规律，合理运用AR技术，借助AR学习环境，构建符合教学目标要求的高效课堂和新型教学模式，通过重塑和优化学习方式，为培育创新型人才和教育提供有效支持。[6]

[参 考 文 献]

[1]杨松青.AR技术对高中地理教学手段的革新与启示——以人教版河流地貌的发育为例[J].考试周刊，2019（5）：1.

[2]仲艳，赵文卿.基于VR/AR技术的高中地理实践力培养[J].好家长，2017（76）：104.

[3]陈庄星.AR技术在地理教学中应用的思考与探索[J].福建基础教育研究，2019（2）：89-90.

[4]高嵩.VR技术在高中地理教学中的应用[J].新课程研究，2016（7）：117-118.

[5]张成奎.多媒体信息技术在初中地理教学中的应用[J].中国教育技术装备，2015（23）：156-157.

[6]蔡苏，张晗.VR/AR教育应用案例及发展趋势[J].数字教育，2017（3）：1-10.

（责任编辑：武 亮）

作者简介：陈慧（1983-），女，江苏句容人，高级教师，硕士，研究方向：高中地理教育教学研究。