河北砂锅店地区喀斯特地貌发育过程的线上教学设计研究

王泽龙 郭晓龙 王泽 张津滔 陶岩

摘要：本文选择河北砂锅店地区喀斯特地貌发育过程的虚拟教学为研究对象，从教学的内容设置，教学过程的介绍，学生活动和技术支持等方面对课程设置进行解析，对虚拟教学的流程和环节加以分析，为线上教学，尤其是利用虚拟技术实现漫长地貌发育方式甚至地理过程的教学走向虚拟和网络的结合有着一定的推广价值。

关键词：喀斯特地貌教学;河北砂锅店;虚拟技术;线上教学

传统课堂教学尤其是面对面的班级授课方式虽然能够现场直接把握学生的学习情况，并且根据教学效果对讲授内容进行必要的调整[1-3]。但是一言堂和仅凭语言进行传授显然已经不适应现代网络化教学的新形式[4-6]，所以充分利用网络平台，以虚拟现实手段恢复教学过程[7-9]。将漫长的地貌发育历程进行动态模拟与还原，直观呈现地理过程，使学生在虚拟现实的直观感悟下进行沉浸式体验，改变传统教学模式相对仅凭语言进行教学的枯燥方式，达到事半功倍的教学效果。对于课堂教学模式的改革，对于现代化，信息化技术在课堂教学中的应用策略有一定的借鉴价值，对于在新形势下的课堂教学改革的深入推进有一定的应用价值[10-11]。

在江西师范大学地理与环境学院的土壤课教学中教师通过虚拟仿真技术，引导学生思考土壤的功能，培养学生的综合思维能力，引导学生自主学习并分析成因，总结治理方法的形式，启发学生思考，既加强了学生的区域认知能力，更在解决实际问题的过程中强化了地理实践力[12]。在太原理工大学通过虚拟仿真技术给教学提供逼真的应用场景和数据环境，学生可以全身心地投入学习和体验，激发学习兴趣，学以致用，提高课程的实用性。加深对无源感知定位的理解，同时也提高学生的实践能力[13]。吉林师范大学教学时发现虚拟技术能够实现按照时间的推移和空间位置的变化，分析地理过程的环节、运动规律，甚至进行简单科学预测趋势的教学内容。培养学生的空间想象能力与空间观念。给学生直观的展示和突出了地理事物和现象的时空动态变化的特征，培养学生主动综合时间和空间、动态分析地理事物和问题的思维能力[14]。

这些研究都涉及虚拟技术的实际应用，或多或少都进行网络线上教学的尝试，取得较好的教学效果，但是应用深度显得略浅，只是将虚拟技术进行简单的应用，没有贯穿所有的教学过程，因此将虚拟技术应用于所有教学流程，形成一个可以借鉴的完整教学方式急需建立和提升。因此本文以河北砂锅店地区喀斯特地貌形成过程的教学为案例，通过虚拟仿真技术实现线上教学，发挥虚拟技术的优势，建立线上教学模式，为地理教学改革提供可以借鉴的案例。

1教学内容简介

以温带砂锅店地区喀斯特地貌发育过程为例进行虚拟仿真设计，使学生全面掌握认识喀斯特地貌的发育历程和条件，直觀呈现地貌发育情景，形成直观与抽象概念融合的教学方式。本项目依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展学习，达到教学目的。项目建设应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，实现真实教学不具备或难以完成的教学功能。

2 动态仿真模拟的流程

2.1石灰岩形成

砂锅店地区在奥陶纪为浅海（情景为海边），石灰岩在浅海里发育形成，累积加厚，一直延续到燕山运动（这是这是恐龙灭绝时期），地面抬升，海水退去，石灰岩出露。

2.2断层形成

当石灰岩出露后在此地发育一个断层，一侧下陷，另一侧抬升，形成一个正断层。

2.3花岗岩墙形成

当断层形成后地下岩浆顺着断层线涌出填满空隙，冷凝后形成一个狭长形的花岗岩，由于花岗岩抗侵蚀能力比石灰岩强，最后这段花岗岩出露形成岩墙。

2.4喀斯特地貌发育

在岩墙的阻挡下水流沿着地势从岩墙向一侧流动，形成石灰岩地貌（地貌类型为发育初期的石牙，溶沟和2个X溶沟相交形成的一个落水洞;这种地貌发育条件为温带地区，温度季节变化大（模拟四季变化），降水相对不是很多，所以喀斯特发育只在初级阶段）。

3学生交互性操作步骤

为了使学生能够在学习观看仿真结束后进行必要练习以巩固掌握所学知识，进行必要的操作。

3.1启动阶段

情景练习启动-控制按钮为喀斯特地貌发育。

3.2 仿真重现

按照发育阶段输入各个阶段的名称进行开启各个阶段的仿真重现（红色字体为启动按钮，输入名称）

（1）石灰岩形成阶段，进入初始阶段，在浅海阶段，石灰岩形成

（2）燕山运动阶段，进入海水退去，陆地形成

（3）断层形成阶段，进入这个阶段的情景仿真

（4）花岗岩墙形成阶段，进入这个阶段的情景仿真

（5）喀斯特地貌发育阶段，进入这个阶段的情景仿真

3.3 输入条件

输入各个阶段主要类型和发育条件

（1）石灰岩阶段，地质基础为浅海

（2）燕山运动阶段，海退陆升

（3）断层形成阶段，断层类型-正断层

（4）花岗岩墙形成阶段，岩浆涌入，侵蚀速度出现差异

（5）喀斯特地貌发育阶段，输入发育条件，为温带地区—气温变化大，降水不多

3.4形成脉络

最后形成一个脉络，将各个阶段名称按照一定顺序填入完成操作。

4技术架构

教学内容与技术本身将支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为五层，每一层都为其上层提供服务，直到完成喀斯特地貌虚拟实验教学环境的构建。下面将按照从下至上的顺序分别阐述各层的具体功能。

4.1数据层

仿真模拟虚拟仿真实验项目涉及到多种类型虚拟实验组件及数据，这里分别设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用户信息等来实现对相应数据的存放和管理。

4.2支撑层

支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平台包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间信息服务等。

4.3通用服务层

通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理平台，提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件，以便用户能够快速在虚拟实验环境完成虚拟仿真实验。通用服务包括：实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验资源管理、互动交流、实验结果自動批改、实验报告管理、教学效果评、项目开放与共等，同时提供相应集成接口工具，以便该平台能够方便集成虚拟实验软件进入统一管理。

4.4仿真层

仿真层主要针对该项目进行相应的器材建模、实验场景构建、虚拟仪器开发、提供通用的仿真器，最后为上层提供实验结果数据的格式化输出。

4.5应用层

基于底层的服务，最终喀斯特地貌发育过程动态仿真模拟虚拟仿真项目教学与开放共享。该框架的应用层具有良好的扩展性，实验教师可根据教学需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应的器材模型，设计各种典型实验实例，最后面向网络上进行开放。

5 教学反思

利用虚拟技术实现网上教学，充分发挥网络直观教学的优势，在实际虚拟激素应用调试过程中发现一些基本优势，最大的优势是能将漫长的喀斯特地貌发育历程直观动态呈现出来，激发学生学习的兴趣，特别是课后问题的设置能够具体反映学生的学习效果，在实际运行中也发现有一些问题需要改进，如实际教学中过于死板，无法依据教学实际进行反馈和调整，无法实现面对面的交流，问题答案相对唯一，没有达到灵活调整，限制学生自主思考和开放式答案探索的思维，需要在实践中逐步完善。

6 结论

利用虚拟教学进行喀斯特地貌形成历程的教学能够直观呈现地貌发育过程的线上教学，能够激发学生热情，在实际教学中完成石灰岩形成、断层形成、岩墙形成和喀斯特地貌发育等所有教学内容，能够将引课，讲解内容，课上训练和反思等环节利用虚拟技术得到实现。进一步实现师生互动，学生参与操作流程，让学生充分进行自主学习，另外技术架构包括数据层、支撑层、服务层、仿真层和应用层等不同层级逐渐推进形成一个有效的支持。

[参考文献]

[1]王志勇.高中地理课堂教学评价中三组关系的处理[J].教学与管理，2021，7：45-47

[2]Robinson G M， Hardman M， Matley R J. Using games in geographical and planning-related teaching： Serious games， edutainment， board games and role-play[J]. Social Sciences & Humanities，2021，4（1）：100208

[3]乔世伟，娄晓黎.浅议地理课堂教学中运用旅行经历的实践路径[J].地理教学，2018，18：8-11

[4]杜家伟.谈地理实践力的课堂教学落实路径[J].地理教学，2017，13：43-45

[5]曾小敏.地理科学专业植物地理学课程教学改革的探索-以陕西师范大学为例[J].教育现代化，2020，7（38）：30-33

[6]杨震，周美霞，刘星.自然地理学课堂教学与野外实习教学[J].教育教学论坛.2020，35：275-276

[7]Hirsch S E， Mcdaniel S C， Alves K D.Virtual reading lessons for upper elementary students with learning disabilities[J].Intervention in School and Clinic，2021，57（2）： 95-102

[8]Bruza V， Byska J， Mican J， et al. VRdeo： Creating engaging educational material for asynchronous student-teacher exchange using virtual reality[J].Computers & Graphics，2021，98：280-292

[9]陈伟，李鸿科.基于虚拟现实技术的实景模拟研究-以中学地理教学为例[J].现代教育技术.2017，27（11）：19-25

[10]康同杰.信息技术与地理课整合中的几种关系的处理[J].中国远程教育，2004，3：65-66

[11]Singh S S B， Kleeman G， Bergen P V. Opportunities to implement GIS in teaching and learning geography： a survey among smart schools in Sabah， Malaysia[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences， 2012，69：884-889

[12]胡文静，胡启武，蒋梅鑫，等.5G 网络下运用虚拟仿真实验教学培养地理核心素养-以“土壤”为例[J].地理教学，2021，7：18-22

[13]赵菊敏，李灯熬，刘琪.复杂环境下的感知定位虚拟仿真实验教学建设与实践[J].计算机教育，2021，4：111-115

[14]徐喆，柴井余.利用地图培养中学生地理综合思维的探讨[J].科教导刊，2021，8：157-158

[[基金项目]吉林省科技发展计划项目（20190201018JC）;大学生创新创业训练计划项目（基于虚拟现实技术的喀斯特地貌发育过程和影响因素线上教学方式研究）。

[作者简介]王泽龙（2000-），男，吉林长春人，东北师范大学地理科学学院学生，从事地理教学方法研究。

[通讯作者]陶岩（1984-），男，吉林长春人，博士，副教授，硕士生导师，从事植物生态学和地理教法研究

注： 本研究为大学生创新创业训练计划项目。项目负责人：王泽龙;组员：郭晓龙，王泽，张津涛，张天禄;指导教师： 陶岩。