AR技术在中学地理研学旅行中的应用探索

祁磊 何新莹 于雷

研学旅行顾名思义是指在旅行中研究性学习，中学地理研学旅行是在专业教师的带领下，由中学生参与的，对旅行途中的地理现象进行探究的一种学习方式。研学旅行是培养中学生地理实践力的重要途径，将理论知识与实践探索相结合，有利于学生更好地掌握相关知识，同时培养了地理核心素养，促进学生的全面发展。但是，中学地理课程中存在大量的抽象概念，难以通过短期的研学旅行观察和观测到很多地理现象的形成过程。比如地质地貌类景观的形成经历了漫长的地质历史时期，研学旅行过程中学生往往只能看到目前阶段所形成的结果，其具体的形成过程即使身处野外也难以通过观察获得。

将AR技术应用于中学地理研学旅行，针对地理现象，在实地反演自然地理过程和人文地理变迁，达到让学生身临其境经历、体验和探索地理现象的教学目的，可以有效地提升学生对课本知识的理解。这样学生既可以更全面地掌握地理要素宏观演变过程，也可以更深入地了解各类地物的微观属性特征。

一、AR技术及其在中学地理教学中的应用

AR技术是通过计算机虚拟技术增强用户现实体验，将计算机生成的虚拟物与真实环境融相叠加的技术。该技术生成十分逼真的三维虚拟环境，让用户达到身临其境的感觉，增强用户对真实环境的感知。目前AR 技术已被广泛应用于教育、医疗、建筑、传媒、军事与旅游等各个领域。

现阶段，由于传统地理教学受限于教学资源以及教学条件的影响，越来越多的教师和学者开始研究AR技术在地理教学中的应用。宋瑛等［1］指出把AR技术应用于教学可以让学生摆脱在传统教学模式中的被动地位，更为主动积极地利用这项技术，并将其作为信息与知识的媒介。林佩园［2］则研究了人教版高中地理必修一的AR教学实践，详细地编写了《宇宙中的地球》章节与AR结合的教学设计案例，指出了必修一中能够进行AR演示的知识模块。王珏璠［3］探索了AR技术融合与开发、多源异构数据信息采集技术、数据整合融合等技术手段和方法，实现了AR技术在移动端的完整应用，给AR技术与地理学科教学融合发展提供了可行性方案。杨培生等［4］重点研究了AR技术在自然灾害的防治宣传上的应用，他将AR技术与移动互联技术相结合构建山洪灾害交互式宣传系统，并且分析了其中的关键技术和流程，实现了山洪灾害从可读到可视、静态到动态、一维到多维的融合转变，提升了自然灾害宣传工作的交互性、真实性和趣味性，这为学生更好地理解其他自然灾害的形成机制和提高防灾减灾意识起到一定的借鑒作用。

目前AR技术应用于中学地理教学已经取得了丰富的研究成果，而将AR技术应用于中学地理研学旅行的研究却鲜有报道。因此，有必要探讨AR技术应用于中学地理研学旅行的必要性和可行性及其作用。

二、AR技术应用于中学地理研学旅行的必要性与可行性

1.AR技术应用于中学地理研学旅行的必要性分析

（1）地理现象的特殊性

研学旅行中观察到的地理现象尤其是自然地理现象的过程有时比较极端，要么太快（如雪崩），要么太慢（如岩石风化过程）；其空间范围有时也比较极端，要么太小（如土壤水在毛孔中运移），要么太大（如青藏高原的形成）；同时，自然地理现象的发生时间和地点具有较大的不确定性，而且很多现象发生时具有很大的危险性，这使得野外研学旅行难以做到在现场让学生通过观察获得翔实的知识。对于这些景观，尝试将AR虚拟效果融入到野外地理景观中，可以让学生在现场体验到地理景观的形成和演化过程。

（2）研学组织的局限性

长期以来，中学地理研学旅行受教育经费、传统观念和安全问题等因素的制约，大多数中学开展野外研学活动时面临诸多难题。从学生层面来看，研学旅行如果组织不到位或野外复杂的地理环境对学生形成干扰，最终可能演变为休闲观光旅游。另外，研学旅行是在真实的情境中开展的综合性学习活动，而真实世界具有复杂性、不确定性和动态性等特点，且野外地理现象的形成往往需要用多种学科（如物理、化学、历史、生物等）的知识来解答，这样对于传统的地理教师而言，一旦切换了教学方式，很可能会陷入难以回答的窘境。将AR技术应用到地理研学旅行中，既可以减轻教师压力，同时提高了研学的效率，使学生充分理解相关的地理知识。

2.AR技术应用于中学地理研学旅行的可行性分析

（1）AR技术在中学地理教学中日渐成熟

前文已经探讨了AR技术在各行各业尤其是地理教学中的广泛应用。针对地理知识的相关App的开发以及众多学者对AR关键技术的研究都将助力其在中学地理研学旅行中的应用。虽然，目前的AR技术应用于中学地理研学旅行还处在一个初始阶段，但是能够预见未来AR技术巨大的应用前景，将AR 技术融入到地理研学旅行势必会带来前所未有的体验。因此，AR技术的发展为课题的开发实践提供了技术的支持。

（2）地理研学旅行活动发展迅速

新一轮课程改革下对“学科核心素养”的要求不断加强，研学旅行可以更好地落实地理核心素养。2016年12月，教育部等11部门印发了《关于推进中小学生研学旅行的意见》，要求各地将研学旅行摆在更加重要的位置，推动研学旅行健康快速发展。此后，研学旅行逐渐成为热门话题，并得到了快速发展。这为AR技术应用于中学地理研学旅行提供了契机，依托AR技术，可以开展诸多高风险、不可见、不可达、难以想象现象、特征和规律的认知及研学活动［5］。

（3）学生对电子产品的熟练操作和对AR技术的普遍接受

AR技术应用于研学旅行是通过电子产品作为媒介来实现的，中学生基本能够熟练使用电子产品，这对野外研学旅行期间使用相关AR产品提供前提。另外，中学生通过地理传统课堂学习已经有了一定的地理知识储备，也支持在地理教学中使用现代技术，虽然一部分学生并不了解AR技术，但AR技术作为具有划时代意义的现代技术之一，学生们对使用AR技术完成中学地理研学旅行持有开放态度［6］。

三、AR技术在地理研学中的应用示例

人教版地理选择性必修1第二章第一节“营造地表形态的力量” 要求学生结合实例，解释内力和外力作用对地表形态变化的影响。广东韶关的丹霞山国家地质公园内有世界上发育最典型、类型最齐全、造型最丰富的丹霞地貌，也是华南地区众多高中学校地理研学的首选之地。让学生实地观察宏伟的丹霞地貌，比单纯的课堂讲解更能加深其对山地抬升、流水侵蚀等内外力作用对地表形态塑造的理解。但是，学生在野外也只能看到静态的地貌特征，其发育过程更多的是靠学生结合实地去想象，受教师专业水平和学生思维差异限制，最终可能会导致学生并未真正掌握丹霞地貌的发育过程。针对这种教学的局限性，可以尝试与AR技术相结合，使用AR软件公司提前开发好的软硬件平台融入到当前的丹霞景观中，让学生在实地体验丹霞地貌的形成过程。

学生在现场选择安全的观察地点，借助AR设备（AR软件承载设备：手机、平板电脑、AR眼镜等）与某一处的丹霞地貌景观进行空间匹配，反演AR软件生成的丹霞景观形成过程。透过AR设备学生能够观察到，在距今1.4亿年至7 000万年的中生代晚期至新生代早期，该山区是一个大型内陆盆地（湖泊）；之后受喜马拉雅造山运动影响，盆地周边山地强烈隆起，而盆地内则接受大量碎屑沉积，逐渐形成了巨厚的红色地层；红层在地壳运动中被抬升并受断裂切割后，在流水侵蚀、风化剥蚀、重力崩塌等外动力地质作用下，形成以陡崖坡为特征的地貌［7］。

将AR技术融入到丹霞地貌的观察中，使漫长的地质历史时期浓缩为数十秒钟，让学生在实地体会完整的自然地理过程，加深了学生对内外力作用如何塑造地表形态的理解，同时更有效地提高了学生的空间思维能力。

四、AR技术在地理研学旅行中的作用

1.突破地理研学旅行中教学的时空局限

地理研学旅行中遇到的很多地理现象，尤其是自然地理现象，即使学生置身其中，也很难通过观察而全面掌握该地理现象的形成原理。如经历了漫长地质历史时期和复杂地质作用的地质地貌类景观、发生时间极短且具有极大不确定性的自然灾害、难以到达的深水区或洞穴内部的地理景观等，针对具有这些特征的地理现象，借助AR技术可以将漫长的地质历史时期压缩到几分钟甚至几秒，或将快速发生的地理过程缓慢呈现，或将深水区、洞穴内部的地理景观动态展现出来。最终让学生在野外更高效地掌握地理知识。

2.提升地理研学旅行中学生的探究能力

通过AR技术可以将课本中的平面地理景观和野外的静态地理景观的形成过程生动形象地呈现出来，克服学生在文字理解上空间想象力的不足。如在野外观察河漫滩时，指导教师一边讲述河漫滩的形成过程，一边借助AR技术演示河曲中凹岸不断被侵蚀而发生崩塌后退，凸岸不断受底部环流带来的泥沙发生堆积，最终水位下降裸露形成河漫滩的动画过程。这样可以帮助学生构建地理事物之间的动态联系，锻炼空间思维。同时，在研学旅行中，学生通过使用AR相关软件与实物进行匹配，理解地理景观的形成过程，提升学生在研学旅行中的主体地位，激发学生对自然地理过程的探索，进一步提高研学的效率。

3.减轻地理研学旅行中教师的教学压力

研学旅行中，指导教师不仅承担着专业知识解答的任务，还要监管学生安全、安排饮食起居、排队购票、联络景区管理人员、心理辅导等多重任务。研学旅行途中连日的工作可能使得指导老师在教学环节上会显得心有余而力不足。将AR技术应用到地理研学旅行，在一定程度上可以减轻教师压力，保证了研学既定目标的顺利完成。

4.保障地理研学旅行中师生的人身安全

一些自然地理现象还具有高危险性的特点，如火山爆发、滑坡、雪崩等，这些地理现象同时具备随机性和发生时间极短的特征，即使是上文提到的广东丹霞山，也可能在研学途中出现岩体崩落的情况，因此，要想在野外实地观察到这些地理现象往往要承担很大风险。借助于AR设备，选择安全地点将这类景观的背景场地与AR软件实时交互，降低了对师生产生伤害的可能性。

五、结论

研学旅行在培养中学生地理实践力上发挥着巨大作用，未来随着互联网、大数据时代地不断发展，AR技术辅助地理研学旅行教学将会受到热捧。一方面，由于地理现象的特殊性和研学组织的局限性等因素，使得AR技术很有必要与地理研学旅行进行融合；另一方面，AR技术已经在传统地理教学中日渐成熟，中学生对互联网世界的熟悉程度都为AR技术在地理研學旅行的应用提供了可行性。在未来的中学地理研学旅行中，可以借助AR学习环境，突破地理教学的时空限制，激发学生的学习兴趣，全面提升学生的综合素养。

参考文献：

［1］ 宋瑛，关克勇.基于新版课标地理实践力的认知与培养［J］.天津师范大学学报（基础教育版）， 2018，19（3）：64-68.

［2］ 林佩园.AR技术应用于高中地理学科教学策略研究［D］.无锡：江南大学，2021.

［3］ 王珏璠.增强现实地理野外实习系统的设计与实现［D］.开封：河南大学，2020.

［4］ 杨培生，邵美兰，许小华，等.基于AR技术的山洪灾害交互式宣传系统设计与应用研究［J］.江西水利科技，2021，47（6）：416-421.

［5］ 张丽娜，由秀萍，董志成.关于中学地理研学旅行的几点思考［J］.中学地理教学参考（下半月）， 2017（12）：67-69.

［6］ 胡家诚.基于增强现实技术的高中地理可视化教学实践研究［D］.沈阳：沈阳师范大学，2021.

［7］ 朱诚，马春梅，张广胜.中国典型丹霞地貌成因研究［M］.北京：科学出版社，2015.

通信作者：于雷