基于科学可视化的高中地理教学分析*——中科星图数字地球教学助手教学实践应用案例

沈兰兰 过 凯

(合肥市第三十二中学 安徽合肥 230000)

地图是地理学习中的重要工具之一,通过地图的学习有助于学生构建地理知识体系,辅助学生提升地理学科认知,围绕地图的地理知识教学也是地理学科教学中不可或缺的一环。而在实际的地理教学过程中,教师常常会面对诸如手绘版地图不标准、自带挂图不方便、平面地图无法交互、立体空间场景难以动态展示和描述等教学问题。基于科学可视化技术的星图数字地球教学助手所提供的可视、立体、动态的地球空间模型与互动式教学功能恰好可以解决这一教学难题。生动有趣的模拟教学场景,对学生的读图、析图能力有很大提升,进而达成促进学生地理学习兴趣与地理学科核心素养的最终目标。

科学可视化是可视化技术在自然科学领域中的应用,即通过计算机图形学来创建视觉图像,使科学概念或结果便于理解,不用阅读复杂抽象的信息就可获得科学知识。据大量实验研究表明,人类通过视觉感官可以获取大量信息,也是最主要的通道,科学可视化正是一种利用人类视觉认知优势以增强人类科学认知能力的认知工具。课题组通过阅读大量文献及教学实践,发现在高中地理学科教学过程中,特别在地貌、乡村与城市、交通运输布局与区域发展等章节,可通过科学可视化系统的辅助运用,提升地理图像解读的教学效果。相比于传统教学方法更为简单易懂,应用互动式教学解决地理疑难知识点的教授,能有效减轻学生地理学科认知负担。本文主要以中科星图数字地球教学助手为例,探讨科学可视化在高中地理教学中的应用价值。

一、科学可视化辅助地理教学在教育学、心理学上的原理阐述

在新高考、新课程、新教材背景下,《普通高中地理课程标准》(2017年版2020年修订,以下简称“课标”)中明确提及要“深化信息技术应用”,对教师的教学观念提出了高要求、高标准。高中地理具有时空特征,借助信息化手段能够清晰表明地理信息的时空特点,解析地理事项。同时,地理信息科学赋予高中地理教学“第二次生命”,在2017版人教版地理必修教材、选修教材中,GIS、RS、GPS技术都有所涉及,很多一线教师借助不同的科学可视化技术对该内容进行授课,所以地理教学信息化大势所趋,时代必然,也是高中地理教学改革的需要。

在中学地理教学中,心理学与地理教学的结合密不可分,地理作为一门综合性学科,与多门学科知识有融合,不仅有自然科学,如生物、化学、物理、数学等,而且还与心理学有很大关系,其在学习过程中需要渗透着大量的心理学方法。学生在地理学习过程中,各种思维和地理分析能力都是教师有目的地对其培养,按照教学计划进行,如培养学生的地理空间知觉能力、综合分析能力、交往能力、实践操作、逻辑思维能力等等。地理教学中渗透着心理学中的视、知、觉、意理论,表象转化理论,都可成为研究的基本理论,以期培养学生的地理空间判断能力,提升其区域认知核心素养;在教学中可渗透心理学中探讨的概念形成和转化理论等,以期培养学生的综合分析能力和抽象概括能力;在地理教学中可渗透建构主义情境教学,在课标中关于“学业水平考试命题建议”的表述“核心素养应通过学生在应对复杂现实情境时的外在表现加以推断”,其中“情境”中,包括联系学生日常生活的情境,地理与生产联系的情境以及地理学术情境。从课标中,我们不难发现,不管是教学建议还是评价建议,均强调了“情境”的重要性。因为地理学科核心素养需要通过学生在应对复杂现实情境中的表现才能加以推断。建构主义情境教学以期培养学生的利用媒体进行社会互动学习的能力和进行解决问题的实践能力。另外,在教学中可渗透教育心理学中的辅合思维、辅散思维和批判性思维理论,以期培养学生的创新意识和创新思维能力。数字地球教学助手在教师备授课环节中所提供的各种技术能力就是将这些理论方法直观表达,从而辅助地理教学在学生跟教师之间更加高效地进行。

可见科学可视化技术的应用,能够让教师在课堂教学中为学生直观地呈现地理信息技术的应用形式,促进学生地理综合思维、区域认知等核心素养的提升,满足学生对日常生活地理知识的运用。

二、数字地球教学助手在地理教学中实践应用分析

(一)应用科学可视化技术创作地理教学素材,有效提升教师备课效率

经课题组调研发现,在地理教学备课环节中,现有教材虽然有丰富的教材插画可作为课前备课素材,但应用其打造一堂生动且优质的教学课程,仍远远不够。优秀老师会应用信息化技术,广泛查询、筛选数字化备课资源。但同时由于网络资源的开放性与不确定性,容易遭遇资源老旧、资源严谨度不足、适用性不强等各类问题。数字地球教学助手中集成了海量的地球信息数据,包括星图渲染图、矢量地图、地形注记、行政区域等多类型底图(图1),支持星空、大气、云层、地形、光照等渲染效果,可以实现数据的叠加,以呈现不同状态下地球形态,为地理科学的可视化学习提供了底层保障,便于学生沉浸式感知地球变化。支持光照、降水等各类专题地图,能够满足地理教学中的各种地图数据的实际教学需求。同时数字地球教学助手提供商中科星图数字地球公司具有甲级测绘资质证书,可确保相关数据的准确性和权威性。

图1 教学助手多源数据图

另一方面,教师还可以基于数字地球创作特色授课资源,通过简单的拖拽、定位标记、标注标绘等功能形成更符合本班学生特色的互动式教学课件。例如在数字地球教学助手资源中心模块中,有世界年降水量、平均气温、世界气候类型等素材图,可通过简单拖拽实现素材在数字地球上的对应呈现。老师还可以将课程相关图片、视频、影像数据的在线添加与管理,构建出个人地理教学素材中心。基于素材图片可实现二次标绘与编辑(图2),形成符合课程要求的个性化教学素材。标注绘制功能对于地理教研课题研究能够有效提供图上标注分析,展示三维空间的直观场景,提供科学可视化的素材,高效辅助中学地理教学。

图2 二次编辑与标绘

(二)授课环节实时互动,教学相长不设界限

在当前的实际教学过程中,我们会发现部分地理老师过于强调教师教的主导地位,而忽视学生学的主体地位。通过数字地球教学助手的课上应用,教师可带领学生实现峡谷漫游、实景探索,让学生将课本知识与实际生活中的地形地貌形成知识关联。依托数字地球高程数据与多样地球计算能力(图3),实现由学生主导展开地球相关剖面分析、淹没分析、等高线绘制等互动式教学活动。例如在相关人文地理课题教学过程中,可采用淹没分析动态呈现区域淹没过程,启发学生更好探究抗洪抗涝的本质问题。在地形地貌相关教学环节中,可由学生选取相关区域,针对区域绘制等高线地形图,便于学生将等高线概念与实际地形关联学习。

图3 数字地球计算能力

数字地球教学助手涵盖宏观、中观、微观的全方位地球信息与地球数据资源,解决传统地理教学模式中无法通过静态地图实现地貌发育、城市变迁等需要动态展示及原理讲解的知识教学,更为直观、生动地辅助高中自然地理内容的教学,有利于教师打造出更为接近真实情景的地理学习情境,实现互动式教学,同时为学生提供沉浸式教学体验,提升学生地理学习体验感与学习兴趣。静态的地理数据动态化演示,对于提升课堂内容丰富性,激发学生想象空间力有着重要作用。

因此数字地球在丰富课堂教学方式的同时,能帮助学生更好理解地理相关知识。通过数字地球教学助手在课堂教学场景的引入,有利于学生区域认知素养的培养,多源数据的叠加显示又十分有利于综合思维以及人地协调观素养的提升。

(三)开放式平台功能,牵引学生课后学习

地理学科是一门多学科、跨领域、门类复杂的综合性学科。传统课后主要以教师给学生布置纸质学业任务为主,形式较为单一,不易形成学生们的团队协作与实践交流。应用数字地球教学助手的开放性,师生均可通过网络,实现数字地球的实际应用。课后学生可形成研讨小组,应用数字地球教学助手实现针对课上问题进行进一步的探索、讨论。通过课上、课下的联动学习,既巩固了所学知识,同时也让学生足不出户感受地理之美,从而促进学生提升探究、研讨、合作、沟通等多类素养,激发学生自主性学习潜能。

结语

综上所述,通过基于科学可视化的数字地球教学助手在实际教与学过程的有效应用,对教学效率和效果有着促进作用,一定程度上帮助教师突破了教学重、难点,使得学生在沉浸式体验自然魅力的同时对地理原理和规律的理解更为准确深刻。数字地球是当代地理信息技术的具体应用,其表现出来的数据优势、可视化效果、分析工具优势以及智能便捷化操作优势,使其非常符合地理课堂情境教学的需求。数字地球技术及软件工具在学科教学发展、地理课堂教学、课研上的应用是必然趋势,未来还需要以更多的应用实践案例进行探索和总结。