基于图层操作的进阶式地理交互学件开发与探索

2023-11-26高立洋

中小学数字化教学 2023年10期

高立洋

地理是一门具有综合性、区域性等特点的学科。教师在课堂上仅仅通过语言描述无法穷尽不同的地理事物，若想让学生掌握地理事物的空间分布，必须用地图语言把广阔地理事象的空间结构、空间分布、空间联系、时间变化展现出来^[1]。地图作为地理学的第二语言，包含丰富的地理信息，并按照一定规则将地球表面各种事物用地图符号表现在平面上，以反映各种自然、社会现象的地理分布和相互关系^[2]。

有研究表明，人们接收的空间信息中，80%以上是地理空间信息^[3]。因此，地理学科在发展学生空间思维、培养学生空间素养方面理应承担更大的责任和义务。得益于地理信息技术的迅速发展，诸如最短路径、空间叠置和缓冲区分析等地理信息系统（GIS）的空间分析功能在现实问题解决中得到广泛认可并发挥重要作用^[4]。笔者尝试发挥现代信息技术的优势，选择合适的平台、软件创设图层叠置功能，开发出基于图层操作的进阶式地理交互学件（以下简称“学件”），用于教师课堂教学和学生自主学习，让学生在移动终端对不同地理图层进行叠置操作。

一、开发依据

（一）培养学生核心素养的需要

《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，地理学科核心素养主要包括人地协调观、综合思维、区域认知和地理实践力，它们是相互联系的有机整体。开发该学件的初衷，首要是实现学生核心素养的创造性培养。

实践发现，学生对图层进行叠置操作，有助于培养地理核心素养。图层叠置，是指借助地理信息系统软件，将含有不同地理要素的专题地图进行叠置操作，通过综合考虑和精细分析某一空间区域的多个要素，解决区域背景下的具体问题，培养学生运用综合观点和区域观点认识地理环境的思维方式和能力，实现思维可视化。可见，对某一空间区域不同要素图层的叠加和拆分操作，不仅符合一般的地理空间分析习惯，而且对学生的综合思维和区域认知思维培养有较大帮助。

（二）满足学生个性化学习的需要

学件是教师为达成教学目的使用的一种教学辅助工具，也是教师发挥教学重要作用的手段^[5]。由于地理学科内容时空跨度大，学生个体存在较大差异，加之当代中学生是互联网时代的原住民，接触过丰富的现代信息技术，所以教师要实现因材施教，必须考虑学生的学习特点，研发支持学生自主学习的学件，满足学生学习需求。

为此，笔者决定开发一款服务于地理图层操作、适用于课堂内外、兼具科学性和体验性的利于学生自主探究的学件。该学件以图层操作为功能特征，对不同地理要素的图层进行叠加和拆分，通过创设学习情境，让学生经历科学探究的过程，借助交互性为学生大胆猜想、小心求证的探究性学习提供技术支撑，帮助学生纠正和深化已有学习认知，建立新的科学概念或者想法，培养探究能力和科学态度。

二、开发策略

（一）寓情于景提供沉浸式体验

基于图层操作的学件，能够通过一定数量的文字、图片和形式丰富的音视频资料，借助活动任务设计，建构系统化的探究情境，让学生更好地进入探究学习状态。在具体的教学情境中，教师可以引导学生进行沉浸式体验，深度探究具体问题。这既能够避免人机交互产生的情感缺失，又能提高学生线上自主学习效率。

（二）项目式学习提高问题解决力

项目式学习中，教师要提供一些关键素材创设教学情境，引导学生在具体情境中解决问题。图层操作学件以交互操作為技术支撑，能够让教师引导学生对某一空间区域的开放式问题进行探究学习，从感性选择相关图层开始，到验证各要素的关联性和客观评价各要素价值，最后提出解决背景问题的措施，为学生提供探究式学习情境，培养学生应对未来挑战的能力。

（三）关卡进阶助推螺旋式发展

为了进一步优化学生学习体验，遵循学生认知规律，学件要建构进阶关卡，助推学生能力螺旋式发展。基于图层操作特征，学件将聚焦图层筛选、逻辑归因、价值评价和问题解决四个核心任务来设置关卡，通过问题链和情境创设引导学生对某一具体问题进行深入分析，螺旋式助推学生能力发展。

（四）水平对标精准化素养培养

为了增强学生核心素养培养效果，学件的探究任务设计将聚焦地理核心素养水平要求。除了聚焦区域认知思维外，对于学生综合思维的培养，教师设计学件时还需精细化对标不同水平要求，根据地理要素的复杂程度、行为动词综合分析情况等有针对性地安排探究任务，结合进阶关卡螺旋式发展学生核心素养。

（五）任务建构优化在线体验性

基于当前教学对现代信息技术要求较高和学生自主学习的特殊性，除依据课程标准和教育规律以外，学件将依托信息技术设置丰富的交互式任务和过程性评价，优化学生的在线学习体验。图层操作、语音指令、任务作答等交互式任务，可以引导学生持续思考探究；选择、填空、简答等问题，可以为学生提供实时的自主学习过程性评价。

（六）多感官联动夯实学习效果

研究发现，学生的感知通道差异不大，所以，教师从多个渠道输入信息，刺激学生多种感官来优化教学，能够取得良好的教学效果^[6]。基于图层操作的学件，将调动学生的视觉感官，在阅读中认知背景；调动学生的听觉感官，借助指令进行探究进阶；调动学生的触觉感官，操作地图完成图层叠置。在多元感官的联动刺激中，学件不断夯实学生学习效果。

（七）自主制作发挥教师能动性

可以说，比较了解学生学习情况的是任课教师，任课教师应是设计学件和跟踪学生学习过程的最佳人选。一线教师大多拥有丰富的教学经验，对课程标准、教材把握也比较到位，能有效避免学件开发中脱离课标、教材、学情等问题。更重要的是，自主制作学件还能激发教师的主观能动性，让教师主动研究适合的学件以服务学生的学习。

三、技术实现

基于以上分析，我们发现，教师需要借助能够实现图层操作的交互性较强且方便使用的平台、软件来制作学件。当前教师教学中使用的平台大多是通用性、基础性的，很难兼顾不同学科的差异化需求。而且，一些软件虽然具有图层叠加功能，如ArcGIS和天地图等，但因这些软件过于专业或者无法实现二次开发，限制了学件某些功能的实现。

为了获得图层操作效果，笔者通过大量尝试，发现教师可用PPT中对底图和要素透明图层的动画设置实现图层叠加或拆分操作^[7-8]。然而，仅仅借助PPT动画，教师难以满足学生在线自主学习的需要。为此，笔者尝试了多种可将PPT转化为线上交互操作的途径，如运用九云图、PP匠、91速课等，将PPT较为完整地转变为HTML5网页再进行分享和在线操作。运用PP匠、91速课，教师还可增加语音指导功能以优化交互性，但它们对于较复杂的动画或者链接功能转化效果欠佳。而且，受平台、软件在用户二次开发上的限制，仅仅基于PPT的动画与链接等基本功能制作的HTML5网页，在交互性方面表现一般。

为了充分挖掘PPT功能，并将其转换为可供交互的学件，笔者聚焦PPT寻找解决方法，最终发现了iSpring Suite插件。通过此插件，教师可以把PPT课件发布为HTML5格式的网页，且动画、链接等无损。之后，教师将对应的网页发布到网站上，方便学生便捷操作。iSpring Suite插件还有丰富的场景功能，可以进一步提高学件的交互性（如图1）^[9]。

四、案例分析

下面通过具体案例来介绍此学件的使用方法。日常教学中，教师引导学生分析区位条件时常常需要综合考虑不同的地理要素。这是培养学生综合思维的良好契机。笔者结合探究活动“澳大利亚‘小麦—牧羊带分布的影响因素”内容，运用地理交互学件，开展教学活动，提高教学效果。

（一）创设情境，让学生沉浸式体验自主学习

情境教学是地理课标中的一条重要建议，对教师教学效果的提升很有帮助，在线上学生自主学习中也较为需要。此案例中，教师先介绍了澳大利亚小麦—牧羊带的素材背景，创设出探究其分布的教学情境，以激发学生的好奇心。之后，以问题设置、语音录制等方式，引导学生深入探究其区位因素。环环相扣的问题链和原声语音，不仅拉近了师生之间的距离，有效避免了人机交互的不足，还会给学生营造出沉浸式的自主学习环境（如图2），调动了学生的多元感官。

（二）图层操作，可视化培养学生的综合思维

为了培养学生综合分析不同地理要素的能力，教师借助澳大利亚小麦—牧羊带区位条件分析案例，在学件中为学生提供了丰富的、相同尺度的半透明专题图层。这些图层有些要素与小麦—牧羊带的形成相关，有些无关。教师引导学生认识同尺度下的差异化图层，其实是在强化学生的区域认知能力。学生根据初步判断进行有针对性的图层叠加操作，能够可视化验证小麦—牧羊带与不同要素的相关性，从而初步筛选出影响小麦—牧羊带分布的要素。

但是仅仅进行相关要素筛选，它在提升学生综合思维能力上的作用是有限的。从核心素养培养来看，该交互仅能实现学生综合思维水平二的培养，即能够对给定的简单地理事象，从多个地理要素相互影响、相互制约的角度进行分析；能够结合时空变化，对其发生、发展进行分析，给出简要的地域性解释。因此，教师还需设计更丰富的交互来优化学生核心素养的培养。

（三）关卡进阶，螺旋式提高学生的素养水平

为了激发学生的学习兴趣，此学件创设了闯关进阶的情境，并基于核心素养水平划分设置了不同的关卡任务（见表1）。

关卡一中，教师引导学生用图层操作筛选小麦—牧羊带分布影响要素，符合综合思维水平二的要求。

关卡二中，基于综合思维水平三的要求（能够结合给定的复杂地理事象，综合各要素，系统分析其相互影响、相互制约的关系，从时空综合维度对其发生、发展和演化进行分析，给出合理的地域性解释），教师设置了对不同图层所代表要素和小麦—牧羊带分布的逻辑表述任务，引导学生在感性判断的基础上，理性分析各要素的具体影响。考虑到学生的基础和能力有差异，在理性逻辑表达之前，教师还设置了选择、填空题，为学生搭建脚手架。

关卡三中，基于综合思维水平四的要求（能够对现实中的地理事象，如自然环境的变化、区域发展、资源环境与国家安全问题等，运用要素综合、时空综合、地方综合的分析思路，对其进行系统性、地域性的解释），教师引导学生客观评价不同影响因素，并对各影响因素进行分类，比如哪些是自然因素，哪些是社会经济因素，哪些是有利因素、不利因素，哪些是直接因素、根本因素，哪些是偶发因素、普遍因素，等等，预测不同因素的影响程度，帮助学生对该类问题形成系统认识，实现举一反三。

关卡四中，在学生对该问题形成客观、系统认识的基础上，教师引导学生在可持续发展观念的指导下，应用所学知识解决实际问题。在学生了解了澳大利亚小麦—牧羊带的不利影响因素后，教师还要引导学生从可持续发展的角度，提出合适的应对措施，螺旋式提升学生核心素养。

（四）交互测评，过程化评价学生学习效果

为了支持关卡进阶模式的顺畅推进，笔者充分利用PPT及其iSpring Suite插件的不同交互功能（如图3）。比如，为了增强学件的交互性与沉浸感，笔者对需要按钮操作的环节录制了语音，通过语音引导、说明提高交互效率，优化交互体验^[10]。

学件还充分利用iSpring Suite中的测验、互动、对话模拟等插件，通过交互式测评方便学生对自己的学习过程进行实时评价^[11]。其中，测验模块包含选择、填空、简答、配对、排序、评分、问卷等常规测验内容，还有图点等地理性较强的內容，考查学生对区域的认知能力；互动模块包含流程类、注释类、目录类等的交互功能；模拟情景对话模块中，教师能够快速创建关联场景的情景模拟对话，优化人机交互体验，有效训练学生的表达能力^[12]。

五、总结评价

在此基础上，笔者与团队进行了丰富的实践操作，针对学科与跨学科教学设计了20个交互式学件，归纳出PPT软件与iSpring Suite插件支持的基于图层操作的进阶式地理交互学件开发逻辑（如图4），有效提升教学交互性，满足学生自主学习需求。

学件有以下两方面的创新之处：一是创造性地实现云端的图层交互操作。学件借助PPT插件，不仅解决了图层操作的功能需求问题，还符合教师的操作习惯，充分调动学生的视觉、听觉、触觉等多种感官，借助问题链设计有效地促进学生高阶思维的培养。二是实现学生核心素养的可视化培养。对不同要素专题地图进行叠加操作，就是对某一区域的不同地理要素进行综合分析的思维可视化过程；对某一区域不同要素专题地图进行拆分操作，就是对该区域进行详细分析的思维可视化过程。这也符合“做中学”的要求，是对“双新”“双减”教学要求的有效落实。

目前，教师可以将学件发布到网站上供学生自主学习，初步解决了在线使用问题。对学生使用反馈进行分析后，我们发现，它还存在交互效果和使用体验欠佳的问题。比如文字类型的交互评价，因为iSpring Suite的填空与简答等交互题目只有在与答案意思和表述完全一致的情况下才会判断正确，导致部分意思正确但表述略有差异的答案被误判，从而影响了学生的学习体验。同时，当前学件界面设计比较简单，不利于学生的沉浸式学习。教师也没有收集和分析学生在学件上的交互数据，进一步制约了学件效果的发挥。

应该說，文字类型交互评价不准确是教师面临的一个较为普遍的问题。大部分教学平台也存在这样的问题，此问题的有效解决还需基于机器学习的技术发展作为支撑。当前，教师可以通过寻找替代平台或者在iSpring Suite填空、简答交互题中尽可能多地提供差异化的答案表述来降低此问题的发生频率。针对学件界面设计问题，在学件基本框架和功能明确后，笔者会进一步优化排版设计，多维度创设虚拟场景，以解决这一问题。此外，要不断升级网站服务器配置，对收集到的学习数据进行分析，向学生反馈对应的学习报告，客观评价学生的素养水平，为学生推送有针对性的学习资源，从而实现自适应性学习平台的搭建，助力学生的学习更加智能、便捷。

参考文献

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