关于AR增强现实与地理教学的思考

1、关于AR增强现实与地理教学的思考AR的概念增强现实(Augmented Reality,AR )被定义为一种将现实世界与虚拟对象相 结合的技术，它提供了真实和虚拟对象之间的交互3通过设备捕获目标点，然后 连接虚拟对象，再通过特定程序对实时视频图像结果进行处理解读，展现出虚实 信息叁加的交互式立体画面。AR与教育的融合2011年的地平线报告中描述了 AR在未来教育教学中的发展潜力，AR具有 可视化和支持高度交互学习的特征使得数字模拟叁加的内容如同现实世界中操 作一样简单，AR还具有对用户输入做出及时反馈的特征，这种特征赋予了学习 和评估巨大的潜力。学生在与虚拟对象相互作用的基础上构建新的理解。2

2、2017 年新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告指出：AR将作为 K12和高等教育发展中长期所采用的关键技术。3AR技术具有虚实结合、实时交互等特点，能实现对复杂空间关系和抽象概 念的可视化可以帮助学生学习抽象、复杂的知识，在创设交互式学习环境、提 高学习成效方面颇具价值。伯尼5克莱米RKalz、M.于尔岑.P施佩希特.认识AR:增强现实与增强的虚拟性相遇J通用计算机科学杂 ,2012,18(15):2143-2164. JOHNSON L.SMITH R.WILLIS H , et al.2011 horizon report EB. OL . ( 20190321) 0190

3、604 . http: / A/honzon2011/. 3高媛，黄荣怀.2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告解读与启示田.电化教 育研究.2017 , 38(4):15-22. 张四方.江冢发科学教育视域下增强现实技术教学应用的研究与展望J.电化教育研究,2018,:6469. 王国华.张立国增强现实教育应用:潜力、主题及挑战以现代教育技术.2017,(10):1218. learmne achievements and motivations in natural science inquiry activitiesJ. Journal of Educational

4、Technology & Society, 2014,(4)352-365.7财AR技术在教育领域的应用.J.无线互联科技,2020、(4):158159.8 多普佩特、梅卡利克舒恩，克莱辛斯基.参与与成就:科学背景下基于设计的学习率例研究J.技术教育杂 志,2008,19,22-39. Chiang等已证实了 AR技术在提高学生注意力、99自信心和激发学习动机等方面显著优于传统的讲授式教学法。姚甜7归纳出AR应 用在教育领域的特性：增强学习动力、体验现实生活中无法做到的事件、加强团 队协作、内容以新颖的方式呈现等。AR技术可支持的教学理论：(1 )建构主义：通过AR技术呈现逼真的情境， 学生

5、与教师或同伴之间相互协助和会话，充分利用情境中的信息并加以分析，实 现主动的意义建构，即发现事物的性质、规律及事物之间的内在联系。与建构主 义学习相关的教学法是探究式教学法。(2 )情境学习：通过在现实世界环境中嵌 入教育体验并将现实世界带入课堂，实现真实和情景化学习。8AR与地理课程的融合地理课程具有区域性的特征，课程内容涉及区域的自然与人文特点，不同区 域的地理概况等。而与区域性最空切相关的地理学科核心素养是区域认知。2017 年版的高中地理课程标准指出，区域认知是指人们运用空间区域的观点认识地 理环境的思维方式和能力。培养学生的区域认知素养，离不开区域信息的呈现。在传统的地理课堂中， 由

6、于受诸多条件限制，教师只能呈现文字、图片、视频等二维信息。学生因无法 在真实直观的地理环境中学习，也就较难理解抽象复杂的地理规律或原理，因此 最终影响到学习效果。AR技术可以将地理课程的抽象内容形象化、具体化,构建虚实结合的立体 地理环境，打造身临其境”的沉浸式体验，增强学生对地理事象的认知，建立 空间和区域的概念，促进地理知识体系的建构。另外配合实时交互功能,学生能 在AR技术的地理环境中主动思考、探究和实践，充分凸显学生的主体地位。以下基于“xx初中地理”手机app、”中图。学堂app、AR沙盒、AR沙 盘等为主要分析对象，从AR地理课程的选题、设计、应用和评价4个维度，探 讨AR如何辅助

7、地理教师提升课堂教学效果。AR地理课程的选题XX地理app是以教育部课程标准为大纲及内容，由多位名师组成的核心 课程研发团队开发打造的一款AR教育软件，应用AR将虚拟模型与现实场景进 行鎏加，让学生学习更有趣、理解更简单、记忆更快速该软件包括5大版 块：AR难点xx、世界地理、中国地理、PK地理妙赛、Q&A小题妙做。但主要涉及到AR的模块是AR难点xx ,涵盖地球公转、地球自转、世界气 候类型、经纬网、七大洲四大洋、中国地形地势、等高线地形图7个内容。从选题角度分析，主要选择了初中地理教学中的重难点作为AR虚拟场景展 示主题，因为不是每一个课程内容都适合AR辅助教学。另外，由于技术开发成 本高

8、、建模难度大、需与课程设计匹配等因素，覆盖全部地理课程内容的AR辅 助教学也较难实现。总之：xx初中地理的AR辅助地理教学已经实现迈开第 一步：针对教学重难点进行深度直观剖析，学生能够与立体模型进行互动，从而 增强了学生的感性认识，帮助学生更有效地理解抽象的地理知识。xxe学堂”app是由中国地图出版集团旗下的教材出版分社与数字出版分 社联合倾力打造的一款教育软件，依托AR、VR、三维动画(3D)、平面动画(2D) 等技术进行动态模拟，使教学对象由静态变为动态，由平面变为立体，由抽象变 为具象，化难为易激发学生兴趣。该软件需要配合扫描纸质教材中的图片使用， 能够呈现立体的地球仪，呈现旋转演示地

9、球自转；呈现立体起伏、分层设色的中 国地形图；呈现立体的民居结构等。整体的选题方向与XX初中地理”手机app 类似，偏向突破抽象复杂的重难点知识，但选题覆盖的范围有所扩大。AR沙盒则是由一台电脑投影仪、一部位置追踪输入装置和一个木盒组成。 AR沙盒直观、立体地呈现现实中沙堆的等高线，从而突破地形图的判读教 学重难点，即判读等高线地形图，识别五种常见的地形，判断坡度的陡缓程度。 但该项AR辅助教学技术选题较为单一，而由于突破了手机屏幕小的限制，而且 学生能触碰到沙盒中的沙粒并改变高低起伏形态，则互动体验效果更佳。xxxxx星地理AR沙盘结合了计算机、投影机、体感追踪设备,主要分为两 部分。一是底

10、座部分，包含主机和沙盘，沙盘中的沙子是经过消毒处理的干净海 沙，触感轻柔；二是顶部投影部分，当学生在沙盘中堆砌沙子呈任意形态时，体 感追踪器会实时测量出下方沙子的高度，投影机会依据模型高度投射分层设色图, 进而演示不同地形地貌。随着学生移动沙盘内的沙子，追踪器捕捉其形态变化， 投射的色彩和等高线也会发生相应的变化。AR沙盒AR地理课程的设计复杂的空间事物和抽象的地理概念需要学生空间想象能力。传统课堂中单纯 的二维图形不利于学生理解和想象。制作实体模型可提高立体感，但费时费力， 且与真实的地理空间形态可能相差较大。整体而言，学生在理解抽象的地理知识 较为困难。AR则能够为学生提供更逼真、更立体的

11、地理环境或地理事象和实时 多角度的交互体验，大幅提高理解吸收抽象的地理知识的效率，但这是否意味着 教币可以“重技术,轻设计？其实，技术支持能使得课堂效果有所提升，但不代表教师能够忽视课堂教学 设计。张晓敏等提出基于AR的体验式学习活动设计流程：(1)准备阶段 分析学习目标、学习者特征、学习内容；(2)设计阶段学习活动任务、组织 共同体、任务分工；(3 )实施阶段开始、渐进、深入、再深入、结尾。其中, AR只是作为提供学习过程中的情境支持，教师仍需要分析重难点知识和学情, 并对整个教学全过程进行设计并实施。教师需要提出问题、布置任务,学生需要 经历感知了解、体验与学习、思考回答、领悟内化、总结应

12、用等环节。总之，AR 仅是辅助教学技术，而不能完全取代教师的引导学生学习的作用。AR地理课程的应用以XX初中地理app为例，介绍AR地理课程难点突破的应用案例。在“地 球自转模块的AR效果中，学生可从南北两极的角度观察“北逆南顺的自转 方向，以及因地球自转产生的昼夜交替现象。在地球的公转”模块的AR效果中，学生可拖动地球在公转轨道上运动， 观察黄赤交角；拖动地球在二分二至日暂停，配合太阳直射点回归运动示意 图，理解五带和四季的形成过程。在等高线地形图”的AR效果中，学生通过观察立体呈现的山体，从而了9张晓敏.庄天宝.史曜楠基于AR的地理学习活动流程设计J科教文汇.20200).154-156

13、解等高线、等高距、等高面的概念；理解山峰、鞍部、山脊、山谷对应的等高线 特点；从不同角度观察等高线地形图。学生还能够在AR绘图卡手绘等高线，绘 制完成后用颜色笔为等高线地形图上色，再用软件扫描彩绘卡，就能立体呈现分 层设色等高线地形图。在“xx网的AR效果中，学生可将立体地球放大或缩小，可东西向旋转, 南北向调整视角，提升空间感。学生能从正面、侧面和南北极上空俯视观察纬线 圈的形成。学生可以在不同的模块中自主探究，也可以点击难点剖析：根据系统的 讲解进行复习；还可使用学习金字塔理论中效率最高的学习方法一”教授 给他人来学习知识，即将自己分析知识点的过程录制成教学视频（见图4右下 角的摄像机图形

14、按钮），并分享给老师或同学，极大地提高了学生的主动性。除了 xx初中地理app之外，还有个别学校和AR公司合作开发的AR 移动专业地理教室”也有应用案例。相关的应用案例证明了 AR在突破地理教学 重难点的同时，也提高了学生的解题能力。余爰惠 呻J用AR移动专业地理教室，帮助学生理解2017年福建省地理 中考统考试卷第27题（1 ）小题：图中陡崖顶部的海拔高度不低于多少米（图 略）？时，通过AR设备呈现的三维叠加等高线的山体，并借助平板电脑的数 据输入陡崖顶部有可能存在的点标记（最高与身氐的I学生能清晰地见到放大 的三维陡崖顶部情况，并轻松地找到了陡崖顶部的海拔范围。如果是仅有PPT演 示解说的

15、传统教学是难以达到这种效果的。因此，AR给学生带来真实的学习环 境在一定程度上提高了学生的学习深度的同时，也提高学生的解题能力和举一反10余爱惠增强现实AR技术在初中地理难点教学中的应用J.地理教学,2020（5）:51-52.2三的能力。而在AR沙盘的实际教学中，老师可以根据课堂需要塑造地形，投影出带色 彩变化或者无色彩的等高线地形图以用于教学。此外，当老师或学生把手放在沙 盘上方做出对应的手势时,虚拟的雨水便会倾盆而下，穿过山峰和山谷，形成溪 流。同样的手势在火山模式时还能模拟火山爆发，趣味性十足。图3虚拟雨水AR沙盘的操作非常简单，当学生学习完等高线的知识后,就可以自己动手 操作随心塑造

16、出自己想要的地形。相较于传统的地理模型和静态沙盘，AR沙盘 更加简便直观，也方便教学,尤其是在动态教学方面极大地满足了教学需求。 AR地理课程的评价“XX初中地理app提供了学习效果评价板块,即Q&A小题妙做“，且配 以闯关模式和竞技模式。但也是基于图文的常规题目，而不是在AR的效果中进 行实时测评。因此AR辅助教学目前还处于提升抽象地理知识的立体效果阶段， 不涉及到测评环节。但如果能将测评环节加入AR效果中，学生的学习效果可能 会更好。袁玲等“将AR技术对学生学习目标达成的影响进行定量化研究,在一定程袁玲.卢晓旭，吴成领、刘勇.孙裕锤.AR技术对中学生学习目标达成度的影响J.现代教育技 术,

17、2020(11),53-59.度上可看作是对AR地理课程进行评价的一种方法。以等高线地形图教学为例, 对实验班和对照班分别进行等高线知识技能水平前测、授课和后测。其中实验班 采用“xx初中地理app录制的AR三维视频、对照班采用传统二维视频开展 教学，通过分析实验数据，得出结论：实验班等高线知识技能水平的提升幅度明 显高于对照班，AR三维视频教学取得的教学效果更好。但实验未能在检验AR 在延长记忆时间、促进学生深度学习、提升学习兴趣、核心素养达成度等方面的 效果。张晓敏等葭在AR课程活动设计的学习评价模块中，使用成绩与凯勒的学生 学习动机问卷来实现，并将结果反馈到设计阶段，以便教师对之后的教学

18、流程设 计及时做出修改和调整。整体而言，由于AR与地理教学融合还处于应用初期，目前对AR辅助地理 教学的研究更多倾向于如何设计活动和具体应用，以达到提高课堂效率、提升测 试成绩的效果。而对AR地理课程评价的研究更多从感性认识上做的定性研究, 缺乏更深层次的实验调查数据来证明AR对学生的学习兴趣、学习态度、情感提 升、思维发展等隐晦的层面产生的影响。关于AR地理课程的设想AR技术助力培养综合思维核心素养综合思维是指人们运用综合的观点认识地理环境的思维方式和能力，是地理 核心素养之一。其中,综合思维有三大表现,分别是要素综合、时空综合和地方 综合(区域综合1课标在学科核心素养”模块指出综合思维”素

19、养有助于12张晓敏，庄天宝史鹏楠基于AR的地国学习活动流程设计J科教文汇,2020(3),154-156. 92人们从整体的角度，全面、系统、动态地分析和认识地理环境，以及它与认类活 动的关系课程目标”模块也要求学生能够形成从综合的视角认识地理事物 和现象的意识，对地理各要素之间的相互作用关系有较强的分析能力，并在一定 程度上解释地理事物和现象发生、发展的过程,从而较全面地观察、分析和认识 不同地方的地理环境特点，辩证地看待地理问题、这些都体现了综合思维的内 涵和培养方法，那如何结合AR技术来达成培养综合思维的目标呢？从AR技术本身的特点而言/蹴切合综合思维中的时空综合。一般而 言，在传统的教

20、学课堂中，教师更多从静态的角度解析地理事象的特征,很难做 到”全面、系统、动态地分析和认识地理环境另外，教材很多时候只呈现地 理事象的关键节点，忽略了地理事象发生、发展的过程，例如二分二至日全球的 昼长和正午太阳高度分布图等。如果运用AR技术弥补教材缺乏动态呈现的 缺陷，将有利于学生建立“时空综合”的思维视角。以下选取部分地理教学主题 构思AR技术与地理教育结合的设想。呈现地貌的演化发展过程普通高中地理课程标准（2017版）（以下简称“课标）对地貌的内容要 求是“通过野外观察或运用视频、图像，识别3-4种地貌，描述其景观的主要特 点、由此可见，课标只要求学生”识别和描述特点，倾向于从静态的角度看待 地貌景观，而且只看到地貌的终局，看不见地貌随时间变化而发生形态和空 间上的变化。但值得注意的是，如果学生能够清晰了解地貌的发生、演化、发展过程，理 解地貌形成的“前世今生，从而全面、系统、动态地分析和认识地理环境”， 则更容易达成课标的内容要求。另外，根据xx地理研究室对2020高考地理试题 统计分析结果指出,各卷地理试题突出对地理过程的考查，引导学生根据地理事 象的区