基于科學(xué)可視化的高中地理教學(xué)分析*
——中科星圖數(shù)字地球教學(xué)助手教學(xué)實踐應(yīng)用案例

沈蘭蘭 過 凱

(合肥市第三十二中學(xué) 安徽合肥 230000)

地圖是地理學(xué)習(xí)中的重要工具之一,通過地圖的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生構(gòu)建地理知識體系,輔助學(xué)生提升地理學(xué)科認(rèn)知,圍繞地圖的地理知識教學(xué)也是地理學(xué)科教學(xué)中不可或缺的一環(huán)。而在實際的地理教學(xué)過程中,教師常常會面對諸如手繪版地圖不標(biāo)準(zhǔn)、自帶掛圖不方便、平面地圖無法交互、立體空間場景難以動態(tài)展示和描述等教學(xué)問題?；诳茖W(xué)可視化技術(shù)的星圖數(shù)字地球教學(xué)助手所提供的可視、立體、動態(tài)的地球空間模型與互動式教學(xué)功能恰好可以解決這一教學(xué)難題。生動有趣的模擬教學(xué)場景,對學(xué)生的讀圖、析圖能力有很大提升,進(jìn)而達(dá)成促進(jìn)學(xué)生地理學(xué)習(xí)興趣與地理學(xué)科核心素養(yǎng)的最終目標(biāo)。

科學(xué)可視化是可視化技術(shù)在自然科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用,即通過計算機(jī)圖形學(xué)來創(chuàng)建視覺圖像,使科學(xué)概念或結(jié)果便于理解,不用閱讀復(fù)雜抽象的信息就可獲得科學(xué)知識。據(jù)大量實驗研究表明,人類通過視覺感官可以獲取大量信息,也是最主要的通道,科學(xué)可視化正是一種利用人類視覺認(rèn)知優(yōu)勢以增強人類科學(xué)認(rèn)知能力的認(rèn)知工具。課題組通過閱讀大量文獻(xiàn)及教學(xué)實踐,發(fā)現(xiàn)在高中地理學(xué)科教學(xué)過程中,特別在地貌、鄉(xiāng)村與城市、交通運輸布局與區(qū)域發(fā)展等章節(jié),可通過科學(xué)可視化系統(tǒng)的輔助運用,提升地理圖像解讀的教學(xué)效果。相比于傳統(tǒng)教學(xué)方法更為簡單易懂,應(yīng)用互動式教學(xué)解決地理疑難知識點的教授,能有效減輕學(xué)生地理學(xué)科認(rèn)知負(fù)擔(dān)。本文主要以中科星圖數(shù)字地球教學(xué)助手為例,探討科學(xué)可視化在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用價值。

一、科學(xué)可視化輔助地理教學(xué)在教育學(xué)、心理學(xué)上的原理闡述

在新高考、新課程、新教材背景下,《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂,以下簡稱“課標(biāo)”)中明確提及要“深化信息技術(shù)應(yīng)用”,對教師的教學(xué)觀念提出了高要求、高標(biāo)準(zhǔn)。高中地理具有時空特征,借助信息化手段能夠清晰表明地理信息的時空特點,解析地理事項。同時,地理信息科學(xué)賦予高中地理教學(xué)“第二次生命”,在2017版人教版地理必修教材、選修教材中,GIS、RS、GPS技術(shù)都有所涉及,很多一線教師借助不同的科學(xué)可視化技術(shù)對該內(nèi)容進(jìn)行授課,所以地理教學(xué)信息化大勢所趨,時代必然,也是高中地理教學(xué)改革的需要。

在中學(xué)地理教學(xué)中,心理學(xué)與地理教學(xué)的結(jié)合密不可分,地理作為一門綜合性學(xué)科,與多門學(xué)科知識有融合,不僅有自然科學(xué),如生物、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等,而且還與心理學(xué)有很大關(guān)系,其在學(xué)習(xí)過程中需要滲透著大量的心理學(xué)方法。學(xué)生在地理學(xué)習(xí)過程中,各種思維和地理分析能力都是教師有目的地對其培養(yǎng),按照教學(xué)計劃進(jìn)行,如培養(yǎng)學(xué)生的地理空間知覺能力、綜合分析能力、交往能力、實踐操作、邏輯思維能力等等。地理教學(xué)中滲透著心理學(xué)中的視、知、覺、意理論,表象轉(zhuǎn)化理論,都可成為研究的基本理論,以期培養(yǎng)學(xué)生的地理空間判斷能力,提升其區(qū)域認(rèn)知核心素養(yǎng);在教學(xué)中可滲透心理學(xué)中探討的概念形成和轉(zhuǎn)化理論等,以期培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力和抽象概括能力;在地理教學(xué)中可滲透建構(gòu)主義情境教學(xué),在課標(biāo)中關(guān)于“學(xué)業(yè)水平考試命題建議”的表述“核心素養(yǎng)應(yīng)通過學(xué)生在應(yīng)對復(fù)雜現(xiàn)實情境時的外在表現(xiàn)加以推斷”,其中“情境”中,包括聯(lián)系學(xué)生日常生活的情境,地理與生產(chǎn)聯(lián)系的情境以及地理學(xué)術(shù)情境。從課標(biāo)中,我們不難發(fā)現(xiàn),不管是教學(xué)建議還是評價建議,均強調(diào)了“情境”的重要性。因為地理學(xué)科核心素養(yǎng)需要通過學(xué)生在應(yīng)對復(fù)雜現(xiàn)實情境中的表現(xiàn)才能加以推斷。建構(gòu)主義情境教學(xué)以期培養(yǎng)學(xué)生的利用媒體進(jìn)行社會互動學(xué)習(xí)的能力和進(jìn)行解決問題的實踐能力。另外,在教學(xué)中可滲透教育心理學(xué)中的輔合思維、輔散思維和批判性思維理論,以期培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維能力。數(shù)字地球教學(xué)助手在教師備授課環(huán)節(jié)中所提供的各種技術(shù)能力就是將這些理論方法直觀表達(dá),從而輔助地理教學(xué)在學(xué)生跟教師之間更加高效地進(jìn)行。

可見科學(xué)可視化技術(shù)的應(yīng)用,能夠讓教師在課堂教學(xué)中為學(xué)生直觀地呈現(xiàn)地理信息技術(shù)的應(yīng)用形式,促進(jìn)學(xué)生地理綜合思維、區(qū)域認(rèn)知等核心素養(yǎng)的提升,滿足學(xué)生對日常生活地理知識的運用。

二、數(shù)字地球教學(xué)助手在地理教學(xué)中實踐應(yīng)用分析

(一)應(yīng)用科學(xué)可視化技術(shù)創(chuàng)作地理教學(xué)素材,有效提升教師備課效率

經(jīng)課題組調(diào)研發(fā)現(xiàn),在地理教學(xué)備課環(huán)節(jié)中,現(xiàn)有教材雖然有豐富的教材插畫可作為課前備課素材,但應(yīng)用其打造一堂生動且優(yōu)質(zhì)的教學(xué)課程,仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。優(yōu)秀老師會應(yīng)用信息化技術(shù),廣泛查詢、篩選數(shù)字化備課資源。但同時由于網(wǎng)絡(luò)資源的開放性與不確定性,容易遭遇資源老舊、資源嚴(yán)謹(jǐn)度不足、適用性不強等各類問題。數(shù)字地球教學(xué)助手中集成了海量的地球信息數(shù)據(jù),包括星圖渲染圖、矢量地圖、地形注記、行政區(qū)域等多類型底圖(圖1),支持星空、大氣、云層、地形、光照等渲染效果,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的疊加,以呈現(xiàn)不同狀態(tài)下地球形態(tài),為地理科學(xué)的可視化學(xué)習(xí)提供了底層保障,便于學(xué)生沉浸式感知地球變化。支持光照、降水等各類專題地圖,能夠滿足地理教學(xué)中的各種地圖數(shù)據(jù)的實際教學(xué)需求。同時數(shù)字地球教學(xué)助手提供商中科星圖數(shù)字地球公司具有甲級測繪資質(zhì)證書,可確保相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和權(quán)威性。

圖1 教學(xué)助手多源數(shù)據(jù)圖

另一方面,教師還可以基于數(shù)字地球創(chuàng)作特色授課資源,通過簡單的拖拽、定位標(biāo)記、標(biāo)注標(biāo)繪等功能形成更符合本班學(xué)生特色的互動式教學(xué)課件。例如在數(shù)字地球教學(xué)助手資源中心模塊中,有世界年降水量、平均氣溫、世界氣候類型等素材圖,可通過簡單拖拽實現(xiàn)素材在數(shù)字地球上的對應(yīng)呈現(xiàn)。老師還可以將課程相關(guān)圖片、視頻、影像數(shù)據(jù)的在線添加與管理,構(gòu)建出個人地理教學(xué)素材中心?；谒夭膱D片可實現(xiàn)二次標(biāo)繪與編輯(圖2),形成符合課程要求的個性化教學(xué)素材。標(biāo)注繪制功能對于地理教研課題研究能夠有效提供圖上標(biāo)注分析,展示三維空間的直觀場景,提供科學(xué)可視化的素材,高效輔助中學(xué)地理教學(xué)。

圖2 二次編輯與標(biāo)繪

(二)授課環(huán)節(jié)實時互動,教學(xué)相長不設(shè)界限

在當(dāng)前的實際教學(xué)過程中,我們會發(fā)現(xiàn)部分地理老師過于強調(diào)教師教的主導(dǎo)地位,而忽視學(xué)生學(xué)的主體地位。通過數(shù)字地球教學(xué)助手的課上應(yīng)用,教師可帶領(lǐng)學(xué)生實現(xiàn)峽谷漫游、實景探索,讓學(xué)生將課本知識與實際生活中的地形地貌形成知識關(guān)聯(lián)。依托數(shù)字地球高程數(shù)據(jù)與多樣地球計算能力(圖3),實現(xiàn)由學(xué)生主導(dǎo)展開地球相關(guān)剖面分析、淹沒分析、等高線繪制等互動式教學(xué)活動。例如在相關(guān)人文地理課題教學(xué)過程中,可采用淹沒分析動態(tài)呈現(xiàn)區(qū)域淹沒過程,啟發(fā)學(xué)生更好探究抗洪抗?jié)车谋举|(zhì)問題。在地形地貌相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)中,可由學(xué)生選取相關(guān)區(qū)域,針對區(qū)域繪制等高線地形圖,便于學(xué)生將等高線概念與實際地形關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)。

圖3 數(shù)字地球計算能力

數(shù)字地球教學(xué)助手涵蓋宏觀、中觀、微觀的全方位地球信息與地球數(shù)據(jù)資源,解決傳統(tǒng)地理教學(xué)模式中無法通過靜態(tài)地圖實現(xiàn)地貌發(fā)育、城市變遷等需要動態(tài)展示及原理講解的知識教學(xué),更為直觀、生動地輔助高中自然地理內(nèi)容的教學(xué),有利于教師打造出更為接近真實情景的地理學(xué)習(xí)情境,實現(xiàn)互動式教學(xué),同時為學(xué)生提供沉浸式教學(xué)體驗,提升學(xué)生地理學(xué)習(xí)體驗感與學(xué)習(xí)興趣。靜態(tài)的地理數(shù)據(jù)動態(tài)化演示,對于提升課堂內(nèi)容豐富性,激發(fā)學(xué)生想象空間力有著重要作用。

因此數(shù)字地球在豐富課堂教學(xué)方式的同時,能幫助學(xué)生更好理解地理相關(guān)知識。通過數(shù)字地球教學(xué)助手在課堂教學(xué)場景的引入,有利于學(xué)生區(qū)域認(rèn)知素養(yǎng)的培養(yǎng),多源數(shù)據(jù)的疊加顯示又十分有利于綜合思維以及人地協(xié)調(diào)觀素養(yǎng)的提升。

(三)開放式平臺功能,牽引學(xué)生課后學(xué)習(xí)

地理學(xué)科是一門多學(xué)科、跨領(lǐng)域、門類復(fù)雜的綜合性學(xué)科。傳統(tǒng)課后主要以教師給學(xué)生布置紙質(zhì)學(xué)業(yè)任務(wù)為主,形式較為單一,不易形成學(xué)生們的團(tuán)隊協(xié)作與實踐交流。應(yīng)用數(shù)字地球教學(xué)助手的開放性,師生均可通過網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)數(shù)字地球的實際應(yīng)用。課后學(xué)生可形成研討小組,應(yīng)用數(shù)字地球教學(xué)助手實現(xiàn)針對課上問題進(jìn)行進(jìn)一步的探索、討論。通過課上、課下的聯(lián)動學(xué)習(xí),既鞏固了所學(xué)知識,同時也讓學(xué)生足不出戶感受地理之美,從而促進(jìn)學(xué)生提升探究、研討、合作、溝通等多類素養(yǎng),激發(fā)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)潛能。

結(jié)語

綜上所述,通過基于科學(xué)可視化的數(shù)字地球教學(xué)助手在實際教與學(xué)過程的有效應(yīng)用,對教學(xué)效率和效果有著促進(jìn)作用,一定程度上幫助教師突破了教學(xué)重、難點,使得學(xué)生在沉浸式體驗自然魅力的同時對地理原理和規(guī)律的理解更為準(zhǔn)確深刻。數(shù)字地球是當(dāng)代地理信息技術(shù)的具體應(yīng)用,其表現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)優(yōu)勢、可視化效果、分析工具優(yōu)勢以及智能便捷化操作優(yōu)勢,使其非常符合地理課堂情境教學(xué)的需求。數(shù)字地球技術(shù)及軟件工具在學(xué)科教學(xué)發(fā)展、地理課堂教學(xué)、課研上的應(yīng)用是必然趨勢,未來還需要以更多的應(yīng)用實踐案例進(jìn)行探索和總結(jié)。