基于ARSandbox的中學(xué)地理可視化教學(xué)及應(yīng)用示范

王夏青 周芳 米元 鄒小燕 喻偉建 王海珍

摘 ?要 AR Sandbox有助于學(xué)生對地理環(huán)境的手動實踐操作和實時監(jiān)控，是實現(xiàn)可視化教學(xué)的理想平臺。介紹AR Sandbox平臺基本原理及應(yīng)用優(yōu)勢，并以中學(xué)地理“等高線地形圖的判讀”章節(jié)的教學(xué)案例作為應(yīng)用示范，希望能為今后AR Sandbox在國內(nèi)中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞 AR Sandbox;3D模型;可視化教學(xué);中學(xué)地理;等高線

中圖分類號：G633.55 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0032-04

1 引言

傳統(tǒng)中學(xué)地理教學(xué)以學(xué)生的被動聽覺接收知識信息為主。這種教學(xué)方式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，導(dǎo)致學(xué)生逐漸失去對地理學(xué)科的興趣。研究表明，相比于學(xué)生的被動聽課，通過視覺和動覺的學(xué)習(xí)更能幫助大腦深刻地識別和記憶不同的知識信息[1-2]?；谝曈X的可視化教學(xué)是指抽象難懂的思維過程外顯化，即通過利用一定的工具、技術(shù)，將平時難以理解的、難以學(xué)習(xí)的抽象知識或理論簡單化、圖形化、圖像化[3]?；趧佑X的教學(xué)要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行更多的手動實踐研究活動。因此，探索基于視覺和動覺的可視化教學(xué)模式是當(dāng)前中學(xué)地理教學(xué)亟待開展的研究，這一認(rèn)識與《普通中學(xué)地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017修訂版）》中提出的要求一致，即“要指導(dǎo)學(xué)生開展觀察、實踐、探究和研究活動，轉(zhuǎn)變學(xué)生機(jī)械模仿、被動接受的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生主動和富有個性地學(xué)習(xí)”[4]。

中學(xué)地理教學(xué)常利用二維（2D）平面展現(xiàn)三維（3D）的野外實景，這就要求學(xué)生擁有較強的空間思維能力，將地形、規(guī)模、符號等具體化，從而實現(xiàn)2D和3D實景的有效銜接。然而，由于中學(xué)生有限的野外觀察經(jīng)驗，使得這種基于空間思維的銜接成為他們高效學(xué)習(xí)地理知識的最大限制性因素。因此，中學(xué)地理教師常利用實體模型、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）模型和增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）模型提高學(xué)生的空間思維能力。

VR模型的具體內(nèi)涵是綜合利用計算機(jī)圖形、系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設(shè)備，在計算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)[5-6]。但VR模型最大的不足是學(xué)生無法直觀體驗地理景象的動態(tài)過程。

相比于VR模型，AR模型通過計算機(jī)虛擬環(huán)境和野外實景的疊加，實現(xiàn)現(xiàn)實環(huán)境在計算機(jī)中的3D動態(tài)展示。因此，近年來的AR模型教學(xué)在國際上得到廣泛推廣和使用。如Bacca et al.[7]基于32篇已發(fā)表文章系統(tǒng)性地分析和評價了AR模型在教育中的優(yōu)缺點及未來趨勢。當(dāng)前部分國內(nèi)中學(xué)教師也在課堂上在逐漸嘗試AR模型的使用。如羅春和陽金秀[8]以“秒懂初中地理”APP為例，闡明了AR技術(shù)在不同教學(xué)環(huán)節(jié)的有效運用，初步實現(xiàn)地理課堂的可視化和多元化教學(xué)，并探討了AR技術(shù)在初中地理教學(xué)中的應(yīng)用前景。然而，這些AR模型在教學(xué)中推廣的局限性主要表現(xiàn)在：

1）學(xué)生可望而不可即，無法動手實踐和探索;

2）相關(guān)科技公司有限的模塊開發(fā)。

因此，在中學(xué)地理教學(xué)中有必要探索更簡單、易操作的地理實景展示技術(shù)和設(shè)備，從而塑造直觀的、動態(tài)的地理環(huán)境，使學(xué)生認(rèn)識和模擬不同時空范圍的地理實景，自主、合作地探索及獲取相關(guān)知識，并認(rèn)識到相關(guān)內(nèi)容在今后生活工作中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高學(xué)科核心素養(yǎng)。AR Sandbox（AR沙箱）的出現(xiàn)使得上述教學(xué)過程成為可能。

AR Sandbox由于搭建了2D景象與真實地理環(huán)境間的聯(lián)系，正逐漸成為一個引人注目的工具。由于沙箱中建模的3D景觀與其投影在屏幕上的2D圖像同步，相比于學(xué)生研究地形圖并試圖想象其真實的地形，他們更容易直觀感受二者之間的聯(lián)系。此外，這個可視化和易操控的AR沙箱的另一個獨特之處是通過構(gòu)想景觀演變的過程研究虛擬水文運動與真實的模型景觀的相互作用。雖然國際上已有一些關(guān)于該平臺在大學(xué)地理課堂教學(xué)的案例[9]，但其在國內(nèi)中學(xué)地理教學(xué)中仍未見相關(guān)報道。因此，本文首先介紹AR沙箱的組成及其優(yōu)勢，并以“等高線地形圖的判讀”章節(jié)為例，探索該平臺在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用，以期為中學(xué)地理課堂教學(xué)改革和新技術(shù)儀器的應(yīng)用及推廣提供參考。

2 AR Sandbox簡介

AR Sandbox是由美國California大學(xué)Davis分校的Keck W.M.地球科學(xué)動態(tài)可視化中心（KeckCAVES）研發(fā)的，其最初的目的是通過3D可視化增強對淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)的理解和管理[10]。該平臺主要由電腦、超短焦距投影儀、3D動態(tài)感應(yīng)攝像頭（Microsoft Xbox Kinect）、沙箱以及沙子等硬件設(shè)備和可視化處理軟件組成，詳見圖1A。AR Sand-box相對小巧，約占2 m3立體空間，可用于課堂上實時教學(xué)或開放實驗室手動操作和模擬。關(guān)于AR Sandbox的具體介紹和發(fā)展歷程詳見KeckCAVES網(wǎng)站（http：//kechcaves.org/），在此不做詳細(xì)介紹。2018年12月，AR Sandbox被安裝于湖南文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院地理科學(xué)專業(yè)實驗室，如圖1A所示。

AR Sandbox是一種允許用戶親自動手操作且實時觀測的展示工具。用戶可根據(jù)自己構(gòu)思及設(shè)想在沙箱中利用沙子塑造各種地形地貌，如山地、溝谷、農(nóng)田、城市群落等。在此基礎(chǔ)上，3D動態(tài)感應(yīng)攝像頭獲取沙子表面基于沙箱底部的高差變化，并基于電腦可視化軟件自動計算沙子地貌的等高線，隨后將等高線和用以表示不同海拔高度的顏色圖形利用超短焦距投影儀對沙區(qū)進(jìn)行投影，從而生成地形海拔及等高線等信息可視化的實時模擬地貌，如圖1B所示。當(dāng)用戶用手或鏟子改變沙子地貌，3D攝像頭會及時獲取這些變化并將變化后的等高線及不同海拔的顏色重新投影到沙區(qū)。

另一方面，AR Sandbox還可模擬虛擬降水、蒸發(fā)、地表徑流、土壤侵蝕等過程。當(dāng)用戶把手或其他物體放到沙區(qū)上空，虛擬降水以藍(lán)色水流逐漸呈現(xiàn)在沙區(qū)地貌上。起初降水在地貌區(qū)逐漸消失或緩慢流動，主要體現(xiàn)了地貌區(qū)降水的土壤滲透作用。當(dāng)然，水流等可通過電腦軟件控制。隨著降水的增加，沙區(qū)的虛擬水體會沿著地貌表明坡度、坡向等逐漸向匯水區(qū)流動，從而實現(xiàn)自然環(huán)境的模擬。因此，AR Sandbox可廣泛應(yīng)用于地貌、水文、土壤、環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)工程、區(qū)域規(guī)劃及災(zāi)害預(yù)防等方面的教學(xué)和公眾的知識普及。

3 AR Sandbox在中學(xué)地理教學(xué)中的優(yōu)勢

AR Sandbox在中學(xué)地理課堂中既可隨意在沙箱中塑造不同地理環(huán)境，又可基于計算機(jī)軟件在顯示器上體現(xiàn)出地貌的平面效果，從而實現(xiàn)2D平面與3D景觀在同一環(huán)境下的同步顯示。因此，相比于其他只可遠(yuǎn)觀的AR平臺，AR Sandbox在中學(xué)地理教學(xué)中擁有顯著的優(yōu)勢和廣闊的前景。

學(xué)生親自手動塑造地理實景，增強對地理環(huán)境的認(rèn)識和記憶 ?由于沙子的可塑性，學(xué)生可基于野外活動或電子地圖對地理環(huán)境實景的認(rèn)識，在沙盤中手動塑造單一地形（如山峰、溝谷等），或按照比例真實模擬某區(qū)域地理環(huán)境，甚至可以結(jié)合3D打印機(jī)將人文環(huán)境特征模擬到沙盤地理景觀中。這些實踐和操作可積極調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，以游戲的方式激發(fā)學(xué)生對地理環(huán)境實景的探索，并在塑造過程中通過增強動覺實現(xiàn)對地理環(huán)境的有效記憶。通過調(diào)查表明，人們在AR Sandbox前至少駐留20分鐘把玩或操作，這已遠(yuǎn)超其他AR平臺的嘗試時間[11]。此外，人們還經(jīng)常為了實現(xiàn)預(yù)定模擬場景而主動與其他人合作。因此，AR?Sandbox在中學(xué)地理課堂上的使用既可使學(xué)生主動探索教學(xué)內(nèi)容，又可增強學(xué)生的團(tuán)隊合作能力，從而提高學(xué)生的地理學(xué)科核心素養(yǎng)。

3D景觀和2D圖像的直觀體現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生的空間思維能力 ?空間思維雖是中學(xué)生學(xué)習(xí)地理科學(xué)的必備能力，但也成為他們提高地理認(rèn)識水平的限制性因素。AR Sandbox通過在沙箱中直觀塑造地理景觀，并基于配備的3D攝像機(jī)和可視化軟件在計算機(jī)屏幕中同步展示該景觀的2D圖像。這一特點打破了學(xué)生的空間想象障礙，對2D平面圖和對應(yīng)的3D景觀形成直觀的認(rèn)識。這為學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中閱讀相關(guān)平面地圖提供了科學(xué)依據(jù)和參考，從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)地理知識的效率。

培養(yǎng)學(xué)生以發(fā)展眼光看地理環(huán)境的能力 ?地理環(huán)境的動態(tài)性和可變性是地理科學(xué)最基本的特征，學(xué)生學(xué)習(xí)地理科學(xué)也要求以發(fā)展的眼光看待地理事物。但是，這些特征在傳統(tǒng)課堂上無法讓學(xué)生直觀感受和認(rèn)識。AR Sandbox除可靜態(tài)展示地理景觀外，還可以通過操作即時改變模擬地貌（如建造大壩、建筑物等）、增強（減弱）降水及蒸發(fā)或改變地表屬性等，實現(xiàn)地理環(huán)境的動態(tài)模擬。因此，AR Sandbox的沙盤推演及實時模擬可為學(xué)生理解地理環(huán)境的動態(tài)變化提供最直觀的平臺。

4 AR Sandbox的教學(xué)應(yīng)用示范：以“等高線地形圖的判讀”為例

在認(rèn)識AR Sandbox工具及其在地理教學(xué)中優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，以湘教版《地理》（七年級上冊）“等高線地形圖的判讀”為例，示范該儀器平臺在地理課堂教學(xué)中的實際應(yīng)用，并對比該方法與傳統(tǒng)教學(xué)的差異，為AR Sandbox工具今后在地理教學(xué)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

首先，相比于利用山地實景圖片和模型的傳統(tǒng)教學(xué)過程，基于AR Sandbox工具的教學(xué)準(zhǔn)備過程進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。如表1所示，基于AR Sandbox的教學(xué)準(zhǔn)備過程中增加了學(xué)生主動建模不同山體類型的過程，并擬要求學(xué)生通過觀測不同山體3D模型的等高線分布特征和屏幕上的2D平面效果，基于空間觀察和想象自行總結(jié)各山體的等高線地形圖特征，以期實現(xiàn)該部分內(nèi)容的深刻理解和及時記憶。但相對于傳統(tǒng)教學(xué)，基于AR Sandbox工具的教學(xué)可能需要對學(xué)生紀(jì)律進(jìn)行有效管理及對課堂時間進(jìn)行合理安排。因此，比起常規(guī)的備課，教師可能需花費更多的準(zhǔn)備時間進(jìn)行儀器的調(diào)試和課堂安排等。

其次，在課堂教學(xué)過程中將學(xué)生按不同地形數(shù)量分組并依次在沙盤區(qū)完成各地形的建模，觀察等高線在各3D地形的分布特點。如圖2所示，各組在沙盤中依次模擬山峰和鞍部（A）、洼地（B）、山脊和山谷（C）、陡崖（D和E）等。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生觀測不同顏色海拔上的封閉的等高線分布，并明確不同3D地形的等高線高低分布特征和趨勢。同時，小組其他成員觀察各地形在計算機(jī)顯示器上呈現(xiàn)的2D等高線分布圖，并將等高線在沙盤中的3D分布與顯示屏中的2D圖形相對應(yīng)，實現(xiàn)3D和2D的連接，從而提高對等高線地形圖的3D空間思維能力。通過小組討論，總結(jié)出各地形的等高線特征，如凸高中低是山谷，凸低中高是山脊，密陡疏緩、多條等高線重合是陡崖等。在課后，讓各組學(xué)生均完成所有地形的建模和歸納等高線分布特征，從而加深對該部分內(nèi)容的認(rèn)識和記憶。

5 結(jié)語

基于視覺和動覺的可視化教學(xué)可充分激發(fā)學(xué)生對地理科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，并能幫助其對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入理解和記憶。允許學(xué)生親自動手操作且實時觀測的AR Sandbox是中學(xué)地理教學(xué)和實踐的有效工具。AR Sandbox的直觀性、易操作性和多功能性促使其在中學(xué)地理的地貌、水文、土壤、人文環(huán)境、區(qū)域規(guī)劃及災(zāi)害等章節(jié)中均可實現(xiàn)可視化教學(xué)，使其擁有廣泛的可利用性和可推廣性。

以“等高線地形圖的判讀”為例的AR Sandbox教學(xué)示范充分展示了該平臺在教學(xué)中的優(yōu)勢，但這只是對該平臺的最簡單的應(yīng)用，針對AR Sandbox在不同階段學(xué)校（中學(xué)、大學(xué)等）不同地理課堂中的教學(xué)形式的研究仍需廣泛開展。此外，該平臺在地質(zhì)工程建設(shè)和預(yù)測計算等方面的應(yīng)用也需要進(jìn)行深入研究。因此，AR Sandbox今后在地理環(huán)境教學(xué)和研究中擁有更加光明的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]Persellin D C， Daniels M B. A concise guide to improving student learning： Six evidence-based prin-ciples and how to apply them[M].Sterling， Virginia： Stylus Publishing，2014.

[2]Vaughan K， Vaughan R E， Seeley J M. Experiential learning in soil science： Use of an augmented realitysandbox[J].Journal of Natural Resources and Life Sciences Education，2017，46（1）：1-5.

[3]鄧櫻卉.高中歷史“可視化”教學(xué)研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2016：10-18.

[4]普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5]李建華，高立功，崔玉妮，等.VR技術(shù)在地理課堂教學(xué)中的實踐應(yīng)用[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2018（1）：36-37.

[6]費龍，田秋艷.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2016（8）：37-38.

[7]Bacca J， Baldiris S， Fabregat R， et al. Augmented?reality trends in education： A systematic review of research and applications[J].Educational Technology and Society，2014，17（4）：133-149.

[8]羅春，陽金秀.初中地理信息化教學(xué)變革：從“微課”邁向“增強現(xiàn)實（AR）”[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2018（3）：38-40.

[9]Woods T L， Reed S， Hsi S， et al. Pilot study usingthe augmented reality sandbox to teach topographic maps and surficial processes in introductory geology?labs[J].Journal of Geoscience Education，2016，64（3）：199-214.

[10]Kreylos O. Augmented reality sandbox[DB/OL].http：//idav.ucdavis.edu/～okreylos/ResDev/SARndbox/.

[11]Reed S， Hsi S， Kreylos O， et al. Augmented rea-lity turns a sandbox into a geoscience lesson[J].Eos?Earth & Space Science News，2016，97.