《等高線地形圖展示》學(xué)習(xí)工具制作綜述

孫航衛(wèi)

● 特色與亮點(diǎn)

2109年暑假，我?guī)е约旱臄?shù)字化學(xué)習(xí)工具作品《等高線地形圖展示》參加“2019年度全國教師信息素養(yǎng)提升交流活動(dòng)”，獲得了數(shù)字化學(xué)習(xí)工具評(píng)優(yōu)初中組一等獎(jiǎng)和恩歐希教育信息化發(fā)明創(chuàng)新獎(jiǎng)。

作品內(nèi)容主要來自初中一年級(jí)地理上冊(cè)第一章中的知識(shí)點(diǎn)“如何判讀等高線地形圖”。等高線指的是地形圖上高程相等的相鄰各點(diǎn)所連成的閉合曲線，把地面上海拔高度相同的點(diǎn)連成的閉合曲線，垂直投影到一個(gè)水平面上，并按比例縮繪在圖紙上就得到等高線;等高線也可以看作不同海拔高度的水平面與實(shí)際地面的交線，所以等高線是閉合曲線，在等高線上標(biāo)注的數(shù)字為該等高線的海拔。從這個(gè)概念來分析，等高線有個(gè)從空間曲線到平面曲線的轉(zhuǎn)換過程，這一點(diǎn)是學(xué)生理解的難點(diǎn)。為了解決這個(gè)難點(diǎn)，我采用3D建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)三維的等高線地形圖虛擬展示學(xué)習(xí)工具，該學(xué)習(xí)工具的主要特色與亮點(diǎn)是，交互界面設(shè)計(jì)精美，立體呈現(xiàn)三維動(dòng)畫，設(shè)置游戲互動(dòng)，增加學(xué)習(xí)的趣味性，實(shí)現(xiàn)了讓學(xué)生在玩中快樂學(xué)習(xí)的目的。

● 制作背景

我是一名初中信息技術(shù)教師，平時(shí)比較喜歡和擅長制作數(shù)字化學(xué)習(xí)工具和錄制教學(xué)微視頻，除了制作本學(xué)科數(shù)字化學(xué)習(xí)工具外，我還嘗試把信息技術(shù)與其他學(xué)科進(jìn)行整合，制作過一部分?jǐn)?shù)學(xué)學(xué)科的數(shù)字化學(xué)習(xí)工具。在一次教研活動(dòng)中，我認(rèn)識(shí)了一位來自偏遠(yuǎn)山區(qū)的中學(xué)地理教師，她認(rèn)為，對(duì)于《如何判讀等高線地形圖》這一節(jié)里的知識(shí)點(diǎn)，如果能夠做出一個(gè)三維動(dòng)畫來演示等高線的形成原理，則可以大大降低學(xué)生的理解難度，她還給我提供了這一節(jié)的教案和圖片素材等。我對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣，通過上網(wǎng)查找資料和研讀教材，對(duì)這一節(jié)的知識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的學(xué)習(xí)和研究，在經(jīng)過兩年多的時(shí)間學(xué)習(xí)三維軟件后，終于做出了一個(gè)《如何判讀等高線地形圖》的微課視頻和一個(gè)三維的《等高線地形圖展示》數(shù)字化學(xué)習(xí)工具。

● 設(shè)計(jì)思路及內(nèi)容結(jié)構(gòu)

這款數(shù)字化學(xué)習(xí)工具的總體設(shè)計(jì)思路是設(shè)計(jì)一款三維的虛擬漫游游戲，其中有一個(gè)虛擬的機(jī)器人，由學(xué)習(xí)者控制，在虛擬的三維大廳中參觀、學(xué)習(xí)、漫游。學(xué)生可將該學(xué)習(xí)工具用于課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。

1.綜合地形展臺(tái)的設(shè)計(jì)

在大廳中，制作了一個(gè)綜合山地地形的三維模型和等高線形成動(dòng)畫（如下頁圖1）。學(xué)生在使用時(shí)可以用鼠標(biāo)和鍵盤控制虛擬機(jī)器人在地形周圍行走，觀察地形和等高線，也可以跳躍爬上山頂，近距離觀察地形和等高線。

學(xué)生通過快捷鍵控制動(dòng)畫演示，可以把地形和等高線展平到一個(gè)平面內(nèi)，體驗(yàn)和理解等高線由空間曲線變換成平面曲線的過程（如圖2）。

2.六種基本地形展臺(tái)的設(shè)計(jì)

在大廳中，制作了山頂、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六種基本地形的三維模型及等高線地形圖的動(dòng)畫演示（如圖3）。學(xué)生可以控制虛擬機(jī)器人走到這些展臺(tái)周圍，通過觀察、研究會(huì)發(fā)現(xiàn)：山頂?shù)牡雀呔€是閉合的，高度數(shù)值從中心向四周逐漸降低;盆地的等高線也是閉合的，但高度數(shù)值是從中心向四周逐漸升高;鞍部是正對(duì)的兩山脊或山谷等高線之間的空白部分（相鄰兩個(gè)山頂之間的低下部分，外形像馬鞍而得名）;陡崖是近于垂直的山坡，陡崖處的多條等高線會(huì)密集或者重疊;山脊的等高線凸出部分指向海拔較低處，等高線從高往低凸;山谷的等高線凸出部分指向海拔較高處，等高線從低往高凸。通過觀察山谷和山脊等高線圖，可以幫助學(xué)生理解山谷和山脊的區(qū)別：等高線向海拔較高處凸出的是山谷，等高線向海拔較低處凸出的是山脊，因此“凸高為谷，凸低為脊”，簡稱“高谷低脊”。學(xué)生通過在虛擬三維環(huán)境中的觀察和體驗(yàn)可以得出以上結(jié)論，避免死記硬背課本上的知識(shí)結(jié)論。

3.嵌入一個(gè)完整微課

在展廳的前部設(shè)計(jì)了一塊可以升降的大屏幕，學(xué)生可以控制虛擬機(jī)器人在此處觀看一個(gè)完整的視頻微課《基本形態(tài)等高線地形圖的判讀》（如上頁圖4），此微課詳細(xì)展示了山頂、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六種基本地形的模型及等高線地形圖，同時(shí)還展示了典型例題、應(yīng)用習(xí)題分析等，該微課可以作為學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)本節(jié)課知識(shí)的重要資源。

4.學(xué)習(xí)激勵(lì)機(jī)制的設(shè)計(jì)

針對(duì)在展示大廳中的漫游學(xué)習(xí)，我設(shè)計(jì)了游戲激勵(lì)機(jī)制，學(xué)生每學(xué)習(xí)研究一個(gè)地形或?qū)W習(xí)微課一次都會(huì)獲得一定電池電量，積累滿電池，可以乘坐電梯登上二層的玻璃棧道，在棧道上環(huán)繞大廳一周，從高處俯瞰等高線地形圖的形狀（如上頁圖5），還可以乘坐電梯而下，也或旋轉(zhuǎn)樓梯，或從高處一躍而下，體驗(yàn)高空落下的刺激。以上設(shè)計(jì)增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的游戲性和趣味性。

● 關(guān)鍵技術(shù)處理

展示大廳中山頂、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六種基本地形的模型采用Rhino3D（犀牛）軟件設(shè)計(jì)。2017年我在開展課題“翻轉(zhuǎn)課堂模式在3D打印教學(xué)中的應(yīng)用研究”時(shí)，對(duì)多種3D建模軟件進(jìn)行了研究對(duì)比，最終選定了Rhino作為3D建模教學(xué)軟件，通過三年多的教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)，證明初中學(xué)生也可以學(xué)會(huì)Rhino三維建模。Rhino是美國公司Robert McNeel & Assoc開發(fā)的一款能在PC上運(yùn)行的超強(qiáng)的三維建模工具軟件，大小才幾百兆，硬件要求也很低。它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模非常流暢，還能導(dǎo)出高精度模型給其他三維軟件使用。Rhino3D（犀牛）軟件雖然功能命令比較多，但學(xué)習(xí)起來并不復(fù)雜，網(wǎng)上的學(xué)習(xí)資源也比較多，教學(xué)中用到的大部分三維模型，用它的常用命令和簡單的布爾運(yùn)算就能制作實(shí)現(xiàn)。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我還采用了大量的等高線由空間曲線轉(zhuǎn)成平面曲線的動(dòng)畫和互動(dòng)控制，這些控制采用了UE4的藍(lán)圖編程來實(shí)現(xiàn)。藍(lán)圖就是C++封裝成的可視化腳本，屬于廣大信息技術(shù)教師熟悉的可視編程的方法（如上頁圖6）。

我曾三次參加本活動(dòng)，每次都有不同的感悟和收獲。第一次我?guī)チ薋lash互動(dòng)編程的數(shù)字化學(xué)習(xí)工具，那次參賽激勵(lì)我學(xué)習(xí)Flash的AS3的編程技術(shù);第二次我?guī)チ薘hino和AE制作的視頻微課，那次參賽激勵(lì)我學(xué)習(xí)AE視頻合成技術(shù)和Rhino三維建模技術(shù);第三次也就是這一次我?guī)砹藬?shù)字化學(xué)習(xí)工具《等高線地形圖展示》，這次參賽激勵(lì)我學(xué)習(xí)UE4的VR技術(shù)。每一次參賽之后我都會(huì)發(fā)現(xiàn)新的東西，找到新的不足，產(chǎn)生新的靈感，激勵(lì)下一次帶來新的東西，追求新的突破。

點(diǎn)? 評(píng)

該作品選題來自初中一年級(jí)地理上冊(cè)第一章中的知識(shí)點(diǎn)“如何判讀等高線地形圖”。等高線有個(gè)從空間曲線到平面曲線的轉(zhuǎn)換過程，這一點(diǎn)是學(xué)生理解的難點(diǎn)。為了解決這個(gè)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)者采用3D建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了三維的等高線地形圖虛擬展示學(xué)習(xí)工具，實(shí)現(xiàn)了讓學(xué)生在玩中快樂學(xué)習(xí)的目的。

1.寓教于樂，快樂學(xué)習(xí)

這款數(shù)字化學(xué)習(xí)工具的總體設(shè)計(jì)思路是設(shè)計(jì)一款三維的虛擬漫游游戲，其中有一個(gè)虛擬的機(jī)器人，由學(xué)習(xí)者控制，在虛擬的三維大廳中參觀、學(xué)習(xí)、漫游。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和成效獲得一定的電池電量，積累滿電池，可以乘坐電梯登上二層的玻璃棧道，在棧道上環(huán)繞大廳一周，從高處俯瞰等高線地形圖的形狀，還可以乘坐電梯而下，或走旋轉(zhuǎn)樓梯，或從高處一躍而下，體驗(yàn)高空落下的刺激。這種身臨其境的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的游戲性和趣味性。

2.別有洞天，專業(yè)學(xué)習(xí)

在這款數(shù)字化學(xué)習(xí)工具中，設(shè)計(jì)者制作了山頂、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六種基本地形的三維模型及等高線地形圖的動(dòng)畫演示。學(xué)生可以控制虛擬機(jī)器人走到這些展臺(tái)周圍，通過觀察、研究，會(huì)發(fā)現(xiàn)不同地形的等高線的不同形態(tài)，進(jìn)而在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中真正體驗(yàn)“高谷低脊”的專業(yè)地理知識(shí)，避免死記硬背課本上的知識(shí)結(jié)論。

3.人機(jī)交互，自由學(xué)習(xí)

整個(gè)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)是讓學(xué)生在課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)該知識(shí)點(diǎn)時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間學(xué)習(xí)的自由。在此案例中，學(xué)習(xí)者通過快捷鍵控制動(dòng)畫演示，完全把控等高線地形變化，實(shí)現(xiàn)了掌控學(xué)習(xí)知識(shí)的自由。此外，在本學(xué)習(xí)工具中，嵌入的微視頻《基本形態(tài)等高線地形圖的判讀》，其中包含典型例題、應(yīng)用習(xí)題分析等，可以作為學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)本節(jié)課知識(shí)的重要資源，進(jìn)一步凸顯了選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容的自由。

這件作品獲得初中組數(shù)字化學(xué)習(xí)工具一等獎(jiǎng)和恩歐希教育信息化發(fā)明創(chuàng)新獎(jiǎng)，設(shè)計(jì)者的技術(shù)水平和教育理念確有獨(dú)到之處，不過在界面友好、使用方便、便于普及等方面還有待進(jìn)一步探索。

點(diǎn)評(píng)人：2019年度全國教師信息素養(yǎng)提升交流活動(dòng)評(píng)委/山東省淄博市張店區(qū)教育局 仇曉光