基于ARSandbox的中学地理可视化教学及应用示范
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作者:王夏青 周芳 米元 邹小燕 喻伟建 王海珍
摘 要 AR Sandbox有助于学生对地理环境的手动实践操作和实时监控，是实现可视化教学的理想平台。介绍AR Sandbox平台基本原理及应用优势，并以中学地理“等高线地形图的判读”章节的教学案例作为应用示范，希望能为今后AR Sandbox在国内中学地理教学中的应用提供理论依据和科学参考。
关键词 AR Sandbox;3D模型;可视化教学;中学地理;等高线
中图分类号：G633.55 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）21-0032-04
1 引言
传统中学地理教学以学生的被动听觉接收知识信息为主。这种教学方式难以激发学生的学习兴趣和主观能动性，导致学生逐渐失去对地理学科的兴趣。研究表明，相比于学生的被动听课，通过视觉和动觉的学习更能帮助大脑深刻地识别和记忆不同的知识信息[1-2]。基于视觉的可视化教学是指抽象难懂的思维过程外显化，即通过利用一定的工具、技术，将平时难以理解的、难以学习的抽象知识或理论简单化、图形化、图像化[3]。基于动觉的教学要求学生在学习过程中进行更多的手动实践研究活动。因此，探索基于视觉和动觉的可视化教学模式是当前中学地理教学亟待开展的研究，这一认识与《普通中学地理课程标准（2017修订版）》中提出的要求一致，即“要指导学生开展观察、实践、探究和研究活动，转变学生机械模仿、被动接受的学习方式，促进学生主动和富有个性地学习”[4]。
中学地理教学常利用二维（2D）平面展现三维（3D）的野外实景，这就要求学生拥有较强的空间思维能力，将地形、规模、符号等具体化，从而实现2D和3D实景的有效衔接。然而，由于中学生有限的野外观察经验，使得这种基于空间思维的衔接成为他们高效学习地理知识的最大限制性因素。因此，中学地理教师常利用实体模型、虚拟现实（Virtual Reality，VR）模型和增强现实（Augmented Reality，AR）模型提高学生的空间思维能力。
VR模型的具体内涵是综合利用计算机图形、系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术[5-6]。但VR模型最大的不足是学生无法直观体验地理景象的动态过程。
相比于VR模型，AR模型通过计算机虚拟环境和野外实景的叠加，实现现实环境在计算机中的3D动态展示。因此，近年来的AR模型教学在国际上得到广泛推广和使用。如Bacca et al.[7]基于32篇已发表文章系统性地分析和评价了AR模型在教育中的优缺点及未来趋势。当前部分国内中学教师也在课堂上在逐渐尝试AR模型的使用。如罗春和阳金秀[8]以“秒懂初中地理”APP为例，阐明了AR技术在不同教学环节的有效运用，初步实现地理课堂的可视化和多元化教学，并探讨了AR技术在初中地理教学中的应用前景。然而，这些AR模型在教学中推广的局限性主要表现在：
1）学生可望而不可即，无法动手实践和探索;
2）相关科技公司有限的模块开发。
因此，在中学地理教学中有必要探索更简单、易操作的地理实景展示技术和设备，从而塑造直观的、动态的地理环境，使学生认识和模拟不同时空范围的地理实景，自主、合作地探索及获取相关知识，并认识到相关内容在今后生活工作中的应用，进一步提高学科核心素养。AR Sandbox（AR沙箱）的出现使得上述教学过程成为可能。
AR Sandbox由于搭建了2D景象与真实地理环境间的联系，正逐渐成为一个引人注目的工具。由于沙箱中建模的3D景观与其投影在屏幕上的2D图像同步，相比于学生研究地形图并试图想象其真实的地形，他们更容易直观感受二者之间的联系。此外，这个可视化和易操控的AR沙箱的另一个独特之处是通过构想景观演变的过程研究虚拟水文运动与真实的模型景观的相互作用。虽然国际上已有一些关于该平台在大学地理课堂教学的案例[9]，但其在国内中学地理教学中仍未见相关报道。因此，本文首先介绍AR沙箱的组成及其优势，并以“等高线地形图的判读”章节为例，探索该平台在中学地理教学中的应用，以期为中学地理课堂教学改革和新技术仪器的应用及推广提供参考。
2 AR Sandbox简介
AR Sandbox是由美国California大学Davis分校的Keck W.M.地球科学动态可视化中心（KeckCAVES）研发的，其最初的目的是通过3D可视化增强对淡水湖泊生态系统的理解和管理[10]。该平台主要由电脑、超短焦距投影仪、3D动态感应摄像头（Microsoft Xbox Kinect）、沙箱以及沙子等硬件设备和可视化处理软件组成，详见图1A。AR Sand-box相对小巧，约占2 m3立体空间，可用于课堂上实时教学或开放实验室手动操作和模拟。关于AR Sandbox的具体介绍和发展历程详见KeckCAVES网站（http：//kechcaves.org/），在此不做详细介绍。2018年12月，AR Sandbox被安装于湖南文理学院资源环境与旅游学院地理科学专业实验室，如图1A所示。
AR Sandbox是一种允许用户亲自动手操作且实时观测的展示工具。用户可根据自己构思及设想在沙箱中利用沙子塑造各种地形地貌，如山地、沟谷、农田、城市群落等。在此基础上，3D動态感应摄像头获取沙子表面基于沙箱底部的高差变化，并基于电脑可视化软件自动计算沙子地貌的等高线，随后将等高线和用以表示不同海拔高度的颜色图形利用超短焦距投影仪对沙区进行投影，从而生成地形海拔及等高线等信息可视化的实时模拟地貌，如图1B所示。当用户用手或铲子改变沙子地貌，3D摄像头会及时获取这些变化并将变化后的等高线及不同海拔的颜色重新投影到沙区。
另一方面，AR Sandbox还可模拟虚拟降水、蒸发、地表径流、土壤侵蚀等过程。当用户把手或其他物体放到沙区上空，虚拟降水以蓝色水流逐渐呈现在沙区地貌上。起初降水在地貌区逐渐消失或缓慢流动，主要体现了地貌区降水的土壤渗透作用。当然，水流等可通过电脑软件控制。随着降水的增加，沙区的虚拟水体会沿着地貌表明坡度、坡向等逐渐向汇水区流动，从而实现自然环境的模拟。因此，AR Sandbox可广泛应用于地貌、水文、土壤、环境科学、地质工程、区域规划及灾害预防等方面的教学和公众的知识普及。 3 AR Sandbox在中学地理教学中的优势
AR Sandbox在中学地理课堂中既可随意在沙箱中塑造不同地理环境，又可基于计算机软件在显示器上体现出地貌的平面效果，从而实现2D平面与3D景观在同一环境下的同步显示。因此，相比于其他只可远观的AR平台，AR Sandbox在中学地理教学中拥有显著的优势和广阔的前景。
学生亲自手动塑造地理实景，增强对地理环境的认识和记忆 由于沙子的可塑性，学生可基于野外活动或电子地图对地理环境实景的认识，在沙盘中手动塑造单一地形（如山峰、沟谷等），或按照比例真实模拟某区域地理环境，甚至可以结合3D打印机将人文环境特征模拟到沙盘地理景观中。这些实践和操作可积极调动学生的主观能动性，以游戏的方式激发学生对地理环境实景的探索，并在塑造过程中通过增强动觉实现对地理环境的有效记忆。通过调查表明，人们在AR Sandbox前至少驻留20分钟把玩或操作，这已远超其他AR平台的尝试时间[11]。此外，人们还经常为了实现预定模拟场景而主动与其他人合作。因此，AR Sandbox在中学地理课堂上的使用既可使学生主动探索教学内容，又可增强学生的团队合作能力，从而提高學生的地理学科核心素养。
3D景观和2D图像的直观体现，促进学生的空间思维能力 空间思维虽是中学生学习地理科学的必备能力，但也成为他们提高地理认识水平的限制性因素。AR Sandbox通过在沙箱中直观塑造地理景观，并基于配备的3D摄像机和可视化软件在计算机屏幕中同步展示该景观的2D图像。这一特点打破了学生的空间想象障碍，对2D平面图和对应的3D景观形成直观的认识。这为学生在学习和生活中阅读相关平面地图提供了科学依据和参考，从而提高了学生学习地理知识的效率。
培养学生以发展眼光看地理环境的能力 地理环境的动态性和可变性是地理科学最基本的特征，学生学习地理科学也要求以发展的眼光看待地理事物。但是，这些特征在传统课堂上无法让学生直观感受和认识。AR Sandbox除可静态展示地理景观外，还可以通过操作即时改变模拟地貌（如建造大坝、建筑物等）、增强（减弱）降水及蒸发或改变地表属性等，实现地理环境的动态模拟。因此，AR Sandbox的沙盘推演及实时模拟可为学生理解地理环境的动态变化提供最直观的平台。
4 AR Sandbox的教学应用示范：以“等高线地形图的判读”为例
在认识AR Sandbox工具及其在地理教学中优势的基础上，以湘教版《地理》（七年级上册）“等高线地形图的判读”为例，示范该仪器平台在地理课堂教学中的实际应用，并对比该方法与传统教学的差异，为AR Sandbox工具今后在地理教学中的应用提供依据。
首先，相比于利用山地实景图片和模型的传统教学过程，基于AR Sandbox工具的教学准备过程进行了适当调整。如表1所示，基于AR Sandbox的教学准备过程中增加了学生主动建模不同山体类型的过程，并拟要求学生通过观测不同山体3D模型的等高线分布特征和屏幕上的2D平面效果，基于空间观察和想象自行总结各山体的等高线地形图特征，以期实现该部分内容的深刻理解和及时记忆。但相对于传统教学，基于AR Sandbox工具的教学可能需要对学生纪律进行有效管理及对课堂时间进行合理安排。因此，比起常规的备课，教师可能需花费更多的准备时间进行仪器的调试和课堂安排等。
其次，在课堂教学过程中将学生按不同地形数量分组并依次在沙盘区完成各地形的建模，观察等高线在各3D地形的分布特点。如图2所示，各组在沙盘中依次模拟山峰和鞍部（A）、洼地（B）、山脊和山谷（C）、陡崖（D和E）等。在此基础上，学生观测不同颜色海拔上的封闭的等高线分布，并明确不同3D地形的等高线高低分布特征和趋势。同时，小组其他成员观察各地形在计算机显示器上呈现的2D等高线分布图，并将等高线在沙盘中的3D分布与显示屏中的2D图形相对应，实现3D和2D的连接，从而提高对等高线地形图的3D空间思维能力。通过小组讨论，总结出各地形的等高线特征，如凸高中低是山谷，凸低中高是山脊，密陡疏缓、多条等高线重合是陡崖等。在课后，让各组学生均完成所有地形的建模和归纳等高线分布特征，从而加深对该部分内容的认识和记忆。
5 结语
基于视觉和动觉的可视化教学可充分激发学生对地理科学的学习兴趣，并能帮助其对相关内容进行深入理解和记忆。允许学生亲自动手操作且实时观测的AR Sandbox是中学地理教学和实践的有效工具。AR Sandbox的直观性、易操作性和多功能性促使其在中学地理的地貌、水文、土壤、人文环境、区域规划及灾害等章节中均可实现可视化教学，使其拥有广泛的可利用性和可推广性。
以“等高线地形图的判读”为例的AR Sandbox教学示范充分展示了该平台在教学中的优势，但这只是对该平台的最简单的应用，针对AR Sandbox在不同阶段学校（中学、大学等）不同地理课堂中的教学形式的研究仍需广泛开展。此外，该平台在地质工程建设和预测计算等方面的应用也需要进行深入研究。因此，AR Sandbox今后在地理环境教学和研究中拥有更加光明的应用前景。
参考文献
[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]邓樱卉.高中历史“可视化”教学研究[D].武汉：华中师范大学，2016：10-18.
[4]普通高中地理课程标准（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
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[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]罗春，阳金秀.初中地理信息化教学变革：从“微课”迈向“增强现实（AR）”[J].中学地理教学参考，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.
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