摘 要：VR技术即虚拟现实技术，是通过计算机模拟技术创造出与真实世界非常接近的虚拟世界的技术，其在教育领域的应用成为当前教育技术研究领域的热点。虚拟现实因其具备沉浸性、交互性和想象性的特点，有益于破解传统地理课堂的难题。文章通过实验法、spss软件分析、对比法等研究方法对VR技术在地理课堂的应用现状进行调查分析，结合相关理论分析VR强大应用优势，举例说明VR在具体地理课堂中的适切性，分类适宜使用VR技术的地理课堂教学内容，设计具体教学方案进行实验，验证了VR技术对教学具有积极影响，最后提出了VR技术走进课堂的建议。
关键词:VR技术;地理课堂;实践研究;
A Practical Study of Bringing Field into Geography Classroom Based on VR
Wang Hanchu
近年来，5G降临，万众创新，黑科技也层出不穷，一些中小学纷纷引进VR技术，开设VR教室，使教学模式以及教学环境发生了一些变化。《中国教育现代化2035》战略文件将信息化作为教育现代化的重要驱动力，要求推进优质教育体系建设，加快信息时代教育改革。[1]教育技术代表了理想的现代教育方法，因此，教师在地理教学中使用创新性现代技术已成为当务之急。[2]本文旨在探究VR设备及相关APP的应用对地理教学有哪些帮助、在运用过程中VR技术与传统方法相比又有哪些显著优势、VR技术辅助教学时该遵循什么原则，从而实现将学生带入田野与将田野带入课堂的有机结合，增强学生自主学习积极性，使学生深入理解地理内容，有效提升学生在课堂上的学习体验感，提高素质教育的质量。
一、VR技术应用现状与适切性研究
VR是Virtual Reality的缩写，中文的意思为虚拟现实，早期译为“灵境技术”。VR利用机械设备使人进入虚拟仿真的虚体环境中，对外界（真实世界）的声音、光线进行局部屏蔽，从而为体验者营造一种身临其境的直观体验感。从国内外学者和中小学教师的调查研究来看，VR技术在教育领域的应用愈发广泛，[3]理论也愈渐成熟，但实际上会受到经费、设备等诸多因素的制约而不能将其应用到实际教学中。在新冠疫情的背景下，虽然研学方案众多而精细，但是未来疫情变化不可估计，校方和教师们是否会冒着一定风险带高中生走进田野仍然值得商榷，结合一定技术手段将田野带入课堂势在必行。
1. 地理课堂改革呼唤VR技术
将虚拟现实技术引入高中地理教学，合理运用高新技术是当前形势下的合理考量。随着计算机云网络技术的发展，结合VR技术势必会颠覆部分传统教学观念，给予学生全新的学习体验。[4]在过去，教师无法通过一己之力表述清楚微观、宏观或遥远的地理环境；而现在，教师能够在三维式样、高科技显示器、VR眼镜等的辅助下使学生在学习过程中进行沉浸式、想象式空间洞察并即时互动，学习过程更还原、更细节。古板的教学信息载体，正在随时间的推移和时代的进步慢慢地从纸质向更多维的显示平稳转变。[5]
2. VR技术克服传统地理课堂难题
目前传统地理课堂教学主要存在四方面的问题。
第一，传统课堂中考察地理环境难。传统大班教学中，所有的同学均面向教师，教师往往很难通过一己之力准确呈现地理环境。而VR设备的使用可以较好地解决此问题。在自然地理环境方面，学生可佩戴相关设备观察水循环的始末，在VR智慧系统中使用手柄充分与地理环境交互，作出本能反馈，主动探索，更深入地了解自然现象原理。在人文地理环境方面，VR能够呈现虚拟异地他乡的现实人文主义色彩的场景，如呈现中国传统建筑四合院。学生不仅能凭借VR技术实现多角度全方位的观赏与分析，还能体验虚拟的前世今生，感触深刻且有意义。
第二，传统课堂中结合生活实际难。传统教学往往是教师靠语言解说、使用图画或提前选取有关地理要素的视频资料，无经验的学习者却很难将文字描述或者图片与真实环境相结合。VR技术可以从多感官角度高度重现自然与人文情境，靠打破时空限制达到事半功倍的呈现效果，切实地增强学生对地理信息的提取、处理能力。
第三，传统课堂合作探究时间少。传统课堂中师生、生生间互动较少。教师以教授为主，学生以聆听和记笔记为主，互动机会少。而通过VR创造的教学情境，学生们能够亲身主动感受、体验理解，在探究合作的过程中，不仅对地理相关专业理论有全新的见解，也会在小组合作中培养分享与合作精神。
第四，传统地理课堂相对封闭。目前全国的师资力量分布不均匀，城乡基础师资分配失衡，在数量和质量上都表现出不小差距。而虚拟现实技术的支持可以弥补优质师资的稀缺和隐性资源的不足，有效促进地区教育资源均衡与共享。在VR辅助教学时，教师相对灵活，可以做到一对多式的互动式教学管理。教师作为学生学习的“支架”可做到实时监控，了解学生的反馈信息以及时予以指导。
3. 适用VR技术的高中地理教学内容
地理教学广泛应用科技。3S作为地理科学技术却因为其复杂的操作流程、高标准的制作水平、较为繁琐的样本提取分析过程等难以进入地理课堂为学生教师所熟用。作为新型学习工具的VR技术势必会有其相适应的教学范围。根据高中地理教材内容、教学目标、VR所具备的经济特性，研究发现并不是所有地理教学内容都需要VR。人本主义理论、建构主义理论以及多种案例分析明确了该技术在地理课程教学方面的关键优势。文章对适宜利用VR实现将田野带入课堂的教学内容进行分类，主要分为四类：超时空跨度动态类；地理事物成因原理类；遥远地物和模型结构考察类；灾害教育及生活热点类。
二、基于VR技术的高中地理教学设计
根据以上分类，结合已知学情，以强调创设情境、满足师生需求、提高学习自主性、创设信息技术沉浸性为教学理念，充分发挥虚拟现实科学技术手段优势，为高中地理教学增添新技术，创建新模式。现以高中地理必修二“农业区位因素及其变化”为例进行利用VR技术实现将田野带入课堂实践的教学设计。具体教学环节及实施过程如表1所示。
三、基于VR技术的实验研究及应用
1. 实验研究
VR技术通过提供直观可操控的现实场景让学习者实现沉浸式体验，以学习者为中心，通过观察、分析，解答地理问题，锻炼学习能力，并以此促进地理核心素养的培养。它不仅在知识技能水平方面让学生学有所得，更在操作掌握科技产品、培养小组合作精神等方面起到积极作用。[6]根据具体课程标准以及上述教学目标，本研究进行实验以验证结合VR技术将田野带入地理课堂的有效性和适切性。本次实验选取宁夏回族自治区银川一中高一年级的两个班级学生为研究对象，选取认知水平相当、由同一位地理老师所带的两个平行班Q、S展开实验，为降低误差，尽可能排除学生个体水平的不同对实验结果造成的干扰。Q班51人，在VR实训室实施传统讲授法为主的地理教学活动，为控制组；S班49人，使用z Space寰宇地理VR技术辅助地理教学，选择虚拟现实实训室为上课地点，为实验组。
为检验教学前后两个班级学生对农业区位因素有关知识的认知及掌握程度，分别进行两次测验，即前测及后测。后测是为了获取在前测基础上，不同教学方式的两个班级的学习成果差异。记S班前测为V2，后测为V3;Q班前测为V4，后测为V5。
(1)实验过程
第一，课程设计。基于对学生的了解、对教材内容的把握，选取适合结合VR技术的课程内容，制定适宜的教案，如表1所示。经过软件内容比对，确定本节课需展示的相关地图、全景视频、农业区位因素事例等，选用Uto VR应用程序中的视频以及z Space寰宇地理（电脑端应用程序）中关于农业区位因素的相关设计进行辅助教学。在正式上课之前向学生介绍VR实验室的使用要求和VR实验室的注意事项，以免教学无法顺利进行。
第二，教学实施。实验班以利用VR技术进行探究教学为主，主要流程为：首先通过佩戴VR眼镜进入虚拟三维立体的学习情境中，根据软件导航、教师的引导进行交互操作，选择正确的选项；其次身临其境思考探究问题，再以小组为单位交流讨论，小组合作时，交互也是可以合作的；最后由小组成员进行发言，教师进行总结和补充，以便加深学生们对所学知识的理解。对照班以传统的讲授为主。研究尽可能地对剩余的非相关变量进行控制，以确保试验的科学性，如表2所示。
第三，数据收集与分析。为了确保评估的公平性，在没有事先通知学生的情况下进行考试，避免由于学生的预习、复习而造成的成绩差异对结果的影响。测试题由4位高二地理教师共同命制，包含50道题，其中15道选择题（每题两分）和20个填空（每空一分），满分50分，知识分布均匀，可真实反应学生水平。通过测评成绩对VR应用于地理课堂的效果进行定量分析，同时使用相关专业教师填写的课堂观察量表以及对听课教师的访谈对实验定性分析。
(2)实验结果
研究主要对比利用VR技术进行地理教学和使用传统媒介进行地理教学对学生地理知识掌握的不同影响，分析利用VR教学是否在教学效果上有优势。以后测成绩为因变量；以前测分数为共变量，以独立样本的单一因素共变量对Q、S两个班级的地理学习效果进行分析。数据表明，Q班与S班前后测成绩均符合正态分布。前测成绩与后测成绩的平均值以及标准差如表3所示。经同质性测验，以α=0.05为显著水准进行单因子共变量分析，结果如表4所示。
排除共变量（前测成绩）对因变量（后测成绩）的影响后，教学方式作为自变量对因变量的实验处理效果显著，在p<0.05的前提下，F值为3.696，表示不同教学方式存在较显著的差异。由事后比较及组合调整后的平均成绩如表5所示，由此可知实验班S班的学习成效（平均值43.67）明显优于对照组Q班（平均值40.608）。
考虑到两个实验班级的样本不够充足，评价结果若仅考虑测试成绩，则太过单一。为避免偶然性因素对学生后测成绩的影响，在测试后对实验班49名学生进行问卷调查。在实验班49名学生的反馈中，71.43%的同学表示VR技术使自己对地理产生了更加浓厚的兴趣，51.02%的学生认为VR呈现地理环境更生动，如图1所示。然而，一些学生在回答VR技术在课堂中的应用有何弊端时提到：点触笔接触反应不够精准导致操作断续；屏幕刷新率不够导致多人操作卡顿；多台设备背景音乐一起播放，有点嘈杂等问题。在专业教师评价与反思方面，发现一小部分学生在VR课堂中会无视教师指导，自行操作VR设备，使教学进程在学生之间产生差异，教师会短暂失去课堂的整体把控。
(3)结果分析
根据上述实验的测试结果可知，不同教学方式对学生地理学习成效的影响差异显著。从测验的成绩水平看，利用VR技术的学生的学习效果相较于在传统教学方式下的学生的学习效果，展现出较为明显的优势。此次实验在一定程度上表明通过VR地理课堂的，学生对知识的掌握程度更高，课堂质量提升，在成绩方面有一定程度的进步。
过半数学生认为VR激发了自己的学习兴趣，也说明学生作为学习的主体，在学习过程中感受真实情境的同时获得知识。VR教学改变了知识的呈现模式，让课程变得更加轻松愉快，同时也有效激发大部分学生的学习兴趣。
然而在课堂观察中，也发现有学生忽视教师引导的现象。可见利用VR技术，虽然在一定程度上解放了教师的嘴，同时也对教师提出了更高要求，即在保证充分尊重学生个性化学习的前提下提升把控整个课堂的能力，对学生上课纪律进行有效规范以保证课堂秩序的正常稳定。[7]在VR的技术层面，可以看到在利用VR实现将田野带入课堂的过程中，VR还存在一定的技术问题，如定位更新慢、点触笔手柄接触不良、声音不同步等，若不加以改进就会影响教育效率，甚至对课堂教学成效和教育质量产生负面影响。
2. 应用建议
(1)构建VR课程体系
在高中利用VR技术进行地理教学，首先应对地理教材内容进行分类、整合，选择适宜结合高科技手段进行教学的内容，完善VR技术和地理教学内容的匹配，这样才能确保VR丰富的资源可以有针对性地大展身手。其次建立一个可共享的VR地理课程资源库，在资源库中对地理课程资源进行分类，这样不仅有利于教师翻阅查找，及时有效地准备教学设计以及制作VR多媒体，同时可以做到更有效地关联相关学科。建议VR开发商与高校联合创新，有效地将资源与技术整合，在VR资源库中建构适宜的、专业的VR课程体系。
(2)提升教师专业素质
现代化建设高质量发展，科技进入教育领域已是常态，教师在进行地理教学时，也不能停留在书本及简单图片的展示。利用互联网计算机技术，结合VR等高科技，下载所需教学资源，科学利用现代技术手段向学生传递与时俱进的信息已成为教师新要求。例如，教师在使用VR技术时可以努力提升自己专业能力，熟悉虚拟现实教学的相关操作及流程，对各种信息以及科学技术有效整合利用，实现教师地理信息技术素养的有效提升。如此，不仅能够促进教师对科学发展动态的把握，也有利于学生开拓视野，掌握地理科学技术手段。除专业素养的提升之外，教师应注重道德素养的提升，在日常教学中支持正版软件、尊重知识产权、全面了解相关信息法规等。校方也应积极组织教学研讨会与专业培训课程，实现教师专业素质与道德水平的提高，进一步满足信息时代要求。
(3)由点到面逐步推广
任何一种新技术的产生、发展、应用都会受到质疑，而评价任何一种新技术的成败，需要完善的理论体系和大量实践案例来验证，这需要花费很长时间。[8]基于VR技术在地理教学的适切性，可以通过局部学校试点，逐步扩大宣传范围，最后以重点推广的方式实现VR技术的实施普及。中学可以进行小范围VR课程设计试点，联合社会各方对VR技术进行课堂实施测评，经过不断改进、实验、完善、总结，直至VR技术符合要求后考虑普及推广，如此可以有效降低教学方式改进带来的失败风险。
四、结论与展望
综上所述，结合VR特征、教材分析等内容研究VR技术应用于高中地理课堂可解决的适切性问题：第一，VR技术可解决传统课堂营造真实环境困难的问题；第二，VR技术有效促进学生将书本知识与生活实际结合，有效培养地理核心素养；第三，虚拟现实教学环境改善了传统课堂师生交互少、生生合作少的状况；第四，VR技术可以做到资源共享、资料开放，使学生从单一接受走向多元主动获取知识。结合VR应用特点以及应用效果的影响因素对高中地理课程进行分类，将适宜利用VR实现将田野带入课堂的高中地理教学内容分为四类。
研究通过教学设计和实验，对宁夏回族自治区银川一中高一两个平行班级做对比分析，利用SPSS软件对后测成绩进行单因素共变量分析，结合专业教师评价和学生问卷调查后论证利用VR技术将田野带入课堂的有效性。研究认为，VR技术的应用对学生学习成就产生较为显著的正向影响，促进了学生学习效果的提升，同时发现实践中存在的问题。最后给出应用建议：第一，构建VR课程体系；第二，提升教师专业素质；第三，由点到面逐步推广。
未来研究仍需在其它地方开展虚拟现实教育的实践探索。本研究了解到地理课程普遍缺乏VR教学资源，期望未来教育开发部门可以与一线教师保持密切联系，研发出适合使用VR技术授课的、与教材内容适配的VR资源，使教学内容更有针对性。利用VR技术实现将田野带入课堂，是机遇也是一种趋势，道阻且长，行则将至，相信随着科技的不断发展与进步，VR技术必将在地理教育中发挥它更大的价值。
[1] 教育部.教育部办公厅关于公布2020年度“智慧教育示范区”创建项目名单的通知[EB/OL].
[2] 教育部.普通高中地理课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018.
[3] 张述林.基于VR技术的地理教学[J].地理教学,2018(07):43-46.
[4] 武智涛,张晓静.在高中地理教学中应用VR技术的实践与思考——以《中外著名旅游景观欣赏》一课为例[J].中国现代教育装备,2021(16):44-46.
[5] 王雪,徐文文,高泽红,等.虚拟现实技术的教学应用能提升学习效果吗?——基于教学设计视角的38项实验和准实验的元分析[J].远程教育杂志,2019,37(06):61-71.
[6] 曹富祥,赵平.虚拟现实技术在中学地理教学中的应用[C]//浙江省科学技术协会.全国首届数字(虚拟)科技馆技术与应用学术研讨会论文集.杭州:科学技术文献出版社,2007:133-139.
[7] Wei-Kai Liou,Chun-Yen Chang.Virtual Reality Classroom Applied to science Education[C]//Information Technology.2018 23rd International Scientific-Professional Conference on Information Technology(IT).zabljak:IEEE,2018:1-4.
[3] Jocelyn Pparong,Richard E.Mayer.Learning Science in lmmersive Virtual Reality[J.lournal of Educational Psychology,2018,110(6).785-797.