运用AR数字沙盘培养地理空间思维的研究
——以“分层设色地形图”为例
研究背景
1.课程标准要求。《义务教育地理课程标准（2022年版）》明确要求学生能够结合地形观察，说出等高线地形图、分层设色地形图表示地形的方法；能够在地形图上判别和描述基本的地形特征；能够阅读和提取地图上的地理信息，并利用地理信息说明和分析地理事物和现象。地理AR（增强现实）数字沙盘以三维交互式的立体画面呈现出真实状态下的沙盘空间形态，其交互性和可操作性能够有效地培养学生的地理空间素养，落实教学目标。
2.数字化转型。结合新课标“养成在生活中使用数字地图的习惯，感悟信息技术的发展给生活带来的便利”这一学业要求，本研究以地理AR数字沙盘为工具，以“形形色色的地图：分层设色地形图”一课为例，探索地理AR数字沙盘与初中地理教学的有效融合方法。
3.学情需要。人的思维活动主要分具体形象思维和抽象逻辑思维两个方面，而地理AR数字沙盘与地理课程内容的有效整合大大发挥了三维交互式数字地图的优势，将抽象的地理、地图内容具体形象化，使学生的地理空间思维能力得到发展。
研究设计
一、研究样本
本研究在华东师范大学第二附属中学前滩学校开展，这是一所九年一贯制公办学校，学校全面执行国家课程计划，在初中六年级和七年级开设地理课程。本研究选取初中六年级3个班级的96名学生作为实验组，初中七年级3个班级的80名学生作为对照组。由于其中2名学生完成测试明显不认真，测试成绩不能代表其真实水平，所以本研究删除了这2个样本数据，最终使用了174名学生的数据作为有效样本进行分析。
二、样本基础分析
为了了解样本学生的地理学习基础，运用SPSS26.0软件对其六年级第一学期第一单元测试成绩进行了分析（见表1）。
三、测量工具
本研究结合六年级地理“形形色色的地图：分层设色地形图”一课，基于新课标编制了一套分层设色地形图知识技能测试卷，作为课堂前测、后测的测量工具，共有10道试题，分别在一节课的开始和结束时进行测试。
四、实验设计
为减少其他因素对学习目标达成度的影响，本次实验研究对象6个班级的授课教师均由笔者担任，实验班和对照班采用相同的教案和基本教学环节，仅在分层设色地形图的呈现和演示方式上有所不同。AR数字沙盘的互动功能是普通视频不具有的，因此实验组的互动环节对应的是对照组的问答环节。
6个班级的教学安排如下：首先，进行约10分钟的分层设色地形图知识技能前测；然后，进行约20分钟的教学（实验班学生体验AR数字沙盘，对照班学生观看传统视频）；最后，进行约10分钟的后测。
五、分析方法
本研究通过独立样本T检验，对实验班和对照班样本的学习基础（六年级第一学期第一单元成绩）、分层设色地形图知识技能前测、后测成绩的均值进行差异比较。同时，计算各班分层设色地形图知识技能的后测相较于前测的增长幅度，并运用配对样本T检验方法检验前、后测均值差异是否达到显著水平。以上均由SPSS26.0软件完成。
教学过程与结果分析
一、教学目标
分层设色地形图不像剖面图和鸟瞰图那样直观，对于六年级的学生来说阅读分层设色地形图具有一定的难度。他们必须先理解海拔和相对高度等基本地理概念。因此，基于新课标、教材以及学情，本课的学习目标首先是辨析海拔和相对高度的概念，在分层设色地形图上读出某地的海拔高度，并计算两地之间的相对高度，在脑中产生心理图像，提升地理空间想象能力。同时考虑到新课程改革要求，教学要贴近生活、联系实际，本课的学习目标其次是利用分层设色地形图判断地势及河流流向等问题，培养地理空间分析思维能力，为分析农业种植、水利建设等实际问题打好基础。
二、教学过程
上课开始，教师发放分层设色地形图知识技能测试卷对学生进行前测，要求学生独立完成，之后直接进入授课环节。
首先，教师分别利用AR数字沙盘（见图1）和传统二维视频演示分层设色地形图的绘制过程，使学生了解分层设色地形图的作用。
然后，基于情境创设问题链。某校学生在山区开展暑期地理综合实践活动，山区地形如下（见图2）。（1）男生想玩攀岩，女生想玩漂流，图中A、B两处中，适合攀岩和漂流的地点分别是哪处？（2）大家决定，一起去漂流，顺着小河漂流来到了①河段，小河的流向大致是怎样的？（3）大家在漂流的过程中看到不远处有一座山峰，这是该地区最高山峰，海拔是多少米？（4）漂流之后大家到本地农家乐吃饭，菜品有鸡汤、小葱炒鸡蛋、猪油炒青菜、米饭等。在和老板闲聊中得知，这些食材都来源于本地。已知坡度过大不利于发展农业，请判断图中C、D两山坡哪个更适合修筑梯田？
在分析情境、解决问题的过程中，实验组可以利用AR数字沙盘进行模拟演示，对照组则依据分层设色地形图绘制两点之间的地形切面剖面图。授课结束后，教师再次发放与前测内容相同但形式不同的分层设色地形图知识技能测试卷，对学生空间思维进行后测。
三、 结果分析
通过对比表2中实验班与对照班后测较前测提升幅度的结果可以看出，3组实验班整体提高了18.26分，增长率为25.42%;3组对照组整体提高了10.04分，增长率为13.36%。结果表明，实验班的地理空间思维水平提高幅度明显高于对照班。
通过使用配对样本T检验的方法对比3个实验班与3个对照班个体的前测、后测平均分发现，实验1班、3班的平均分提升极其显著，而3个对照班虽平均分也有提升，但提升的差异不显著。由此可以看出，3个实验班的地理空间思维水平的提升相较于3个对照班更具有统计学意义。
研究结论与反思
一、结论
1.6个班级的分层设色地形图技能后测水平均高于前测，这说明运用AR数字沙盘辅助教学和运用传统视频辅助教学对培养初中生的空间思维都是有效的。
2.地理AR数字沙盘辅助教学的效果要优于传统视频辅助教学的效果，能更高效地实现分层设色地形图的教学目标，本研究提出的假设成立。
3.地理AR数字沙盘作为一种直观、交互性强的现代地理教学设备，在中学地理教学中作为克服地图教学难点的多媒体辅助手段，具有一定的推广价值。
二、反思
1.本研究中也发现，地理AR数字沙盘辅助地理教学仍有不足之处，例如其功能主要局限于分层设色地形图、等高线地形图相关的教学，而不适合辅助其他内容的教学。故教师要根据教学内容灵活选择教学工具。另外沙盘受到重力作用的影响，只能水平操作演示，需要学生围拢在四周，不适宜在人数多的班级使用。
2.由于受到现实条件和笔者自身研究能力的限制，样本量少，实验组和对照组不属于同一个年级，都有可能产生一定的误差。
小编说
该文章题目为《运用AR数字沙盘培养地理空间思维的研究——以“分层设色地形图”为例》，于2023年发表在《地理教学》期刊。
本研究将地理AR数字沙盘与初中地理知识有机结合，并运用于初中地理课堂之中，利用直观的三维数字地图，帮助学生更好地理解等高线地形图，培养学生的地理空间思维，激发学生对地理知识探索的热情和兴趣，并尝试通过实验证实地理AR数字沙盘对培养初中生地理空间思维的有效性，同时丰富基于地理学科属性、紧密联系实践的地理空间思维发展理论，为新课程改革背景下基于信息技术培养地理课程核心素养提供依据。
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本期编辑：程馨仪
本期文案：程馨仪
