1. 引言
随着科技的飞速发展，教育领域的教学方法和工具正在经历一场前所未有的变革。其中，虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术以其独特的互动性和沉浸感，正逐渐成为教育者和研究者关注的焦点。特别是在地理教学中，这些技术的应用不仅可以突破传统教学的时空限制，还能提供更为直观、生动的学习体验，有助于学生更好地理解和掌握地理知识。
近年来，VR和AR技术在地理教学中的应用已取得了初步成果。2016年，高嵩将虚拟现实技术与高中地理进行了分析，提出了VR技术改变了高中地理教学中的传统教学方式，使中学地理课堂具有更强的互动性和灵活性 [1] 。2017年，陈伟等人对VR技术的概念进行了讨论，并对使用虚拟现实技术进行地理现实模拟的必要性和可行性进行了分析，对构建虚拟场景建设进行了分析，并运用了一些具体的案例，认为VR技术提高了教学效率，并激发了学生的学习兴趣 [2] 。同年，吴燕芳等引入了虚拟仿真实验的概念，并指出了它在中小学地理教育中的优越性，并以“等高线地形图”作为案例，开展了一系列教学活动，对虚拟仿真实验在地理教学中的功能进行了阐述。通过虚拟仿真实验，培养学生的地理核心素养 [3] 。李建华等人于2018年将虚拟现实技术引入到中学地理教学，并以“水循环”和“商品谷物农业的区位因素分析”为例，对VR技术应用于高中地理教学的效果进行了实证研究。文章还提出，要想教师在教学中恰当地运用虚拟现实技术，需加强对教师的技术培训 [4] 。白敬敬等人也于同一年，将虚拟现实技术应用于地理教学，并对虚拟现实技术进行了研究，以高中地理课程的标准为基础，列举了适宜VR技术的教学内容，选择VR地理场景，对VR技术在地理教育中的应用进行了讨论，并归纳了利用VR软件进行地理教育的优势 [5] 。董丹萍在2019年阐述了VR技术可以提高学生对区域的认识，以“北京”一课为例，在中学地理教学中运用了虚拟现实技术，从而推动了教育和信息技术的深度融合 [6] 。2020年，李旺军对将VR技术应用于中学地理教学的必要性和可行性进行了分析，并与“世界的聚落”这一课程相结合，对如何使用VR技术在中学地理教学中进行了相应的设计 [7] 。李沛屿等在2021年，对虚拟现实技术的内涵进行了阐释，并结合《地球圈层结构》这一课为例，对虚拟现实技术在中学地理课堂上的应用问题进行了探讨和思考 [8] 。
2016年，全希将AR技术与“多民族的国家”一课相结合，并指出AR技术可以增强沉浸式学习体验，提升地理教学效果具有重要意义 [9] 。同年，王德宇等学者把AR技术应用于不同的教学模式中，并将增强现实技术与众创空间融合在一起 [10] 。2018年郭威发现，AR技术可以通过科学实验研究吸引学生的学习兴趣，保持课堂注意力，并提高学习效果 [11] 。2018年，杨文喜根据等高线的相关知识以及AR沙盘的特征，提出了将AR沙盘应用于在地理教学中 [12] 。2018年，罗春和阳金秀等人认为，通过AR技术在地理课程的应用，能够提高学生的主观能动性，从而对地理学习起到积极作用 [13] 。2019年，周琴将增强现实技术与中学地理教学有机结合起来，设计出一套完备的教学模式，并对AR技术在地理课程中的应用进行了探索 [14] 。
这些研究表明，通过VR和AR技术，学生能够虚拟访问遥远的地理位置，亲身体验复杂的地理现象，从而在提高学习兴趣的同时，加深对地理概念的理解。然而，尽管现有研究提供了宝贵的见解，对于这些技术在不同教育环境中的实际效果和应用潜力，尤其是在资源较为匮乏的边疆少数民族地区，仍缺乏系统的探索和深入的分析。
基于此，本研究以2017年版《普通高中课程标准》要求，以“土壤”一章为例设计教学案例，结合VR和AR技术对位于边疆少数民族地区的C校进行教学实践，并通过测试成绩和问卷调查评估教学效果，旨在为地理教学的技术革新提供实证基础和对策建议。
2. VR/AR技术在“土壤”教学中的创新设计
2.1. 教学设计
2.1.1. 教学环境
本次教学实践在中教启星公司承建的地理教学智能实验室中开展，实验室中主要配备有交互地图教学系统、中国语音立体地形图、世界语音立体地形图、全息教学系统、地理AR沙盘系统、地理VR教学系统、虚拟现实一体机、AR增强现实系统、虚拟现实(喀斯特)研学系统、地球的演化沉浸式VR探索系统等软硬件。此次实验采用的主要工具为zSpace，操作者通过佩戴3D跟踪眼镜，在触控笔的协作下可观察到3D模型的出屏和景深效果，并实现模型的旋转、放大、缩小等操作。
2.1.2. 研究对象
本次教学实践以C校2020级地理科学一班和2020级地理科学二班为研究对象，两个教学班层次相同，且成绩无显著差异，故确定2020级地理科学一班为实验班，2020级地理科学二班为对照班。
2.1.3. 研究方法
由于此次实验是在实际教学环境中展开的，实验对象为固有的教学班，故本此实验的研究方法被确定为对比实验法。
2.1.4. 明确分析变量
1) 自变量：教学方式为此次研究的自变量，在实验班级中采用VR/AR技术进行授课教学，而在对照班中使用传统方式进行教学。
2) 因变量：为更好地评估VR/AR技术在地理教学中的作用，故选用教学效果为实验的因变量。并采用学生测评、问卷调查的方式确定教学效果。
3) 控制变量：为保证实验的准确性，需尽量控制无关变量。两个教学班由同一教师进行授课、评价方式、两个班的学生人数、性别比例和成绩等基本条件彼此相似，试卷的测试时间、批改标准基本一致。
2.2. 教学过程设计
本次实验根据2017年版《普通高中课程标准》要求，以“土壤”一章为例设计教学案例，课程标准要求“通过对野外观察或运用土壤标本，说明土壤的主要形成因素”，结合培养地理核心素养的要求，设计教学过程，并将VR/AR技术应用于地理教学。具体教学过程如表1所示。
3. 教学测试数据统计分析
课程教学结束后，分别对2020级地理科学一班及2020级地理科学二班进行知识检测，检测卷总分50分，其中选择题34分，非选择题17分。实验班和对照班的成绩如表2、表3所示。
Table 2. Test results of geography science class 1 (experimental class) in 2020
表2. 2020级地理科学一班(实验班)测试成绩
Table 3. Test results of geography science class 2 (control class) in 2020
表3. 2020级地理科学二班(对照班)测试成绩
运用SPSS27.0统计分析工具，在实验班和对照班中，对学生的测试成绩展开独立T检验，以此为依据，对实验班和对照班的学生学习成绩的差异性进行分析。根据SPSS27.0软件的分析数据，在组统计数据(表4)可以看出，实验班(2020级地理科学一班)与对照班(2020级地理科学二班)的平均成绩分别是36.46分和31.15分，相差5.31分。实验班和对照班的测试成绩的标准差分别为4.441和5.622，实验班的学生测试成绩标准差较对照班更小，这说明实验班的成绩比较集中。从独立样本检验数据(表5)中可以看出，莱文方差等同性检验显著性为0.185 > 0.05，即假设等方差条件成立，假定等方差的显著性(双尾) sig小于0.001且远小于0.005，说明VR/AR技术的实验班和对照班的测试成绩有显著差异。
此外，如图1所示，在实验班和对照班的学生成绩在分数段也呈现出不同。在10~19分的区间，实验班有0人，对照班有2人，即实验班的低分数数量较对照班少。在20~29分的区间，实验班有2人，对照班有14人。在30~39分的区间，实验班有31人，对照班有28人。在40~50分的区间，实验班有10人，对照班有3人，实验班的高分数段的学生较多。可知，VR/AR技术能有效地调动学生的学习热情，并能有效地提高他们的学习成绩。
Table 4. Statistical results of test groups of experimental class and control class
表4. 实验班与对照班测试组统计结果
Table 5. Independent sample t test between experimental class and control class
表5. 实验班与对照班独立样本t检验
Figure 1. The number of students in different grades in the experimental class and the control class
图1. 实验班与对照班各分行数段的学生数量
4. 问卷调查数据统计分析
此次的测试成绩只能用来评价VR/AR技术应用效果的一个方面，为了增加实验的严谨性与科学性，所以在实验完成后，再次对实验班的学生展开了一次问卷调查，探讨VR/AR技术在提高学生学习兴趣，以及突破教学难点等方面的问题。
实验结束后，对实验班的学生展开问卷调查，问卷发放49份，回收问卷43份，其中有效问卷43份。问卷调查主要内容包括：学生对VR/AR技术的学习兴趣(第1~2题)，VR/AR课程内容的丰富度调查(第3题)，学生对VR/AR课程的系统功能满意度调查(第四题)，学生对VR/AR技术攻克教学难点的调查(第5~6题)，VR/AR技术教学效果的调查(7~9题)。
1) 学生学习地理的兴趣调查
第1~2题主要调查VR/AR技术对学生学习地理的兴趣影响，数据表明，对于高校教师运用VR/AR技术辅助教学，90.7%的学生表示感兴趣，少部分学生表示教师使用VR/AR辅助教学感到无所谓(图2)。与传统的教学方式相比，72.09%的学生愿意高校教师使用VR/AR技术教学，25.98%的学生希望高校教师采用传统或常规的授课方式(图3)。以上研究发现，大部分学生更喜欢将VR/AR技术融入于课堂进行教学，VR/AR技术的应用，更能吸引学生的学习兴趣，提升教学效率。
Figure 2. students’ interest in VR/AR teaching
图2. 学生对VR/AR教学的感兴趣程度
Figure 3. Teaching methods preferred by students
图3. 学生喜欢的授课方式
2) VR/AR课程内容丰富度调查
第3题主要调查VR/AR课程的内容丰富度，69.77%的学生认为VR/AR的地理课程很丰富，据此可知，他们认为VR/AR技术与高校地理课程的内容可以进行较好的结合，学生在VR/AR的地理课程中可以学习到知识，并能拓展思维，攻克教学难点。27.91%的学生认为丰富度一般，2.33%的学生认为课程内容不丰富，由课后访谈这部分学生可知，虽然VR/AR的课程可以给他们沉浸式体验的效果，但是在教学过程中无法明确教学重点(图4)。因此，教师在进行授课时，需要适当增加文字讲解，从而辅助教学，满足学生的学习需求。
3) VR/AR技术系统功能满意度调查
第4题主要是针对VR/AR技术系统功能满意度调查，调查数据显示，60.47%的学生对VR/AR地理系统功能感到满意，32.56%的学生对VR/AR的地理系统功能感到很满意，数据表明，VR/AR的地理系
Figure 4. Survey on the content richness of VR/AR geography courses
图4. VR/AR地理课程内容丰富程度调查
统功能已可以适应大部分的地理课程，但6.98%的学生对VR/AR地理系统功能感到不满意(图5)。由课后进行访谈这部分学生可知，他们认为，VR/AR的系统功能不是十分全面，故在今后的教学中，需适当考虑学生需求，以期达到最佳的教学效果。
Figure 5. VR/AR geographical system function satisfaction survey
图5. VR/AR地理系统功能满意度调查
4) VR/AR技术攻克难点调查
第5~6题主要是对VR/AR技术攻克地理难点的调查，根据调查资料，认为将VR/AR技术辅助于教学有时能提高自己的空间想象力的大学生占53.49%，46.51%的大学生觉得利用VR/AR技术总是能提高自己的空间想象力(图6)。在对抽象知识的理解上，51.16%的学生认为，将VR/AR技术辅助与高校教学对抽象知识的理解有时有效果，认为将VR/AR技术辅助教学总是有效果的学生占48.84% (图7)。据此可知，将VR/AR技术应用于课堂教学，对于提高学生的空间想象能力，以及理解抽象的地理知识等方面具有很大的帮助。
5) VR/AR技术的教学效果调查
第7~9题的主要内容是调查VR/AR技术的教学效果，调查结果显示，79.09%的学生认为，教师应用VR/AR技术进行教学的效果感到满意，16.28%的学生认为教师使用VR/AR技术进行教学的效果满意度感到一般，其次个别学生对VR/AR技术进行教学的感到不满意(图8)。在提高成绩方面，认为使用VR/AR技术辅助教学很有帮助的学生占53.49%，认为使用VR/AR技术辅助教学有一点帮助的大学生占46.51% (图9)。大学生对于今后高校教师在课堂上使用VR/AR技术的态度，76.74%的学生希望高校教师在今后
Figure 6. Can VR/AR technology improve spatial imagination
图6. VR/AR技术能否提高空间想象力
Figure 7. Can VR/AR technology improve the understanding of abstract knowledge
图7. VR/AR技术能否提高抽象知识的理解能力
Figure 8. Students’ satisfaction with the teaching effect of VR/AR technology
图8. 学生对VR/AR技术教学效果的满意度
Figure 9. VR/AR’s help in improving geography scores
图9. VR/AR对提高地理成绩的帮助
的授课过程中采用VR/AR技术进行授课，13.95%的大学生认为高校教师是否在授课过程中采用VR/AR技术感到无所谓，9.3%的学生不希望高校教师经常使用VR/AR技术进行授课。根据课后访谈得知，少部分学生认为，使用VR/AR技术进行教学，教学效率较低、浪费的时间较多，很难抓住课堂重点(图10)。但大部分学生都对教师使用VR/AR技术进行授课表示认可，认为VR/AR技术对提高学生的学习成绩有帮助。因此，在今后的教学过程中，教师需加强自身学习，提高课堂的教学效率，以充分发挥VR/AR技术的优势。
Figure 10. Attitudes towards teachers using VR/AR technology to teach
图10. 对教师使用VR/AR技术授课的态度
通过SPSS27.0将实验班与对照班的测试成绩进行分析，并采用问卷调查法，分析将VR/AR技术融入于课堂的应用效果。结果表明使用VR/AR技术对教学效果具有促进作用，发现VR/AR技术应用于高校地理教学可以更好地激发学生的学习热情，帮助学生理解难点知识，提升学生的学习成绩。
5. 结论
本次研究围绕如何将VR/AR技术应用到地理课堂中展开，采用文献研究法、问卷调查法、访谈法以及对比实验法，在建构主义学习理论、认知主义学习理论和情景学习理论的指导下进行研究，得出以下结论：
为了对VR/AR技术应用于地理课堂中的教学效果进行验证，选取了两个学习水平相同的班级2020级地理科学一班和2020级地理科学二班为实验对象，在保证控制变量是一样的情况下，实验班采用VR/AR技术进行教学，对照班采用传统的教学方式进行教学。在实验完成后，从问卷调查、知识测评这两个维度分析将VR/AR技术应用于高校地理课堂的教学效果。实验结果表明：使用VR/AR技术对教学效果具有促进作用，发现VR/AR技术应用于地理教学有利于充分调动学生学习的积极性，帮助学生理解难点知识，提升学生的学习成绩。
基金项目
本项目为教育部产学合作协同育人项目“基于AR/VR的地理教法实验室产学研融合建设研究”、楚雄师范学院地理科学云南省一流专业建设点项目、资源环境与化学学院师范类专业基础教育教学改革研究项目“丽江世界遗产融入当地中学地理教育教学的内容与途径研究”成果。
NOTES
*通讯作者。