1. 前言
在地理教育中，增强现实(Augmented Reality, AR)技术作为一种创新的教学手段，不仅为教师提供了全新的教学方式和工具，而且也为学生带来了独特的学习体验。首先，AR技术可以将抽象的地理概念(例如：季风环流)通过虚拟图像直观呈现给学生，提高了学生对地理知识的理解和记忆。其次，AR技术可以实现虚拟实景的展示，让学生身临其境地感受地理环境(例如：喀斯特地貌)，这激发了学生的学习兴趣，提高了学生的参与度。此外，AR技术还可以实现地理信息的实时更新和互动分享，让学生更加及时地获取地理信息，培养了他们的地理信息获取和处理能力[1]。其次，在地理教学领域，增强现实(AR)技术还具备提供个性化学习体验的潜力。第三，地理新课标中指出，地理学不仅研究地理事物的空间分布和空间结构，而且阐明地理事物的空间运动、空间演变的规律，学生要在初步掌握地理基本知识的基础上，获得地理基本技能，发展地理思维能力[2]。地理学习能力是一个多元而综合的概念，涵盖了空间思维能力、学习创造力、学习动力以及学习毅力等多个方面。其中，地理空间思维能力尤为关键，它要求学生借助自身的想象力，在脑海中构建并描绘出某一地理事物的空间位置和范围，从而实现对这些事物的精准定位和深入剖析。在这一过程中，定位能力至关重要，它使学生能够准确识别和判断地理事物的位置，并深刻理解其周边环境的特征。同时，深加工能力也不可或缺，它涉及到对基本地理信息的深入挖掘、深度思考、信息整合以及分类整理等认知层面的操作，有助于形成更为全面和深入的地理知识体系。而地理空间思维能力具体包括记忆、想象、定位、感知和分析等多种类型，帮助个体更好地理解和运用地理空间信息[3]。因此，在地理教学过程中，注重培养和锻炼学生的地理空间思维能力显得尤为重要且必要。
而AR技术在地理教学中的应用丰富多样，既显著增强了教学效果，又极大地丰富了学生的学习方式与体验，对培养学生的地理空间思维能力和综合素养大有裨益。特别是中教启星公司开发的AR地理数字沙盘系统这一创新教学工具，通过巧妙结合AR技术与传感技术，在初高中地理教学中展现出巨大潜力。AR地理数字沙盘系统由AR地理沙盘、实验工具箱、海沙、配套课程等部分组成，系统采用了AR增强现实、传感等技术[4]。具有等高线、等值线、阳坡与阴坡、地形漫游、火山喷发和我的沙盘等六个模拟内容。它能够即时识别并响应互动沙盘的形态变化，借助虚拟投影技术，生动形象地呈现不同地势、地形和地貌特征。这一系统有助于学生更直观地理解地理知识，提升学习效果，同时激发他们的学习兴趣。
AR技术作为一种创新的教学工具，具有强大的虚拟现实交互功能，能够帮助学生在地理学习中更直观、生动地理解和探索地理空间概念，激发学生学习兴趣，提高学习效果。而初二年级的学生在下学期将要面对初中地理学业水平考试，是处于地理学科学习的关键阶段。地理空间思维能力的培养对于他们的综合素质提升至关重要。通过AR数字沙盘技术的应用研究，可以为学校教学提供新的思路和方法，丰富教学手段，拓宽教学视野，更好地促进学生地理思维能力的培养。本研究在楚雄师范学院附属中学开展，这是一所集初中、普高、艺高为一体的州属一级完全中学。学校全面执行国家课程计划，在初中七年级和八年级开设地理课程。研究利用AR地理数字沙盘在楚雄师院附属中学培养初中生的地理空间思维能力，可以为教育教学领域的AR技术应用提供实践经验和借鉴，为其他学校和教育机构在地理课程教学中引入AR技术提供参考，具有一定的推广和应用价值。因此，本研究对于推动AR技术在初中地理教学中的应用，促进学生地理空间思维能力的培养，具有一定的理论和实践意义。
2. 国内外研究现状
2.1. 国外研究现状
在国外，对于增强现实(AR)技术的研究起步较早，并且已经相对成熟。增强现实技术在游戏、娱乐、医疗等各个行业得到普及。AR地理沙盘是一种基于AR技术开发的新型地理教具。目前，许多发达国家已经成功地将AR技术应用于教育领域，并取得了重要的进展，在各个学科领域都得到了广泛地应用。在地理教育领域，AR技术也得到了广泛的研究和应用。Min D L在探讨基于叙事的地理空间技术在职前地理教师区域地理教学中的应用潜力。利用NGSTs通过区域地理叙事、地图图层和多媒体技术的整合，培养PGTs对区域地理研究和教学的理解和见解[5]。大多数高校开设项目管理沙盘课，Yong H L从沙课教学过程中总结经验，指出实验过程中的一些错误，并给出改进建议。最后，对沙盘的前景进行了预测[6]。O’Banion Matthew S.在课堂学习环境中利用增强、混合和虚拟现实(AR, MR, VR)技术的能力。为了验证AR沙盘/沙盘在小组学术环境中的使用情况，对400名参与者进行了评估后发现，在教室环境中使用AR沙盘可以提高对基础遥感知识的保留，并提高被确定为低表现者的评估性能[7]。增强现实(AR)技术正在教育环境中引入，AR沙箱是一种传统的沙箱，具有投射到沙表面的深度彩色表示。儿童对AR沙盘空间的积极和动态操作，Rhys G使用AR沙盒来通过游戏增强孩子的空间思维[8]。国外的一些知名研究机构和学校已经成功研发了多款基于增强现实(AR)技术的地理教育软件和课程。例如，Stellarium Mobile就是其中一款备受欢迎的AR个人天文馆软件。学生只需使用iPhone或iPad对准夜空，这款软件便能迅速识别并展示上方的恒星、行星、星座和卫星。通过利用这类软件，教师可以把《宇宙中的地球》等课程中的复杂地理知识以更加直观、生动的方式呈现给学生，进而有效提升学生的地理空间思维能力。
2.2. 国内研究现状
周成玲对沙盘模型在园林设计类课程中的应用进行了探讨。并在设计类课程实践教学中及时融入沙盘模型制作，引导学生对园林景观空间要素的理解[9]。王梅结合AR技术运用于教学的有效实践，从课堂、学生学法及教学评价等方面探讨了AR技术运用于地理课堂的现实意义[10]。徐星将AR技术应用于初中地理教学，以“等高线地形图”为例，展示如何运用Unity 3D引擎和Vuforia AR SDK开发包，进行AR课程的软件设计；通过开展教学实验，说明使用AR技术辅助“等高线地形图”教学能有效提升学习效果[11]。高秀川以中学生对地理教具的体验问卷调查为基础，明确了AR技术在地理教学中应用的必要性和可行性，并对AR立体地理书进行初步设计和应用实践。实践证明AR技术可以把所有教具、优质多媒体资源等整合在一起，有效解决学生与教材的互动问题，大大提高地理课堂学习质量[12]。
虽然国内AR技术在教育领域的应用方面也取得了一定的进展，但是针对初中地理校本课程中AR数字沙盘的应用研究还相对较少。王秀菊的研究结果表明：AR地理数字沙盘内蕴丰富的地理信息，能够多维度、多要素地全面揭示地貌的细致特征，精确呈现海拔、等高线、坡向等关键数据。值得一提的是，AR沙盘不仅灵活便捷，而且可重复利用，更支持实时交互，为地理教学与研究提供了强大的技术支持。利用AR沙盘能够突破传统课堂学习的时空限制，有助于培养学生的综合思维能力，进而提升教学效果[13]。丁延军就等高线地形图在地理教学中存在的问题，提出动手做一个地形沙盘的原理和方法[14]。另外，国内对AR技术教育其他领域也有研究，如：王熙垚就AR技术与地理教学有效融合时，应注意的事项展开分析，提出AR技术的融入应注重与传统教学相结合。AR技术作为一种辅助工具，应与传统教学方法相结合，形成多元化的教学方式[15]。而隋爱华借助AR沙盘，采用模拟实验，通过AR沙盘的立体呈现，进行多角度细致观察，将抽象知识形象化、具体化，提高空间思维想象能力的研究，这也是一种创新与传统相结合的教学模式[16]。云南省一些初高中学校已经开始尝试将AR技术应用于地理教学中，并取得了一定的成效。例如，云南省昆明市第三中学、玉溪市第一中学在教学中引入地理智慧教室供师生使用。地理教室由AR地理数字沙盘教学系统、寰宇VR教学系统、地理图层学习箱等一系列教学设备，其使用范围覆盖整个高中阶段所学知识体系与内容。学校通过引入智慧教室有效提高了学生对地理知识的理解和掌握程度，增强学生的地理空间思维能力。
综合国内外的研究现状，可以得出目前AR技术在初中地理校本课程中的应用还处于探索阶段，有待进一步提升。
3. 研究设计与实施
3.1. 样本选择情况
在本研究中，选定了楚雄师院附中初中八年级160班的20名学生作为实验组，而该班级中剩余的29名学生则被设定为对照组。然而，在数据收集过程中，发现有4名学生在完成测试时态度不够认真，其测试成绩无法真实反映他们的实际水平。因此，为了确保研究的准确性和可靠性，决定将这4名学生的样本数据予以剔除。最终，本研究采用了共计45名学生的数据作为有效样本进行深入的分析。
3.2. 研究过程
3.2.1. 教学过程
本实验选取了人教版七年级上册第一章第四节《地形图的判读》的内容，对学生进行教学。
在实验前，为了了解样本学生的地理学习基础，对160班45位同学进行等高线地形图小题测试(总分10分)。根据学生的人数划分，本实验将进行了两次测试，第一次对对照组的25位同学进行播放传统二维视频的教学方式之后，进行测试；第二次将实验组的20名学生组织到地理智慧教室，利用希沃白板讲解了地面相对高度与等高线地形图的内涵，接着播放一些常见地形部位的视频，因为是学过的内容，学生配合度很高。接着利用交互式AR地理数字沙盘进行模拟常见的地形部位。因为不同地形部位，如山顶、山脊、山谷或鞍部等，其形态各异，表现为等高线的特点不同(图1)。学生在使用AR地理数字沙盘时，在改变沙子形状的过程中，AR地理数字沙盘通过传感器感知到沙子的形态变化，便可以在下方的沙子上呈现出等高线变化，通过观察不同地形部位的高度，沙盘投影出等高线，学生便可以在沙盘上直观地观察3D立体效果，以便于来判读地形地貌。
Figure 1. Automatic generation of contour lines on AR geographic digital sandbox
图1. AR地理数字沙盘自动生成等高线
为了加深学生对山地地形部位形态的理解，可以手背朝上伸出右手，握紧拳头，这样就可以观察到：手掌与四个手指交界处有四个凸出的关节，这相当于四座山峰，而每相邻两关节之间的部分就相当于鞍部，两只相邻手指之间低下的部分相当于山谷，每只手指则相当于山脊，右手的左右两侧相当于陡崖。这样就把可以山地地形的各个部位集中在右手上了(图2)。然后学生就自行使用AR地理数字沙盘来进行地形的探究[17]。教学结束后，组织实验组的20名学生进行测试(图3)。
Figure 2. Fist simulation terrain
图2. 拳头模拟地形
3.2.2. 测试结果分析
等高线地形图小题测试过程使用了10分钟，共有10个小题，表1实验组与对照组的测试成绩数据进行了四舍五入。
Table 1. Test scores of experimental group and control group (N = 45)
表1. 实验组与对照组的测试成绩(N = 45)
| 分组 |
有效实验样本数 |
实验前平均分 |
实验后平均分 |
教学工具 |
| 实验组 |
20 |
3 |
8 |
交互式AR地理数字沙盘 |
| 对照组 |
25 |
4 |
5 |
播放传统二维视频 |
Figure 3. Test questions
图3. 测试题
Figure 4. Comparison of test scores
图4. 测试成绩分数对比
结果表明：实验组的前后测试成绩平均分提高了5分，而对照组的测试前后平均分数只提高了1分。在实验前实验组与对照组的测试分数差异不明显，甚至对照组的测试分数高于实验组，说明实验组和对照组学生的地理学习基础没有显著差异，实验控制条件符合要求。测试题第一题和第二题难度适中，实验组正确率均高于对照组；测试题第三题和第四题较难，多数学生理解不到位，正确率较低。而在实验结束后发现，实验组的测试分数提高得更多，而本实验选取的教学内容等高线地形图的判读，对于初中生来说是比较抽象的，利用AR地理数字沙盘教具进行教学以后，根据图4测试成绩分数对比可以分析出来：在45名同学中，实验组8~10分的同学占总人数的30%，6~8分的同学占比为50%，4~6分的同学占比为15%，4~2分的同学占比为5%；对照组8~10分的同学占总人数的8%，6~8分的同学占比为28%，4~6分的同学占比为40%，4~2分的同学占比为24%。可以看出，对照组高分段的同学比对照组高分段的同学占比大。说明使用AR地理数字沙盘进行交互式学习，有助于学生理解较为抽象的地理知识，帮助学生在脑海中构建知识体系，有助于培养他们的地理空间思维能力，进而提高学生学习成绩。
其次，在对比实验中，通过观察发现：男生对于AR地理数字沙盘系统更感兴趣，例如系统里面的地形漫游，火山喷发等这些涉及游戏的内容。而女生对于这个系统没有男生感兴趣，但是还是也不缺乏积极性，在学习和检测方面比较细心。所以男生女生在本质上没有很大的区别。另外，学习成绩较好的学生在使用AR地理数字沙盘教具时更加积极投入，思维更灵活。而对于学习成绩较差的学生，他们在使用AR地理数字沙盘教具时需要老师更多的指导。因此认为，AR地理数字沙盘作为一种新兴的教育技术工具，有助于激发学生的学习兴趣，提高他们的空间思维能力。
4. 结论
通过对AR地理数字沙盘在楚雄师院附中初二学生地理空间思维能力培养中的应用研究，得出了以下发现：
(1) AR地理数字沙盘在培养地理空间思维能力方面具有积极的影响。实验研究结果表明：利用AR地理数字沙盘可以训练楚雄师院附中初二年级学生的空间想象能力，进而可以达到他们地理空间思维训练，可以提高楚雄师院附中初二年级的地理空间认知能力和地理问题解决能力。
(2) AR技术结合地理数字沙盘为地理教学提供了新的可能性。通过AR技术和AR地理数字沙盘系统，楚雄师院附中初二年级学生可以在虚拟和3D的地理环境中进行互动学习，激发了他们的学习兴趣和参与度，提高了学习效果。
(3) AR地理数字沙盘在教学实践中展现了较好的可行性和应用性。实验研究结果显示：楚雄师院附中初二学生对AR地理数字沙盘的接受度较高，学生们都普遍认为这种新型教学工具有助于他们更好地理解地理知识，培养地理空间思维能力。
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”、“职前职后一体化的地理学科师资培训”、楚雄师范学院地理科学云南省一流专业建设点项目成果。
NOTES
*通讯作者。