《等高线地形图展示》学习工具制作综述

    孙航卫

    

    

    ● 特色与亮点

    2109年暑假，我带着自己的数字化学习工具作品《等高线地形图展示》参加“2019年度全国教师信息素养提升交流活动”，获得了数字化学习工具评优初中组一等奖和恩欧希教育信息化发明创新奖。

    作品内容主要来自初中一年级地理上册第一章中的知识点“如何判读等高线地形图”。等高线指的是地形图上高程相等的相邻各点所连成的闭合曲线，把地面上海拔高度相同的点连成的闭合曲线，垂直投影到一个水平面上，并按比例缩绘在图纸上就得到等高线;等高线也可以看作不同海拔高度的水平面与实际地面的交线，所以等高线是闭合曲线，在等高线上标注的数字为该等高线的海拔。从这个概念来分析，等高线有个从空间曲线到平面曲线的转换过程，这一点是学生理解的难点。为了解决这个难点，我采用3D建模技术和虚拟现实技术，设计了一个三维的等高线地形图虚拟展示学习工具，该学习工具的主要特色与亮点是，交互界面设计精美，立体呈现三维动画，设置游戏互动，增加学习的趣味性，实现了让学生在玩中快乐学习的目的。

    ● 制作背景

    我是一名初中信息技術教师，平时比较喜欢和擅长制作数字化学习工具和录制教学微视频，除了制作本学科数字化学习工具外，我还尝试把信息技术与其他学科进行整合，制作过一部分数学学科的数字化学习工具。在一次教研活动中，我认识了一位来自偏远山区的中学地理教师，她认为，对于《如何判读等高线地形图》这一节里的知识点，如果能够做出一个三维动画来演示等高线的形成原理，则可以大大降低学生的理解难度，她还给我提供了这一节的教案和图片素材等。我对此产生了浓厚的兴趣，通过上网查找资料和研读教材，对这一节的知识进行了详细的学习和研究，在经过两年多的时间学习三维软件后，终于做出了一个《如何判读等高线地形图》的微课视频和一个三维的《等高线地形图展示》数字化学习工具。

    ● 设计思路及内容结构

    这款数字化学习工具的总体设计思路是设计一款三维的虚拟漫游游戏，其中有一个虚拟的机器人，由学习者控制，在虚拟的三维大厅中参观、学习、漫游。学生可将该学习工具用于课前预习和课后复习。

    1.综合地形展台的设计

    在大厅中，制作了一个综合山地地形的三维模型和等高线形成动画（如下页图1）。学生在使用时可以用鼠标和键盘控制虚拟机器人在地形周围行走，观察地形和等高线，也可以跳跃爬上山顶，近距离观察地形和等高线。

    学生通过快捷键控制动画演示，可以把地形和等高线展平到一个平面内，体验和理解等高线由空间曲线变换成平面曲线的过程（如图2）。

    2.六种基本地形展台的设计

    在大厅中，制作了山顶、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六种基本地形的三维模型及等高线地形图的动画演示（如图3）。学生可以控制虚拟机器人走到这些展台周围，通过观察、研究会发现：山顶的等高线是闭合的，高度数值从中心向四周逐渐降低;盆地的等高线也是闭合的，但高度数值是从中心向四周逐渐升高;鞍部是正对的两山脊或山谷等高线之间的空白部分（相邻两个山顶之间的低下部分，外形像马鞍而得名）;陡崖是近于垂直的山坡，陡崖处的多条等高线会密集或者重叠;山脊的等高线凸出部分指向海拔较低处，等高线从高往低凸;山谷的等高线凸出部分指向海拔较高处，等高线从低往高凸。通过观察山谷和山脊等高线图，可以帮助学生理解山谷和山脊的区别：等高线向海拔较高处凸出的是山谷，等高线向海拔较低处凸出的是山脊，因此“凸高为谷，凸低为脊”，简称“高谷低脊”。学生通过在虚拟三维环境中的观察和体验可以得出以上结论，避免死记硬背课本上的知识结论。

    3.嵌入一个完整微课

    在展厅的前部设计了一块可以升降的大屏幕，学生可以控制虚拟机器人在此处观看一个完整的视频微课《基本形态等高线地形图的判读》（如上页图4），此微课详细展示了山顶、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六种基本地形的模型及等高线地形图，同时还展示了典型例题、应用习题分析等，该微课可以作为学生课前预习和课后复习本节课知识的重要资源。

    4.学习激励机制的设计

    针对在展示大厅中的漫游学习，我设计了游戏激励机制，学生每学习研究一个地形或学习微课一次都会获得一定电池电量，积累满电池，可以乘坐电梯登上二层的玻璃栈道，在栈道上环绕大厅一周，从高处俯瞰等高线地形图的形状（如上页图5），还可以乘坐电梯而下，也或旋转楼梯，或从高处一跃而下，体验高空落下的刺激。以上设计增强了学习的游戏性和趣味性。

    ● 关键技术处理

    展示大厅中山顶、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六种基本地形的模型采用Rhino3D（犀牛）软件设计。2017年我在开展课题“翻转课堂模式在3D打印教学中的应用研究”时，对多种3D建模软件进行了研究对比，最终选定了Rhino作为3D建模教学软件，通过三年多的教学实践的检验，证明初中学生也可以学会Rhino三维建模。Rhino是美国公司Robert McNeel & Assoc开发的一款能在PC上运行的超强的三维建模工具软件，大小才几百兆，硬件要求也很低。它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模非常流畅，还能导出高精度模型给其他三维软件使用。Rhino3D（犀牛）软件虽然功能命令比较多，但学习起来并不复杂，网上的学习资源也比较多，教学中用到的大部分三维模型，用它的常用命令和简单的布尔运算就能制作实现。

    在这个项目中，我还采用了大量的等高线由空间曲线转成平面曲线的动画和互动控制，这些控制采用了UE4的蓝图编程来实现。蓝图就是C++封装成的可视化脚本，属于广大信息技术教师熟悉的可视编程的方法（如上页图6）。

    我曾三次参加本活动，每次都有不同的感悟和收获。第一次我带去了Flash互动编程的数字化学习工具，那次参赛激励我学习Flash的AS3的编程技术;第二次我带去了Rhino和AE制作的视频微课，那次参赛激励我学习AE视频合成技术和Rhino三维建模技术;第三次也就是这一次我带来了数字化学习工具《等高线地形图展示》，这次参赛激励我学习UE4的VR技术。每一次参赛之后我都会发现新的东西，找到新的不足，产生新的灵感，激励下一次带来新的东西，追求新的突破。

    点? 评

    该作品选题来自初中一年级地理上册第一章中的知识点“如何判读等高线地形图”。等高线有个从空间曲线到平面曲线的转换过程，这一点是学生理解的难点。为了解决这个难点，设计者采用3D建模技术和虚拟现实技术，设计了三维的等高线地形图虚拟展示学习工具，实现了让学生在玩中快乐学习的目的。

    1.寓教于乐，快乐学习

    这款数字化学习工具的总体设计思路是设计一款三维的虚拟漫游游戏，其中有一个虚拟的机器人，由学习者控制，在虚拟的三维大厅中参观、学习、漫游。学生根据学习内容和成效获得一定的电池电量，积累满电池，可以乘坐电梯登上二层的玻璃栈道，在栈道上环绕大厅一周，从高处俯瞰等高线地形图的形状，还可以乘坐电梯而下，或走旋转楼梯，或从高处一跃而下，体验高空落下的刺激。这种身临其境的学习设计增强了学习的游戏性和趣味性。

    2.别有洞天，专业学习

    在这款数字化学习工具中，设计者制作了山顶、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六种基本地形的三维模型及等高线地形图的动画演示。学生可以控制虚拟机器人走到这些展台周围，通过观察、研究，会发现不同地形的等高线的不同形态，进而在虚拟现实的环境中真正体验“高谷低脊”的专业地理知识，避免死记硬背课本上的知识结论。

    3.人机交互，自由学习

    整个学习设计是让学生在课前预习和课后复习该知识点时使用，实现了时间学习的自由。在此案例中，学习者通过快捷键控制动画演示，完全把控等高线地形变化，实现了掌控学习知识的自由。此外，在本学习工具中，嵌入的微视频《基本形态等高线地形图的判读》，其中包含典型例题、应用习题分析等，可以作为学生课前预习和课后复习本节课知识的重要资源，进一步凸显了选择学习内容的自由。

    这件作品获得初中组数字化学习工具一等奖和恩欧希教育信息化发明创新奖，设计者的技术水平和教育理念确有独到之处，不过在界面友好、使用方便、便于普及等方面还有待进一步探索。

    点评人：2019年度全国教师信息素养提升交流活动评委/山东省淄博市张店区教育局 仇晓光