馮浩宇

（內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000）

地理學(xué)是一門區(qū)域性、空間性、綜合性都特別強(qiáng)的學(xué)科，有很多抽象的知識(shí)學(xué)生難以理解，而且在生活中通過情境體驗(yàn)來(lái)理解部分抽象知識(shí)的可能性也比較小，這就使得部分學(xué)生在學(xué)習(xí)地理的過程中產(chǎn)生“難理解”“無(wú)法形成體系”“興趣低下”等問題。因此，在地理教學(xué)中，如何有效使用直觀式教學(xué)法提高教學(xué)效率、增強(qiáng)學(xué)科的感染力與激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是一個(gè)值得探討的問題。以演示法與參觀法為內(nèi)容的直接感知法和以地圖法和綱要信號(hào)法為內(nèi)容的象征符號(hào)認(rèn)知法是傳統(tǒng)的地理課堂教學(xué)方法。教師通過展示各種實(shí)物、直觀教具，進(jìn)行示范實(shí)驗(yàn)；組織學(xué)生到自然界或社會(huì)場(chǎng)所進(jìn)行觀察參觀；或者通過地圖等以圖像為表征符號(hào)的圖像或圖標(biāo)，使學(xué)生對(duì)地理事物形成感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)?；谝陨辖虒W(xué)模式，輔之以三維建模技術(shù)，是提高模象直觀的有效方法之一。

一、三維建模技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

三維建模技術(shù)是研究利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行空間形體的表示、存儲(chǔ)和處理的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸在2D技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了三維建模的產(chǎn)生與發(fā)展。從最初的線框模型、曲面模型到如今的實(shí)體模型，三維建模技術(shù)在不斷發(fā)展。除了制作影視劇動(dòng)畫與特效、游戲的三維場(chǎng)景與三維人物建模之外，三維建模技術(shù)還廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)視訊、電子閱讀、虛擬社區(qū)、電子商務(wù)、遠(yuǎn)程教育等領(lǐng)域。如今，在信息化時(shí)代的推動(dòng)下，涌現(xiàn)出了一大批功能強(qiáng)大的三維建模軟件。本文將以Autodesk旗下的著名三維建模和動(dòng)畫軟件Autodesk Maya為建模工具，探討三維建模技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用。

二、三維建模技術(shù)在地理教學(xué)中的具體應(yīng)用

本文將以普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）中規(guī)定的必修課程地理1中宇宙中的地球?yàn)槔菔救绾卫萌S建模技術(shù)實(shí)施教學(xué)。

（一）課程設(shè)計(jì)（以地球的運(yùn)動(dòng)為例）

通過三維模型的演示，直觀展示出地球在宇宙中運(yùn)行的狀態(tài)。

多方位觀看模型的演示，引導(dǎo)學(xué)生通過觀看模型進(jìn)一步思考與地球運(yùn)動(dòng)相關(guān)的一系列問題。例如，啟發(fā)學(xué)生——地球在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí)也在自轉(zhuǎn)，地球的公轉(zhuǎn)軌道是近似正圓的橢圓形軌道，太陽(yáng)所處的位置是在地球橢圓軌道的焦點(diǎn)之一上而非中心位置等。

列出部分能通過直觀感受到的問題，讓學(xué)生根據(jù)演示內(nèi)容進(jìn)行小組討論并作出回答。

教師根據(jù)學(xué)生的回答以及課程的要求對(duì)內(nèi)容作出矯正與統(tǒng)一說明，確保部分受到啟發(fā)較小的學(xué)生也能同樣理解知識(shí)點(diǎn)。

（二）建模設(shè)計(jì)要求

總體設(shè)計(jì)：本案例針對(duì)地球在太陽(yáng)系中的運(yùn)行，首先確定建模為：不透明實(shí)體地球（顯示地軸）、會(huì)發(fā)光的太陽(yáng)、地球的公轉(zhuǎn)軌道。

針對(duì)地球自轉(zhuǎn)：在地球自轉(zhuǎn)的動(dòng)畫設(shè)計(jì)上，明確地球繞自轉(zhuǎn)軸——地軸在做自西向東的旋轉(zhuǎn)，而且根據(jù)實(shí)際情況，地軸與地球公轉(zhuǎn)軌道面即黃道面的夾角為66.5°左右。

針對(duì)地球公轉(zhuǎn)：在地球公轉(zhuǎn)的動(dòng)畫設(shè)計(jì)上，應(yīng)顯示出地球在圍繞太陽(yáng)做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其方向也是自西向東，且地球與太陽(yáng)的距離隨著運(yùn)動(dòng)位置的不同而長(zhǎng)短不一。

針對(duì)地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的意義：首先，地球的自轉(zhuǎn)會(huì)造成晝夜更替、地方時(shí)的產(chǎn)生。物體水平運(yùn)動(dòng)的方向發(fā)生偏移因需另生成模型與動(dòng)畫，因此不做分析。在動(dòng)畫的設(shè)計(jì)上要突出因?yàn)樘?yáng)光的照射而造成地球表面一半處于白天而一半處于黑夜，且隨著地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生黑夜白天的轉(zhuǎn)換。其次，地球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)共同作用下產(chǎn)生了正午太陽(yáng)高度角的變化、晝夜長(zhǎng)短的變化、季節(jié)的更替與五帶的劃分等。在這部分動(dòng)畫的設(shè)計(jì)上要求在地球表面能明確看到太陽(yáng)的直射點(diǎn)因公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的變化，即能明確表現(xiàn)出晨昏線。

注意點(diǎn)：建模與動(dòng)畫的設(shè)計(jì)并不完全等同于視頻，而是在其原生態(tài)軟件中進(jìn)行演示，以便于能從多方位觀測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)以及進(jìn)行放大縮小操作進(jìn)行進(jìn)一步觀測(cè)。

（三）部分演示

如圖1所示，利用Maya軟件建立基本的模型

如圖2所示，為地球模型進(jìn)行貼圖以及生成太陽(yáng)光

圖2 模型貼圖

如圖3所示，為模型設(shè)置動(dòng)畫，包括地球以地軸為中心進(jìn)行自轉(zhuǎn)和以橢圓為軌道進(jìn)行公轉(zhuǎn)

圖3 模型展示

基于地球運(yùn)行的原理進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)設(shè)置，以確保能準(zhǔn)確地進(jìn)行各種現(xiàn)象的反映。例如，地球的自轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)，地球的公轉(zhuǎn)為365天。因此在演示的過程中，當(dāng)?shù)厍驀@太陽(yáng)轉(zhuǎn)一圈時(shí)，地球應(yīng)該自轉(zhuǎn)365圈。在演示的過程中適當(dāng)放慢動(dòng)畫，可以讓學(xué)生更加容易理解。

（四）總結(jié)

三維建模技術(shù)依托三維建模軟件，具有較強(qiáng)的靈活性，但是高難度的操作需要使用者可以達(dá)到靈活使用三維建模軟件的程度。

三維建模在課堂上的演示效果與在課堂教學(xué)中產(chǎn)生的作用及建模的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，包括在建模設(shè)計(jì)過程中有意識(shí)地融合知識(shí)點(diǎn)，建模動(dòng)畫制作的合理性與建模的仿真程度等。

三、三維建模技術(shù)在地理教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

（一）生動(dòng)形象，感染力強(qiáng)

首先，三維建模的展示本質(zhì)上屬于動(dòng)畫展示，教師在課堂上通過展示，可以在學(xué)生頭腦中形成清晰明了的認(rèn)識(shí)。其次，基于三維建模軟件的強(qiáng)大功能，只要使用者技術(shù)過硬，是可以制作出媲美電影特效的課堂教學(xué)模型與動(dòng)畫的。以Maya軟件為例，《星球大戰(zhàn)》系列、《蜘蛛俠》系列等科幻大片都出自Maya軟件之手。所以，利用三維建模軟件制作出高級(jí)仿真的地理模型與地理場(chǎng)景，不但能使學(xué)生充分感受到較真實(shí)的內(nèi)容，而且還可以喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在一定程度上能有效解決學(xué)生面對(duì)枯燥的地理知識(shí)而產(chǎn)生的厭倦心理與犯困現(xiàn)象。

（二）精心制作，突出重點(diǎn)

在三維建模的制作過程中，使用者依據(jù)課程教授計(jì)劃與要求，在特定的范圍內(nèi)進(jìn)行模型與動(dòng)畫的制作，與現(xiàn)成的動(dòng)畫視頻相比，減少了動(dòng)畫中對(duì)學(xué)生可能產(chǎn)生干擾的其他因素。如今網(wǎng)上隨處可見與地理有關(guān)的紀(jì)錄片和短視頻，以抖音短視頻為例，不乏有博主將地理知識(shí)制作成動(dòng)畫短視頻。雖然這類短視頻不論是在內(nèi)容選擇上還是視頻編輯上都進(jìn)行了精心的制作，但是這類視頻制作的出發(fā)點(diǎn)是用來(lái)進(jìn)行科普而非教學(xué)，且這類短視頻在發(fā)布的過程中并未對(duì)視頻內(nèi)容的科學(xué)性與真實(shí)性進(jìn)行審核。但這并不是否定了短視頻的作用，而是相較于專門用于課堂教學(xué)的三維建模動(dòng)畫，這類短視頻需經(jīng)過教師的嚴(yán)格把關(guān)，取其精華，去其糟粕，必要時(shí)進(jìn)行二次加工，在展示的過程中需要進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的結(jié)合。

（三）用途廣泛，覆蓋面廣

雖然本文只對(duì)高中地理必修一課程“宇宙中的地球”的部分內(nèi)容進(jìn)行了演示，但是這并不意味著三維建模技術(shù)在地理教學(xué)中的應(yīng)用僅僅局限在這一部分。例如，在第二部分“自然環(huán)境中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和能量交換”中，可以建造一個(gè)水循環(huán)模型，以“一滴水”為視角，演示其從冰雪融化成小水滴，隨著眾多的小水滴一起集聚成小溪，順著小溪流淌進(jìn)入滔滔江河，匯入海洋后在灼熱的陽(yáng)光下蒸發(fā)成水蒸氣，在上升的過程中再次冷凝成小水滴，最后隨著眾多雨滴落下……直觀展示水循環(huán)的過程。并且在動(dòng)畫設(shè)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)插入，以便在課堂教學(xué)中能夠啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行水循環(huán)意義的推理和探討。

（四）模式固定，通用性強(qiáng)

三維建模的應(yīng)用本質(zhì)上是模象直觀的一種，其主要任務(wù)就是生動(dòng)地體現(xiàn)出所要講授的地理事物。因此，在教學(xué)中即便套用他人生成的三維模型，只要結(jié)合實(shí)際的教學(xué)，是完全可以的。在此基礎(chǔ)上，即便教師不懂如何生成三維模型與場(chǎng)景，只要會(huì)使用就可以完全應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)。

（五）操作靈活，多方面觀測(cè)

三維模型動(dòng)畫與現(xiàn)成的動(dòng)畫最大的一個(gè)區(qū)別就是現(xiàn)成動(dòng)畫只能按照其事先固定好的模式以視頻格式進(jìn)行展示，而三維模型在展示的時(shí)候不但可以改變其觀測(cè)方向，而且在需要強(qiáng)調(diào)的地方可以放大。除此之外，教師在演示的時(shí)候還可以隨意變動(dòng)組成元素，也可以邀請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)實(shí)際操作，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶。

（六）科學(xué)利用人腦結(jié)構(gòu)，高效教學(xué)

現(xiàn)代腦科學(xué)研究表明，人腦兩半球有分工：左半球負(fù)責(zé)處理數(shù)字信息，如語(yǔ)言、數(shù)字、邏輯等，右半球負(fù)責(zé)處理模擬信息，如圖像、模型、音樂等。三維模型在教學(xué)中的應(yīng)用將語(yǔ)言與動(dòng)畫演示結(jié)合起來(lái)，通過聽覺神經(jīng)系統(tǒng)和視覺神經(jīng)系統(tǒng)同時(shí)接受信息，同時(shí)刺激人的大腦兩半球進(jìn)行思維，從而使大腦的功能得到充分發(fā)揮，提高教學(xué)效率。在某種程度上，三維模型的運(yùn)用是綱要信號(hào)法的升級(jí)版。因此，三維建模的使用不僅使記憶編碼質(zhì)量提高，而且縮短了記憶編碼所需要的時(shí)間。

（七）搭配三維打印技術(shù)，易于實(shí)物轉(zhuǎn)化

相比于三維建模技術(shù)而言，三維打印技術(shù)更為人們耳熟能詳。基于三維模型的三維打印技術(shù)可以依托三維打印機(jī)將虛擬的三維模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體的三維模型。以地理教具為例，相較于傳統(tǒng)的手工制作和大機(jī)器流水線生產(chǎn)模式，該技術(shù)不僅節(jié)約了人力物力，而且提高了制作的精度，更加突出其直觀的功能。因此，基于設(shè)計(jì)好的三維模型，在實(shí)際教學(xué)中可以搭配三維打印技術(shù)生成實(shí)物模型，讓學(xué)生切實(shí)感受到課本中的真實(shí)事物，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)科興趣。

（八）建模軟件種類多樣，選擇范圍廣

除了本文所使用的Maya軟件外，Autodesk公司的3Ds Max，Maxon Computer公司的CINEMA 4D（C4D）等軟件都有著強(qiáng)大的功能，設(shè)計(jì)者在使用的過程中可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

四、三維建模技術(shù)在地理教學(xué)中存在的問題及解決措施

（一）探索難度大，缺乏現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)

目前在國(guó)內(nèi)外，很少有教師能將三維建模技術(shù)廣泛運(yùn)用于地理教學(xué)之中。首先，就三維建模本身來(lái)說，軟件的獲取以及選擇是個(gè)問題。以Maya和3Ds MAX軟件為例，目前其訂購(gòu)價(jià)格皆為8555元/年，這對(duì)教師來(lái)說是一筆不小的開支。但是三維建模技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)并不是一個(gè)老師的事情，因此，學(xué)校或當(dāng)?shù)亟逃挚梢詫ｉT進(jìn)行教育撥款解決費(fèi)用的問題。接著是關(guān)于軟件的選擇問題，目前市面上的三維建模軟件種類豐富，產(chǎn)品多樣，各具特色。因此，結(jié)合老師自身情況選擇一款適合的軟件需要時(shí)間來(lái)試錯(cuò)。其次，地理教學(xué)中的哪些內(nèi)容適合利用三維建模軟件進(jìn)行展示與講解，以及怎么進(jìn)行建模與動(dòng)畫設(shè)計(jì)都需要進(jìn)一步探討。以上所涉及的問題都沒有現(xiàn)成的案例進(jìn)行參考，只能在教學(xué)中進(jìn)行嘗試與總結(jié)。

（二）容易使學(xué)生產(chǎn)生依賴，對(duì)空間想象力的發(fā)展造成影響

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，大多數(shù)情況下是運(yùn)用直觀言語(yǔ)，即老師運(yùn)用口頭語(yǔ)言或者書面語(yǔ)言進(jìn)行講授，學(xué)生利用已有的知識(shí)對(duì)老師講授的知識(shí)在腦海中進(jìn)行畫面的構(gòu)思與加工，這在一定程度上促進(jìn)了學(xué)生思維能力和自學(xué)能力的發(fā)展。若過度使用三維模型，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)使一些學(xué)生對(duì)其產(chǎn)生依賴，在往后的學(xué)習(xí)過程中如果缺乏相應(yīng)的模式會(huì)產(chǎn)生不適，造成學(xué)習(xí)困難等問題，而且不利于學(xué)生的空間想象力和思維能力的發(fā)展。因此要適度使用三維模型并且注重學(xué)生思維的培養(yǎng)與訓(xùn)練。

（三）操作難度較大，容易給教師造成負(fù)擔(dān)

三維建模軟件以其強(qiáng)大的功能廣泛涉及眾多領(lǐng)域，但這恰恰對(duì)其使用者提出了更高的要求。在三維建模軟件主要應(yīng)用的影視行業(yè)和游戲行業(yè)中，三維建模的生成常常以團(tuán)隊(duì)作業(yè)來(lái)完成。雖然在地理教學(xué)中，三維模型和場(chǎng)景的生成不需要像影視行業(yè)和游戲行業(yè)那樣精美，但是對(duì)非專業(yè)出身的老師來(lái)說確實(shí)是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。對(duì)三維建模軟件的熟練運(yùn)用需要對(duì)使用者進(jìn)行系統(tǒng)的訓(xùn)練，然后才能結(jié)合實(shí)際教學(xué)進(jìn)行三維模型與場(chǎng)景的生成。針對(duì)這一問題可以從兩個(gè)方面進(jìn)行解決。第一，可以以學(xué)科為單位建立學(xué)科研討小組，利用團(tuán)隊(duì)合作的方式進(jìn)行模型的制作。第二，可以聘請(qǐng)具有三維建模專業(yè)知識(shí)的人士或者團(tuán)隊(duì)生成一套通用且易更改的教學(xué)專用模型，供所有教師運(yùn)用以及根據(jù)自己的實(shí)際教學(xué)進(jìn)行更改。

五、注意事項(xiàng)

雖然三維模型的運(yùn)用可以照抄照搬，但是教學(xué)方法不可照搬。在實(shí)際的教學(xué)過程中，教師必須結(jié)合教學(xué)實(shí)際，結(jié)合學(xué)生的情況有意義地使用三維模型。切忌“邯鄲學(xué)步”連同教學(xué)方法也一同照搬過來(lái)。

由于該理論尚處于探索階段，理論性較強(qiáng)，因此該教學(xué)模式在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)還未被完全發(fā)現(xiàn)。并且由理論向?qū)嶋H轉(zhuǎn)化，最后形成一套完整的教學(xué)方法體系還需進(jìn)一步發(fā)掘與研究。

三維建模教學(xué)方法是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展下的產(chǎn)物，具有極強(qiáng)的可開發(fā)性，但這并不意味著要獨(dú)立于傳統(tǒng)教學(xué)方法而存在。在實(shí)際運(yùn)用中，我們要以傳統(tǒng)的教學(xué)方法為主，輔之以三維建模教學(xué)方法，弄清主次，切勿本末倒置。不可為了追求形式新穎和趣味性強(qiáng)而生搬硬套進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，這非但起不到提高效率的作用，還會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生概念混淆、知識(shí)點(diǎn)記憶模糊等問題。