《等高線地形圖展示》學習工具制作綜述

孫航衛

● 特色與亮點

2109年暑假，我帶著自己的數字化學習工具作品《等高線地形圖展示》參加“2019年度全國教師信息素養提升交流活動”，獲得了數字化學習工具評優初中組一等獎和恩歐希教育信息化發明創新獎。

作品內容主要來自初中一年級地理上冊第一章中的知識點“如何判讀等高線地形圖”。等高線指的是地形圖上高程相等的相鄰各點所連成的閉合曲線，把地面上海拔高度相同的點連成的閉合曲線，垂直投影到一個水平面上，并按比例縮繪在圖紙上就得到等高線;等高線也可以看作不同海拔高度的水平面與實際地面的交線，所以等高線是閉合曲線，在等高線上標注的數字為該等高線的海拔。從這個概念來分析，等高線有個從空間曲線到平面曲線的轉換過程，這一點是學生理解的難點。為了解決這個難點，我采用3D建模技術和虛擬現實技術，設計了一個三維的等高線地形圖虛擬展示學習工具，該學習工具的主要特色與亮點是，交互界面設計精美，立體呈現三維動畫，設置游戲互動，增加學習的趣味性，實現了讓學生在玩中快樂學習的目的。

● 制作背景

我是一名初中信息技術教師，平時比較喜歡和擅長制作數字化學習工具和錄制教學微視頻，除了制作本學科數字化學習工具外，我還嘗試把信息技術與其他學科進行整合，制作過一部分數學學科的數字化學習工具。在一次教研活動中，我認識了一位來自偏遠山區的中學地理教師，她認為，對于《如何判讀等高線地形圖》這一節里的知識點，如果能夠做出一個三維動畫來演示等高線的形成原理，則可以大大降低學生的理解難度，她還給我提供了這一節的教案和圖片素材等。我對此產生了濃厚的興趣，通過上網查找資料和研讀教材，對這一節的知識進行了詳細的學習和研究，在經過兩年多的時間學習三維軟件后，終于做出了一個《如何判讀等高線地形圖》的微課視頻和一個三維的《等高線地形圖展示》數字化學習工具。

● 設計思路及內容結構

這款數字化學習工具的總體設計思路是設計一款三維的虛擬漫游游戲，其中有一個虛擬的機器人，由學習者控制，在虛擬的三維大廳中參觀、學習、漫游。學生可將該學習工具用于課前預習和課后復習。

1.綜合地形展臺的設計

在大廳中，制作了一個綜合山地地形的三維模型和等高線形成動畫（如下頁圖1）。學生在使用時可以用鼠標和鍵盤控制虛擬機器人在地形周圍行走，觀察地形和等高線，也可以跳躍爬上山頂，近距離觀察地形和等高線。

學生通過快捷鍵控制動畫演示，可以把地形和等高線展平到一個平面內，體驗和理解等高線由空間曲線變換成平面曲線的過程（如圖2）。

2.六種基本地形展臺的設計

在大廳中，制作了山頂、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六種基本地形的三維模型及等高線地形圖的動畫演示（如圖3）。學生可以控制虛擬機器人走到這些展臺周圍，通過觀察、研究會發現：山頂的等高線是閉合的，高度數值從中心向四周逐漸降低;盆地的等高線也是閉合的，但高度數值是從中心向四周逐漸升高;鞍部是正對的兩山脊或山谷等高線之間的空白部分（相鄰兩個山頂之間的低下部分，外形像馬鞍而得名）;陡崖是近于垂直的山坡，陡崖處的多條等高線會密集或者重疊;山脊的等高線凸出部分指向海拔較低處，等高線從高往低凸;山谷的等高線凸出部分指向海拔較高處，等高線從低往高凸。通過觀察山谷和山脊等高線圖，可以幫助學生理解山谷和山脊的區別：等高線向海拔較高處凸出的是山谷，等高線向海拔較低處凸出的是山脊，因此“凸高為谷，凸低為脊”，簡稱“高谷低脊”。學生通過在虛擬三維環境中的觀察和體驗可以得出以上結論，避免死記硬背課本上的知識結論。

3.嵌入一個完整微課

在展廳的前部設計了一塊可以升降的大屏幕，學生可以控制虛擬機器人在此處觀看一個完整的視頻微課《基本形態等高線地形圖的判讀》（如上頁圖4），此微課詳細展示了山頂、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六種基本地形的模型及等高線地形圖，同時還展示了典型例題、應用習題分析等，該微課可以作為學生課前預習和課后復習本節課知識的重要資源。

4.學習激勵機制的設計

針對在展示大廳中的漫游學習，我設計了游戲激勵機制，學生每學習研究一個地形或學習微課一次都會獲得一定電池電量，積累滿電池，可以乘坐電梯登上二層的玻璃棧道，在棧道上環繞大廳一周，從高處俯瞰等高線地形圖的形狀（如上頁圖5），還可以乘坐電梯而下，也或旋轉樓梯，或從高處一躍而下，體驗高空落下的刺激。以上設計增強了學習的游戲性和趣味性。

● 關鍵技術處理

展示大廳中山頂、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六種基本地形的模型采用Rhino3D（犀牛）軟件設計。2017年我在開展課題“翻轉課堂模式在3D打印教學中的應用研究”時，對多種3D建模軟件進行了研究對比，最終選定了Rhino作為3D建模教學軟件，通過三年多的教學實踐的檢驗，證明初中學生也可以學會Rhino三維建模。Rhino是美國公司Robert McNeel & Assoc開發的一款能在PC上運行的超強的三維建模工具軟件，大小才幾百兆，硬件要求也很低。它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模非常流暢，還能導出高精度模型給其他三維軟件使用。Rhino3D（犀牛）軟件雖然功能命令比較多，但學習起來并不復雜，網上的學習資源也比較多，教學中用到的大部分三維模型，用它的常用命令和簡單的布爾運算就能制作實現。

在這個項目中，我還采用了大量的等高線由空間曲線轉成平面曲線的動畫和互動控制，這些控制采用了UE4的藍圖編程來實現。藍圖就是C++封裝成的可視化腳本，屬于廣大信息技術教師熟悉的可視編程的方法（如上頁圖6）。

我曾三次參加本活動，每次都有不同的感悟和收獲。第一次我帶去了Flash互動編程的數字化學習工具，那次參賽激勵我學習Flash的AS3的編程技術;第二次我帶去了Rhino和AE制作的視頻微課，那次參賽激勵我學習AE視頻合成技術和Rhino三維建模技術;第三次也就是這一次我帶來了數字化學習工具《等高線地形圖展示》，這次參賽激勵我學習UE4的VR技術。每一次參賽之后我都會發現新的東西，找到新的不足，產生新的靈感，激勵下一次帶來新的東西，追求新的突破。

點? 評

該作品選題來自初中一年級地理上冊第一章中的知識點“如何判讀等高線地形圖”。等高線有個從空間曲線到平面曲線的轉換過程，這一點是學生理解的難點。為了解決這個難點，設計者采用3D建模技術和虛擬現實技術，設計了三維的等高線地形圖虛擬展示學習工具，實現了讓學生在玩中快樂學習的目的。

1.寓教于樂，快樂學習

這款數字化學習工具的總體設計思路是設計一款三維的虛擬漫游游戲，其中有一個虛擬的機器人，由學習者控制，在虛擬的三維大廳中參觀、學習、漫游。學生根據學習內容和成效獲得一定的電池電量，積累滿電池，可以乘坐電梯登上二層的玻璃棧道，在棧道上環繞大廳一周，從高處俯瞰等高線地形圖的形狀，還可以乘坐電梯而下，或走旋轉樓梯，或從高處一躍而下，體驗高空落下的刺激。這種身臨其境的學習設計增強了學習的游戲性和趣味性。

2.別有洞天，專業學習

在這款數字化學習工具中，設計者制作了山頂、盆地、鞍部、陡崖、山脊、山谷六種基本地形的三維模型及等高線地形圖的動畫演示。學生可以控制虛擬機器人走到這些展臺周圍，通過觀察、研究，會發現不同地形的等高線的不同形態，進而在虛擬現實的環境中真正體驗“高谷低脊”的專業地理知識，避免死記硬背課本上的知識結論。

3.人機交互，自由學習

整個學習設計是讓學生在課前預習和課后復習該知識點時使用，實現了時間學習的自由。在此案例中，學習者通過快捷鍵控制動畫演示，完全把控等高線地形變化，實現了掌控學習知識的自由。此外，在本學習工具中，嵌入的微視頻《基本形態等高線地形圖的判讀》，其中包含典型例題、應用習題分析等，可以作為學生課前預習和課后復習本節課知識的重要資源，進一步凸顯了選擇學習內容的自由。

這件作品獲得初中組數字化學習工具一等獎和恩歐希教育信息化發明創新獎，設計者的技術水平和教育理念確有獨到之處，不過在界面友好、使用方便、便于普及等方面還有待進一步探索。

點評人：2019年度全國教師信息素養提升交流活動評委/山東省淄博市張店區教育局 仇曉光