利用虚拟实地体验教授地球科学的研究

《Annual Review of Earth and Planetary Sciences》：Research on Teaching Geoscience with Virtual Field Experiences

虚拟实地体验（VFEs）作为传统实地教学（IPFEs）的替代方案，在地质学教育中展现出价值。研究表明，VFEs能有效提升学生的认知和情感学习成果，尤其在知识保持和适应性技术方面表现优于IPFEs。尽管存在沉浸感不足、社交互动受限等问题，但VFEs在弥补教学资源不平等、提供多样化学习场景方面具有显著优势。未来需进一步探索VFEs与IPFEs的融合模式及长期学习效果。

　　虚拟实地考察（VFE）作为地理科学教育的一种新兴教学方式，近年来受到越来越多的关注。尽管实地考察一直是地理科学教学的重要组成部分，为学生提供真实情境下的学习机会，但随着技术的进步和教育实践的多样化，VFE逐渐成为一种替代方案。然而，尽管VFE的使用日益广泛，其效果的系统评估仍处于起步阶段，尚未形成统一的衡量标准。因此，本文旨在探讨VFE在地理科学教育中的分类、教学效果以及与传统实地考察（IPFE）的比较研究，以期为未来的教学实践和研究方向提供参考。

地理科学教育强调通过实践和现场观察来增强学生对复杂地质现象的理解。然而，传统的实地考察往往面临诸多挑战，如地理偏远性、天气条件、交通限制以及对特定场地的访问要求。此外，经济成本和时间安排也常常成为影响实地考察可行性的因素。与此同时，随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）以及数字地理工具的发展，VFE逐渐成为一种可行的替代方式，特别是在远程教学和限制性条件下。VFE不仅可以模拟实地环境，还可以提供更加灵活和可控的学习体验，为不同背景和能力的学生创造更多机会。

然而，VFE在教育效果方面的研究仍处于探索阶段。目前，大多数研究关注的是VFE在知识获取、技能培养和学习体验方面的表现。一些研究表明，VFE在帮助学生理解抽象的地理概念方面具有独特的优势。例如，通过沉浸式的虚拟环境，学生可以更直观地观察和分析地质结构、地貌特征以及自然过程，这种体验在传统课堂中难以实现。此外，VFE还提供了互动性和自主性，使学生能够按照自己的节奏进行探索和学习。一些实验性研究甚至表明，VFE在某些情况下能够促进比传统实地考察更深层次的学习效果。

尽管如此，VFE在教学效果上仍面临诸多挑战。首先，技术的局限性使得VFE无法完全模拟实地考察的感官体验，例如真实环境中的触觉、气味和空间感知等。其次，VFE的沉浸感和交互性虽然有所提升，但仍然不如IPFE那样全面和真实。此外，一些学生和教师对VFE的有效性持怀疑态度，认为其无法替代真实的地理现场体验。这些观点在部分研究中得到了验证，例如在一些比较研究中，IPFE组学生在情感和态度方面的表现优于VFE组。然而，这些研究也指出，VFE在某些方面，如知识获取、学习兴趣和参与度上，能够提供可与IPFE相媲美的甚至更优的效果。

在分类和定义方面，VFE尚未形成统一的框架。不同的研究使用了不同的术语，如“虚拟实地考察”、“虚拟学习体验”和“虚拟实地旅行”等，这些术语的界限和内涵往往存在模糊。例如，一些研究认为，VFE可以分为基础型、增强型和高级型，依据其提供的沉浸感、交互性和学习资源的丰富程度。这种分类有助于理解VFE的多样性，并为后续研究提供一定的指导。然而，由于VFE的发展迅速，研究者在定义和分类上仍存在分歧，这可能影响其推广和应用的一致性。

随着技术的进步，VFE的形式也在不断演变。从早期的静态图像和视频，到后来的360度全景视频、虚拟现实设备以及交互式3D模型，VFE的呈现方式变得更加丰富和多样。这些技术的进步不仅提升了学生的沉浸感，还增强了他们对地理现象的探索和理解。例如，一些VFE通过动态的地理环境模拟，让学生能够“置身”于虚拟的自然景观中，观察地质结构的变化，并进行虚拟采样和测量。这些功能在一定程度上弥补了传统教学中缺乏实践操作的不足。

在教学效果的评估方面，研究者普遍采用前后测的方法，以衡量学生在学习前后的知识和态度变化。一些研究显示，VFE在提高学生对特定地理概念的理解方面具有积极作用，尤其是在与真实世界相联系的案例中。例如，通过虚拟的海洋酸化模拟，学生能够更直观地理解其对珊瑚礁的影响，并在虚拟环境中进行互动和探索。此外，研究还发现，VFE能够促进学生的反思和批判性思维，因为他们需要在虚拟环境中主动寻找和分析信息，而不是被动接受知识。

然而，VFE在教学中的局限性也不容忽视。首先，由于技术的依赖性，VFE的实施需要稳定的设备支持和良好的网络环境，这对一些资源有限的教育机构来说可能是一个挑战。其次，VFE的沉浸感和交互性虽然有所提升，但仍然无法完全替代真实环境中的体验。例如，一些学生在使用VFE时，可能感到缺乏真实的现场感，这可能影响他们对地理学习的兴趣和投入程度。此外，VFE在促进团队合作和社交学习方面也存在一定的局限，因为其本质上是一种个体学习体验，而IPFE则提供了更多的互动机会。

为了更好地评估VFE的效果，研究者们提出了多种评估方法，包括学生反馈、认知测试、情感测量以及行为观察等。这些方法能够从不同角度衡量学生的学习体验和成果。例如，通过学生对虚拟环境的反馈，可以了解他们对VFE的满意度和使用体验；通过前后测，可以评估知识和技能的提升情况；而通过观察学生在虚拟环境中的行为，可以进一步分析他们的学习方式和兴趣点。这些评估方法的综合应用有助于更全面地理解VFE的教学价值。

在与IPFE的比较研究中，一些学者发现VFE在某些方面能够提供与IPFE相似甚至更好的学习效果。例如，在一项针对Grand Canyon的比较研究中，VFE组学生在知识获取和学习兴趣方面均优于IPFE组。这可能是因为VFE提供了更加丰富的视觉信息和互动机会，使学生能够更深入地探索和理解复杂的地理现象。此外，一些研究还指出，VFE能够减少学生的焦虑和压力，因为他们可以在没有实际限制的情况下反复体验和学习，从而更好地掌握知识点。

然而，也有一些研究认为VFE在某些方面不如IPFE有效。例如，在情感和态度的培养上，IPFE通常能够激发学生更强的归属感和兴趣，因为他们可以亲身感受自然环境的美丽和复杂性。此外，IPFE还能够促进学生之间的互动和合作，这是VFE难以完全复制的。因此，在教学实践中，VFE与IPFE的结合可能是一种更优的选择，既能保留实地考察的优势，又能克服其局限性。

随着技术的不断发展，VFE的应用前景愈发广阔。未来的教育研究需要进一步探讨VFE在不同教学环境中的适用性，以及如何优化其设计以更好地满足学习需求。此外，研究者还应关注VFE在促进社会公平和包容性方面的作用，例如为身体条件不便或地理偏远的学生提供更公平的学习机会。通过持续的创新和研究，VFE有望成为地理科学教育的重要组成部分，与IPFE共同构建更加丰富和多元的教学体系。