引言

传统高中地理教学中，“地球运动”部分多依赖静态图片、地球仪或二维动画进行讲解，学生难以形成深刻、准确的心理表象，普遍感到“听不懂、想不通”，这已成为教学中的突出痛点。《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》倡导充分利用地理信息技术，营造直观、生动的教学环境。桌面式VR技术因其特有的沉浸性、交互性与构想性，能够创建可视、可操作、可探索的三维动态环境，将抽象地理过程具象化。同时，该成本低廉、易于部署、适合常规课堂环境，在教育领域展现出巨大的应用潜力。

基于此，本研究提出核心问题：桌面式VR技术在高中地理“地球运动”教学中的应用效果如何？研究旨在检验桌面式VR技术对提升高中生地理综合思维素养的有效性。

理论基础

具身认知理论

具身认知认为，认知并非孤立的符号运算，而是深植于身体感知运动经验及身体与环境的互动之中。其内涵可从两个理论维度理解：概念隐喻理论指出，抽象概念源于具体身体经验的隐喻映射，如利用空间、温度和触感等来理解时间、情感；知觉符号理论则强调，认知符号是对感知运动经验的模拟，整合多通道感官信息。两种理论共同主张身体经验是认知内容的构成形式，这为地理教学中的空间体验与环境设计提供了直接依据，即学生在VR环境中通过拖拽、旋转等身体操作，将“地球运动”的抽象规则转化为可感知的运动经验。

具身认知与地理教学的耦合性

具身认知理论为地理教学中的空间体验与环境设计提供了有力支撑。“地球运动”涉及三维空间中的天体运行规律、地轴倾角及太阳直射点位移等抽象内容，对学生的空间想象与动态推理能力要求较高。从具身认知视角审视地理教学，有助于设计者基于学习者的认知特点与身体交互方式发挥其主体性，同时也促使设计者从身体、环境和认知相统一的角度构建虚拟教学环境的空间表征与交互设计。

具身认知与VR技术的融合机制

具身认知强调认知源于“身体—环境”的动态耦合，桌面式VR技术为此提供了可控的虚拟环境。不同于传统多媒体的“观看—接受”模式，VR中的交互操作，如拖拽、旋转和缩放等使身体动作直接参与知识建构，形成“感知—运动循环”。研究表明，学习者的“身体归属感”与“代理感”是促进概念理解的关键中介变量。当学生通过鼠标拖拽地球完成公转时，手部运动轨迹与视觉反馈形成跨模态联结，将抽象轨道运动“锚定”于感知运动经验中。

实验设计

（一）实验内容

依据《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》选择性必修课程“自然地理基础”模块中的要求“1.1结合实例，说明地球运动的地理意义”，以人教版选择性必修一第一章《地球的运动》中“自转”与“公转”两节为实验内容。该部分涉及地球自转方向与周期、昼夜交替、地转偏向力、公转轨道与周期、黄赤交角、太阳直射点的回归运动、四季更替及五带划分等核心知识点，涵盖复杂的空间动态过程与因果机制，是培养学生空间想象、动态过程分析与区域认知的关键内容。

（二）实验对象

选取U市X中学高一年级两个平行班作为实验对象。以初中毕业学业水平考试地理成绩为前测依据，结合学校平行分班记录，确保两班地理基础与认知水平同质。随机确定实验班（n=50）与对照班（n=50）。独立样本T检验结果显示，实验班前测平均成绩为M=78.23，SD=5.41；对照班M=77.86，SD=5.92；p=0.675>0.05，两组无显著差异，满足等组条件。

（三）实验工具

1. 桌面式VR系统

采用基于Unity3D引擎开发的桌面式VR系统。该系统易部署、成本可控，在提升地理知识习得方面有。基系统架构包括场景搭建、物理交互与用户界面三大模块，内置太阳及行星模型、宇宙星系特效资源包，支持还原地球自转与公转的虚拟环境。用户可通过鼠标或手指操作控制地球自转方向与速度。系统包含四个核心模块：“地球自转”模块支持调整速度与视角，标注昼夜分界线；“地球公转”模块仿真公转轨道，标记节气点，显示黄道面、赤道面及黄赤交角；“五带”模块呈现太阳直射点回归运动轨迹及温度带差异；“分界线”模块提供经纬网、光照图等多图层叠加界面，辅助空间分析与教学演示。各模块支持灵活切换，呈现昼夜交替与四季更替场景，结合多感官输入激发学习兴趣与参与感。

2. 后测问卷

后测试卷依据《地球运动》单元课标要求编制，涵盖事实性知识、空间推理与简单应用三个维度。为保障测评有效性，邀请三位高级地理教师进行内容效度审议，并在同年级另一个非实验班（n=48）进行预测试，其克隆巴赫α系数为0.78，表明信度良好。

（四）实验变量与假设

1. 自变量

自变量为教学方式，分两种水平：实验班采用VR具身化教学，依托Unity3D仿真系统开展交互观察与操作；对照班采用常规多媒体讲授模式，以教师讲解、图文呈现为主。

2. 因变量

因变量为学生《地球运动》单元学习成效，通过涵盖自转、公转、黄赤交角等核心知识的标准化后测试卷测评。

3. 控制变量

控制变量包括授课教师（同一人）、教学课时（共4课时）、教材内容、前后测试卷。实验持续2周，累计4课时。

4. 实验假设

在高中地理《地球运动》教学中，采用基于桌面式VR技术的具身化教学，比传统多媒体讲授式教学更能促进学生对该部分知识的深度理解与迁移应用，并更有效地发展其综合思维与区域认知素养。

实验过程

实验过程包含三个递进任务：任务一观察地球自转与昼夜交替，任务二模拟公转与四季更替，任务三探究太阳直射点回归运动及黄赤交角。学生通过操作VR系统完成各任务，记录观察结果并小组讨论，逐步构建对地球运动的空间认知（见图1）。

（一）任务1：观察地球的自转与昼夜交替

学习任务为观察自转方向与周期，记录昼夜交替现象，并计算角速度与线速度。学生通过鼠标拖拽旋转地球模型，观察不同纬度昼夜交替差异，系统实时呈现晨昏线移动，支持从赤道、北极或南极上空切换视角（见图2）。拖拽旋转地球时，手部动作的方向与速度直接控制视觉反馈，当从北极上空拖拽出逆时针旋转时，“自西向东”的抽象规则转化为可感知的操作经验。完成观察记录与计算任务，学生需将操作感知与量化分析建立联系，实现具身认知所强调的“从操作经验到形式化知识”的过渡。

注：学生通过鼠标拖拽控制地球旋转，界面实时显示晨昏线位置。

（二）任务2：模拟地球的公转与四季更替

学习任务为观察公转方向与轨道，定位春分、夏至、秋分、冬至四个节气点，分析太阳直射点位置与季节变化的关系。学生在“公转模式”中拖拽地球沿椭圆轨道绕日运动，系统同步显示黄道面、赤道面及黄赤交角的空间关系（见图3）。学生依次将地球定位至四个节气点，观察并记录直射点纬度与昼夜长短变化。拖拽地球沿轨道运动、定点停在节气点位置，将抽象的公转空间关系转化为“手部定位”的具体操作。当拖拽地球至夏至点并观察北半球倾向太阳时，地球仪的视觉与黄赤交角概念形成对应，帮助学生理解“地轴倾斜导致直射点移动进而产生四季”的因果链条，比二维动画的被动观看更具认知深度。

注：界面显示地球绕日公转的三维轨道模型，标注四个节气点的位置。下方时间轴支持拖拽定位，学生可通过手部操作将地球调整至不同节气位置，同步观察太阳直射点位置及昼夜半球的变化。

（三）任务3：探究太阳直射点的回归运动与黄赤交角

学习任务为观察太阳直射点在南北回归线之间的移动轨迹，结合黄赤交角分析直射点移动原因，并归纳五带划分依据。学生分小组合作：一名操控公转，一名记录直射点在不同节气点的坐标，一名从不同视角观察验证。系统同步显示直射点移动轨迹及五带温度差异。小组协作将操作、观察、记录分别承担，形成“分布式具身认知”——操控者的手部动作、观察者的视角切换、记录者的符号标记相互补充，共同梳理黄赤交角、直射点移动与五带划分的因果链条。VR系统叠加显示的轨迹与温度差异为学生提供可视化证据支持。

四、实验结果与讨论

实验结果

独立样本T检验结果显示，实验班后测平均成绩（M=86.74，SD=6.33）显著高于对照班（M=80.15，SD=7.82），差异具有高度统计学显著性（p<0.001）。该结果表明，在高中地理“地球运动”教学中，采用基于Unity3D虚拟仿真系统的具身化教学方式相较于传统多媒体讲授模式，能够更有效地促进学生对该部分知识的理解与掌握，研究假设得到支持。

结果讨论

1. 具身交互对地理空间概念建构的促进作用

实验班成绩显著优于对照班，表明具身化教学有效。其机制在于Unity3D系统将抽象的地球运动转化为可操作任务。拖拽公转时，手部轨迹与轨道视觉反馈形成对应；调节自转速度时，操作行为直接揭示自转与昼夜交替的因果关系。学生在操作中建立的身体经验，有助于将空间关系和运动规律转化为可感知的心理图式，该发现与胡艺龄等的研究一致，且证实桌面式VR的鼠标交互同样能激活具身认知机制，无需头戴设备。

2. 桌面式VR的教学适配性与应用价值

选择桌面式VR而非头戴式设备，主要因其避免眩晕感及设备适配问题，避免分散注意力。桌面式VR采用“鼠标拖拽+视角切换”的简洁交互，使学生将认知资源集中于观察地球运动本身。与基于Google Earth的静态观察研究相比，本系统支持实时调节自转速度、定位公转节点等操作，更符合具身认知对“操作后即时反馈”的要求。

3. 具身认知理论对地理核心素养培育的价值

具身化教学不仅提升知识掌握水平，也促进地理综合思维发展。学生经历“操作—观察—推理”循环：提出假设（公转如何影响季节）、操控地球至节气点验证、观察直射点与昼夜变化收集证据、得出结论，体现虚拟环境中的地理实践力。但是需要注意，只有身体动作与核心概念形成有意义对应（如拖拽公转对应轨道运动），具身效应才能发挥作用。技术赋能的关键在于环境设计，使学生通过身体操作理解抽象概念。

尽管研究取得了上述结论，但存在一定局限：样本来自单一学校，结论推广性有待检验；未追踪学习的长期保持效果；缺乏对操作频次、停留时间等过程性数据的记录，难以精确分析具身程度与学习效果的关系。未来研究需要进一步探讨具身操作程度对学习效果的影响机制，借助眼动追踪等技术深入分析虚拟环境中的观察环节，并开展跨主题迁移验证，检验该模式在“大气运动”“水循环”等地理过程性知识教学中的适用性。

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