基于網(wǎng)絡(luò)的ＧＩＳ輔助地理教學(xué)研究

摘要： 隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展，為基于網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)提供了更為便利的條件。本文提出了一個基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息系統(tǒng)輔助地理教學(xué)的互動軟件的設(shè)計。旨在：通過師生互動的軟件平臺，提高學(xué)生學(xué)習(xí)地理的興趣；提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力；提高教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)（GIS）；地理互動教學(xué)軟件；虛擬社區(qū)

1地理信息系統(tǒng)（GIS）簡介

隨著人類步入信息社會，地理學(xué)與計算機(jī)科學(xué)、航天技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)結(jié)合，孵化出了地理學(xué)的一門新型技術(shù)地理信息系統(tǒng)(GIS)。地理信息系統(tǒng)指在計算機(jī)軟硬件支持下，對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理、分析、輸出等。它融合了遙感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)等于一體的一門交叉學(xué)科。

計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得GIS發(fā)生了新的變化。GIS正朝著一個可運行的、分布式的、開放的、網(wǎng)絡(luò)化的全球GIS發(fā)展。在未來幾十年內(nèi)，GIS將向著數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)多維化、系統(tǒng)集成化、系統(tǒng)智能化、平臺網(wǎng)絡(luò)化和應(yīng)用社會化（數(shù)字地球）的方向發(fā)展。其中網(wǎng)絡(luò)GIS、三維GIS和時態(tài)GIS以及GIS和虛擬現(xiàn)實的結(jié)合，已經(jīng)成為GIS發(fā)展的趨勢和研究熱點。

2地理信息系統(tǒng)（GIS）在國內(nèi)外中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 GIS在國內(nèi)中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

通過在中學(xué)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：地理信息系統(tǒng)在我國中學(xué)的地理教學(xué)中普及和應(yīng)用還有很大程度的欠缺。雖然GIS已經(jīng)納入了現(xiàn)行的部分版本的地理教材中，但是，在實際教學(xué)中，只是作為學(xué)生的課外閱讀材料。因此，對GIS這一新型技術(shù)的普及與宣傳應(yīng)該是我國中學(xué)地理教育的迫切任務(wù)。

90年代以來，以計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的現(xiàn)代教育技術(shù)已在課堂教學(xué)中廣泛使用，當(dāng)多媒體、信息高速公路正以驚人的速度改變著人們的工作方式、學(xué)習(xí)方式、思維方式和交往方式時，使用傳統(tǒng)地理專用教室的以課堂、課本、教師為中心的教學(xué)模式便無法適應(yīng)地理教學(xué)現(xiàn)代化的要求。

2.2 GIS在國外中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

以美國為例，在教學(xué)設(shè)置上，美國學(xué)校的GIS教學(xué)呈必修課，有專門的教材和案例數(shù)據(jù)。美國在1994年，召開了首屆GIS在教育上的應(yīng)用會議，會后便開始“Mapping Our City 計劃”，該計劃試圖利用GIS技術(shù)，使美國城市的中學(xué)生將地理課教學(xué)內(nèi)容與所在城市的社會、環(huán)境等問題聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注當(dāng)?shù)厣鐣狳c問題，借助GIS技術(shù)將這些問題可視化并尋找解決方案，最終達(dá)到在青少年中普及GIS知識，同時提高中學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的雙重目的。

3基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息系統(tǒng)輔助地理教學(xué)軟件

結(jié)合GIS的特點分析其用于地理教學(xué)的優(yōu)勢

GIS的空間可視化特征：可以培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和建立區(qū)域（空間）概念。

GIS的數(shù)據(jù)關(guān)系（屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)）特征：可以提高學(xué)生的地理空間思維能力和辨證思維能力。

GIS對人地關(guān)系與可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境意識的教育功能：GIS突出了它對現(xiàn)實世界空間關(guān)系的模擬，使我們對現(xiàn)實世界空間關(guān)系的認(rèn)識更為直觀、具體。

GIS的各種分析功能非常強(qiáng)大：例如：可視化分析，緩沖區(qū)分析，疊加分析。這都有助于提高分析和解決實際問題的能力。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，WebGIS成為了GIS的發(fā)展熱點之一。由于萬維網(wǎng)具備了資源共享的特點，教師或者學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)上的地理教學(xué)資源，如相關(guān)的文字、圖片資源、課件等，將其編輯成適當(dāng)?shù)膯卧a(bǔ)充教材，并整合GIS相關(guān)技術(shù)，開展WebGIS輔助地理教學(xué)。這樣的教學(xué)就具備了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和GIS輔助教學(xué)的雙重優(yōu)勢。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，VRGIS（虛擬現(xiàn)實地理信息系統(tǒng)）也成為GIS領(lǐng)域發(fā)展方向的熱點之一。以實時互動三維仿真網(wǎng)絡(luò)社區(qū)開發(fā)的平臺技術(shù)來仿真一所虛擬學(xué)校，開發(fā)出一個地理學(xué)習(xí)虛擬社區(qū)，作為在線教育的載體，讓師生可以進(jìn)行虛擬互動。對于傳統(tǒng)教育中所用到得經(jīng)典教學(xué)方式，如：講授、提問、作業(yè)可以進(jìn)行很好的仿真，而對于傳統(tǒng)教育中不能避免的局限，如：場地局限、時間局限等則可以將其淡化。

總之， VR/Web 3D的結(jié)合為GIS應(yīng)用到地理教學(xué)提供了更大的發(fā)展和想象空間，以及為開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的互動軟件打下了現(xiàn)實基礎(chǔ)，如下的幾個例子：Google公司推出的基于衛(wèi)星影像圖的采用的3D地圖定位技術(shù)的Google Earth。

4 軟件的具體設(shè)計

Lam曾指出，在地理科進(jìn)行IT教學(xué)方面:“現(xiàn)時最大的障礙是欠缺軟件，教師根本是太忙了，他們也欠缺足夠能力自行開發(fā)高科技的互動教學(xué)軟件”。

因此開發(fā)一款適合中學(xué)地理教學(xué)的互動軟件是非常需要的。通過上面的分析可以看出：采用GIS技術(shù)，同時結(jié)合網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，開發(fā)出這樣的一款軟件有很強(qiáng)的可行性，也有很大的優(yōu)勢。

本軟件的主要思路：在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用GIS技術(shù)實現(xiàn)地圖操作以及各種GIS的分析方法，如：緩沖區(qū)分析、最短路徑分析、可視化分析等功能；同時采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以虛擬地理社區(qū)為教師的授課以及與師生之間進(jìn)行討論、交流的互動區(qū)域。以下是互動軟件的主要模塊：

用戶模塊：用戶管理部分采用基于角色的訪問控制機(jī)制（RBAC）。并將用戶分為 ：教師用戶、學(xué)生用戶、系統(tǒng)管理人員。

RBAC的基本思想是將訪問權(quán)限與角色相聯(lián)系，通過給用戶分配適當(dāng)?shù)慕巧?，達(dá)到為用戶授予權(quán)限的目的，從而實現(xiàn)了用戶與訪問權(quán)限的邏輯分離，降低了權(quán)限授予的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的效率，同時也方便了用戶的后臺管理。

虛擬地理學(xué)習(xí)社區(qū)模塊（圖1是軟件的一個虛擬教室的界面）

在這個虛擬社區(qū)里，有不同的虛擬教室，老師帶領(lǐng)大家進(jìn)入一個虛擬教室，“教室里”有類似現(xiàn)實世界的桌椅和講臺，以及大屏幕投影等等教學(xué)設(shè)備，用戶可以選擇不同教室的外面和室內(nèi)環(huán)境，如：大海風(fēng)情，北極的世界，熱帶雨林等等。讓教師和學(xué)生在一種輕松得狀態(tài)，有一種身臨其境的感覺，便于更好地融入教學(xué)的環(huán)境。他們可以進(jìn)行的操作如下：

①教師用戶區(qū)：課程講授；課件專區(qū)；問題設(shè)計區(qū)；專題制作區(qū)；討論區(qū)；電子地圖區(qū)：形如人教出版社和北京超圖公司共同研發(fā)的《地理信息系統(tǒng)教學(xué)-超級地圖》，教師根據(jù)授課需要對地圖進(jìn)行操作，如：圖層控制，即：圖層顯示與關(guān)閉、增加新圖層、刪除圖層；地圖放大、縮小、平移。

②學(xué)生用戶區(qū)：課后重溫；地理小游戲：設(shè)計一些和地理知識相關(guān)的趣味游戲，學(xué)生在游戲中學(xué)到知識；課外充電區(qū)：提供各種開外地理知識供學(xué)生參考，學(xué)生也可以把自己的知識增加到系統(tǒng)里。具體的一個教學(xué)例子，可以如下操作：

首先，教師帶領(lǐng)大家，進(jìn)入虛擬教師，然后由教師布置實際的問題，以南水北調(diào)為例，進(jìn)行實際問題解決方法的討論。其次，老師給學(xué)生提供我國河流的年度流量等等各種相關(guān)的水文數(shù)據(jù)。學(xué)生以小組的形式提出實際的方案。每個小組根據(jù)我國的河流和省區(qū)分布圖，以及各種資料數(shù)據(jù)，制作專題地圖，分析各種數(shù)據(jù)和圖表，設(shè)計出一套南水北調(diào)方案并。學(xué)生在虛擬社區(qū)里可以“舉手”提出本組的方案，并且說明解決方案的原因。最后，教師和大家一起討論、分析、總結(jié)出比較好的解決方案。這期間可以講解相應(yīng)的知識點，使得學(xué)生更好的融會貫通。

野外探險區(qū)：學(xué)生和教師可以在此報名，參加大家組織的野外活動，體驗大自然。大家利用課余時間去實地進(jìn)行考察，更直接的了解實際的情況，并且親自采集數(shù)據(jù)。這樣讓學(xué)生自己動手，思考問題，分析結(jié)果，得出結(jié)論，可以很好的提高學(xué)生的實踐能力和團(tuán)隊合作的能力，提高了各方面的綜合素質(zhì)。最后將整個活動的照片、視頻、大家的收獲，上傳到社區(qū)里，便于沒有參加的人員共同分享，獲得更多的知識和樂趣。

曬曬我的“心情”區(qū)：用戶將自己的各種學(xué)習(xí)成果和生活中的樂趣與大家共同分享。同時，可以提出自己的困難和苦惱，大家一起解決。構(gòu)成一個真正的大家互相溝通的和諧社區(qū)。

5總結(jié)

本文的研究目的是根據(jù)我國中學(xué)地理教學(xué)的現(xiàn)狀，將GIS、多媒體以及虛擬現(xiàn)實等多種技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)一款真正適合我國中學(xué)地理教學(xué)的軟件，目的是使地理教學(xué)變得生動有趣 ，同時能達(dá)到課堂上互動仿真的效果，同時提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和教學(xué)質(zhì)量。讓學(xué)習(xí)不再枯燥，也便于教學(xué)和學(xué)生的交流。

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