例談運用“中學(xué)地理信息系統(tǒng)（GIS）教學(xué)平臺”輔助地理教學(xué)

華東師范大學(xué)地理學(xué)系（200062） 王家偉 段玉山 查志江

2003年出臺的《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗)》已把GIS正式納入高中地理課程之中。經(jīng)全國中小學(xué)教材審定委員會審定的普通高中地理教材中，GIS已成為必修和選修教材的主要內(nèi)容之一。此外，教育部在2010年發(fā)布了《高中理科教學(xué)儀器配備標(biāo)準(zhǔn)》，其中的高中地理教學(xué)儀器配備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了3S（包括地理信息系統(tǒng)、遙感和全球定位系統(tǒng)）教學(xué)軟件的內(nèi)容。

GIS技術(shù)作為地理學(xué)的第三代語言，將其應(yīng)用于基礎(chǔ)地理教育是現(xiàn)代信息社會對基礎(chǔ)地理教學(xué)的要求，是教育適應(yīng)21世紀(jì)挑戰(zhàn)的需要，是當(dāng)前基礎(chǔ)地理教學(xué)改革與發(fā)展的一個重要突破口 。GIS既要作為重要的地理信息科學(xué)的內(nèi)容滲透在基礎(chǔ)教育中，也要作為非常有用的輔助教學(xué)手段來支撐地理課程。[1]

一、學(xué)習(xí)GIS，用GIS學(xué)習(xí)

1. GIS是重要的地理教學(xué)內(nèi)容之一

根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》，GIS不僅要在普通高中地理必修教材中呈現(xiàn)，也是《地理信息技術(shù)應(yīng)用》選修模塊的重點內(nèi)容。學(xué)生不僅要知道GIS的概念、原理與發(fā)展的基本知識，了解GIS的具體應(yīng)用領(lǐng)域，并能夠比較具體地說出GIS在某一具體領(lǐng)域的作用與功能；而且要學(xué)會GIS軟件的基本操作，主要是熟悉GIS窗口界面、學(xué)會使用GIS窗口主要快捷按鈕(如放大、縮小、漫游、移動等圖層顯示，圖層疊加，標(biāo)注顯示等等)、掌握簡單查詢分析(點查詢、條件查詢、簡單緩沖區(qū)查詢等)、學(xué)會建立數(shù)據(jù)庫(表)的方法等；對GIS的操作應(yīng)用本身是對地理信息(數(shù)據(jù))收集、處理、分析與應(yīng)用的過程，在GIS的操作應(yīng)用教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生在地理信息處理分析過程中的創(chuàng)造能力和綜合能力，培養(yǎng)地理信息收集、處理與分析的素養(yǎng)。

2. GIS技術(shù)是一種重要的地理教學(xué)技術(shù)手段

地理信息技術(shù)作為教學(xué)技術(shù)手段應(yīng)用于地理教學(xué)中，也是必修教材和《地理信息技術(shù)應(yīng)用》選修模塊重要的價值取向之一。以GIS為例，GIS具有對地圖處理與操作的強大功能，地圖是地理教育的重要方法，利用GIS的地圖疊加、地圖漫游、地圖縮放和地圖要素的增減等進(jìn)行輔助教學(xué)，效果是一般教學(xué)手段不可比擬的。另一方面，GIS技術(shù)是一種解決實際問題、提供地理數(shù)據(jù)處理功能的技術(shù)和方法。GIS的數(shù)據(jù)輸人、處理與分析功能，能很好地完成地理課程在能力培養(yǎng)方面的要求[2]。

地理信息技術(shù)教育對學(xué)生信息技術(shù)的掌握、地理研究技術(shù)的了解與應(yīng)用、地理區(qū)域系統(tǒng)思想的建立和地理空間思維能力的培養(yǎng)，以及地理問題的分析與處理能力的培養(yǎng)等具有不可替代的獨特功能。例如，干濕地區(qū)分布的教學(xué)，需引導(dǎo)學(xué)生思考降水量和蒸發(fā)量的對比關(guān)系，形成正確干濕地區(qū)分布的概念。如果借助GIS軟件(如Mapinfo)提供的圖層控制和數(shù)據(jù)合成、專題圖等，教師可以很快利用世界地圖及各地區(qū)降水、蒸發(fā)狀況數(shù)據(jù)庫，繪出一張“全球各大洲(或某些區(qū)域)降水與蒸發(fā)柱狀(或餅狀)對比圖”，再疊加上雨帶分布圖，學(xué)生就能一目了然。這簡化了教學(xué)的程序，幫助學(xué)生形成地理要素間的相關(guān)性的邏輯概念，提升了學(xué)生的理性認(rèn)識能力。

二、當(dāng)前GIS在輔助地理教學(xué)中存在的問題

在我國，隨著新課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布，全國各地利用GIS輔助教學(xué)和開設(shè)選修課活動有了明顯增多，但由于GIS軟件平臺、數(shù)據(jù)資料和師資力量等方面的問題，在絕大部分中學(xué)的地理教學(xué)中GIS教育僅停留在概念、理論層面的學(xué)習(xí)，很少有GIS軟件實際操作層面的學(xué)習(xí)，也很少有教師利用GIS軟件平臺進(jìn)行地理課程的輔助教學(xué)。

1. 沒有適合基礎(chǔ)地理教學(xué)的GIS軟件平臺

GIS的基礎(chǔ)平臺軟件雖然有很多，例如ArcView、ArcInfo、ArcGIS、GeoStar、MapGIS、SuperMap等，但是這些軟件一般都是面向?qū)I(yè)用戶的大型商業(yè)軟件，功能多、操作復(fù)雜，教師和學(xué)生難以掌握，也沒有必要去掌握。而二次開發(fā)的用于輔助基礎(chǔ)地理教育的GIS應(yīng)用軟件還很少，目前僅有“清華同方電子教學(xué)地圖編輯系統(tǒng)”和超圖(SuperMap)公司的“超級地圖”是專門為基礎(chǔ)地理教育而開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，但是這兩款GIS輔助地理教育的系統(tǒng)只是按照地圖和普通輔助教學(xué)的需要設(shè)計，操作者不需要掌握GIS 或多媒體工具軟件操作技能，所以它只是講授普通地理知識的地圖教學(xué)平臺，稱不上是真正的GIS教學(xué)平臺，很難實現(xiàn)真正的GIS輔助教學(xué)，更無法培養(yǎng)學(xué)生的地理素養(yǎng)，不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、培養(yǎng)學(xué)生的能力、開發(fā)他們的智力。

2. 用于基礎(chǔ)教學(xué)的GIS數(shù)據(jù)不足

目前還很少有專門用于基礎(chǔ)地理教學(xué)的GIS地圖數(shù)據(jù)，利用教材相關(guān)地圖進(jìn)行數(shù)字化又需要耗費教師大量的時間和精力，很少有人去做，所以許多人在探討GIS用于地理教學(xué)時主要用Mapinfo，ArcView等軟件中附帶的數(shù)據(jù)，不能緊扣教學(xué)大綱、教材內(nèi)容，沒有什么實際教學(xué)意義。即使部分地理教師有一些GIS地圖數(shù)據(jù)，也存在不是數(shù)量有限，就是和現(xiàn)有的地理教材內(nèi)容不相匹配，很難運用于基礎(chǔ)地理教育。

三、中學(xué)地理信息系統(tǒng)（GIS）教學(xué)平臺

1．平臺功能簡介

“中學(xué)地理信息系統(tǒng)（GIS）教學(xué)平臺”是基于國家高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)和教育部中學(xué)地理裝備儀器標(biāo)準(zhǔn)，由華東師范大學(xué)地理信息技術(shù)教育部重點實驗室和上海愷擎軟件開發(fā)有限公司合作研制的一款適合基礎(chǔ)地理教育的專門用于講授GIS和基礎(chǔ)地理知識的GIS教學(xué)輔助平臺?！爸袑W(xué)地理信息系統(tǒng)（GIS）教學(xué)平臺”包括“基于GIS的地理教學(xué)輔助系統(tǒng)”“GIS研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)”“遙感空間信息教學(xué)實驗系統(tǒng)”和“GPS實驗教學(xué)系統(tǒng)”四款軟件系統(tǒng)。

“基于GIS的地理教學(xué)輔助系統(tǒng)”具備GIS地圖以及分析功能，并附帶大量的和地理教材相匹配的地理底圖、地形圖和專題圖，滿足地理教師在進(jìn)行地圖認(rèn)知、中國地理、世界地理和高中地理課件整合時的地圖需求。教師可以借助專題地圖豐富多樣的表現(xiàn)形式以及簡便的GIS操作方式，實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計分析和結(jié)果的直觀顯示，這兩款軟件還包括了一些高級的GIS空間查詢、空間分析功能，教師可利用其教授一些其他教學(xué)方法無法呈現(xiàn)的特定知識點，如通過緩沖區(qū)分析表達(dá)某一地理要素的屬性影響范圍，包括污染源的有害范圍、集水區(qū)范圍、經(jīng)濟輻射區(qū)域等。教師可以按照自己的需要自由組織地理數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單的地理分析，同時學(xué)生也可以利用該平臺進(jìn)行自主的研究性學(xué)習(xí)。

軟件還針對中學(xué)地理教師和學(xué)生電腦軟件操作技能不足、不熟悉GIS操作等實際情況，依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》，對地理教材中適合運用GIS進(jìn)行輔助教學(xué)的主題內(nèi)容進(jìn)行歸納整理，開發(fā)了大量能夠用GIS進(jìn)行輔助地理教學(xué)的典型教學(xué)案例。對于初次接觸GIS相關(guān)軟件的教師，在教學(xué)過程中可以直接通過案例向?qū)?，按步驟進(jìn)行簡單的操作，即可快速加載對應(yīng)的地圖數(shù)據(jù)以及完成相應(yīng)的空間分析和專題制圖等操作；對于有一定計算機基礎(chǔ)的教師還可靈活地改變案例中默認(rèn)的操作參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行多樣化的輔助教學(xué)；而對于學(xué)習(xí)過GIS課程或?qū)IS軟件操作比較熟悉的教師，也可以不按照案例來進(jìn)行GIS的輔助教學(xué)，而是通過軟件附帶的大量基礎(chǔ)地圖等數(shù)據(jù)，自己自行設(shè)計案例進(jìn)行GIS的輔助教學(xué)，從而滿足不同教師的不同層次的教學(xué)需求。

“GIS研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)”是GIS的基礎(chǔ)教育的教學(xué)和實驗平臺，能夠為學(xué)生更好地理解和掌握GIS打下堅實的基礎(chǔ)。主要包括以下功能：

（1)GIS地圖的基本操作。如放大、縮小、漫游、地圖量算、比例尺控制等。

（2)圖層控制。如利用圖例控件可將各種基礎(chǔ)地理要素和專業(yè)專題要素進(jìn)行分層綜合顯示和控制等。

（3）鷹眼視圖。鷹眼窗口以紅色矩形顯示當(dāng)前地圖范圍，反映地圖全局和局部的關(guān)系，通過其還可進(jìn)行地圖導(dǎo)航操作。

（4）圖形負(fù)載量控制。系統(tǒng)自動根據(jù)當(dāng)前地圖的比例尺，調(diào)整顯示圖層數(shù)和某一圖層中信息量的疏密關(guān)系及效果（地圖負(fù)載量）。

（5)圖形數(shù)據(jù)的查詢。如通過點、線、面等多種選取方式，顯示該要素或者該區(qū)域內(nèi)的若干要素的屬性數(shù)據(jù)，并進(jìn)行屬性和空間的雙向查詢等。

（6)專題地圖制作。如制作諸如分級符號、統(tǒng)計地圖等方法表現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、統(tǒng)計數(shù)字等特征的專題地圖，并可靈活的向?qū)ｎ}地圖上添加文字標(biāo)注、地圖符號等。

（7)空間分析。如可進(jìn)行符合OGC規(guī)范的空間拓?fù)洳僮骱涂臻g關(guān)系查詢、緩沖區(qū)分析、空間疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析等。

“遙感空間信息教學(xué)實驗系統(tǒng)”是RS基礎(chǔ)教育的教學(xué)和實驗平臺，能夠為學(xué)生更好地理解和掌握RS打下堅實的基礎(chǔ)。軟件主要包括以下功能：

（1）航空、衛(wèi)星、雷達(dá)，多分辨率、多波段等各種遙感數(shù)據(jù)的演示。

（2）遙感解譯(包括地圖數(shù)字化)。如可對軟件自帶或者外部導(dǎo)入的遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn)，并可利用基本的遙感影像判讀知識進(jìn)行遙感影像的解譯和數(shù)字化，提取有用矢量數(shù)據(jù)的同時也可以輸入其相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)。

“全球定位實驗教學(xué)系統(tǒng)”是GPS基礎(chǔ)教育的教學(xué)和實驗平臺，能夠為學(xué)生更好地理解和掌握GPS打下堅實的基礎(chǔ)。軟件主要包括以下功能：

（1）GPS數(shù)據(jù)采集。如將手持GPS設(shè)備采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，與現(xiàn)有的圖層疊加顯示并進(jìn)行操作分析。

（2）在軟件界面上顯示手持GPS設(shè)備的位置以及相關(guān)信息。

2. GIS案例輔助教學(xué)舉例

（1）專題地圖的制作

專題地圖，又稱特種地圖，著重表示一種或數(shù)種自然要素或社會經(jīng)濟現(xiàn)象的地圖。利用“2010年中國各省GDP數(shù)據(jù)”，制作“2010年中國各省GDP分級設(shè)色專題圖”，并添加各省名稱注記。專題圖用顏色的深淺來代表2010年各省GDP數(shù)值的大小，顏色深代表GDP數(shù)值大，顏色淺代表GDP數(shù)值小。通過觀察“2010年中國各省GDP分級設(shè)色專題圖”，我們可以看到東部省區(qū)顯示的顏色最深，中部省區(qū)次之，西部省區(qū)顯示的顏色最淺，表明我國東、中、西部省區(qū)在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平上的差異，如下圖。

（2）疊置分析

疊置分析是指將代表不同主題的各個數(shù)據(jù)圖層進(jìn)行疊置產(chǎn)生一個新的數(shù)據(jù)層面，疊置結(jié)果綜合了原來兩個或多個層面要素所具有的屬性。制作“中國西部大開發(fā)省區(qū)和非西部大開發(fā)省區(qū)分色顯示專題圖”，并制作、疊加“中國各省多年GDP餅狀專題圖”。通過兩圖層的疊加顯示，我們可以看到實施西部大開發(fā)省份的GDP數(shù)值都比較小，國家正是為了縮小和東部經(jīng)濟發(fā)達(dá)省份之間的差距，才實施了西部大開發(fā)戰(zhàn)略，如下圖。

（3）屬性查詢分析

屬性查詢是指根據(jù)電子地圖數(shù)據(jù)屬性表中的字段構(gòu)造查詢條件來查詢某一屬性表特定的記錄值。首先，疊加顯示“全球六大板塊”、“世界行政區(qū)”、“全球2001至2005年4級以及4級以上地震分布”和“全球火山分布”圖層數(shù)據(jù)。其次，選擇“全球2001至2005年4級以及4級以上地震分布”圖層數(shù)據(jù)，進(jìn)行屬性查詢分析，設(shè)置屬性查詢條件“震級>7且震源深度<70公里的地震”。通過查詢分析，我們可以看到紅色突出顯示的點即為查詢出“震級>7且震源深度<70公里的地震”在全球的分布情況。我們可以看到這些地震基本上都是位于板塊的交界處，從而進(jìn)一步驗證了板塊的交界處是地殼運動的活躍地帶，也是地震火山的多發(fā)地帶，如下圖。

（4）空間查詢分析

空間查詢，也稱幾何查詢，是指基于電子地圖數(shù)據(jù)圖層間的拓?fù)潢P(guān)系來選擇一個或多個圖層中的地理要素。首先，疊加顯示“中國主要干線鐵路”、“中國省級行政區(qū)劃”和“中國縣級行政區(qū)劃”圖層數(shù)據(jù)。其次，通過“位置選擇”對話框進(jìn)行相應(yīng)查詢條件值的設(shè)置——即利用京廣鐵路線來選擇京廣線所穿越的縣市區(qū)，我們可以看到紅色突出顯示的多邊形即為京廣鐵路線穿越的縣市區(qū)，如下圖。

（5）緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)分析是指以電子地圖的點、線、面實體為基礎(chǔ)，自動建立其周圍一定寬度范圍內(nèi)的緩沖區(qū)多邊形圖層，然后建立該圖層與目標(biāo)圖層的疊加，進(jìn)行分析而得到所需結(jié)果。首先，疊加顯示“中國主要干線鐵路”、“中國省級行政區(qū)劃”、和“中國城鎮(zhèn)分布”圖層數(shù)據(jù)。其次，通過“位置選擇”對話框進(jìn)行相應(yīng)緩沖區(qū)分析條件值的設(shè)置——即緩沖區(qū)分析選取京滬鐵路20公里范圍以內(nèi)的城鎮(zhèn)。我們可以從分析結(jié)果中看到圖中紅色多邊形為利用京滬鐵路線生成的緩沖區(qū)多邊形，紅色點為通過緩沖區(qū)分析選中的城鎮(zhèn)，如下圖。

[1]段玉山, 夏志芳. 基礎(chǔ)教育階段地理信息(GIS)教育研究[J]. 全球教育展望, 2002（11）: 54-58.

[2]地理信息技術(shù)應(yīng)用（地理·選修7）[M]. 北京: 人民教育出版社, 2007.