加強中學生地理空間素養(yǎng)的培養(yǎng)
——地理信息技術在地理教學中的應用

華東師范大學資源與環(huán)境科學學院（200241） 王燕華 段玉山

加強中學生地理空間素養(yǎng)的培養(yǎng)
——地理信息技術在地理教學中的應用

華東師范大學資源與環(huán)境科學學院（200241） 王燕華 段玉山

一、研究背景

首先，地理空間素養(yǎng)是培養(yǎng)全面發(fā)展的人的重要要素之一。華東師范大學前任校長俞立中教授曾經(jīng)講過：無論學生將來從事什么職業(yè)，空間分析能力都會是十分重要的。[1]這里所說的空間分析能力就是地理空間素養(yǎng)的一部分。其次，地理信息技術的時空性、多維性對地理空間素養(yǎng)的培養(yǎng)具有重大意義。從魏格納的“大陸漂移學說”到勒皮雄“板塊構造學說”，就是科學技術進步的一種表現(xiàn)?？茖W技術的進步擴大了人們的視野，明確了存在于大洋底部的海底地貌，使人們跳出了陸地和海洋的局限，將地球分為六大板塊，從而科學的解釋了地殼運動機理。再次，計算機技術的發(fā)展為地理信息技術應用于地理教學提供了軟硬件條件，可以使3S技術更好的輔助于地理教學，有利于現(xiàn)在公民地理空間素養(yǎng)的提高。

二、中學生地理空間素養(yǎng)定義和作用

那么什么是地理空間素養(yǎng)呢？東北師范大學韓金榮在其論文中是這樣定義的：地理空間素養(yǎng)是學生在學習有關空間位置、空間分布、空間過程、空間格局、空間上的成因聯(lián)系等內(nèi)容的過程中，在掌握地理空間知識和形成地理空間技能的基礎上，運用這些知識與技能解決有關地理空間問題的內(nèi)在修養(yǎng)。[2]它是一種修養(yǎng)，同時也是一種能力。在現(xiàn)代社會，教會學生如何獲得知識比學會多少知識更為重要，中國自古就有“授人以魚，不如授之以漁”的說法。培養(yǎng)學生搜集、處理、分析、利用各種信息的能力比單純的教授一些事實性的知識更為有用。加強學生空間概念、空間認知能力的培養(yǎng)，有利于使學生樹立全球意識，培養(yǎng)現(xiàn)代世界公民，構建終身學習的社會。

同時，國外也非常重視學生地理空間素養(yǎng)的培養(yǎng)。在美國地理科學委員會一份名為《空間思維——GIS與K-12 課程的整合》的報告中提出，空間素養(yǎng)在當今信息經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用，應該成為幼兒園和中小學教學的組成部分。[3]同時，它還進一步闡述了具有空間素養(yǎng)的人應該具備的基本特征，概括如下：知道何時何地應該如何運用空間思維；了解空間概念和空間呈現(xiàn)的方式，并可以進一步的進行空間推理；能夠運用空間數(shù)據(jù)解決問題，對空間數(shù)據(jù)質(zhì)量、可靠性進行評估，而以上內(nèi)容正是地理學科的研究對象。可見，地理學科在培養(yǎng)空間素養(yǎng)能力，促進人的全面發(fā)展方面具有重要作用。

地理空間素養(yǎng)可以從地理空間對比、地理空間分析、地理空間推理、地理空間信息表達、地理空間想象等五個方面論述，其中地理空間信息表達是現(xiàn)代中學生需要加強的。通過對近幾年上海高考和學業(yè)水平測試的研究發(fā)現(xiàn)，選擇題和填空題的比重越來越小，而綜合題的比重有所提高，這不僅要求學生要知道、了解地理概念、地理原理，而且還要達到會應用并可以正確的表達出來的要求。

地理空間素養(yǎng)對人的發(fā)展到底有何作用呢？可以通過東西方教育的差別來分析：中國教育重視邏輯分析、計算能力的培養(yǎng)；西方教育在想象力尤其是空間想象力培養(yǎng)方面比較重視。這使得中國學生在參加一些國際性競賽的時候，在計算、閱讀和記憶等方面表現(xiàn)很好，而在解決實際問題、創(chuàng)新能力和溝通協(xié)調(diào)方面表現(xiàn)不足。這就要求中學教學要注重學生的全面發(fā)展，尤其是地理學科，要把培養(yǎng)學生的地理空間素養(yǎng)放在首位，提高學生的地理空間想象能力，樹立全球的、整體的空間意識。

三、當前地理信息技術應用于地理教學的條件

1.地理信息技術應用于現(xiàn)代地理教學已成為一種趨勢

地理信息技術是指獲取、管理、分析、應用地理空間信息的現(xiàn)代技術的總稱，主要包括遙感（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等，人們通常簡稱3S技術。我國在社會、經(jīng)濟、科學技術等方面的發(fā)展，為地理信息技術應用于現(xiàn)代地理教學提供了必要的條件，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

· 隨著今年財政預算報告的出臺，國家財政性教育經(jīng)費支出將占國內(nèi)生產(chǎn)總值4%以上，為3S技術輔助地理教學提供了物質(zhì)基礎。

· 新課程標準的要求為3S技術應用于地理教學提供了制度依據(jù)。高中地理課程標準明確規(guī)定：要建立具有時代性和基礎性的高中地理課程，提供未來公民必備的地理知識，增強學生的地理學習能力和生存能力。[4]這里的時代性就包括地理信息時代的地理教學。

· 教師專業(yè)水平的提高為3S技術應用于地理教學提供了人力資本。目前，我國高等師范教育培養(yǎng)了大批高素質(zhì)、具有專業(yè)知識素養(yǎng)的地理教育人才。地理信息技術成為高校地理師范教育專業(yè)的必修課程，有利于3S技術的應用和推廣。

· 地理學科的學科性質(zhì)可以為3S的應用提供廣泛的數(shù)據(jù)基礎。地理學是一個把自然、社會、人文各種要素聯(lián)合在一起進行研究的學科，它的研究對象是人地關系，所以涉及了海量的數(shù)據(jù)。地理信息技術為地理知識的獲取、演示和分析提供了極為有效的平臺，有利于直觀地表現(xiàn)地理學科內(nèi)涵、發(fā)展空間能力、增強學習興趣。

2.地理信息技術在培養(yǎng)中學生地理空間素養(yǎng)方面的優(yōu)勢

在信息時代的海量數(shù)據(jù)面前，學生要學會如何從海量數(shù)據(jù)中獲取需要的信息，并把這些信息通過空間架構組合起來，建立相互聯(lián)系，這是地理學研究的問題。[1]而現(xiàn)代地理信息技術具有形色并茂的特點，可以綜合處理文字、圖形、圖像和聲音，表現(xiàn)手法具有多樣性、綜合性、廣泛性等，可以作為解決地理學問題的工具。遙感技術在形成地理事物空間形象方面具有很大優(yōu)勢，過去通過制作空間地理模型（地球儀，地圖等）來使學生形成空間概念，現(xiàn)在遙感技術的發(fā)展使地理空間數(shù)據(jù)可以在很短時間內(nèi)就可以得到更新，并可以從各個角度獲取空間數(shù)據(jù)，構建數(shù)字化地球，更有利于學生直觀的學習相關地理知識。全球定位系統(tǒng)則可以對地理事物、地理現(xiàn)象進行空間位置判定。通常，地理位置會在研究一個地區(qū)自然地理環(huán)境各要素過程中處在首位。地理信息系統(tǒng)可以根據(jù)地理事物要素在空間上的分布狀態(tài)、排列組合進行分析、優(yōu)化，并可以以直觀的三維結果呈現(xiàn)。中學地理教學內(nèi)容與地理信息技術的結合，將徹底改變傳統(tǒng)的教學模式，使課堂教學更加多姿多彩，有利于學生地理空間素養(yǎng)的形成。

華東師范大學碩士研究生馬旭丹做碩士論文《GIS輔助地理研究性學習探究》時對“GIS輔助地理研究性學習的優(yōu)勢”進行了問卷調(diào)查，根據(jù)其調(diào)查結果發(fā)現(xiàn)，有32%的教師認為GIS在“提高學生的地理空間思維能力”方面具有優(yōu)勢，而選擇“學習GIS的理論與技術”、“提高學生的動手操作能力”、“提高學生的地理學習能力”的比重相差不是很大，分別為：20%、23%、19%，選擇“其他”比例比較少。[5]從調(diào)查數(shù)據(jù)中可以得出，地理信息技術對于學生地理空間素養(yǎng)的培養(yǎng)具有很大優(yōu)勢。

四、中學教師對地理信息技術運用于教學的困惑

廣大地理教師對3S技術輔助地理教學的優(yōu)勢有很好的認識，并且認為它的可行性也很高。但是，在現(xiàn)實教學中真正將3S技術實施的學校卻是很少。我們通過對以下數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于華東師范大學碩士研究生馬旭丹的碩士論文《GIS輔助地理研究性學習探究》）進行分析（雖然問卷調(diào)查是以GIS對地理研究性學習開展的，但是它也能在一定程度上從側(cè)面反映出3S技術為何不能在學校地理教學中順利開展的原因）。

GIS輔助地理研究性學習可行性

對GIS理論和技術的熟悉程度

GIS如何輔助地理研究性學習

提供GIS輔助地理學習教學模式的必要性

通過對上述數(shù)據(jù)分析，在學校中認為GIS輔助地理研究性學習可行的還是占大部分，達到59%，只有11%的人認為不可行。然而，再看教師對于GIS理論和技術的熟悉程度，達到熟悉和非常熟悉的只占23%，大部分教師對于GIS理論和技術只是有一點的了解，這說明我們教師在技術方面還不過關。如果不能做到對3S技術熟悉，又從何來談與地理教學的結合，所以還需要加強對教師的培訓。在GIS如何輔助地理研究性學習方面，則有90%以上的教師不清楚和只有一點了解，這也許就是地理信息技術不能在地理教學中很好應用的原因。通過與地理教師的交談和溝通，了解到學校教師在開展地理信息技術教學中存在著諸多的困難，比如學校的硬件設施跟不上，教學時間不夠充裕，還有就是沒有開展這種課程的案例可供參考，而自己又不想主動實施。教師普遍反映如果有一些編制好的案例供參考就會很好，節(jié)省了自己研究、摸索的時間。在調(diào)查教師對于提供GIS輔助地理研究性學習教學模式的必要性的結果中可以看到，教師對于是否提供教學模式還是認為很有必要的，達到80%。

五、3S技術與相關地理教學內(nèi)容融合的途徑

普雷斯頓?詹姆斯曾經(jīng)用三個問題總結了地理學科的重要特點，分別是：“它是什么樣子的？”“它在哪里？”“它意味著什么？”[6]3S技術可以從以下幾個方面進行回答：“它是什么樣子的？”遙感技術可以對地球空間的事物進行全方位觀察和表述，及時更新全球最新數(shù)據(jù)；“它在哪里？”全球定位系統(tǒng)可以解決空間定位的問題，記錄物體從哪里出發(fā)，向哪個方向移動，走了有多遠等在空間位置上的移動過程；“它意味著什么？”地理信息系統(tǒng)則可以用獲取來的數(shù)據(jù)對空間結構進行分析，主要涉及對地理空間事物進行多個維度的思考，綜合、比較地理空間的差異點和共同點，使學生建立地理空間比較思維、分析思維和空間結構思維。根據(jù)GIS、RS、GPS的特點并結合中學地理教學內(nèi)容，可以在教學過程中有所側(cè)重的使用，達到培養(yǎng)中學生地理空間素養(yǎng)的目的。現(xiàn)將3S技術與中學地理教學內(nèi)容相結合進行總結歸納（見下表）[7]。

3S技術與中學地理教學結合的內(nèi)容

以上是3S技術與中學地理教學相關的內(nèi)容，在實際教學活動中可以參照此表進行教學設計，思考3S技術與相關知識點如何更好結合，達到良好的課堂教學效果。

通過相關的教育研究，學生空間思維能力薄弱的原因往往是不能把握事物或現(xiàn)象的空間特征。因此，在觀察地理事物現(xiàn)象的過程中，要引導學生抓住對象的空間特征。[8]下面我們以幾個案例進行說明。

1.利用GIS三維分析功能培養(yǎng)學生地理空間形象思維能力

操作步驟:

第一步：在ArcScene中，點擊工具欄上的“添加數(shù)據(jù)工具”，從ArcGIS軟件攜帶的ArcTutor→Spatial Analyst→Stowe．gdb中加載高程“elevation”圖層。

第二步：在ArcScene中，應用ArcToolbox→Spatial Analyst工具→表面分析→山體陰影工具計算高程圖層對應的陰影柵格圖，然后在ArcScene中加載剛生成的陰影圖。

第三步：在ArcScene中，右鍵點擊高程圖層，點擊“圖層屬性”，在“基本高度”選項卡中進行設置，在“自定義表面獲取的高程值”中選擇高程圖層；山體陰影圖做同樣操作；在“顯示”選項卡設置高程圖層的透明度為30%，可以使三維顯示效果更加逼真。

案例分析：直觀的教學不是以抽象的概念和詞語為依據(jù)，而是以學生直接感知的具體形式為依據(jù)。學生往往對地球運動這部分知識的學習倍感吃力，究其原因不外乎就是學生缺乏空間想象力，空間邏輯推理能力比較薄弱。這就要求教師要結合學生的認知特點，在教學過程中注意對學生這方面的培養(yǎng)。比如，學習地勢地形的時候，可以運用GIS的三維立體功能建立空間立體感，這樣圖形既有經(jīng)緯度又有海拔高度，同時對它的形狀也有一定的認識。這種既帶有相關數(shù)據(jù)，又帶有形狀的全球地物的空間格局，可以使學生形成“數(shù)字化”的心理地圖，培養(yǎng)地理空間形象思維，更有利于學生進一步的進行地理空間分析和綜合。

2.利用遙感圖像培養(yǎng)學生地理空間比較分析能力

汶川大地震前后北川縣遙感圖像對比圖[9]

以上兩幅圖片分別是四川汶川地震前與地震發(fā)生后衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對比分析，從圖中可清楚看到其中對比情況，定位山體滑坡與泥石流的災害發(fā)生地，其中因滑坡造成的土石崩塌，使得綠色的山區(qū)主體中出現(xiàn)較為明顯的灰色區(qū)域。經(jīng)過遙感處理可以獲得該區(qū)域的植被指數(shù)及其他變換信息，為判讀提供輔助依據(jù)。

案例分析：認識區(qū)域間的差異及某個區(qū)域典型的地理特征，常常要借助比較的方法。通過比較，可以區(qū)別區(qū)域間地理事項的特點和性質(zhì)，分辨地理事物的程度和級別，找出區(qū)域間差異顯著的征象和標志。[10]遙感圖片主要是通過對事件發(fā)生前后的比較、同一區(qū)域內(nèi)不同事物的差異比較來應用于實際的，所以利用遙感圖片可以培養(yǎng)學生的空間比較能力，這對于學生學習區(qū)域地理，提高地理空間素養(yǎng)有很大的幫助。

3.利用GPS、GIS培養(yǎng)學生地理空間定位、空間綜合分析能力

以人教版（必修三）中的一個活動為例：如何利用3S技術使城市最快出警。本設計是在傳統(tǒng)的地理教學設計的基礎上，加入了與3S技術的融合。在學生已經(jīng)學會使用GPS進行定位、記錄經(jīng)緯網(wǎng)坐標和海拔高度等相關數(shù)據(jù)后，在了解GPS定位基本原理、功能和方法的基礎上，結合與GIS的應用，開展這一活動。

操作步驟:

第一步，建立上海市道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集。在ArcCatalog中，右鍵點擊含有上海市道路網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)集，選擇“新建”，然后點擊創(chuàng)建“網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集”，按照向?qū)瓿删W(wǎng)絡數(shù)據(jù)集創(chuàng)建。

第二步，在ArcGIS中點擊“添加數(shù)據(jù)按鈕”。從ArcGIS Online中搜索“Shanghai”加載OpenStreetMap地圖作為后續(xù)操作的顯示底圖，然后再加載第一步建立的道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集和城市地理事物熱點圖層（見下圖）。

第三步，獲取報警地點位置的地理坐標。將接受報警的位置，比如說“徐家匯漕溪北路百腦匯電腦城”，通過常用工具條的“查找”工具（見下圖）在報警點圖層上確定其在地圖上的具體位置。

第四步，以報警位置為中心，做周邊四公里的緩沖區(qū)。以已知的報警點為中心利用ArcToolbox→分析工具→鄰域分析→緩沖區(qū)工具，生成以半徑R（比如4Km）的緩沖區(qū)B，R的計算要根據(jù)報警的最小響應時間決定，比如接受報警10分鐘之內(nèi)，警車要到達出事地點（見下圖）。

第五步，搜索緩沖區(qū)范圍內(nèi)的所有的警車。由于每輛警車都裝有GPS接收機，能夠通過GPRS模塊實時發(fā)布警車所在的位置，我們能夠?qū)⑵滹@示在地圖上，利用ArcGIS菜單欄的選擇→按位置選擇選項，從所有警車中選擇落在緩沖區(qū)B內(nèi)的警車（見下圖）。

第六步，查找距離報警地點最近的警車。在獲取當前報警地點和緩沖區(qū)內(nèi)警車的位置后，利用ArcGIS，Network Analyst工具條中建立OD矩陣工具，計算報警位置與所有候選警車的距離，然后從中找出距離最小的一輛（見下圖）。

第七步，在地圖上標示出警車到達報警地點的行走路線。利用ArcGIS，Network Analyst工具條中最短路徑工具，生成警車的行走路線，如下圖中線1所示。

除以上應用外，GPS在指揮疏導交通擁堵的路段和路口方面也可發(fā)揮重要作用，同時還可通過回放歷史軌跡等形式檢查民警出勤情況，自動統(tǒng)計出安裝有GPS警車的出勤情況，實現(xiàn)對人的在線監(jiān)控及管理。當發(fā)生重大事件時，指揮中心可以迅速調(diào)集路面巡邏的各警種車輛，控制事態(tài)發(fā)展，如道路封閉、圍堵犯罪分子。

案例分析：通過空間查詢與空間分析得出決策結論，是GIS的出發(fā)點和歸宿。上述案例通過介紹地理數(shù)據(jù)的采集和編輯及對地理事物如何定位，利用GIS在緩沖區(qū)分析、地形分析方面的優(yōu)勢來設計地理教學。創(chuàng)建網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，添加數(shù)據(jù)的過程必將極大的提高學生對地理信息的收集、處理能力，幫助學生學會分析地理信息，應用信息解決地理問題，提高其信息素養(yǎng)。報警地點的獲取及警車位置的確定涉及到精確的空間定位，在這個過程中還可以讓學生自己操作GIS地圖進行學習，只要給他們明確的查找任務，通過選擇放大，標注、查詢經(jīng)緯度，就能夠很好的幫助學生掌握一些重要地理事物位置，建立起客觀世界的空間概念。緩沖區(qū)的學習主要是為了讓學生認識到某一地理實體或空間物體對其周圍地物會產(chǎn)生一定的影響，并在其周圍形成具有一定寬度的帶狀區(qū)域。緩沖區(qū)還可應用到道路、河流、環(huán)境污染源、居民點、輻射源等的空間分析，這樣有利于學生建立空間現(xiàn)象關聯(lián)性，培養(yǎng)學生的空間想象力等地理核心能力。

六、結束語

“不識廬山真面目，只緣身在此山中”，人們對事物的感知具有局限性，太大或者是太小的事物都不利于人們對其的認識，這就是地理空間素養(yǎng)難以形成的原因。當代科學技術的發(fā)展可以使人們跳出認識的局限，大到從宇宙中觀看地球全貌，小到對分子、原子的研究，無不是人類科學技術發(fā)展的結果。所以，地理信息技術與地理教學內(nèi)容的結合是科學技術發(fā)展的必然結果，它作為地理空間信息處理的基本手段之一, 必將成為中學地理教學的重要內(nèi)容和必要工具。

[1] 俞立中．對中學地理教育改革的幾點思考．地理教學．2012．5

[2] 韓金榮．袁孝亭．美國基礎教育地理課程標準對空間素養(yǎng)的關注及其啟示．外國教育研究．2009．5

[3] Geographical Science Committee．Learning to Think Spatially-GIS as a Support System in the K-12 Curriculum[M]．Washington D．C:The National academies press．2006．12

[4] 中華人民共和國教育部．全日制普通高中地理課程標準（實驗）[S]．人民教育出版社．2003．1

[5] 馬旭丹．GIS輔助地理研究性學習探究．華東師范大學．2009

[6] 龔倩．趙媛．略論地理空間思維．地理教學．2010．21

[7] http://www．doc88．com/p-908706711199．html

[8] 徐君．空間概念、空間推理與空間分析——培養(yǎng)學生地理空間思維的策略．地理教學．2009．4

[9] http://news．ifeng．com/special/0512earthquake/roll news/200805/0515_3410_542824．shtml

[10] 段玉山．王家偉．運用“中學GIS教學平臺”培養(yǎng)中學生地理空間比較分析能力的研究．地理教學．2012．10

（2）宜“順藤摸瓜”，忌“趕鴨上架”

教學主線的設計，要追求順藤摸瓜，和諧自然，而不是趕鴨上架，強加硬灌；要提倡“順”著學生思維的發(fā)展設計，而不要“趕”著學生的思維跳躍、奔跑。因此，成功的教學設計應該立足于對學生的學情、學力和心理特征的分析和掌握。只有深入了解學生情況，才能正確把握學生在主動學習中可能出現(xiàn)的思維障礙，充分發(fā)揮教師的指導作用和學生的能動作用，優(yōu)化教學設計，克服教學難點。