讓GIS技術(shù)走進(jìn)高中地理課程

陳志慧

摘 要： 隨著我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化進(jìn)程的推進(jìn)，遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）等現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，成為許多領(lǐng)域的技術(shù)支撐。地理課程對(duì)地理學(xué)的這些新發(fā)展給予了較多關(guān)注，在必修模塊引入“地理信息技術(shù)”內(nèi)容，將“3S技術(shù)應(yīng)用”專列為一個(gè)選修模塊，強(qiáng)調(diào)了地理信息技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生直觀地、感性地認(rèn)識(shí)“3S”技術(shù)的基本知識(shí)及其應(yīng)用原理。此外，信息技術(shù)在地理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用與整合，還可為學(xué)生的地理學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具，為發(fā)展學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)和能力創(chuàng)造適宜的環(huán)境。但目前，在我國(guó)大部分地區(qū)開(kāi)設(shè)地理信息系統(tǒng)課程還存在一定的困難。文章就引領(lǐng)GIS技術(shù)走進(jìn)高中地理課堂展開(kāi)論述。

關(guān)鍵詞： 地理信息系統(tǒng) 高中地理課堂教學(xué) 案例 困難

1.GIS的概論

1.1 GIS的內(nèi)涵

針對(duì)不同的部門(mén)和不同的應(yīng)用目的，地理信息系統(tǒng)的定義也不盡相同。美國(guó)學(xué)者Parker認(rèn)為“GIS是一種存儲(chǔ)、分析和顯示空間與非空間數(shù)據(jù)的信息技術(shù)”。加拿大的Roger Tomlinson認(rèn)為“GIS是全方位分析和操作地理數(shù)據(jù)的數(shù)字系統(tǒng)”。俄羅斯學(xué)者把GIS定義為“一種解決各種復(fù)雜的地理相關(guān)問(wèn)題，以及具有內(nèi)部聯(lián)系的工具集合”。這些定義，有的側(cè)重于GIS的技術(shù)內(nèi)涵，有的則強(qiáng)調(diào)GIS的應(yīng)用功能。美國(guó)聯(lián)邦數(shù)字地圖協(xié)調(diào)委員會(huì)（FIC-CDC）關(guān)于GIS的定義較為全面具體。該定義認(rèn)為“GIS”是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問(wèn)題。[1]

1.2 GIS的功能

由計(jì)算機(jī)技術(shù)與空間數(shù)據(jù)相結(jié)合而產(chǎn)生的GIS這一高新技術(shù)，它包含了處理地理信息的各種高級(jí)功能。GIS具有四項(xiàng)基本功能：

1.2.1輸入功能

利用數(shù)字化儀或掃描儀把地圖、圖像（如航空照片）和規(guī)劃圖輸入計(jì)算機(jī)中，然后進(jìn)行編輯處理（修改、增補(bǔ)等）。

1.2.2輸出功能

把經(jīng)過(guò)分析而得出的圖形、圖表或文字報(bào)告顯示在熒光屏上，也可以通過(guò)繪圖儀或打印機(jī)打印出來(lái)。

1.2.3查詢、分析功能

通過(guò)空間查詢和空間分析而得出決策結(jié)論是GIS的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。這是一個(gè)復(fù)雜的處理過(guò)程，需要應(yīng)用目標(biāo)之間的內(nèi)在空間聯(lián)系并結(jié)合各自的數(shù)學(xué)模型和理論制訂規(guī)劃和決策。典型的空間分析包括最佳路徑分析、疊加分析、鄰域分析、網(wǎng)絡(luò)分析、通視分析及填挖方計(jì)算和表面積計(jì)算等，可用在污染源流分析、農(nóng)業(yè)布局合理性分析、城市布局合理性分析、道路選線分析等工作中。

1.2.4空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能

地理對(duì)象是龐大的地理數(shù)據(jù)集，對(duì)此需要利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行管理[2]。

GIS依托這些基本功能，通過(guò)利用空間分析技術(shù)、模型分析技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)集成技術(shù)等，演繹出豐富多彩的系統(tǒng)應(yīng)用功能，滿足社會(huì)和用戶的廣泛需求。

2. GIS走進(jìn)高中地理課程

著名的地圖與信息系統(tǒng)專家陳述彭院士認(rèn)為，定性描述是地理學(xué)的第一代語(yǔ)言，地圖是地理學(xué)的第二代語(yǔ)言，地理信息系統(tǒng)是地理學(xué)的第三代語(yǔ)言。這也是廣大地理教師的共識(shí)，充分體現(xiàn)出GIS技術(shù)的重要性與價(jià)值所在[3]?！镀胀ǜ咧械乩碚n程標(biāo)準(zhǔn)》提出了地理課程的基本理念，其中之一是強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)在地理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用。在新一輪的地理課程改革中，地理信息系統(tǒng)成為地理選修模塊之一，作為新的重要的教學(xué)內(nèi)容。

2.1 GIS技術(shù)進(jìn)入高中地理的必要性

2.1.1 “GIS技術(shù)”是地理科學(xué)發(fā)展與社會(huì)信息化的重要內(nèi)容

當(dāng)今時(shí)代，信息技術(shù)飛速發(fā)展，地理信息技術(shù)對(duì)資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)進(jìn)步的巨大作用日益顯著。地理信息技術(shù)應(yīng)用的具體形式，大到地球村、數(shù)字國(guó)家，小到數(shù)字居民區(qū)、數(shù)字家庭。隨著工業(yè)化和信息化水平的進(jìn)一步發(fā)展，世界城市化成為文明進(jìn)步的標(biāo)志。城市帶來(lái)了富足、繁榮，也帶來(lái)人口擁擠、交通緊張、資源短缺、用地緊張等一系列城市問(wèn)題，這為地理信息技術(shù)提供了大顯身手的機(jī)會(huì)。世界各國(guó)的城市，尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和發(fā)展水平較高的城市，數(shù)字城市研究日益成熟，信息化管理成為熱門(mén)研究領(lǐng)域，利用地理信息技術(shù)進(jìn)行社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、基礎(chǔ)設(shè)施、交通通訊、城市規(guī)劃等數(shù)字管理，成為構(gòu)筑新世紀(jì)人類生存環(huán)境的新模式。

地理信息技術(shù)是“數(shù)字化地球”、“信息化地球”的基礎(chǔ)，信息化發(fā)展需要大量的具有地理信息技術(shù)基本素養(yǎng)的人才。從國(guó)家戰(zhàn)略的高度來(lái)講，基礎(chǔ)教育階段的地理信息技術(shù)素養(yǎng)教育很必要也很迫切。

地理信息技術(shù)作為地理科學(xué)發(fā)展的重要內(nèi)容，加之其在社會(huì)生產(chǎn)、生活中的廣泛應(yīng)用和價(jià)值，在高中階段，將其納入地理課程體系，意義重大。

2.1.2設(shè)置“地理信息技術(shù)應(yīng)用”模塊有利于培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)

信息科技時(shí)代，教育目的不應(yīng)僅是教給學(xué)生知識(shí)，更應(yīng)以學(xué)生的發(fā)展為根本，全面提高學(xué)生的素質(zhì)，使學(xué)生身心得到發(fā)展，發(fā)掘?qū)W生的外在和內(nèi)在潛力，促使他們得到全面發(fā)展。地理信息技術(shù)在信息社會(huì)有著舉足輕重的地位和作用，設(shè)置地理信息技術(shù)課程是普及地理信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的有效途徑。對(duì)學(xué)生進(jìn)行地理信息技術(shù)教育，可以培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和分析能力，提高學(xué)生的信息素養(yǎng)，符合《高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計(jì)理念，也是提高學(xué)生綜合素質(zhì)的基本途徑。

當(dāng)前，基礎(chǔ)教育強(qiáng)調(diào)全面的素質(zhì)教育，地理教育也應(yīng)如此。在對(duì)各種地理知識(shí)（信息）掌握的基礎(chǔ)上，地理教育重視學(xué)生能力的提高及地理思維方式的培養(yǎng)，要求學(xué)生既具備地理知識(shí)素質(zhì)，又具備地理能力素質(zhì)。要求學(xué)生運(yùn)用地理知識(shí)處理和解決地里問(wèn)題。要求學(xué)生主動(dòng)地吸收、掌握各種地理信息，并將信息分析、重組、應(yīng)用。

2.1.3“地理信息技術(shù)”是一種重要的教學(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《地理信息技術(shù)應(yīng)用》模塊重要的價(jià)值取向之一。地理信息技術(shù)教育對(duì)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(wèn)題的分析與處理能力的培養(yǎng)等具有不可替代的獨(dú)特功能[4]。

一方面，以GIS為例，GIS具有對(duì)地圖處理與操作的強(qiáng)大功能，地圖是地理教育的重要媒介，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(shí)際問(wèn)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)輸入、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。例如，利用GIS實(shí)現(xiàn)對(duì)地理事物的分布特征、分布規(guī)律的輔助教學(xué)，教師可以應(yīng)用GIS在空間上顯示符合某一條件的地理要素的特征，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)地理空間概念；利用GIS實(shí)現(xiàn)地理事物環(huán)境分析輔助教學(xué)，GIS技術(shù)可以確定某地理要素在一定范圍內(nèi)對(duì)于其他地理要素的分布；利用GIS實(shí)現(xiàn)地理事物變化趨勢(shì)的輔助教學(xué)，GIS能顯示地理事物在不同時(shí)段的地理信息的空間分布，能展示其各階段的特征，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)地理事物的發(fā)展過(guò)程；利用GIS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與地理直觀的輔助教學(xué)，GIS可以進(jìn)行數(shù)據(jù)排列顯示、專題地圖制作圖、地形圖、行政區(qū)劃圖、旅游規(guī)劃圖等；利用網(wǎng)絡(luò)GIS、多媒體GIS的輔助教學(xué)等[5]。

2.2高中地理信息系統(tǒng)課程教學(xué)案例

地理信息技術(shù)是一門(mén)新興的課程，開(kāi)設(shè)這門(mén)課程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的地理信息素養(yǎng)。

下面以GIS在道路選線中的應(yīng)用作為教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析。

傳統(tǒng)的道路選線方法是選線人員通過(guò)收集和分析線路區(qū)域內(nèi)有關(guān)設(shè)計(jì)資料，在大比例尺地形圖上選出幾個(gè)可能的路線方案。然后在紙上定線的基礎(chǔ)上，選線人員到實(shí)地勘測(cè)，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較確定一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)、合理的路線方案。它在很大程度上取決于選線人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此已不能滿足現(xiàn)代公路設(shè)計(jì)的需要。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及空間信息軟件平臺(tái)的不斷開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)人員不但能考慮傳統(tǒng)的選線因素，對(duì)于地質(zhì)、水文等空間屬性也能納入考慮范圍，這不管是從質(zhì)量上還是從效率上都得到了較大提高。目前常用的空間軟件有ArcInfo、MapInfo、Geo系列軟件、TITANGIS等。

2.2.1地理數(shù)據(jù)的采集和處理

根據(jù)道路的設(shè)計(jì)功能和設(shè)計(jì)要求，需要收集道路沿線所有的基礎(chǔ)資料，包括沿線各類比例尺地形圖、地質(zhì)圖、水文、氣象、交通流量等。具備了這些基本資料之后，利用GIS功能對(duì)各種資料進(jìn)行分類處理。

數(shù)字化資料包括地形圖、地質(zhì)圖、規(guī)劃設(shè)計(jì)圖、文字說(shuō)明等多種信息資源。圖形數(shù)字化過(guò)程中需要進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)掃描、糾正、跟蹤、附屬性、建立拓?fù)潢P(guān)系等步驟，最終形成各類數(shù)據(jù)文件。目前，常用的數(shù)據(jù)格式有：Tiff、Arc/InfoE00、Arc/InfoCoverage、MapInfo、DXF等。在地形圖進(jìn)行數(shù)字化的過(guò)程中，需對(duì)各類影響線路的空間要素進(jìn)行分層空間數(shù)據(jù)管理，為以后的空間分析做好準(zhǔn)備。沿線主要的空間數(shù)據(jù)層有：地形層、地質(zhì)圖層、城市層、鄉(xiāng)村層、植被層、沿線水系層、水利設(shè)施層、鐵路層等。對(duì)空間數(shù)據(jù)層的分類應(yīng)盡可能詳細(xì)，避免遺漏。同時(shí)，使用的資料應(yīng)為最新資料，保證空間數(shù)據(jù)的時(shí)效性及其準(zhǔn)確性。

2.2.2地理數(shù)據(jù)的空間分析

根據(jù)道路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求，利用GeoStar軟件對(duì)各類數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析是采用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行道路選線的核心。GeoStar軟件的空間分析功能主要有地形分析、緩沖分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析等，這能幫助設(shè)計(jì)人員宏觀地認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)區(qū)域。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，應(yīng)盡可能準(zhǔn)確規(guī)范，這對(duì)于以后建立數(shù)字地面模型DEM、地面正射影像圖DOM等數(shù)據(jù)具有重要作用。

2.2.3建立數(shù)字地面模型DEM

數(shù)字地面模型可為道路選線提供直觀圖形并可以與GIS的空間分析結(jié)果進(jìn)行疊加分析。同時(shí)可為今后的道路最佳路徑分析、縱橫斷面設(shè)計(jì)、填挖方量的計(jì)算提供快捷成果。

2.2.4疊加分析

利用GeoStar軟件，將矢量數(shù)據(jù)庫(kù)、影像數(shù)據(jù)庫(kù)和DEM數(shù)據(jù)庫(kù)三庫(kù)疊加，生成三維景觀再現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)疊加分析的結(jié)果里，確定道路控制點(diǎn)的樁號(hào)及線路的大致走向，接著根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和要求，在三維景觀里進(jìn)行路線設(shè)計(jì)，確定道路變坡點(diǎn)位置、交點(diǎn)位置、坡度、曲線半徑等要素，這樣設(shè)計(jì)人員能隨時(shí)根據(jù)地形來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，非常方便。

2.2.5線路的比選

根據(jù)要求一般設(shè)計(jì)兩到三條線路，然后利用GeoStar的空間分析功能進(jìn)行比選，考慮的因素主要有土地、水文、路線長(zhǎng)度、地質(zhì)條件、政治因素、經(jīng)濟(jì)狀況、氣象等。如，在設(shè)計(jì)中，道路應(yīng)盡量避免穿過(guò)農(nóng)田、森林，并且線路通過(guò)地段的地質(zhì)水文狀況應(yīng)滿足工程設(shè)計(jì)要求，以此作為選線條件。此時(shí)可以從空間數(shù)據(jù)層中分別提取鄉(xiāng)村層、植被層、地質(zhì)層、沿線水系層的相應(yīng)數(shù)據(jù)，將它們的數(shù)據(jù)繪以不同顏色的圖形，根據(jù)選線人員給定的選線條件和范圍分別與地形圖形拓?fù)浏B加，此時(shí)在計(jì)算機(jī)上就可以分別顯示出滿足要求的范圍。根據(jù)這些范圍，選線人員再進(jìn)行綜合修改，重新制定設(shè)計(jì)條件，在計(jì)算機(jī)上反復(fù)進(jìn)行疊加拓?fù)浞治霁@取最終結(jié)果。這種選線過(guò)程非常直觀明了，結(jié)果也可隨時(shí)以圖形、表格、數(shù)字的形式打印輸出[6]。

2.3高中開(kāi)設(shè)地理信息系統(tǒng)課程存在的困難

在當(dāng)今的高中地理教學(xué)中，開(kāi)設(shè)地理信息系統(tǒng)課程遇到了比較大的困難，學(xué)生的地理信息素養(yǎng)也普遍比較薄弱。

2.3.1教育觀念滯后

由于教育觀念滯后，即使是在教育較為先進(jìn)的地區(qū)，地理信息系統(tǒng)課程開(kāi)設(shè)仍困難重重。學(xué)校固守舊觀念，認(rèn)為培養(yǎng)信息素養(yǎng)對(duì)于學(xué)生高考分?jǐn)?shù)提高目前還沒(méi)有實(shí)質(zhì)性作用，往往以各種理由拒絕開(kāi)設(shè)地理信息類課程。

2.3.2經(jīng)濟(jì)支持不足

地理信息系統(tǒng)課程開(kāi)設(shè)需要一定物質(zhì)基礎(chǔ)作為保證，例如計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、配套的課程軟件等。經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的一些學(xué)校硬件、軟件設(shè)施都不齊全，尤其像GPS這種儀器市場(chǎng)價(jià)一般在2000元左右，作為教具幾乎是不可能購(gòu)買的，3S技術(shù)的培養(yǎng)成為“紙上談兵”。

2.3.3教師素質(zhì)有待提高

地理信息系統(tǒng)是一門(mén)新興的技術(shù)，因此，當(dāng)今高中里能夠熟練掌握信息技術(shù)的地理教師比較匱乏。此外，目前高師所開(kāi)設(shè)的地理信息系統(tǒng)課程，多數(shù)只是簡(jiǎn)單地移植綜合性大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)課程的基本內(nèi)容，而真正適合師范生實(shí)際操作應(yīng)用技能訓(xùn)練較少，并沒(méi)有培養(yǎng)出真正適應(yīng)高中地理教學(xué)的合格的地理教師。

因此，高校在培養(yǎng)地理教師的過(guò)程中應(yīng)重視師范生的地理信息技術(shù)學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，提高動(dòng)手操作能力。同時(shí)，各地教育部門(mén)應(yīng)完善教師的職后培訓(xùn)，為在職地理教師提供更多的進(jìn)修機(jī)會(huì)和渠道。各地教研部門(mén)要為地理教師提供學(xué)術(shù)和業(yè)務(wù)的支持，例如通過(guò)舉辦培訓(xùn)班，組織教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流，推動(dòng)校本教研，開(kāi)發(fā)課程資源等方式幫助地理教師開(kāi)展地理信息技術(shù)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的地理信息素養(yǎng)。

3.結(jié)語(yǔ)

鑒于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及GIS技術(shù)強(qiáng)大的功能，GIS將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。高中地理課程應(yīng)緊跟時(shí)代潮流，反映時(shí)代需求。GIS進(jìn)入高中地理課程是培養(yǎng)現(xiàn)代公民必備地理素養(yǎng)的必要舉措。盡管現(xiàn)在地理信息技術(shù)課程在高中的開(kāi)設(shè)仍遇到一些困難，但困難是暫時(shí)的，地理信息技術(shù)最終將順利進(jìn)入高中校園，成為一門(mén)培養(yǎng)學(xué)生基本地理信息素養(yǎng)的必要課程。

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