數(shù)字地球在自然地理教學(xué)中的應(yīng)用實踐與探討

朱長明

摘 要：針對自然地理教學(xué)過程中與球體相關(guān)的很多抽象概念不好表達(dá)與呈現(xiàn)，要求學(xué)生有很強(qiáng)的空間想象能力和對課堂知識點的難以接受問題。提出了數(shù)字地球支持下的地理教學(xué)應(yīng)用實踐探討研究。介紹了數(shù)字地球的由來和功能，指出了通過數(shù)字地球注重學(xué)生地理技能培養(yǎng)，有利于幫助學(xué)生構(gòu)建心中三維球體，最后以晨昏線和地方時等具體內(nèi)容為案例，在數(shù)字地球上實現(xiàn)光照圖的真實呈現(xiàn)與動態(tài)演示，說明如何在課堂教學(xué)實踐中，為學(xué)生營造地理教學(xué)研究過程仿真情境，加深學(xué)生對球體上抽象概念的認(rèn)識和理解，提高整體課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：地理教學(xué) 虛擬地球 教學(xué)模式 晨昏線

中圖分類號：G642；P90-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0118-02

在自然地理實踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，有很多和球體有關(guān)的抽象概念，單靠教師的講解，學(xué)生一下子難以理解和接受。尤其是三維球體加上地球運動這一部分內(nèi)容一直是教學(xué)過程中難點，最大的難處不是教師難教，而是學(xué)生必須要有很強(qiáng)的空間思維想象能力才能達(dá)到對抽象知識點的理解。隨著科技的進(jìn)步，空間信息技術(shù)取得了飛速發(fā)展，數(shù)字地球走進(jìn)了千家萬戶，改變了我們傳統(tǒng)的生活和出行方式，提高了我們對于客觀世界的認(rèn)識水平。其中最具有代表性的就是由美國Google公司開發(fā)的一款數(shù)字地球軟件（Google Earth）[1]。實現(xiàn)了對真實地球及其相關(guān)現(xiàn)象統(tǒng)一的數(shù)字化重現(xiàn)和認(rèn)識，最大限度地利用全球衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)資源，完成對地球三維多分辨率表示，使普通百姓能夠方便地獲得他們所想了解的有關(guān)地球的信息。數(shù)字地球憑借其三維立體的地球模擬功能，表達(dá)了大量無法用語言直接傳遞的空間信息，幫助每位學(xué)生構(gòu)建自己心中的地球和地圖，有效地提高教與學(xué)雙方的課堂興趣[2]。已經(jīng)成為美國基礎(chǔ)地理教育中新興的信息技術(shù)工作，并發(fā)揮了積極的作用[3]，國內(nèi)的中小學(xué)地理教學(xué)中也展開了積極探索[4-7]。

1 數(shù)字地球從構(gòu)想到現(xiàn)實

數(shù)字地球最早是美國副總統(tǒng)戈爾于1998年1月在加利福尼亞科學(xué)中心的題為“數(shù)字地球：認(rèn)識21世紀(jì)我們所居住的星球”演說時提出的。他將數(shù)字地球看成是對地球的三維多分辨率表示，能夠放入大量的地理數(shù)據(jù)——“我們需要一個‘?dāng)?shù)字地球，即一種可以嵌入海量地理數(shù)據(jù)的、多分辨率的和三維的地球的表示，可以在其上添加許多與我們所處的星球有關(guān)的數(shù)據(jù)”[8]。直到2004年，Google公司宣布收購了Keyhole公司，并于2005年推出了Google Earth軟件，提供在線地圖檢索服務(wù)[9]。Google Earth以三維地球的形式把大量的不同分辨率的衛(wèi)星影像，航拍影像和3D街景圖像組織在一起。使用該軟件，使用戶可從一個全新的角度來觀看地球。通過鼠標(biāo)控制可以看到世界各地不同類型的地物景觀，大到鳥瞰海陸山川地貌的分布，小到走進(jìn)城市樹木三維街道都可以一覽無余，同時還提供了與地理相關(guān)的大量的信息，全球第一款商業(yè)數(shù)字地球模型的成功問世。

隨著Google earth的不斷升級，其功能越來越豐富，已經(jīng)建立了從陸地到海洋，從地球到太空的空間信息結(jié)構(gòu)，例如：Google Moon，Google Mar，內(nèi)容涵蓋了天文、氣象、地質(zhì)、水文、地貌、環(huán)境等地理知識。主要功能包括：（1）多視角瀏覽全球地理信息：結(jié)合衛(wèi)星圖片與地圖，以及強(qiáng)大的Google搜索技術(shù)，多視角瀏覽全球地理信息；（2）強(qiáng)大的地點搜索功能：通過目的地輸入，直接放大；（3）顯示三維地形和建筑物：瀏覽視角支持傾斜或旋轉(zhuǎn)；（4）顯示經(jīng)緯網(wǎng)（Grid）：本初子午線、南北回歸線、北南極圈都是以加粗加亮的方式突出顯示的；（5）定制飛行路線，模擬飛行場景，可以從一個地點飛往另一個地點；（6）瀏覽星空圖，觀看月相變化及各個星座；（7）搜索公共服務(wù)設(shè)施：學(xué)校，餐館，酒店等便民服務(wù)；（8）輔助功能：添加注釋、量距、兼容GPS、駕車導(dǎo)航等。這些功能在自然地理教學(xué)中均有重要的應(yīng)用價值，有效地客服了地理教育中應(yīng)用GIS軟件的弱點。

2 數(shù)字地球?qū)Φ乩斫逃囊饬x

美國《國家地理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出了重點培養(yǎng)學(xué)生的五項技能，即：提出地理問題，收集地理信息，整理地理信息，分析地理信息和回答地理問題[10]。這五項技能涉及到了空間現(xiàn)象、空間數(shù)據(jù)、空間分析、空間信息和空間知識，確立了完整的地理空間教育基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生動手能力和技能的培養(yǎng)。數(shù)字地球通過三維球體模型，采用并將本地搜索功能和衛(wèi)星圖像綜合管理起來。用戶可以調(diào)整視角、隨意地翻轉(zhuǎn)這個球體，通過放大、縮小、漫游操作，學(xué)生從任意角度去觀察地球。可以是太空60000多公里的高度，也可以身臨其境的三維街景圖，從山脈河流到街道建筑物，這種無極縮放，真正實現(xiàn)了從太空漫游到鄰家一瞥。通過“飛越”到地球上任意地點，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，把很多難以描述的自然現(xiàn)象展現(xiàn)在學(xué)生的面前，建立地理空間概念，樹立地理思維，可全面培養(yǎng)學(xué)生的讀圖能力，空間想象能力，觀察與分析能力，形成地理核心技能。這些是數(shù)字地球在地理教育過程的獨特而普世的價值。

3 數(shù)字地球輔助構(gòu)建三維球體

跟地球球體有關(guān)的概念之所以抽象和難以理解，究其根本原因是學(xué)生心中沒有這個三維球體，也不明白到底如何運動。所以球體加運動，一看到就類似的知識點就覺得難，不可理解。因此，通過改進(jìn)地理教學(xué)，幫助學(xué)生構(gòu)建心中的地球模型是解決這些問題的關(guān)鍵。數(shù)字地球為我們在地理教學(xué)中提供了巨大的便利，幫助學(xué)生建立心中球體模型的重要途徑。啟動Google Earth，添加經(jīng)緯網(wǎng)，回歸線，北極圈，子午線等三位球體上抽象而虛擬的格網(wǎng)（見圖1），在三維數(shù)字球體上可以清楚地看到這些縱橫交錯的弧線。轉(zhuǎn)動球體，讓學(xué)生去觀察這些線條，并通過具體的案例進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，幫助每位學(xué)生構(gòu)建自己心中的三維地球體（意象地圖）。

轉(zhuǎn)動虛擬地球，讓學(xué)生自己去觀看其轉(zhuǎn)動規(guī)律。打開Google Earth，將地球調(diào)整到合適的大小，并且將赤道置于中間位置，使Google Earth大致以地軸為中心轉(zhuǎn)動起來，用鍵盤上的方向鍵來控制轉(zhuǎn)動，其中右方向鍵控制地球自西向東轉(zhuǎn)動。引導(dǎo)學(xué)生觀察地球的自轉(zhuǎn)方向。對于經(jīng)常遇到的問題俯視北極或者仰視南極地球的轉(zhuǎn)動問題，我們可以進(jìn)一步調(diào)整地球觀看角度，將數(shù)字地球的北極或者南極調(diào)整為中心，然后通過Google Earth的左右方向控制按鈕，演示地球從北極或者南極上空觀察的自轉(zhuǎn)狀況。這個效果遠(yuǎn)比去告訴學(xué)生，從北極看地球呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)，從南極看地球呈現(xiàn)逆時針旋轉(zhuǎn)效果好得多。

4 應(yīng)用案例分析

經(jīng)常遇到的問題是，一架飛機(jī)從A地飛往B地，航程是X小時，請問到達(dá)B地的地方時間？很多學(xué)生難以理解。其實本質(zhì)上這就是一個地方時問題。要徹底弄清楚這個問題，必須將地球自轉(zhuǎn)，晨昏線和地方時一起聯(lián)系起來思考。虛擬地球（Google earth）通過晨昏線的動態(tài)模擬，恰到好處地為學(xué)生展示了這一抽象的自然現(xiàn)象。打開Google earth，點擊工具欄中顯示陽光在地面的移動軌跡功能（圖2）。通過設(shè)置時間滑塊，可以顯示不同日期內(nèi)不同時間點陽光在地面的移動軌跡，也就是可以看到晝半球、夜半球和晨昏線。拖動地球使之自轉(zhuǎn)，則可以看到同一時刻地球不同地區(qū)的晝夜?fàn)顩r，增加學(xué)生對晝夜之分和晝夜交替的認(rèn)識。同時，使用時間滑塊，設(shè)置向左自動播放，可以看到晨昏線自東向西移動（動態(tài)模擬）。

圖3顯示了12月22日晨昏線在地面的移動軌跡。圖3a為早晨北京時間6：52晨昏線的位置，圖3b北京時間7：52晨昏線的位置，圖3c北京時間8：52晨昏線的位置，圖3d北京時間9：52晨昏線的位置，圖3e北京時間10：52晨昏線的位置，圖3f北京時間11：52晨昏線的位置。通過這樣的一個動態(tài)過程演示，學(xué)生對晨昏線必然有了更加清楚的認(rèn)識。

有了對晨昏線的清楚認(rèn)識，理解地方時以及對地方時的推算，將有很大的幫助。地方時以太陽作為參照物確定，某地的太陽高度角達(dá)到一天中的最大值時，當(dāng)?shù)氐牡胤綍r為12點，與12點相對的地方時為0點。將連續(xù)兩個正午12時之間等分為24個小時，所成的時間系統(tǒng)，稱為地方時。這樣，同一條經(jīng)線上的地方時相同，不同經(jīng)線的地方時不同，越往東時刻越早，即東早西晚，每隔15度，相差1 h。通過數(shù)字地球的光照系統(tǒng)，同樣可以將太陽上中天情形展現(xiàn)出來，讓學(xué)生有著更為直觀的認(rèn)識。

5 結(jié)論

實踐教學(xué)模式創(chuàng)新是教師提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要途徑。數(shù)字地球最大的特點是基于位置服務(wù)（LBS：Locating Based Service），具有顯著的地理特色；它第一次將地球以三維球體形式真實地展現(xiàn)在用戶面前，帶給了人們對自己生活的地球空間更為感性的認(rèn)識，有利于學(xué)生建立地理空間概念，培養(yǎng)地理思維。并可以將一些抽象的地理理論知識表達(dá)并呈現(xiàn)出來，帶給學(xué)生更多的視覺感知，在地理教學(xué)中具有重要的應(yīng)用價值。文中僅僅以課堂教學(xué)中與球體相關(guān)的幾個抽象概念，在三維球體上的呈現(xiàn)與展示進(jìn)行了簡單的探索研究。隨著Google Earth本身的進(jìn)一步完善，數(shù)字地球?qū)肀貙⒊蔀檩o助自然地理教學(xué)的一件利器，需要我們教師不斷地改進(jìn)實踐教學(xué)模式，挖掘其在地理教學(xué)中的應(yīng)用價值，整合地理教學(xué)，激發(fā)學(xué)生興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] Google Earth and XML：Advanced Visualization and Publishing of Geographic Information[M].er Berlin Heidelberg，2008（2）：143-153.

[2] 范文娟.身未動心已遠(yuǎn)—— Google Earth在地理教學(xué)中大顯身手[J].地理教育，2008（1）.

[3] 韓金榮，袁孝亭.Google Earth在美國地理教育中的應(yīng)用及啟示[J].中國電化教育，2009（3）：78-80.

[4] 胡久龍.信息技術(shù)環(huán)境下的地理教學(xué)改革實踐—— Google Earth在初中地理教學(xué)中的應(yīng)用為例[J].教育導(dǎo)刊，2011（7）：79-81

[5] 曾君艷.發(fā)揮Google Earth在中學(xué)地理教學(xué)中的獨特作用[J].中國教育信息化，2007（10）：39-40.

[6] 榮先海，雷體南.Google Earth在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國教育信息化，2007（18）：9-11.

[7] 林海萍.Google Earth在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)財富，2008（13）：59-60.

[8] 承繼成，郭華東，薛勇.數(shù)字地球?qū)д揫M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[9] 郭潔，銀屏，范超群.Google Earth在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].教育改革，2012（1）：28-29

[10] 聶影，張超.美國地理國家標(biāo)準(zhǔn)—— 《生活化的地理學(xué)》評介[J].中學(xué)地理教學(xué)參考，2000（Z2）：7-8.