GIS在高中生地理實(shí)踐力培養(yǎng)中的運(yùn)用

汪 玲 唐 榕 蔣良群 舒成強(qiáng)

（西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院 四川南充 637009）

一、關(guān)于地理實(shí)踐力與GlS

《地理教育國際憲章》（1992年）[1]明確指出：地理教育為今日和未來世界培養(yǎng)活躍而又負(fù)責(zé)任的公民，幫助他們終身欣賞和認(rèn)識這個世界，積極面對并有能力解決人類面臨的生態(tài)破壞和環(huán)境污染的種種環(huán)境問題?？梢姡乩韺?shí)踐力的培養(yǎng)受到了高度的重視。地理實(shí)踐力是學(xué)生在運(yùn)用地圖工具、地理模擬實(shí)驗(yàn)和演示、地理觀察和測量、地理野外考察和社會調(diào)查等活動中所展示出的實(shí)踐能力和品質(zhì)。能夠與他人合作設(shè)計(jì)出實(shí)踐活動方案并選擇合適的地理工具是其培養(yǎng)目標(biāo)之一[2]。傳統(tǒng)的地理工具有很多，如地理圖表、模型等，而當(dāng)下更提倡使用地理信息技術(shù)。地理信息技術(shù)為地理實(shí)踐活動的開展提供了有力的支持。利用地理信息技術(shù)可以科學(xué)、高效、便捷地輔助信息解讀和應(yīng)用。因此，選擇合適的地理信息技術(shù)，分析、判斷地理問題，尋找解決方案，正逐漸成為數(shù)字時代必備的一種能力。GIS是地理信息技術(shù)的一種，其作為一門綜合性學(xué)科，整合了地理、地圖學(xué)、遙感科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科，是一種采集、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的技術(shù)工具[3]。地理教學(xué)中使用GIS技術(shù)，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)等具有傳統(tǒng)教學(xué)達(dá)不到的效果。

二、GlS在培養(yǎng)學(xué)生地理實(shí)踐力中的運(yùn)用

作為一個獨(dú)立模塊，城鄉(xiāng)規(guī)劃是高中地理選修課的一部分，包括城市系統(tǒng)規(guī)劃、城市規(guī)劃、城鎮(zhèn)規(guī)劃、鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃和村莊規(guī)劃。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市建筑數(shù)量日益增多，建筑密度日益增大。城市規(guī)劃部門在衡量已有建筑是否符合規(guī)劃要求的同時，還要對未來城市建造提供方案。我們應(yīng)用GIS空間分析方法可在大量城市建筑數(shù)據(jù)的支持下找出不符合日照規(guī)范的建筑，為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。因此，本文以運(yùn)用GIS分析城市建筑日照為例，設(shè)計(jì)了一個實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過有步驟、有目的的操作演示，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生的地理實(shí)踐力，提升其地理核心素養(yǎng)。

（一）導(dǎo)入

教師活動：打開Arcmap軟件為學(xué)生做展示（如圖1），并解釋說明圖中深色塊狀部分為某城市不符合日照規(guī)范的建筑。

圖1 某城市不符合日照規(guī)范的建筑（深色塊狀部分）

學(xué)生活動：觀察圖片。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生接觸新事物后充滿好奇心，可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)動機(jī)，提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

過渡

教師活動：在為學(xué)生做展示后，提出本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)是讓學(xué)生自己動手操作軟件，找出不符合日照規(guī)范的建筑物。在學(xué)生動手操作實(shí)驗(yàn)之前，教師可帶領(lǐng)學(xué)生熟悉該軟件的基本操作工具，了解該實(shí)驗(yàn)的基本原理。

學(xué)生活動：熟悉實(shí)驗(yàn)操作工具，在教師的幫助下了解該實(shí)驗(yàn)的基本原理，即日常生活中的晝夜之分和四季之分這些自然現(xiàn)象說明太陽和地球是有一定運(yùn)動規(guī)律的。這些運(yùn)動規(guī)律就是影響建筑日照的外部因素。學(xué)生要依據(jù)太陽和地球的運(yùn)動規(guī)律和原理，由建筑物所在的地點(diǎn)、節(jié)氣、時間，確定緯度、赤緯、時差、時角等參數(shù)，用公式來計(jì)算太陽的位置，獲得太陽高度角、太陽方位角等數(shù)值，再用這些數(shù)值去解決有關(guān)建筑日照的問題。

設(shè)計(jì)意圖：為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開展打基礎(chǔ)。

（二）實(shí)驗(yàn)的基本思路及步驟

教師活動：展示實(shí)驗(yàn)思路，說明實(shí)驗(yàn)步驟。

1.計(jì)算容積率

容積率=建筑面積/用地面積

2.找出不符合規(guī)范的建筑物

（1）矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)。

（2）使用以下公式算出三個時間點(diǎn)的太陽高度角及方位角。太陽赤緯計(jì)算公式為：

其中b為日角，b=2*π*(N-1)/365，單位為弧度；N為日數(shù)，自每年1月1日開始計(jì)算；

時角t=(s+f/60-12)*15，其中s為時，f為分。

太陽高度角計(jì)算公式為：

其中，θ是該地區(qū)緯度，為32°。

太陽方位角計(jì)算公式為：

（3）提取三個時刻建筑背光剖面和高度數(shù)據(jù)。

（4）用建筑物背光面高度數(shù)據(jù)生成山體陰影。

（5）用柵格計(jì)算器提取三個時刻的陰影柵格，將其累加成一個圖層后進(jìn)行重分類。

（6）柵格轉(zhuǎn)面，基于矢量包含關(guān)系判斷建筑物與陰影之間的遮擋關(guān)系。

（7）查詢不符合規(guī)范的建筑。

學(xué)生活動：在熟悉軟件的基礎(chǔ)上，認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)操作步驟。

設(shè)計(jì)意圖：Arcmap軟件對于學(xué)生來講很少接觸，提前熟悉操作步驟可降低實(shí)驗(yàn)難度，幫助學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)。

（三）小組分工開展實(shí)驗(yàn)

教師活動：將學(xué)生分成幾個小組，每小組交流討論后，每小組組長依次上臺展示操作步驟。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和動手實(shí)踐能力，讓學(xué)生依次上臺演示，方便教師指導(dǎo)，解決疑難。

（四）補(bǔ)充總結(jié)

我國建筑日照標(biāo)準(zhǔn)有如下規(guī)定：建筑物的底層要至少滿足在冬至那天的12∶00～14∶00能接受到太陽照射。判斷建筑物是否滿足日照標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)建筑物的背光面高度數(shù)據(jù)提取12∶00～14∶00這一時間段內(nèi)的山體陰影，再與建筑物進(jìn)行疊加分析。為了簡便，我們只選擇三個時刻（即12∶00、13∶00 和14∶00）的日照情況，近似模擬這段時間的陰影范圍。若在這三個時刻都沒有遮擋，則建筑間距滿足日照要求。之后，我們再通過分析陰影與建筑的疊加關(guān)系，找出不符合日照標(biāo)準(zhǔn)的建筑。操作結(jié)果如圖2～圖4。

圖2 12∶00的陰影數(shù)據(jù)

圖3 13∶00的陰影數(shù)據(jù)

三、結(jié)束語

地理教師在課堂上主要使用地球儀、多媒體、板書等傳統(tǒng)的教學(xué)工具，但卻存在著演示內(nèi)容不夠全面等一些問題。GIS具有傳統(tǒng)地理工具不具備的一些特點(diǎn)，如直觀性，可操作性、交互性。我們將其運(yùn)用于地理課堂，除了能豐富課堂，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的許多不足之處，還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，并培養(yǎng)學(xué)生的地理實(shí)踐能力。在教學(xué)中，我們需要客觀看待現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢與弊端，將其與傳統(tǒng)教學(xué)方法結(jié)合起來。這樣才能更好地提升地理教學(xué)的質(zhì)量與效率[4]。

GIS工具的使用具有很強(qiáng)的專業(yè)性，數(shù)據(jù)獲取較為麻煩，且工具冗雜。對于未接觸過GIS的教師來說，他們要在地理教學(xué)中熟練運(yùn)用這項(xiàng)技能還存在一定的困難。因此，為了更好地發(fā)揮該技術(shù)對課堂教學(xué)的輔助作用，地理教師應(yīng)多學(xué)習(xí)軟件的操作，并多與地理信息技術(shù)人才交流合作，逐漸提高自己的技術(shù)操作水平。