基于GIS技術(shù)的“綜合自然地理學”教學探討

王艷霞　吳利華　周汝良

[摘 要] “綜合自然地理學”教學存在過于注重文字知識、缺乏圖件資料、課程實踐較為困難的問題。以渉地理本科專業(yè)的培養(yǎng)需求為指向，充分利用現(xiàn)代空間信息技術(shù)的優(yōu)勢，從教學內(nèi)容具體化、教學方法多樣化、教學實踐虛擬化等方面探討基于GIS技術(shù)的“綜合自然地理學”教學。交叉引入GIS數(shù)據(jù)庫管理、空間分析、空間建模、空間模擬及預測等技術(shù)，通過構(gòu)建GIS數(shù)據(jù)庫、GIS輔助專題圖集、虛擬自然地理場景及制定典型理論知識的GIS教學實踐方案等，改變宏觀尺度上綜合性知識教師難講授、學生難掌握的現(xiàn)狀，對培養(yǎng)新時代地理類人才具有重要意義。

[關(guān)鍵詞] “綜合自然地理學”;GIS;課程教學;空間信息;虛擬自然地理場景

[作者簡介] 王艷霞（1982—），女，山東萊蕪人，博士，西南林業(yè)大學地理與生態(tài)旅游學院講師，主要從事數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)研建研究;周汝良（1963—），男，云南祥云人，碩士，西南林業(yè)大學地理與生態(tài)旅游學院教授（通信作者），主要從事山地生態(tài)災害監(jiān)測與預警研究。

[中圖分類號] G642.3? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）12-0161-04? ? [收稿日期] 2020-10-09

一、引言

“綜合自然地理學”是地理科學專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，是以自然地理學為基礎，利用綜合的理論與方法、綜合的研究實踐，解決綜合性的復雜問題[1-3]。該學科涉及的理論知識與技術(shù)方法具有較強的整體性、多尺度性、復雜性及交叉性。傳統(tǒng)的教學手段和方法因教學內(nèi)容的抽象性，導致教師在準確描述地理綜合規(guī)律時較為困難，難以達到教學效果，而學生也存在較難理解的問題，以致學習效果差[4]。充分利用現(xiàn)代空間信息技術(shù)的優(yōu)勢，順應綜合自然地理學教與學的特點，探討綜合自然地理學教學，對改變宏觀尺度上綜合性知識難講授、難掌握的現(xiàn)狀，達到預期教學目標，培養(yǎng)新時代地理類人才具有重要的意義[5]。

由于傳統(tǒng)研究手段的限制，導致宏觀尺度的地學研究在獲取科研數(shù)據(jù)和成果形式方面存在較大的局限性，從而使理論內(nèi)容的抽象程度和展示形式難以被學生理解掌握。綜合自然地理學教材普遍存在用大篇幅的文字性內(nèi)容闡述難點、重點理論的問題，輔助學生理解的插圖較少。在現(xiàn)代空間信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，僅有的插圖多來源于傳統(tǒng)經(jīng)典研究成果，滯后于地理信息科學、地理科學、自然地理學等本科專業(yè)學生的專業(yè)認知，導致學生在室內(nèi)對專業(yè)知識進行實踐理解時較為困難。為提高綜合自然地理學的教學效果，常見改革措施是使用中國自然地理圖集、自備教學掛圖、課堂板圖及地理景觀照片等圖件資料[6]，但這僅是一定程度上改變教學手段，未對課程教學內(nèi)容進行實質(zhì)性的改革，學生仍知其然，不知其所以然，即對地理現(xiàn)象產(chǎn)生的機理和過程存在認識上的模糊。

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）技術(shù)，作為一種信息化、數(shù)字化的核心空間信息技術(shù)之一，已從資源管理、環(huán)境規(guī)劃擴展至應急反應、國民經(jīng)濟規(guī)劃等領(lǐng)域，向著集成化、產(chǎn)業(yè)化和社會化方向邁進[7]。GIS技術(shù)以整個或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)為研究對象，具有強大的空間數(shù)據(jù)存儲、顯示、管理、分析、建模、模擬等能力。GIS學科和綜合自然地理學的研究對象具有一致性，學科交叉意義較明顯?；贕IS技術(shù)的綜合自然地理學教學可用可視化良好的數(shù)據(jù)視圖和虛擬地理場景降低課程內(nèi)容的抽象性;用區(qū)域尺度的空間模擬及預測建立地理現(xiàn)象過去、現(xiàn)在及未來發(fā)生發(fā)展的過程，彌補難以開展的野外實習之不足;用高效的空間數(shù)據(jù)庫管理能力建設綜合自然地理學教學資源庫，使優(yōu)質(zhì)教學資源可共建共享，為不同老師、不同學生創(chuàng)造規(guī)范化的教學、學習環(huán)境。通過發(fā)揮GIS技術(shù)解決綜合問題的優(yōu)勢，降低綜合自然地理學的教學難度和學生對綜合性地理規(guī)律的理解難度，進而提高學生學習的興趣，達到教學的預期效果。

我國學者一直在探討“綜合自然地理學”的課程教學改革實踐，從教學內(nèi)容、教學方法、實踐教學等方法，提出了課程教學改革的舉措，對綜合自然地理學教學起到了重要的指導作用，表明將現(xiàn)代新技術(shù)或?qū)W科交叉成果用于改革課程教學，是綜合自然地理學教學改革的一大方向[8-10 ]。利用現(xiàn)代GIS學科的理論和技術(shù)方法，深化綜合自然地理學教學內(nèi)容，創(chuàng)新教學手段和實踐內(nèi)容，使學生在有限的學時內(nèi)掌握地域分異、自然區(qū)劃和分區(qū)評價、土地類型劃分、土地利用與土地覆蓋變化分析等方面的知識，并懂得如何綜合運用專業(yè)知識開展實踐操作，對培養(yǎng)掌握GIS技術(shù)的地理專業(yè)人才，或者具有綜合自然地理學專業(yè)知識的GIS人才具有重要的意義。

二、總體指導思想

以改善“綜合自然地理學”現(xiàn)行教材過于注重文字知識、缺乏圖件資料、課程實踐內(nèi)容欠缺的現(xiàn)狀為目標，以渉地理行業(yè)的本科生培養(yǎng)需求為指向，通過對綜合自然地理學教材的整體分析和具體分析，引入GIS學科中已成熟的技術(shù)和方法，闡釋綜合自然地理多尺度抽象理論。通過構(gòu)建GIS數(shù)據(jù)庫、GIS輔助專題圖集、虛擬自然地理場景及配套GIS教學技術(shù)實踐，更新教學內(nèi)容、教學方法和實踐內(nèi)容。針對典型重點內(nèi)容提出基于GIS技術(shù)的案例分析方案，設計基于GIS技術(shù)的實踐課程。通過GIS技術(shù)輔助教學過程，降低學科理論知識的抽象性，增加學生學習的積極性，降低教師教授的難度，培養(yǎng)符合新時代需求的創(chuàng)新型高技能綜合人才。

三、教學內(nèi)容的具體化

“綜合自然地理學”的課程教學內(nèi)容具有理論性強且十分龐雜的特點，涉及的知識面十分廣泛。課程教學存在理論教學比重大、不易理解和掌握、教學內(nèi)容陳舊、課程講授的深度和廣度受限等問題[ 11 ]。針對這些問題，學者們根據(jù)培養(yǎng)學生的目標要求和所在學校制定的專業(yè)培養(yǎng)計劃，有重點、有取舍的將教材中的內(nèi)容教授給學生，并注重及時更新教學內(nèi)容，有選擇地將新觀點、新數(shù)據(jù)納入新的教學內(nèi)容中，反映學科最新進展[ 12，13 ]。有學者結(jié)合自己的科研項目，系統(tǒng)講解部分內(nèi)容，通過理論和實踐相結(jié)合，使學生加深了相關(guān)理論的理解，提高了學習的積極性[ 14 ]。可見，依據(jù)地理類本科生培養(yǎng)計劃，將GIS技術(shù)與地理學、自然地理學、綜合自然地理學進行交叉應用，更新課程內(nèi)容，符合綜合自然地理學教學改革的發(fā)展方向。

基于GIS技術(shù)手段，可實現(xiàn)自然地理環(huán)境因子時空連續(xù)化、精細化的空間模擬與預測，該模擬與預測結(jié)果可在可視化良好、易于理解的立體場景中展示，便于學生掌握從宏觀到微觀的自然地理規(guī)律?；贕IS技術(shù)將教學內(nèi)容具體化表現(xiàn)在以下幾個方面：在自然地理環(huán)境整體性理論闡述時，基于GIS技術(shù)手段模擬太陽總輻射場并疊加地形地貌場景，向?qū)W生闡釋太陽總輻射的空間分布格局特點;使用空間連續(xù)化分布的太陽輻射模擬場，根據(jù)地表熱量帶識別模型，建立精細化的地表熱量帶分布場，向?qū)W生闡釋地表熱量帶空間分布格局特征;改進現(xiàn)有自然帶的制圖方式，在虛擬自然地理場景中向?qū)W生展示更加符合自然地理分布規(guī)律的自然帶;在自然地理環(huán)境的地域分異理論講授中，使用以像元為單位的空間連續(xù)化的氣溫場、積溫場、相對濕度場及基于GIS空間模擬技術(shù)的土壤分類制圖、基于GIS地學建模的地形地貌模擬結(jié)果等，向?qū)W生展示出較為直觀的不同尺度下的緯度地帶性、非地帶性分異規(guī)律;建立植被垂直分帶語義識別模型，建立植被垂直分布場，形成講授植被垂直分布的教學內(nèi)容;在自然區(qū)劃理論內(nèi)容中，教授學生用自然地理空間數(shù)據(jù)為科學支撐制定區(qū)劃方案的理論與方法;將基于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的山地地形地貌場和基于遙感和GIS技術(shù)的山地氣候?qū)W研究結(jié)果引入，教授學生開展山地自然區(qū)劃;在土地變化理論中，將近年來利用遙感影像開展的多年土地利用監(jiān)測與評價項目實施過程與項目成果融入課程教學內(nèi)容中，教授學生土地、土地分類、土地評價、土地利用變化監(jiān)測及驅(qū)動力研究等方面的概念及其階段結(jié)果中蘊含的不同時空尺度上的理論知識。

四、教學方法的多樣化

教學方法的選擇對學生的學習效果有很大的影響。針對學生學習綜合自然地理學課程積極性不高的問題，學者們提出引導式教學、講授與課堂討論的有機結(jié)合、引導學生開展自主學習、適當運用多媒體教學手段、挖掘利用網(wǎng)絡資源等手段，充分調(diào)動學生課內(nèi)外的積極性[ 12 ]。由于教學方法受特定課程內(nèi)容制約并指向教學目標，因此，新技術(shù)推動下產(chǎn)生的新形式的教學內(nèi)容，需要老師因材施教，針對具體的內(nèi)容設計多樣化的教學方法。

基于GIS技術(shù)改進綜合自然地理學教學方法具體表現(xiàn)為以下幾個方面：利用各類GIS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務，下載GIS、遙感等背景數(shù)據(jù);使用較為成熟的遙感反演算法、GIS同化算法等，構(gòu)建GIS背景數(shù)據(jù)庫，包括氣候、地形地貌、基礎地理信息、人為干擾及遙感數(shù)據(jù)集;GIS專題圖構(gòu)建使用GIS空間分析、建模、統(tǒng)計等技術(shù)方法;使用GIS空間模擬技術(shù)方法，將氣候、地形、植被等要素柵格化，例如：將年平均溫度等值線圖替換為空間連續(xù)分布的年平均溫度基線模擬場;以氣溫為例，使用時空替換方法，建立海拔、緯度、經(jīng)度、山體效應等單因素影響下的溫度場，以闡述緯度地帶性分異規(guī)律、經(jīng)度地帶性分異規(guī)律、非地帶性分異規(guī)律等;使用多期遙感影像解譯和GIS數(shù)據(jù)分析與制圖技術(shù)，開展土地利用變化監(jiān)測教學;選取典型重點內(nèi)容，分別設計GIS案例分析方案，形成專題技術(shù)路線，如基于太陽輻射場的熱力分帶、基于氣溫場的熱量分帶、基于遙感和GIS的自然區(qū)劃案例、基于GIS數(shù)據(jù)同化的垂直分布帶模擬、基于垂直帶譜建立植被類型的生態(tài)分布概率模型，并在未來氣候變暖背景下模擬該植被類型的分布及其變化情況等等。

五、課程實踐的虛擬化

實踐教學對于幫助和加深學生對理論的理解和掌握具有十分重要的作用。由于綜合自然地理學涉及地域分異規(guī)律理論、區(qū)劃理論、土地科學理論、人地關(guān)系理論等，不可能讓學生實地進行實踐觀察，學者們往往根據(jù)所在團隊相關(guān)科研成果，以案例教學的形式，加深學生對相關(guān)理論知識的理解，同時培養(yǎng)學生科研思維[ 13 ]。然而，因教師不同、教學內(nèi)容不同，這種實踐教學內(nèi)容不符合規(guī)范教學理念。有學者提出加強實踐環(huán)節(jié)，狠抓基地建設，但基地的實踐僅能幫助學生掌握區(qū)域理論與知識，且基地的建設耗時耗力，困難重重[ 15 ]?；贕IS的虛擬地理場景模擬技術(shù)，可根據(jù)確定的教學內(nèi)容建立三維或者二維半地表景觀虛擬場景，構(gòu)建可共享的課程實踐數(shù)據(jù)庫，設計可通用課程實踐方案，配以統(tǒng)一的實踐指導書，從而實現(xiàn)課程實踐方面的改革。

實踐方案制定時，應遵循“突出重點、抓典型”的原則，選取典型、重點內(nèi)容，設計虛擬模擬的場景及構(gòu)建通用數(shù)據(jù)庫。以自然地理的地域分異為例，實踐方案可基于遙感和GIS技術(shù)反演、同化技術(shù)構(gòu)建時空連續(xù)化分布的氣象因子場，建立氣象因子專題數(shù)據(jù)庫，然后與地形地貌疊加顯示為立體效果的氣象分布場景，進而設計地帶性、非地帶性地理規(guī)律的實踐操作內(nèi)容，包括精細化的氣候分帶、典型地區(qū)植被垂直分布制圖、自然地理區(qū)劃等。學生在可視化良好的虛擬場景中可了解或掌握地帶性及非地帶性理論，同時又能回顧GIS空間分析中的空間建模、空間預測、空間制圖等方面的技術(shù)方法。又如綜合性知識的實習，可選取某個自然保護區(qū)作為實踐應用區(qū)域，建立該自然保護區(qū)背景數(shù)據(jù)庫，結(jié)合GIS信息數(shù)據(jù)、遙感影像、已有圖件資料，設計其遙感調(diào)查實踐方案及多年保護成效評估實踐方案。學生在加深對自然資源保護、景觀結(jié)構(gòu)分析、生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測、土地利用及變化監(jiān)測、人地關(guān)系等方面的綜合理解時，同時學習或回顧基于遙感和GIS的數(shù)據(jù)獲取、處理、變化監(jiān)測、評估等方面的技術(shù)方法。

六、結(jié)語

GIS技術(shù)已交叉應用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、國土、生態(tài)、生物多樣性等行業(yè)領(lǐng)域中，并推動了這些行業(yè)向數(shù)字化、精準化、時空化方向不斷發(fā)展，對本科生充分了解和把握綜合自然地理學的理論并利用理論開展生產(chǎn)實踐活動提出了更高的要求?；诂F(xiàn)代GIS技術(shù)的綜合自然地理學改革，充分考慮學生自身特點及其學科特點等多種因素，既衡量了學生學習的難度及可理解程度，又考慮了改革內(nèi)容和相應教學方法、實踐課程的有用性和啟迪性，還兼顧了學科的前沿性和實用性。不管是課程內(nèi)容、教學方法，還是課程實踐，其改革內(nèi)容最終確定和推廣應用，需要選取一定量的本科生和任課老師為試用人員，根據(jù)反饋意見對方案進行修改和完善，使課程教學具有更高的合理性和可行性。通過多期試驗和不斷完善，基于GIS技術(shù)的綜合自然地理學改革在教學內(nèi)容、教學方法及教學實踐三大教學環(huán)節(jié)定會尋求到一種師生均樂于接受的平衡狀態(tài)，課程教學取得預期效果。

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Abstract： Under the background of the new era， there are some problems in the teaching of Integrated Physical Geography， such as paying too much attention to the knowledge of characters， lacking the materials of maps， and the difficulties in practice teaching. In view of the training needs of geography undergraduate major， and making full use of the advantages of modern spatial information technology， this paper discusses the teaching of Integrated Physical Geography based on GIS（Geographic Information System） technology from the aspects of the concretization of teaching content， the diversification of teaching methods and the virtualization of teaching practice. The technologies of GIS database management， spatial analysis， spatial modeling， spatial simulation and prediction are introduced. Through the construction of GIS database， GIS auxiliary thematic atlas， virtual natural geography scene and GIS teaching practice scheme of typical theoretical knowledge， the current situation that comprehensive knowledge is difficult for teachers to teach and students to master at macro scale is changed， which is helpful for training geography talents in the new era.

Key words： Integrated Physical Geography; GIS; course teaching; spatial information; virtual physical geography scene