關一龍,藺 芳,吳紅波
(陜西理工大學人文學院,陜西 漢中 723000)
《普通高中地理課程標準(2017年版2020年修訂)》對高中地理課堂教學運用地理信息技術提出了更明確的要求:“要充分利用地理信息技術輔助地理教學,為學生營造直觀、實時、生動的地理教學環(huán)境[1]?!苯陙?,地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System)的空間分析方法、電子地圖展示、三維沙盤、時空動態(tài)分析等地理信息技術,運用于中學地理課堂教學,不僅能清晰地展示各種時間尺度、空間尺度的地理現(xiàn)象和場景,也能使課堂教學效果更直觀與生動,有助于激發(fā)學生的學習興趣,改善中學生被動接受地理知識的現(xiàn)狀。目前,地理信息技術已在中學地理課堂教學和研學實踐中得到廣泛應用。因此,亟需將課堂教學設計和過程與地理信息技術的優(yōu)勢融合互補,讓地理信息技術成為地理課堂教學、學生感知地理空間的重要教輔工具。
通過梳理相關文獻和分析線上、線下優(yōu)質課,發(fā)現(xiàn)對地理信息技術的運用大多局限于課程導入部分或者課堂教學的某一環(huán)節(jié),無法依托地理信息技術設計整個教學過程,出現(xiàn)為了整合而整合或者本末倒置等問題,并未做到真正意義上的深度融合?;诖耍疚膰L試依托ArcGIS、Surfer、Loca Space Viewer等地理信息系統(tǒng)軟件設計課堂教學過程,從學生研究性學習的角度出發(fā),引導學生借助地理信息技術,探究黃土高原水土流失的影響因素,為地理信息技術輔助高中地理教學提供案例參考。
(1)地理課程標準的要求
新課標2020年修訂版指出,地理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)必須重視和依賴地理信息技術的運用。在必修課程地理Ⅰ和地理Ⅱ課程內(nèi)容要求中明確指出:“通過探究有關自然和人文方面的地理問題,了解地理信息技術的應用[2]?!背酥?,在選擇性必修課程中也明確指出,通過學習選擇性必修模塊,使學生能夠運用地理信息技術分析現(xiàn)實世界的自然現(xiàn)象、區(qū)域發(fā)展的異同以及身邊資源環(huán)境狀況。一方面,學生親身參與了實踐并進行了思考;另一方面,教師用更高效的方式開展地理教學,都有助于地理學科核心素養(yǎng)的培育。
(2)學生多元發(fā)展的需求
傳統(tǒng)的中學地理教學中,一些具有空間大尺度的地理現(xiàn)象和原理很難進行直觀展示,教學難點很難被突破,教學效果并不理想,導致學生的地理學習興趣下降。因此,抽象的地理知識更需要借助地理教具進行直觀展示。突破教學難點是改變地理教學中教師與學生、學生與知識之間相互割裂現(xiàn)狀的有效方法,而地理信息技術能將規(guī)律性的知識動態(tài)直觀地展示給學生,大大降低了學習難度。直觀體驗式的教學方法有助于激發(fā)學生的學習興趣,改變學習動機,從而提升其課堂參與度與課堂教學效果,推進核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。
(1)地理信息技術的多元化,為地理教學提供了豐富的教學資源
針對不同學習主題的需求,地理信息技術輔助教學的軟件種類多樣。在涉及地球運動、氣象、地形、土壤與城市化等多個方面的教學中都有相應的教學軟件輔助課堂教學。軟件種類多樣且各具特色,具有針對性強、容量小、集成化高的特點,一些軟件甚至無需安裝,便可直接打開且運行速度快。除此之外,各類軟件教學視頻相對全面且操作簡單,滿足一線教師快速學習的需求。例如,在軟件方面,Loca Space Viewer(簡稱LSV)是一款三維數(shù)字地球桌面軟件,不需要提前安裝,只需打開文件夾中的快捷方式即可快速進入界面,數(shù)據(jù)集成多個地圖影像數(shù)據(jù),具備強大的數(shù)據(jù)編輯、管理與分析功能。在數(shù)據(jù)獲取方面,公開共享的地理數(shù)據(jù)眾多,如“中國科學院數(shù)據(jù)中心地理空間數(shù)據(jù)云、中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心”等都可免費獲取多種類型數(shù)據(jù),滿足一線教師的教研應用需求。
(2)地理信息技術的可視化,為培養(yǎng)學生地理核心素養(yǎng)提供了新方法
地理信息技術通過可視化功能,制作契合課堂教學的專題地圖、三維模型與動畫演示等教學資源,能將抽象的地理事物進行直觀表達,以此滿足教學需求,培養(yǎng)地理核心素養(yǎng)。例如,高中地理必修Ⅰ自然地理“常見的地貌類型”一課,可使用LSV三維虛擬地貌模型觀察和識別各類地貌,引導學生操作飛行視點,最大限度地培養(yǎng)學生的地理實踐能力,進而在真實的情境中對各類地貌的成因進行分析,培養(yǎng)學生地理學科素養(yǎng)和綜合思維能力。
“黃土高原水土流失”一課的設計理念是以黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)為例,結合水土流失的模擬實驗,以合作探究的方式,引導學生制作專題地圖,探究黃土高原水土流失嚴重的原因。對比中圖版2019年和2004年教材,教學重心不僅是對黃土高原地區(qū)水土流失原理的講述,而且要把地理信息技術作為一種地理分析工具和教學輔助,融入地理教學和學習的情境中。因而,教學設計和教學活動中應重點突出地理信息技術的融合和實踐活動。
教學對象為高中二年級學生,學生在高一年級已經(jīng)掌握必修Ⅰ和Ⅱ的基礎知識,可以理解自然地理環(huán)境的五大要素,并具備一定的空間感知和邏輯分析能力。本節(jié)教學內(nèi)容具有較強的區(qū)域地理特征,依托ArcGIS、Surfer等地理信息軟件搭建的教學過程,學生的學習興趣濃厚,對知識的探索意識較強,并以認知建構主義為理論背景,通過研究性學習方式培養(yǎng)學生的地理核心素養(yǎng)能力。
①設置教學情境,運用Surfer制作三維虛擬地貌模型,直觀感知黃土高原的地貌景觀,正確辨別各類地貌特征,培養(yǎng)學生的區(qū)域認知。②學生觀察LSV實景影像地圖,了解黃土高原的自然環(huán)境特征,結合相關專題地圖,從五大自然地理要素和人文要素的角度,分析水土流失的影響因素,理解水土流失發(fā)生、演變過程,培養(yǎng)學生提取地圖信息的能力和綜合思維能力。③通過對比黃土高原舊貌和新貌,讓學生正確認識人地協(xié)調的重要性,樹立和諧共生的可持續(xù)發(fā)展理念,懂得尊重自然的重要性和必要性,培養(yǎng)人地協(xié)調觀。④通過模擬實驗以及繪制專題地圖,培養(yǎng)學生的地理實踐能力和科學探究精神。
(1)黃土組:探究黃土特性對水土流失的影響
【情境一】在中央電視臺CCTV-1綜合頻道制作的《開講啦》某期節(jié)目中,被稱為“黃河的醫(yī)生”的劉國彬現(xiàn)場演示了水土流失實驗。通過插放節(jié)目視頻,讓學生直觀感受黃土和黏土的土壤質地,與學生交流視頻內(nèi)容。
農(nóng)地流轉作為目前我國農(nóng)村改革的新突破口,對實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營和推進至農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。新疆啟動農(nóng)村土地承包經(jīng)營權確權登記頒證工作試點工作以來,農(nóng)村土地流轉率明顯提高,農(nóng)村土地流轉規(guī)模逐年增大,截至2017年底,新疆農(nóng)村家庭承包耕地流轉面積達到661.1萬畝,占家庭承包經(jīng)營耕地總面積的21%,但仍低于全國平均水平。根據(jù)國內(nèi)外相關研究,主體障礙成為影響土地流轉的重要影響因素,探討新疆農(nóng)村農(nóng)戶土地流轉意愿的影響因素對于推動土地流轉具有重要的參考意義。本文利用在新疆北疆地區(qū)的調研數(shù)據(jù),運用計量模型對調查數(shù)據(jù)進行計算,探究農(nóng)戶土地流轉意愿的現(xiàn)狀,提出相應的建議。
【地圖制作】教師引導學生在中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心下載土壤質地空間分布數(shù)據(jù),解析數(shù)據(jù)后,在ArcMap中將數(shù)據(jù)添加到內(nèi)容列表中并打開ArcToolbox工具箱,選擇Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取,提取黃土高原三類土壤質地數(shù)據(jù)。選擇合適的配色方案,繪制黃土高原土壤質地空間分布圖(圖1)。
圖1 黃土高原土壤質地空間分布
【結果分析】由圖1可知,黃土高原大部分區(qū)域砂土比例在50%~60%之間,粉砂土含量在30%~60%之間,砂土、粉砂土含量最高,分布范圍最廣,主要分布在關中平原、隴中高原、陜北高原和汾河谷地的部分區(qū)域。黏土含量相比砂土和粉砂土含量較少,大部分區(qū)域不超過30%,集中在10%~20%之間。砂土和粉砂土組成粒間距較大,孔隙數(shù)量多,透水性強,遇水易崩解,為黃土高原水土流失提供了物質基礎。
【設計意圖】以認知建構主義為理論背景,教師引導學生通過制作和分析專題地圖1,有助于培養(yǎng)學生閱讀專題地圖和提取地理信息的能力。除此之外,學生結合必修Ⅰ學習的土壤的主要形成因素及土壤質地,分析黃土高原水土流失的土壤因素,通過新、舊知識之間的聯(lián)系,不斷發(fā)現(xiàn)并解決問題,有助于培養(yǎng)學生自主學習能力、地理實踐力和綜合思維。
(2)降水組:探究降水量對水土流失的影響
【地圖制作】教師引導學生在中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心下載最新的降水量空間分布數(shù)據(jù),解析數(shù)據(jù)后,在ArcMap中將數(shù)據(jù)添加到內(nèi)容列表中,打開ArcToolbox工具箱,選擇Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取,提取黃土高原的降水量空間分布數(shù)據(jù),選取合適的配色方案制作專題圖。搜集延安市各月份的氣溫及降水量數(shù)據(jù),通過空間統(tǒng)計分析功能,繪制氣溫、降水量分布柱狀圖。
【實驗結論】降水強度越大,水土流失越嚴重。
【分析驗證】由圖2可知,黃土高原地區(qū)的降水空間特征是從東南向西北降水量逐漸減少。結合季風氣候年內(nèi)降水季節(jié)分配不均的特征,觀察黃土高原氣溫、降水分布圖(圖3),7~9月份降水量較大,其他月份降水較少,為黃土高原水土流失提供了動力條件。
圖2 降水實驗及黃土高原降水量空間分布
圖3 黃土高原氣溫、降水量分布
【設計意圖】探究性和小組合作式學習,最大程度調動了學生的學習興趣和積極性。教師引導學生使用ArcGIS軟件,繪制降水量分布圖,直觀展示黃土高原各區(qū)域的降水分布狀況。觀察季節(jié)性降水量的柱狀圖,結合必修Ⅰ自然地理的基礎知識和水土流失模擬實驗,總結該區(qū)域降水呈現(xiàn)出的規(guī)律特征,歸納水土流失的原因,理論與實踐相結合,培養(yǎng)和提升學生的科學探究和綜合思維能力。
(3)地形組:探究地形對水土流失的影響
【地圖制作】教師引導學生在中國科學院數(shù)據(jù)中心地理空間數(shù)據(jù)云下載黃土高原地區(qū)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),解析數(shù)據(jù)后,在ArcMap中將數(shù)據(jù)添加到內(nèi)容列表中,打開ArcToolbox工具箱,選擇數(shù)據(jù)管理工具—柵格—柵格數(shù)據(jù)集—鑲嵌至新柵格。選擇Spatial Analyst工具—表面分析—坡度,提取黃土高原坡度數(shù)據(jù),選取合適的配色方案制作專題圖(圖4、圖5)。
圖4 坡度實驗及黃土高原坡度
圖5 黃土高原三維地貌模型
【實驗結論】坡度越大,水土流失越嚴重。
【分析驗證】由圖4可知,黃土高原坡角小于3°的區(qū)域僅占比36%,其余均大于3°。結合圖5,黃土高原的塬、墚、峁、川的獨特地貌景觀,從地形地貌的角度分析,該區(qū)域平地少、斜坡多,地形起伏大,地勢陡峭,容易誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等自然災害,從而加劇水土流失。
【設計意圖】教師引導學生使用ArcGIS表面分析工具,提取坡度并繪制專題圖4,可以直觀地展示各段坡度的可視化數(shù)據(jù),再通過GIS統(tǒng)計分析中的分類區(qū)統(tǒng)計,統(tǒng)計各坡度值所占比重。除此之外,教師通過Surfer制作三維虛擬地貌模型,為學生還原一個真實、立體且三維的黃土高原獨特的地貌景觀,進而探究地形地貌對水土流失的影響。通過對地貌景觀的感知、地圖信息的讀取,分析驗證實驗結果,有助于激發(fā)學生的學習積極性,進而提升課堂參與度,培養(yǎng)學生的地理實踐力。
(4)植被組:探究植被對水土流失的影響
【情境二】植物葉片可以降低水流速度,起緩沖作用,防止雨滴擊濺侵蝕。腐殖質層增加地表粗糙度,增加土壤黏性,降低地表徑流速度,減輕對地表的沖刷強度。植物的根系可以固定土壤,減少水蝕作用。
【地圖制作】教師引導學生在中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心下載最新的土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和2000年與2018年植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù),解析數(shù)據(jù)后,在ArcMap中將數(shù)據(jù)添加到內(nèi)容列表中,打開ArcToolbox工具箱,選擇Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取,提取黃土高原土地利用空間分布數(shù)據(jù)和植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù),選取合適的配色方案制作專題圖(圖6、圖7)。
圖6 植被實驗及黃土高原土地利用類型空間分布
圖7 黃土高原植被指數(shù)(NDVI)空間分布
【實驗結論】植被覆蓋率越低,水土流失越嚴重。
【分析驗證】由圖6可知,黃土高原耕地面積最大,占比45%,草地次之,森林覆蓋面積占比較低,僅占9%,弱化了土壤表層森林的保護作用。除此之外,結合必修Ⅰ自然地理的基礎知識,黃土高原地區(qū)屬于秦嶺淮河一線以北地區(qū),農(nóng)作物一年一熟,春冬季地表裸露,加劇水土流失。根據(jù)圖7可知,黃土高原在近20年時間植被指數(shù)變化較大,說明植被覆蓋對黃土高原水土流失的治理效果顯著。
【設計意圖】教師引導學生使用ArcGIS圖像分類工具,對遙感影像進行分類,制作黃土高原地區(qū)土地利用類型專題圖(圖6),從中可直觀展示各種地表覆被類型所占比重及分布。師生根據(jù)水土流失的原因,分組探究如何治理并提出措施,為治理水土流失建言獻策,幫助學生樹立正確的人地觀。
(1)沉浸式教學情境,有效激發(fā)學生學習興趣
本節(jié)內(nèi)容以“黃河醫(yī)生”短視頻、LSV實景影像地圖、ArcGIS和Surfer制作的契合教學案例的專題地圖等作為教學素材,結合水土流失的模擬實驗,充分激發(fā)學生的興趣,讓學生積極參與到課堂教學情境中,通過自主思考、合作交流和探究學習的形式引導學生主動學習,在知識技能提升的過程中思維能力、實踐能力和科學素養(yǎng)也得到了極大提升。
(2)教學目標與核心素養(yǎng)緊密結合,深化地理信息技術的應用
本節(jié)內(nèi)容直觀展示出地理信息技術與地理教學融合的優(yōu)勢,引導學生借助多種類型的地理信息軟件繪制專題地圖和統(tǒng)計圖表,通過模擬實驗獲取實驗結論,分析驗證結論的探究思路,理論與實踐相結合,充分發(fā)揮地理信息技術的獨特優(yōu)勢,讓學生在真實情境中深度互動,培養(yǎng)學生的分析能力和地理核心素養(yǎng),為促進學生的全面發(fā)展提供了新思路與實踐平臺。
地理信息技術、全息影像、虛擬技術、增強現(xiàn)實技術、多媒體技術與中學地理教學融合是近幾年地理教育研究關注的熱點之一[3]?,F(xiàn)代化的教學方法、教具與教輔工具也應該不斷銳意創(chuàng)新,與時俱進,旨在培養(yǎng)中學生地理學科核心素養(yǎng)?;诖?,本節(jié)內(nèi)容充分展示了地理信息技術融合課堂教學的強大優(yōu)勢,建議一線教師充分考慮并實踐地理信息化的教學方式,將抽象的知識、原理、現(xiàn)象借助地理信息技術可視化展示,滿足學生多維度的發(fā)展需求,落實地理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。需注意的是,本節(jié)內(nèi)容綜合性與邏輯性較強,教學組織環(huán)節(jié)銜接緊密,各影響因素之間相互影響且相互制約,是區(qū)域地理學習和空間認知培養(yǎng)的基礎,在課堂教學中應不斷鍛煉并提升學生的區(qū)域認知和綜合思維能力,引導學生構建思維導圖,完善自己的學科知識框架[4]。與此同時,還可將地理信息技術應用于歷史遺跡、生態(tài)環(huán)境、人文知識、社會經(jīng)濟與地理知識等方面的教學,共同完善高中地理課堂的“教與學”,達到交互式、研究性學習目的,營造地理知識學習氛圍,最終提高地理課堂教學效果。