空間認(rèn)知視角下運用GIS構(gòu)建心理地圖的機制及策略

湯芊沛 鄒金偉 趙耀龍

（1.深圳市寶安區(qū)橋頭學(xué)校, 廣東 深圳 518103; 2.深圳市寶安區(qū)教育科學(xué)研究院, 廣東 深圳 518101;3.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510631）

一、心理地圖概念及建構(gòu)過程

心理地圖是指人們對各類地理信息進(jìn)行認(rèn)知加工后在頭腦中形成的內(nèi)化印象。心理地圖的構(gòu)建不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的空間認(rèn)知能力，還能幫助學(xué)生隨時獲取必要的地理信息，解決實際生活中的地理問題，學(xué)習(xí)對終身發(fā)展有用的地理。[1]

在認(rèn)知心理學(xué)領(lǐng)域，心理地圖是一種空間性的心理表征，因此其建構(gòu)過程應(yīng)遵循空間認(rèn)知基本規(guī)律。根據(jù)地理空間認(rèn)知理論，空間認(rèn)知過程主要包括感知階段、表象階段及思維階段。[2]其中，感知階段是構(gòu)建心理地圖的起始階段，學(xué)生首先會對地理事物的位置、輪廓、尺度、方位等空間屬性進(jìn)行掃描感知，初步建立對區(qū)域的粗略印象；在表象階段，大腦會通過心理操作和邏輯操作對原有粗略印象進(jìn)行進(jìn)一步加工完善；[3]思維階段則是在表象形成的基礎(chǔ)上，提取頭腦中已有的心理地圖，并將其運用到現(xiàn)實問題情境中進(jìn)行遷移強化，最終完成將外在地圖文本轉(zhuǎn)化為內(nèi)在心理地圖的全部認(rèn)知過程，如圖1所示。

圖1 空間認(rèn)知視角下心理地圖建構(gòu)過程

二、運用GIS構(gòu)建心理地圖的過程機制

教師輔助學(xué)生構(gòu)建心理地圖的媒介有多種方式，如傳統(tǒng)地圖、多媒體、地理信息技術(shù)等，隨著教育信息化的不斷發(fā)展，GIS在地理課堂教學(xué)中的優(yōu)勢正逐漸顯現(xiàn)，作為地理學(xué)與信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，地理信息技術(shù)可以儲存大量教學(xué)所需的信息素材，并通過直觀化、動態(tài)化、立體化、情境化等形式可視化呈現(xiàn)信息素材，在一定程度上可以與傳統(tǒng)地圖教學(xué)起到相輔相成的作用。因此，本文結(jié)合空間認(rèn)知理論及GIS的優(yōu)勢，深入分析了運用GIS構(gòu)建心理地圖的過程機制，如圖2所示。

圖2 運用GIS構(gòu)建心理地圖的過程機制

在感知地圖的初期階段，教師可運用“沉浸式空間漫游”“添加矢量要素”“實地測量”“實時旋轉(zhuǎn)”等功能加強學(xué)生對區(qū)域空間屬性的感知能力；在表象階段，GIS的“三維數(shù)字化”“圖層要素疊加”等可視化方式能幫助學(xué)生加深對地圖的知覺性理解，以形成逐漸清晰的地理表象；最后，通過“空間分析”“空間查詢”“實地測量”“實時定位”等功能讓學(xué)生在真實情境中對已有心理地圖加以應(yīng)用，從而實現(xiàn)思維階段的遷移提升?？傊?，教師可根據(jù)不同認(rèn)知階段教學(xué)內(nèi)容的特點，有針對性地利用GIS的空間性、動態(tài)性、情境性等優(yōu)勢幫助學(xué)生在深入理解地理事物空間分布的基礎(chǔ)上構(gòu)建心理地圖。

三、各階段運用GIS構(gòu)建心理地圖的教學(xué)策略

1.感知階段

(1)空間漫游加深沉浸感知

在地圖認(rèn)知的初期階段，學(xué)生對所學(xué)區(qū)域地理事物的空間分布狀況還較為陌生，教師可以通過Google Earth的空間漫游功能，在地圖中創(chuàng)建所需游覽的路徑，然后點擊播放游覽，以鳥瞰視角引導(dǎo)學(xué)生觀察所識區(qū)域的空間分布形態(tài)，讓學(xué)生仿佛置身地圖之中，沉浸式地感受當(dāng)?shù)氐木坝^現(xiàn)狀，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)后續(xù)階段認(rèn)知活動的開展。

(2)添加矢量要素形成格局

地球表層是極其復(fù)雜多樣的，學(xué)生對于一個大范圍地區(qū)的認(rèn)識就如同馬賽克一樣，是由許多個對更小范圍的區(qū)域空間的認(rèn)識組成。[4]學(xué)生在認(rèn)識地理事物的分布時，可通過“以點串線、以線帶面”的形式，結(jié)合ArcGIS的矢量要素添加功能認(rèn)識地理事物間的相對位置，從而理出一條清晰的空間序列。例如，教師可以在ArcGIS中對任意所需認(rèn)識的區(qū)域添加“面”狀矢量要素，然后添加諸如赤道、回歸線、極圈等重要的“線”狀矢量要素，讓學(xué)生觀察該區(qū)域與線狀要素間的相對位置，這種類似編碼的形式可以輔助學(xué)生在腦海中構(gòu)建地理空間分布的基本格局，提升其對區(qū)域感知的準(zhǔn)確性。

(3)疊加圖形加深輪廓認(rèn)知

形狀輪廓的感知是學(xué)生對區(qū)域進(jìn)行識別及定位的重要前提，教師通過對所需認(rèn)知的區(qū)域添加結(jié)合再造想象的“面”狀矢量要素，可以引導(dǎo)學(xué)生對區(qū)域輪廓進(jìn)行深層次加工。例如，在學(xué)習(xí)“中國的行政區(qū)劃”時，可以將山西省的輪廓抽象化想象為“平行四邊形”，將內(nèi)蒙古自治區(qū)的輪廓形象化想象為“展翅的雄鷹”，然后在ArcGIS中將形似圖形疊加到對應(yīng)省級行政區(qū)上，以幫助學(xué)生快速實現(xiàn)區(qū)域識別和定位，提升區(qū)域輪廓感知效率。此外，教師還可以利用GIS的數(shù)據(jù)存儲功能，將這些教學(xué)所需數(shù)據(jù)儲存在地理信息系統(tǒng)中作為素材庫保存以便隨時使用。

(4)虛擬現(xiàn)實感受區(qū)域尺度

區(qū)域尺度感知是教師在日常教學(xué)活動中容易忽視的一個維度，地理教材中的大量內(nèi)容都潛移默化地涉及到了尺度感知的相關(guān)內(nèi)容，例如比例尺、行星距離、地形區(qū)的分布范圍等。大多數(shù)單一的數(shù)據(jù)和插圖難以讓學(xué)生真實地感受到地理事物的尺度，因此，教師可以充分挖掘Web GIS中豐富的應(yīng)用平臺，利用平臺中的各類應(yīng)用場景帶領(lǐng)學(xué)生從多元化角度直觀地感知地理事物，在真實場景中提高學(xué)生對空間尺度的直觀感受。如圖3所示，在學(xué)習(xí)“地球的宇宙環(huán)境”時，教師可以利用720云平臺中的太空應(yīng)用場景，直觀還原第一人稱視角及第三人稱視角下的宇宙行星，加深學(xué)生對行星間距離尺度的感知，樹立準(zhǔn)確的空間尺度觀。此外，還可通過Web GIS的虛擬現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)出行星表面形態(tài)及宇宙空間站內(nèi)部的真實環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實場景中多維感受宇宙空間的魅力。

圖3 720云平臺模擬地球的宇宙環(huán)境

2.表象階段

(1)維度轉(zhuǎn)變培養(yǎng)空間思維

地理是一門空間性較強的學(xué)科，學(xué)習(xí)地理通常要求學(xué)生具備良好的空間思維能力，尤其是自然地理相關(guān)內(nèi)容（如地球運動、等高線地形圖的判讀等），GIS的空間性特點可將二維平面地圖數(shù)字化為三維立體景觀，幫助學(xué)生在頭腦中建立對平面事物的立體表征，提升空間認(rèn)知能力。例如，在學(xué)習(xí)“等高線地形圖”時，教師可以將課本中的二維等高線地形圖導(dǎo)入到ArcGIS中進(jìn)行數(shù)字化處理，然后對每條等高線賦予相應(yīng)的高度值，最后將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到surfer中，立體化呈現(xiàn)出山體的三維形態(tài)，如圖4所示。

圖4 二維等高線地形圖的三維數(shù)字化立體呈現(xiàn)

(2)圖層疊加培養(yǎng)綜合思維

現(xiàn)實地球表面分布著眾多復(fù)雜的地理要素，當(dāng)這些要素信息置于同一平面上時，容易增加學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，而GIS區(qū)別于傳統(tǒng)地圖信息呈現(xiàn)的重要特點就在于其圖層表征形式，其各圖層表達(dá)某單一地理要素（如地形、氣候、河流、城市等）的分布，教師可利用這一特點，以區(qū)域輪廓圖作為底片，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要，逐步疊加各個要素，引導(dǎo)學(xué)生觀察要素間的重疊區(qū)域，更好地幫助其理解地理要素間的關(guān)聯(lián)性。例如，在學(xué)習(xí)“植被的分布”時，可以疊加地形、氣候、河流等自然地理因素，讓學(xué)生觀察各因素與植被分布圖層的重疊區(qū)域，以探究不同因素對植被分布的影響，幫助學(xué)生理解植被分布現(xiàn)狀背后的綜合性原因。

此外，這種GIS的圖層思維還可用于開展以學(xué)生為主體的探究性活動。如圖5所示，在學(xué)習(xí)“世界的聚落”時，教師可以準(zhǔn)備多張代表不同地理要素的半透明圖層教具，通過疊加不同的圖層讓學(xué)生來觀察與聚落所在地相重合的各項地理要素具體情況，從而深入分析影響聚落分布的原因。由此可見，GIS在培養(yǎng)學(xué)生心理地圖建構(gòu)的過程中不僅承擔(dān)著工具性的媒介作用，還能夠幫助學(xué)生培養(yǎng)基于圖層表征的要素綜合思維。[5]

圖5 代表不同聚落影響因素的半透明圖層教具

3.思維階段

(1)空間分析解決實際問題

學(xué)生在形成心理地圖表象后，還需要運用腦海中已形成的心理地圖解決實際問題。GIS最不可忽視的就是其空間分析功能，在地理教學(xué)中可以運用該功能對影響生產(chǎn)活動分布的因素進(jìn)行綜合分析，讓學(xué)生在現(xiàn)實情境中解決地理問題。如圖6所示，在分析“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動分布的選址”時，可以引導(dǎo)學(xué)生思考農(nóng)業(yè)布局所需的光照、地形、河流等自然地理條件，然后通過ArcGIS的坡度分析、坡向分析及緩沖區(qū)分析的功能分別計算出符合條件的相關(guān)區(qū)域，最后選取各項條件都適宜的重疊區(qū)域，得出分析結(jié)果，讓學(xué)生在真實的區(qū)域中綜合分析問題。

圖6 ArcGIS的空間分析功能

(2)歷史地圖培養(yǎng)時空思維

除了掌握區(qū)域綜合分析的能力外，學(xué)會對區(qū)域進(jìn)行比較分析也同樣關(guān)鍵。在區(qū)域的空間比較方面，教師可以導(dǎo)入某地區(qū)的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，通過ArcGIS的空間查詢功能找到具有相同條件的地區(qū)，進(jìn)而分析該地區(qū)進(jìn)行相同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的可行性；在區(qū)域的時間比較方面，Google Earth中存儲了全球各地不同時間點拍攝的衛(wèi)星遙感影像，將不同時期的遙感影像進(jìn)行比較，有助于培養(yǎng)學(xué)生的時空綜合思維。如圖7所示，教師可通過深圳前海地區(qū)兩張不同時間點的遙感影像呈現(xiàn)出填海造陸對海岸線演化的影響，讓學(xué)生直觀感受到改革開放以來深圳城市景觀的歷史變遷，引導(dǎo)學(xué)生用變化發(fā)展眼光看待地理事物。

圖7 Google Earth歷史地圖中深圳前海海岸線的演化

(3)實地考察提升實踐能力

在思維階段，戶外實踐活動是幫助學(xué)生遷移強化心理地圖的不可忽視的重要手段。GIS作為實踐活動的重要指導(dǎo)工具，一方面可以通過GIS的相關(guān)終端軟件實現(xiàn)對考察地的實時導(dǎo)航，另一方面還可通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對實踐地點進(jìn)行三維立體化呈現(xiàn)，輔助學(xué)生對考察地進(jìn)行全方位觀察。例如在Google Earth中創(chuàng)建實踐活動路徑的“線”狀矢量要素，然后通過顯示高度配置文件功能直觀地還原途經(jīng)路線的地表起伏狀況及考察線路在山體上的分布，如圖8所示。

圖8 在Google Earth中創(chuàng)建實踐路徑并顯示高程配置文件

總之，GIS與傳統(tǒng)地圖教學(xué)媒介各有其特點，教師在教學(xué)的過程中不可盲目追求創(chuàng)新，只關(guān)注于課堂教學(xué)的技術(shù)層面，而應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點充分發(fā)揮二者優(yōu)勢，有針對性地進(jìn)行課堂教學(xué)，實現(xiàn)教學(xué)最優(yōu)化效果，從而幫助學(xué)生高效建構(gòu)心理地圖。