“圖新地球 + Global Mapper + Surfer”組合工具輔助等高線教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐

摘 要：等高線地形圖因其抽象性強(qiáng)，學(xué)生難以形成畫面感而成為中學(xué)地理教學(xué)中的難點(diǎn)。為提升教學(xué)效果，借助地理信息技術(shù)的支持，本文將“圖新地球”和“Global Mapper”“Surfer”相結(jié)合，形成一套“等高線形成與平面立體圖形轉(zhuǎn)換”的組合工具，借助圖新地球軟件的“淹沒(méi)模擬”功能，幫助學(xué)生理解等高線的形成過(guò)程；將獲取的高程數(shù)據(jù)在Global Mapper中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，再導(dǎo)入Surfer軟件中制作等高線地形圖和立體地形圖，利用“疊置”功能實(shí)現(xiàn)平面與立體圖形的轉(zhuǎn)換，幫助學(xué)生建立空間思維，形成畫面感。最后，通過(guò)“珠峰測(cè)高”和“考察禾下乘涼夢(mèng)圓地”兩個(gè)教學(xué)案例簡(jiǎn)述了實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程。此組合工具功能多、操作簡(jiǎn)便、實(shí)效性強(qiáng)，可廣泛推廣使用。

關(guān)鍵詞：地理信息技術(shù)組合工具；等高線地形圖；平面與立體圖形轉(zhuǎn)換；地理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-5207（2024）10-0060-07

地形是自然地理環(huán)境的重要要素之一，也是地理學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容之一。《義務(wù)教育地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確要求學(xué)生需要通過(guò)閱讀地形圖等，區(qū)別山地、丘陵、高原、平原、盆地的形態(tài)特征；要求學(xué)生能結(jié)合地形觀察，說(shuō)出等高線地形圖、分層設(shè)色地形圖表示地形的方法，在地形圖上識(shí)別一些基本地形［1］。《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》也要求學(xué)生不僅要“認(rèn)識(shí)”各類地形地貌，還要能“描述”其景觀的主要特點(diǎn)，“分析”其成因，進(jìn)而“說(shuō)明”人類活動(dòng)與地表形態(tài)的關(guān)系［2］。可見，地形圖在認(rèn)識(shí)地形中的重要作用，而等高線地形圖是地形圖的重要載體之一。因此，理解等高線的概念和形成過(guò)程且能夠?qū)⒌雀呔€和實(shí)際地形聯(lián)系起來(lái)的空間想象能力就顯得尤為重要。

一、等高線地形圖教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.學(xué)生不理解等高線的形成過(guò)程

學(xué)生在日常生活中感知過(guò)很多地形地貌，但日常感知多為立體地形，而等高線地形圖是平面圖?，F(xiàn)實(shí)中的立體地形與平面圖中眾多的等高線如何聯(lián)系，這對(duì)多數(shù)學(xué)生而言比較難以想象，因而難以實(shí)現(xiàn)平面圖形和立體地形的自由轉(zhuǎn)換，嚴(yán)重影響該部分的教學(xué)效果。

2.傳統(tǒng)教學(xué)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效果不理想

在目前的地理教學(xué)中，關(guān)于“通過(guò)等高線地形圖來(lái)認(rèn)識(shí)地形地貌”的學(xué)習(xí)內(nèi)容，主要通過(guò)教師講授、繪圖、模型制作、模擬實(shí)驗(yàn)和野外考察等方式實(shí)施［3-5］。教師純講授的方式較為枯燥，想象力差的學(xué)生難以形成畫面感；繪圖或制作模型耗時(shí)耗力；野外考察則需要考慮教具準(zhǔn)備、課程內(nèi)容、課時(shí)、學(xué)生安全等多方面因素，不便實(shí)施且很難遷移到其他地區(qū)。因此，傳統(tǒng)教學(xué)模式無(wú)疑也影響教學(xué)效果。

3.技術(shù)組合工具輔助等高線地形圖教學(xué)的研究成果缺乏

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的地理信息技術(shù)輔助地理教學(xué)的研究成果中，大多都集中于某幾類軟件或網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用［6-7］，很少有針對(duì)等高線教學(xué)難點(diǎn)的專題應(yīng)用成果。在少數(shù)等高線主題研究中，多借助GIS軟件繪制等高線地形圖［8-10］，幾乎沒(méi)有從地理信息技術(shù)角度就等高線主題教學(xué)開發(fā)配套技術(shù)組合工具的成果。究其原因，地理信息技術(shù)存在一定技術(shù)性，并非大多數(shù)教師都掌握其用法，且地理信息技術(shù)工具較多，能多方綜合分析后再進(jìn)行組合開發(fā)的可能性較小。

鑒于此，筆者結(jié)合課標(biāo)要求和學(xué)情情況，在多次實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上，精篩軟件，開發(fā)出了一套能夠?qū)崿F(xiàn)“等高線形成—投影—平面立體圖形轉(zhuǎn)換”的組合工具，希望能夠幫助廣大教師解決以上教學(xué)難題。

二、地理信息技術(shù)軟件選擇及一般應(yīng)用過(guò)程

1.軟件選擇

基于以上分析，在軟件選擇上要滿足以下要求：①能夠多地區(qū)、多角度觀察地形地貌；②能夠觀察并模擬等高線的形成過(guò)程；③能夠制作等高線地形圖；④能夠?qū)崿F(xiàn)地形地貌從立體到平面的投影轉(zhuǎn)換；⑤操作簡(jiǎn)便，易復(fù)制。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的操作與嘗試，結(jié)合課堂實(shí)踐，筆者選出了以下軟件和網(wǎng)站：① 圖新地球——觀察地形地貌、模擬等高線地形圖的形成過(guò)程；② 地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站——獲取DEM高程數(shù)據(jù)；③ Global Mapper——進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換；④ Surfer——用于等值線制作和立體地形圖的生成，實(shí)現(xiàn)平面與立體圖形的轉(zhuǎn)換。

2. 具體操作過(guò)程和實(shí)施方法

以香山附近為例，展示具體操作過(guò)程和實(shí)施方法。

（1）地形地貌的觀察——圖新地球

打開圖新地球軟件，在“底圖數(shù)據(jù)”一欄中加載常用數(shù)據(jù)，包括“天地圖影像”“天地圖底圖”“天地圖行政區(qū)劃”“天地圖水系”“天地圖道路標(biāo)注”等，也可加載其他網(wǎng)站下載的地圖數(shù)據(jù)。然后根據(jù)課程需要調(diào)整圖層順序，保證能夠清晰顯示研究區(qū)的地形地貌特征。通過(guò)鼠標(biāo)滾輪調(diào)整視野大小和觀察角度（圖1）。

（2）“淹沒(méi)模擬”等高線的形成過(guò)程——圖新地球

打開“淹沒(méi)模擬”工具，沿邊框繪制“淹沒(méi)”范圍，設(shè)定參數(shù)，觀察淹沒(méi)到海拔“500 m、800 m、1 000 m”的水域輪廓，并在軟件中從各個(gè)角度觀察主要地形部位，如山脊、山谷、鞍部等的水域輪廓特征，理解等高線的形成過(guò)程（圖2）。

（3）獲取高程數(shù)據(jù)

常見的數(shù)據(jù)來(lái)源通常有地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站：http：//www.gscloud.cn/search；國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心網(wǎng)站：https：//www.ngcc.cn/ngcc/html/1/391/392/16114.html。下載前需要在網(wǎng)站中進(jìn)行注冊(cè)登錄，國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心網(wǎng)站需要申請(qǐng)后下載。

（4）格式轉(zhuǎn)換——Global Mapper

筆者推薦的等值線繪制軟件為Surfer，可用于等值線、網(wǎng)格化、曲面圖形繪制。但在繪制前，需要在Global Mapper中將下載的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)出海拔網(wǎng)格格式（.grd）文件，隨后才能導(dǎo)入到Surfer中繪制等高線地形圖（圖3、圖4）。

（5）制作等高線地形圖——Surfer

打開Surfer軟件，選擇“新等值線圖”，打開海拔網(wǎng)格格式（.grd）的香山附近地形圖文件，在對(duì)象管理器和屬性管理器中編輯等高距和坐標(biāo)軸。若等值線圖較為破碎，則需在打開軟件后，先在“網(wǎng)格”——“濾波器”中將圖像進(jìn)行濾波，再編輯圖像。編輯完成之后，導(dǎo)出圖片格式（.jpg）的等高線地形圖（圖5）。

如需制作分層設(shè)色地形圖，點(diǎn)擊屬性管理器中的“層次”，在等值線填充著色中選擇“填充等值線”，然后選擇合適的顏色，調(diào)整比色刻度尺即可（圖6）。

（6）制作三維地形圖——Surfer

新建文件，選擇“新3D曲線圖”，打開海拔網(wǎng)格格式（.grd）的香山附近地形圖文件。在對(duì)象管理器中點(diǎn)擊“圖形”，在屬性管理器中“比例尺”一欄調(diào)節(jié)“Z比例尺”的長(zhǎng)度，使得地勢(shì)起伏適中（圖7）。

（7）制作三維曲面與等高線疊置圖，實(shí)現(xiàn)平面和立體地形的轉(zhuǎn)換

在Surfer軟件中，點(diǎn)擊對(duì)象管理器中的香山3D曲面圖，右鍵“添加”，選擇“等值線圖層”，在文件中選取之前制作的香山附近等高線地形圖，生成帶有等值線的3D曲面圖。此處可調(diào)整觀察角度，分析常見地形部位的等高線特征（圖8、圖9）。

點(diǎn)擊“新等值線圖”，按照步驟5加載香山附近等高線地形圖，將最新加載的等值線圖更名為“圖形2”，點(diǎn)擊屬性管理器中的“視圖”，設(shè)置投影為“正交視角”，旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整為45度，傾斜度調(diào)整為30度（也可按照自己需要設(shè)置角度）。可根據(jù)個(gè)人需要選擇是否填充等值線（圖10）。

同時(shí)選中兩幅圖，點(diǎn)擊對(duì)象管理器中的“圖形2”，右鍵選擇“排列對(duì)象”中的“水平居中”，調(diào)整兩幅圖的位置關(guān)系。然后選擇“多段線”連接兩幅圖，最終生成等高線地形圖和3D曲面疊置圖（圖11）。

最后導(dǎo)出地圖，并分析地形因素對(duì)其他自然要素和人類活動(dòng)的影響（圖12）。

三、實(shí)踐運(yùn)用案例

1.案例一：珠峰登峰測(cè)高的路線選擇

（1）教學(xué)活動(dòng)簡(jiǎn)介

本教學(xué)活動(dòng)隸屬于高中地理人教版選擇性必修一第二章的教學(xué)范疇。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，要求學(xué)生結(jié)合實(shí)例，說(shuō)明地表形態(tài)對(duì)人類活動(dòng)的影響。在該部分的學(xué)習(xí)中，教材提供了珠穆朗瑪峰這一經(jīng)典案例。據(jù)了解，珠穆朗瑪峰附近有很多常見的地形部位，清晰美觀，是學(xué)習(xí)等高線和冰川地貌的絕佳案例。加之在2020年5月我國(guó)國(guó)測(cè)隊(duì)隊(duì)員對(duì)珠峰高程進(jìn)行了第三次測(cè)量，他們選擇哪條線路登峰也是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，本教學(xué)活動(dòng)在經(jīng)典案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合社會(huì)熱點(diǎn)，借助自制的等高線地形圖，讓學(xué)生通過(guò)讀圖來(lái)判讀珠峰地表形態(tài)特征，幫助登山隊(duì)員和專家選擇合適的登峰測(cè)高路線，既落實(shí)了課標(biāo)要求，又體會(huì)了登山隊(duì)員不畏艱險(xiǎn)、勇于攀登的精神。

（2）地理信息技術(shù)組合工具應(yīng)用過(guò)程

①利用圖新地球觀察珠峰地表形態(tài)特征（圖13）；②“淹沒(méi)”模擬等高線的形成過(guò)程（圖14、圖15）；③制作等高線地形圖和三維立體模型（圖16）；④選擇合適的登峰測(cè)高路線（圖17、圖18）。

通過(guò)分析可知，路線①前期經(jīng)過(guò)低緩的山谷，但在山腳處的坡度較陡，登峰會(huì)有困難；路線②在山腳處的坡度較緩，比路線①容易；路線③在山脊上攀爬時(shí)間太長(zhǎng)，費(fèi)力且不安全。綜上所述，路線②最為合適（圖19、圖20）。

（3）活動(dòng)效果與評(píng)價(jià)

實(shí)踐證明，通過(guò)在軟件中“淹沒(méi)模擬”等高線的形成過(guò)程，并將平面圖和立體地形圖相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)平面和立體的轉(zhuǎn)換，可使學(xué)生對(duì)等高線的理解更加深刻，能夠更容易識(shí)別各類地形特征。多數(shù)學(xué)生在仔細(xì)分析之后，都能選擇出合適的登峰測(cè)高路線，體會(huì)地表形態(tài)對(duì)人類活動(dòng)的影響。

2.案例二：溯安寧河谷——考察禾下乘涼夢(mèng)圓地

（1）教學(xué)活動(dòng)簡(jiǎn)介

本教學(xué)活動(dòng)隸屬于高中地理人教版選擇性必修二第一章的教學(xué)范疇。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，要求學(xué)生結(jié)合實(shí)例，說(shuō)明農(nóng)業(yè)區(qū)位因素；并能結(jié)合實(shí)例，說(shuō)明因地制宜對(duì)于區(qū)域發(fā)展的重要意義。提到農(nóng)業(yè)，袁隆平院士無(wú)疑是農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域的重要代表人物之一，其團(tuán)隊(duì)在培育水稻新品種方面對(duì)于區(qū)位因素的考量值得學(xué)生深入學(xué)習(xí)。2023年10月14日，四川涼山州德昌縣安寧河谷的超高產(chǎn)攻關(guān)試驗(yàn)田實(shí)現(xiàn)了超級(jí)稻單季畝產(chǎn)1 251.5 kg，刷新了世界紀(jì)錄。本教學(xué)活動(dòng)結(jié)合時(shí)事熱點(diǎn)，借助教師制作的安寧河谷德昌段的分層設(shè)色地形圖，讓學(xué)生更加直觀地考察禾下乘涼夢(mèng)圓地——安寧河谷，感受當(dāng)?shù)刈匀坏乩憝h(huán)境（尤其是地表形態(tài)）對(duì)于農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，讓學(xué)生體會(huì)因地制宜思想的同時(shí)致敬偉人。

（2）地理信息技術(shù)組合工具應(yīng)用過(guò)程

①利用圖新地球觀察安寧河谷德昌段的地形地貌（圖21）；②制作等高線地形圖和三維地形圖（圖22、圖23）；③結(jié)合其他圖文資料，思考禾下乘涼夢(mèng)在德昌實(shí)現(xiàn)的原因，探究四川德昌縣安寧河谷能夠生產(chǎn)超高產(chǎn)水稻的優(yōu)勢(shì)區(qū)位（圖24）。

通過(guò)分析可知，德昌縣位于青藏高原東南緣，夏秋季水稻生長(zhǎng)期雨熱同期、水熱充足；而且其海拔較高、空氣稀薄。因此，大氣的削弱作用和保溫作用弱、晝夜溫差大，有利于有機(jī)物的積累；海拔高、日照充足、作物品質(zhì)好；雖然德昌縣海拔較高，但水稻種植區(qū)域位于海拔相對(duì)較低的河谷地區(qū)，較為溫暖，有利于水稻種植。河谷地帶地勢(shì)較為平坦、土壤疏松肥沃，靠近河流，水源充足，利于農(nóng)耕。在人文因素上，國(guó)家設(shè)立超高產(chǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，有政策支持；科學(xué)家們選育良種、創(chuàng)新育種方法、全程精細(xì)化管理，有技術(shù)支持；培養(yǎng)人才隊(duì)伍，提供了人才支持；安寧河谷種植水稻歷史悠久，有技術(shù)工藝、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和勞動(dòng)力支持等。

（3）活動(dòng)效果與評(píng)價(jià)

實(shí)踐表明，學(xué)生通過(guò)觀察等高線地形圖和三維地形圖，能夠快速實(shí)現(xiàn)平面和立體的轉(zhuǎn)換，并能快速識(shí)別出安寧河谷德昌段的地形地貌特征，繼而能調(diào)動(dòng)所學(xué)知識(shí)快速分析出地形對(duì)其他自然要素的影響。再結(jié)合文字資料，學(xué)生更加容易分析得出此處能夠生產(chǎn)超高產(chǎn)水稻的原因，說(shuō)明農(nóng)業(yè)區(qū)位因素，并深刻領(lǐng)會(huì)如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的因地制宜。可見，由于地理信息技術(shù)的加入，教學(xué)變得更加高效。

四、總結(jié)與反思

等高線地形圖的形成過(guò)程以及如何將等高線地形圖與實(shí)際地形聯(lián)系起來(lái)實(shí)現(xiàn)平面地圖和立體地形的自由轉(zhuǎn)換是等高線教學(xué)的難點(diǎn)。筆者經(jīng)過(guò)多次課堂實(shí)踐證明，“圖新地球 + Global Mapper + Surfer”的組合工具能夠較快實(shí)現(xiàn)等高線的形成、投影與平面立體圖形的轉(zhuǎn)換；通過(guò)該組合工具的使用，學(xué)生能夠很快將等高線地形圖與實(shí)際地形地貌聯(lián)系起來(lái)，建立空間思維，突破等高線學(xué)習(xí)難點(diǎn)；且該組合工具操作簡(jiǎn)便，地理教師均可在教學(xué)中嘗試使用。

鑒于在等高線地形圖上的有效使用，在地理學(xué)科其他方面的教學(xué)中，也可考慮利用地理信息技術(shù)輔助教學(xué)，必要時(shí)也可考慮開發(fā)地理信息技術(shù)組合工具，進(jìn)一步提升教學(xué)效果。地理信息技術(shù)可在一定程度上彌補(bǔ)無(wú)法外出實(shí)踐教學(xué)的缺憾，但卻無(wú)法完全替代真實(shí)環(huán)境下的實(shí)踐活動(dòng)。因此，在利用地理信息技術(shù)教學(xué)時(shí)，務(wù)必注重協(xié)調(diào)技術(shù)支持的教學(xué)與在真實(shí)環(huán)境中教學(xué)的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［2］ 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］ 王景晨，俞飛虹，郝雨楠.指向地理實(shí)踐力培育的地貌及等高線模型制作實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)［J］.地理教育，2023（2）：18-21.

［4］ 胡長(zhǎng)珊.基于地理實(shí)踐力培養(yǎng)的初中地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［D］.南昌：江西師范大學(xué)，2021.

［5］ 蘇布達(dá).基于體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的地理實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)研究——以人教版高中地理第一冊(cè)為例［D］. 呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2022.

［6］ 楊可辛，董雯.TPACK框架下GeoScene Online與地理教學(xué)融合的實(shí)踐［J］.地理教育，2024（3）：10-14.

［7］ 宋西軍.ArcView軟件輔助“等高線”教學(xué)的應(yīng)用實(shí)踐［J］.中學(xué)地理教學(xué)參考，2016（8）：33-34.

［8］ 李標(biāo)明.GIS軟件在小區(qū)域等高線地形圖制作中的應(yīng)用實(shí)踐［J］.地理教育，2023（7）：8-11.

［9］ 王倩，郭敏，張新玉.GIS軟件在鄉(xiāng)土地理資源加工中的應(yīng)用——以離堆山與古河道組合地貌等高線地形圖制作與課堂試驗(yàn)為例［J］.中學(xué)地理教學(xué)參考，2022（1）：73-75.

［10］ 潘世兵，韓旸.例談GIS軟件在地理野外實(shí)踐中的應(yīng)用——以贛榆區(qū)等高線制作為例［J］.地理教學(xué)，2018（2）：51-54.