GIS平臺(tái)在生態(tài)脆弱地區(qū)環(huán)境變化教學(xué)中的應(yīng)用

高中地理教學(xué)中會(huì)涉及很多的地圖知識(shí)，如果只是采用傳統(tǒng)的理論講解方式，很難讓學(xué)生對(duì)地理知識(shí)形成直觀、深刻的理解和認(rèn)識(shí)。GIS（GeographicInformationSystem）是一款專業(yè)的地理信息制圖軟件，將其應(yīng)用于高中地理教學(xué)中，可以幫助教師快速地制作地圖，而且支持單用戶和多用戶的編輯，可以對(duì)復(fù)雜的地理信息進(jìn)行整理歸納，對(duì)于提高高中地理教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率大有裨益。本文，探討GIS平臺(tái)對(duì)整個(gè)高中地理教學(xué)的意義。

一、教學(xué)目標(biāo)

1.培養(yǎng)學(xué)生利用GIS技術(shù)分析生態(tài)環(huán)境變化的能力，提升地理信息技術(shù)的應(yīng)用水平。使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)掌握GIS平臺(tái)的基本概念，理解其在生態(tài)環(huán)境研究中的作用；理解黃土高原地區(qū)的地理特征，掌握水土流失、植被退化等生態(tài)問(wèn)題的形成原因，利用GIS平臺(tái)分析不同時(shí)間段的衛(wèi)星影像，研究土地利用變化，評(píng)估生態(tài)治理成效，并模擬可能的環(huán)境演變趨勢(shì)。

2.通過(guò)對(duì)黃土高原生態(tài)問(wèn)題的學(xué)習(xí)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。GIS技術(shù)的應(yīng)用將激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究精神和創(chuàng)新思維，使他們理解科技在環(huán)境保護(hù)中的價(jià)值，并加強(qiáng)對(duì)生態(tài)治理問(wèn)題的關(guān)注和思考。

二、學(xué)情分析

本課程面向高中二年級(jí)學(xué)生，他們已具備一定的地理基礎(chǔ)知識(shí)，然而，GIS技術(shù)較為專業(yè)，部分學(xué)生可能對(duì)其較為陌生，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，教師需要提供清晰的演示，結(jié)合簡(jiǎn)單案例幫助學(xué)生熟悉GIS軟件的基本功能。盡管學(xué)生具備一定的地理分析能力，但可能對(duì)空間數(shù)據(jù)分析方法不熟悉，在實(shí)際操作中易遇到困難。因此，教學(xué)過(guò)程中教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生積極動(dòng)手，并采用分層教學(xué)，根據(jù)學(xué)生的水平提供指導(dǎo)。

三、教學(xué)內(nèi)容

本課程圍繞GIS技術(shù)在黃土高原生態(tài)環(huán)境變化中的應(yīng)用展開，以魯教版高中地理選擇性必修2第二單元第一節(jié)“生態(tài)脆弱地區(qū)的發(fā)展一以黃土高原地區(qū)為例”為教學(xué)依據(jù)，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)與生態(tài)治理案例，使學(xué)生理解GIS在環(huán)境研究中的作用。相關(guān)內(nèi)容包括：（1）GIS的概念、功能及其在地理研究中的應(yīng)用；（2）GIS技術(shù)在生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)中的作用，包括遙感影像分析、地理信息可視化、空間數(shù)據(jù)處理等；（3）黃土高原的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，包括地理位置、氣候特點(diǎn)及自然環(huán)境特征；（4）生態(tài)脆弱性表現(xiàn)，如水土流失、植被退化、土地荒漠化等問(wèn)題；（5）生態(tài)環(huán)境變化的主要影響因素，包括自然因素（氣候、土壤）和人為因素（農(nóng)業(yè)開發(fā)、放牧）。

四、教學(xué)重難點(diǎn)

（一）教學(xué)重點(diǎn)

本課程的重點(diǎn)在于GIS平臺(tái)在生態(tài)環(huán)境變化分析中的應(yīng)用，學(xué)生需要理解GIS如何通過(guò)數(shù)據(jù)分析與空間可視化技術(shù)對(duì)黃土高原地區(qū)的環(huán)境演變進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究。黃土高原的生態(tài)脆弱性是本節(jié)課的核心議題，學(xué)生需要深人探討其成因，關(guān)注水土流失、植被退化等問(wèn)題，并思考人類活動(dòng)對(duì)這一地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響。

（二）教學(xué)難點(diǎn)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，學(xué)生可能會(huì)遇到空間數(shù)據(jù)解讀的困難，特別是在遙感影像分析、地理數(shù)據(jù)疊加以及時(shí)空變化趨勢(shì)判斷方面，需要通過(guò)大量實(shí)例練習(xí)提升能力。生態(tài)環(huán)境治理的GIS建模分析涉及復(fù)雜的空間模擬和數(shù)據(jù)計(jì)算，如何將GIS平臺(tái)的分析結(jié)果與實(shí)際治理措施相結(jié)合，是課程中的高階思維訓(xùn)練，需要教師在課堂上提供案例指導(dǎo)，并通過(guò)小組合作學(xué)習(xí)方式引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握這一技能。

五、教學(xué)準(zhǔn)備

為了確保課程的順利開展，教師需要提前選取具有代表性的GIS教學(xué)案例，制作涵蓋黃土高原生態(tài)環(huán)境變化的GIS地圖數(shù)據(jù)包，為學(xué)生提供直觀的學(xué)習(xí)資源;熟悉ArcGIS和QGIS等主流GIS軟件，掌握相關(guān)操作方法，并在課程中演示數(shù)據(jù)分析的具體流程;整合黃土高原生態(tài)環(huán)境變化的相關(guān)資料，包括水土流失、植被恢復(fù)和土地利用變化的研究成果，為課堂提供翔實(shí)的數(shù)據(jù)支持。

六、教學(xué)過(guò)程

（一）GIS平臺(tái)基礎(chǔ)講解

課堂伊始，教師在屏幕上展示GIS平臺(tái)的界面，并播放一段簡(jiǎn)要的視頻，介紹GIS的基本概念。

教師：同學(xué)們，你們覺(jué)得GIS是什么？它與我們?nèi)粘Ｋ佑|的電子地圖有什么不同？

隨后，教師在GIS軟件界面上標(biāo)注GIS的主要組成部分，包括空間數(shù)據(jù)庫(kù)、地理分析工具、可視化地圖和用戶界面等，向?qū)W生展示GIS如何存儲(chǔ)和處理地理數(shù)據(jù)。通過(guò)不同圖層的切換，教師直觀地演示GIS如何同時(shí)疊加多個(gè)數(shù)據(jù)集，如地形圖、植被覆蓋圖、水土流失圖等。

（二）引領(lǐng)入境 教學(xué)導(dǎo)人

地理課程的核心目標(biāo)之一是幫助學(xué)生理解生態(tài)環(huán)境的變化及其影響。為了讓學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)黃土高原的環(huán)境問(wèn)題，并引導(dǎo)他們思考GIS技術(shù)在環(huán)境分析中的應(yīng)用，教師可以通過(guò)多媒體資源展開情境導(dǎo)入。課堂開始，教師向?qū)W生展示一段黃土高原的高清航拍影像，畫面中呈現(xiàn)出千溝萬(wàn)壑的黃土地貌，以及部分地區(qū)的水土保持措施，如梯田、植被恢復(fù)區(qū)等。教師隨即提出問(wèn)題：同學(xué)們，這些年來(lái)黃土高原的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了哪些變化？它的主要問(wèn)題是什么？

同時(shí)，教師在大屏幕上展示黃土高原不同時(shí)期的衛(wèi)星遙感影像，分別選取過(guò)去三十年間具有代表性的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，并對(duì)比不同區(qū)域的植被覆蓋度和土地利用情況，讓學(xué)生觀察黃土高原的生態(tài)變遷。為了加深學(xué)生對(duì)生態(tài)環(huán)境變化的理解，教師提出三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考和討論。

1.生態(tài)環(huán)境變化有哪些表現(xiàn)？

教師展示黃土高原典型的水土流失圖片，同時(shí)播放一段關(guān)于降雨后黃土高原被嚴(yán)重沖刷的短視頻。畫面中，陡峭的溝壑中洪水裹挾著大量泥沙奔騰而下，形成泥石流，沖毀農(nóng)田和村莊。隨后，教師結(jié)合GIS遙感數(shù)據(jù)，展示近年來(lái)黃土高原的土地退化情況，并提出問(wèn)題：從影像中，我們可以看出哪些生態(tài)環(huán)境變化的跡象？借以引導(dǎo)水土流失造成生態(tài)環(huán)境變化的具體表現(xiàn)。

2.為什么黃土高原是生態(tài)脆弱區(qū)？

教師繼續(xù)展示一張黃土高原地形剖面圖，結(jié)合GIS地理數(shù)據(jù)，展示黃土高原地區(qū)的土壤特性、降水特征以及歷史上人類活動(dòng)的影響，并向?qū)W生提出問(wèn)題：黃土高原為何會(huì)成為我國(guó)最典型的生態(tài)脆弱區(qū)？是什么導(dǎo)致這里的生態(tài)環(huán)境如此不穩(wěn)定？師生互動(dòng)，共同總結(jié)地理環(huán)境與人類活動(dòng)的雙重作用，并提升對(duì)于治理的關(guān)注程度。

3.我們?nèi)绾卫肎IS分析生態(tài)環(huán)境變化？

教師接著展示一張GIS平臺(tái)生成的黃土高原土地利用變化圖，圖上清晰地標(biāo)注了不同年份的土地類型變化，如耕地轉(zhuǎn)化為林地、荒漠化擴(kuò)張區(qū)域、植被覆蓋改善區(qū)域等。教師提出問(wèn)題：面對(duì)黃土高原生態(tài)環(huán)境的退化，我們可以利用GIS技術(shù)做些什么？引導(dǎo)學(xué)生利用GIS評(píng)估不同治理措施的成效。如教師可以利用GIS分析建設(shè)梯田和水壩后水土流失情況如何變化，進(jìn)而制定更科學(xué)的治理方案。

（三）黃土高原生態(tài)環(huán)境分析

教師結(jié)合GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析，帶領(lǐng)學(xué)生深入探討黃土高原的生態(tài)環(huán)境特征，并分析導(dǎo)致其生態(tài)脆弱性的自然與人為因素。教師在GIS系統(tǒng)上疊加黃土高原的土壤侵蝕數(shù)據(jù)圖層，展示該區(qū)域的侵蝕等級(jí)分布情況。數(shù)據(jù)圖像中，部分地區(qū)被標(biāo)注為“重度侵蝕”，而其他區(qū)域則呈現(xiàn)較輕微的侵蝕狀況

教師：你們能觀察到哪些區(qū)域的土壤侵蝕最為嚴(yán)重？它們的共同特征是什么？

學(xué)生（觀察后回答）：嚴(yán)重侵蝕的地方大多位于陡坡地帶，而且這些地區(qū)的植被覆蓋率很低。

為了讓學(xué)生更系統(tǒng)地理解生態(tài)環(huán)境變化的成因，教師在GIS平臺(tái)上分別展示影響黃土高原生態(tài)環(huán)境變化的自然因素和人為因素?cái)?shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

教師在GIS平臺(tái)上加載黃土高原的降水?dāng)?shù)據(jù)圖層，并提問(wèn)：從這張GIS降水圖中，你們能看出黃土高原的降水特征嗎？為什么這種降水模式會(huì)影響水土保持？

學(xué)生：降水主要集中在夏季，而且降雨量不穩(wěn)定，短時(shí)間內(nèi)的暴雨可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤侵蝕。

教師：沒(méi)錯(cuò)。黃土高原的土壤質(zhì)地疏松，缺乏黏性，在暴雨沖刷下很容易發(fā)生水土流失。此外，地形的坡度也會(huì)影響侵蝕程度，我們來(lái)看一張GIS坡度分析圖。

教師在GIS平臺(tái)上疊加坡度數(shù)據(jù)圖層，展示陡坡區(qū)域與水土流失嚴(yán)重區(qū)域的對(duì)比，并解釋：GIS數(shù)據(jù)顯示，坡度越大的地方，土壤流失的風(fēng)險(xiǎn)越高。這是因?yàn)樗鞯臎_刷能力與坡度成正比，坡度越陡，水流侵蝕能力越強(qiáng)。

在分析完自然因素后，教師在GIS系統(tǒng)中加載人類活動(dòng)影響數(shù)據(jù)圖層，并展示該區(qū)域的土地利用變化情況。GIS地圖上清晰地顯示出過(guò)去三十年間黃土高原土地利用方式的變化趨勢(shì)，尤其是耕地?cái)U(kuò)張與草地退化的情況。

教師：你們能從這些GIS數(shù)據(jù)中看出人類活動(dòng)是如何影響黃土高原生態(tài)環(huán)境變化的嗎？

學(xué)生：GIS地圖顯示，很多耕地以前是草地或林地，可能是人類過(guò)度開墾導(dǎo)致植被減少，增加了水土流失風(fēng)險(xiǎn)。

教師在GIS平臺(tái)上疊加草地退化數(shù)據(jù)圖層，展示草地退化區(qū)域的空間分布情況，并解釋：放牧過(guò)度會(huì)導(dǎo)致草地植被稀疏，根系無(wú)法穩(wěn)固土壤，最終導(dǎo)致王壤流失加劇。這些GIS數(shù)據(jù)可以幫助我們量化這些影響，并預(yù)測(cè)未來(lái)可能的生態(tài)變化趨勢(shì)。

在掌握了黃土高原生態(tài)環(huán)境變化的成因后，教師引導(dǎo)學(xué)生利用GIS數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)環(huán)境變化的趨勢(shì)

教師：如果不采取治理措施，你們認(rèn)為未來(lái)黃土高原的生態(tài)環(huán)境會(huì)如何變化？GIS數(shù)據(jù)可以如何幫助我們進(jìn)行預(yù)測(cè)？

學(xué)生：如果不治理，水土流失會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，土地可能會(huì)逐漸荒漠化。GIS可以幫助我們監(jiān)測(cè)土壤侵蝕情況，并模擬未來(lái)可能的變化。

教師：沒(méi)錯(cuò)。GIS系統(tǒng)可以利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，模擬未來(lái)土壤侵蝕、植被變化甚至降水沖刷的影響。例如，我們可以利用GIS水文模型預(yù)測(cè)不同地區(qū)的土壤流失量，并據(jù)此制定相應(yīng)的生態(tài)治理措施。

（四）GIS實(shí)踐操作

在完成前面的GIS數(shù)據(jù)分析后，學(xué)生將進(jìn)入實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，以小組合作的方式，利用GIS軟件分析黃土高原某一地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化。教師在GIS平臺(tái)上劃分研究區(qū)域，并將學(xué)生分成若干小組，每組負(fù)責(zé)一個(gè)特定區(qū)域的環(huán)境變化分析。

教師：同學(xué)們，現(xiàn)在我們要利用GIS軟件對(duì)黃土高原的生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行分析。請(qǐng)各組選擇一個(gè)研究區(qū)域，并完成以下任務(wù)。

教師在黑板上寫下實(shí)踐任務(wù)：（1）疊加不同時(shí)間段的遙感數(shù)據(jù)，分析植被覆蓋變化；（2）計(jì)算不同區(qū)域的水土流失強(qiáng)度，評(píng)估侵蝕風(fēng)險(xiǎn)；（3）結(jié)合GIS數(shù)據(jù)，評(píng)估生態(tài)修復(fù)措施的成效，并提出優(yōu)化方案。

學(xué)生：老師，我們能選擇一個(gè)退耕還林政策實(shí)施較早的區(qū)域進(jìn)行分析嗎？這樣可以更直觀地看到植被恢復(fù)的效果。

教師：很好，這是一個(gè)有價(jià)值的研究方向。你們可以選擇某個(gè)重點(diǎn)生態(tài)治理區(qū)，利用GIS軟件對(duì)比治理前后的變化。

在任務(wù)明確后，學(xué)生開始動(dòng)手操作GIS軟件，加載指定研究區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)。各小組根據(jù)研究任務(wù)，分別進(jìn)行土地利用分類、植被覆蓋變化分析和水土流失計(jì)算。

教師巡視課堂，觀察學(xué)生的操作，并提供技術(shù)指導(dǎo)。

教師：請(qǐng)注意在GIS平臺(tái)上正確加載影像數(shù)據(jù)，并使用分類工具對(duì)土地類型進(jìn)行標(biāo)注。遇到問(wèn)題可以隨時(shí)提問(wèn)。

學(xué)生：老師，我們發(fā)現(xiàn)GIS軟件可以計(jì)算NDVI（歸一化植被指數(shù)），能不能用它來(lái)衡量植被變化？

教師：很好的思路！NDVI是遙感分析中常用的指標(biāo)，你們可以用它量化不同時(shí)間段的植被覆蓋程度。

各小組完成數(shù)據(jù)分析后，將結(jié)果可視化為地圖，并撰寫簡(jiǎn)要報(bào)告，闡述分析過(guò)程和主要發(fā)現(xiàn)。

各小組依次展示GIS分析結(jié)果，并解釋研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化情況。

教師對(duì)各小組的研究成果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并總結(jié)GIS在生態(tài)環(huán)境研究中的價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生思考GIS如何為未來(lái)生態(tài)治理提供更科學(xué)的決策依據(jù)。

（五）總結(jié)與拓展

在課程的最后階段，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并拓展思考GIS在更廣泛的生態(tài)環(huán)境研究中的應(yīng)用。

教師：同學(xué)們，今天我們學(xué)習(xí)了GIS技術(shù)在生態(tài)環(huán)境研究中的應(yīng)用，現(xiàn)在讓我們回顧一下GIS是如何幫助我們監(jiān)測(cè)環(huán)境變化的。

學(xué)生：GIS可以對(duì)比不同時(shí)間段的遙感數(shù)據(jù)，分析植被變化、水土流失情況

教師：沒(méi)錯(cuò)，GIS不僅能監(jiān)測(cè)生態(tài)變化，還能計(jì)算土地利用變化的比例，為生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)

教師：GIS數(shù)據(jù)分析對(duì)生態(tài)治理有什么意義？

學(xué)生：它可以幫助我們?cè)u(píng)估不同治理措施的成效，如退耕還林的效果是否顯著。

教師：正是如此，GIS數(shù)據(jù)分析為環(huán)境決策提供了重要支持，使治理更加精準(zhǔn)高效。

隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行拓展思考：GIS技術(shù)是否適用于其他生態(tài)脆弱地區(qū)，如西北荒漠化地區(qū)？

學(xué)生：可以，GIS能用于監(jiān)測(cè)沙漠?dāng)U張趨勢(shì)，幫助制定防沙措施。

教師：那么，未來(lái)如何利用GIS進(jìn)行生態(tài)修復(fù)規(guī)劃？

學(xué)生：GIS可以模擬不同治理方案的效果，優(yōu)化生態(tài)恢復(fù)策略。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)回顧和拓展，學(xué)生對(duì)GIS技術(shù)在生態(tài)環(huán)境研究中的應(yīng)用形成更加系統(tǒng)的認(rèn)知，為今后進(jìn)一步探索GIS在地理研究和環(huán)境管理中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。）

七、教學(xué)反思

（一）教學(xué)亮點(diǎn)

本節(jié)課通過(guò)GIS平臺(tái)的應(yīng)用，使地理學(xué)習(xí)更加直觀，提升了學(xué)生的空間認(rèn)知能力。小組合作的方式增強(qiáng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究能力，使他們能夠在實(shí)踐中理解GIS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。此外，利用真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境分析，學(xué)習(xí)內(nèi)容更具實(shí)用價(jià)值。

（二）改進(jìn)方向

在教學(xué)過(guò)程中，部分學(xué)生對(duì)GIS軟件的操作仍存在困難，因此，教師需要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)培訓(xùn)，使學(xué)生更快上手，并提供更多實(shí)踐案例，幫助學(xué)生深入理解GIS在不同生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用，同時(shí)加強(qiáng)課堂互動(dòng)，通過(guò)更多討論和演示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

（作者單位：煙臺(tái)市牟平育英藝術(shù)中學(xué)）

編輯：趙飛飛