例谈运用“中学地理信息系统（GIS）教学平台”辅助地理教学

2011-09-06华东师范大学地理学系200062王家伟段玉山查志江

地理教学 2011年12期

华东师范大学地理学系（200062）王家伟段玉山查志江

2003年出台的《普通高中地理课程标准(实验)》已把GIS正式纳入高中地理课程之中。经全国中小学教材审定委员会审定的普通高中地理教材中，GIS已成为必修和选修教材的主要内容之一。此外，教育部在2010年发布了《高中理科教学仪器配备标准》，其中的高中地理教学仪器配备标准规定了3S（包括地理信息系统、遥感和全球定位系统）教学软件的内容。

GIS技术作为地理学的第三代语言，将其应用于基础地理教育是现代信息社会对基础地理教学的要求，是教育适应21世纪挑战的需要，是当前基础地理教学改革与发展的一个重要突破口。GIS既要作为重要的地理信息科学的内容渗透在基础教育中，也要作为非常有用的辅助教学手段来支撑地理课程。[1]

一、学习GIS，用GIS学习

1. GIS是重要的地理教学内容之一

根据《课程标准》，GIS不仅要在普通高中地理必修教材中呈现，也是《地理信息技术应用》选修模块的重点内容。学生不仅要知道GIS的概念、原理与发展的基本知识，了解GIS的具体应用领域，并能够比较具体地说出GIS在某一具体领域的作用与功能；而且要学会GIS软件的基本操作，主要是熟悉GIS窗口界面、学会使用GIS窗口主要快捷按钮(如放大、缩小、漫游、移动等图层显示，图层叠加，标注显示等等)、掌握简单查询分析(点查询、条件查询、简单缓冲区查询等)、学会建立数据库(表)的方法等；对GIS的操作应用本身是对地理信息(数据)收集、处理、分析与应用的过程，在GIS的操作应用教学中，培养学生在地理信息处理分析过程中的创造能力和综合能力，培养地理信息收集、处理与分析的素养。

2. GIS技术是一种重要的地理教学技术手段

地理信息技术作为教学技术手段应用于地理教学中，也是必修教材和《地理信息技术应用》选修模块重要的价值取向之一。以GIS为例，GIS具有对地图处理与操作的强大功能，地图是地理教育的重要方法，利用GIS的地图叠加、地图漫游、地图缩放和地图要素的增减等进行辅助教学，效果是一般教学手段不可比拟的。另一方面，GIS技术是一种解决实际问题、提供地理数据处理功能的技术和方法。GIS的数据输人、处理与分析功能，能很好地完成地理课程在能力培养方面的要求[2]。

地理信息技术教育对学生信息技术的掌握、地理研究技术的了解与应用、地理区域系统思想的建立和地理空间思维能力的培养，以及地理问题的分析与处理能力的培养等具有不可替代的独特功能。例如，干湿地区分布的教学，需引导学生思考降水量和蒸发量的对比关系，形成正确干湿地区分布的概念。如果借助GIS软件(如Mapinfo)提供的图层控制和数据合成、专题图等，教师可以很快利用世界地图及各地区降水、蒸发状况数据库，绘出一张“全球各大洲(或某些区域)降水与蒸发柱状(或饼状)对比图”，再叠加上雨带分布图，学生就能一目了然。这简化了教学的程序，帮助学生形成地理要素间的相关性的逻辑概念，提升了学生的理性认识能力。

二、当前GIS在辅助地理教学中存在的问题

在我国，随着新课程标准的颁布，全国各地利用GIS辅助教学和开设选修课活动有了明显增多，但由于GIS软件平台、数据资料和师资力量等方面的问题，在绝大部分中学的地理教学中GIS教育仅停留在概念、理论层面的学习，很少有GIS软件实际操作层面的学习，也很少有教师利用GIS软件平台进行地理课程的辅助教学。

1. 没有适合基础地理教学的GIS软件平台

GIS的基础平台软件虽然有很多，例如ArcView、ArcInfo、ArcGIS、GeoStar、MapGIS、SuperMap等，但是这些软件一般都是面向专业用户的大型商业软件，功能多、操作复杂，教师和学生难以掌握，也没有必要去掌握。而二次开发的用于辅助基础地理教育的GIS应用软件还很少，目前仅有“清华同方电子教学地图编辑系统”和超图(SuperMap)公司的“超级地图”是专门为基础地理教育而开发的应用系统，但是这两款GIS辅助地理教育的系统只是按照地图和普通辅助教学的需要设计，操作者不需要掌握GIS 或多媒体工具软件操作技能，所以它只是讲授普通地理知识的地图教学平台，称不上是真正的GIS教学平台，很难实现真正的GIS辅助教学，更无法培养学生的地理素养，不能很好地激发学生的学习热情、培养学生的能力、开发他们的智力。

2. 用于基础教学的GIS数据不足

目前还很少有专门用于基础地理教学的GIS地图数据，利用教材相关地图进行数字化又需要耗费教师大量的时间和精力，很少有人去做，所以许多人在探讨GIS用于地理教学时主要用Mapinfo，ArcView等软件中附带的数据，不能紧扣教学大纲、教材内容，没有什么实际教学意义。即使部分地理教师有一些GIS地图数据，也存在不是数量有限，就是和现有的地理教材内容不相匹配，很难运用于基础地理教育。

三、中学地理信息系统（GIS）教学平台

1．平台功能简介

“中学地理信息系统（GIS）教学平台”是基于国家高中地理课程标准和教育部中学地理装备仪器标准，由华东师范大学地理信息技术教育部重点实验室和上海恺擎软件开发有限公司合作研制的一款适合基础地理教育的专门用于讲授GIS和基础地理知识的GIS教学辅助平台。“中学地理信息系统（GIS）教学平台”包括“基于GIS的地理教学辅助系统”“GIS研究性学习系统”“遥感空间信息教学实验系统”和“GPS实验教学系统”四款软件系统。

“基于GIS的地理教学辅助系统”具备GIS地图以及分析功能，并附带大量的和地理教材相匹配的地理底图、地形图和专题图，满足地理教师在进行地图认知、中国地理、世界地理和高中地理课件整合时的地图需求。教师可以借助专题地图丰富多样的表现形式以及简便的GIS操作方式，实现地理信息数据的查询、统计分析和结果的直观显示，这两款软件还包括了一些高级的GIS空间查询、空间分析功能，教师可利用其教授一些其他教学方法无法呈现的特定知识点，如通过缓冲区分析表达某一地理要素的属性影响范围，包括污染源的有害范围、集水区范围、经济辐射区域等。教师可以按照自己的需要自由组织地理数据，进行简单的地理分析，同时学生也可以利用该平台进行自主的研究性学习。

软件还针对中学地理教师和学生电脑软件操作技能不足、不熟悉GIS操作等实际情况，依据《课程标准》，对地理教材中适合运用GIS进行辅助教学的主题内容进行归纳整理，开发了大量能够用GIS进行辅助地理教学的典型教学案例。对于初次接触GIS相关软件的教师，在教学过程中可以直接通过案例向导，按步骤进行简单的操作，即可快速加载对应的地图数据以及完成相应的空间分析和专题制图等操作；对于有一定计算机基础的教师还可灵活地改变案例中默认的操作参数设置，进行多样化的辅助教学；而对于学习过GIS课程或对GIS软件操作比较熟悉的教师，也可以不按照案例来进行GIS的辅助教学，而是通过软件附带的大量基础地图等数据，自己自行设计案例进行GIS的辅助教学，从而满足不同教师的不同层次的教学需求。

“GIS研究性学习系统”是GIS的基础教育的教学和实验平台，能够为学生更好地理解和掌握GIS打下坚实的基础。主要包括以下功能：

（1)GIS地图的基本操作。如放大、缩小、漫游、地图量算、比例尺控制等。

（2)图层控制。如利用图例控件可将各种基础地理要素和专业专题要素进行分层综合显示和控制等。

（3）鹰眼视图。鹰眼窗口以红色矩形显示当前地图范围，反映地图全局和局部的关系，通过其还可进行地图导航操作。

（4）图形负载量控制。系统自动根据当前地图的比例尺，调整显示图层数和某一图层中信息量的疏密关系及效果（地图负载量）。

（5)图形数据的查询。如通过点、线、面等多种选取方式，显示该要素或者该区域内的若干要素的属性数据，并进行属性和空间的双向查询等。

（6)专题地图制作。如制作诸如分级符号、统计地图等方法表现地理数据的数量、结构、统计数字等特征的专题地图，并可灵活的向专题地图上添加文字标注、地图符号等。

（7)空间分析。如可进行符合OGC规范的空间拓扑操作和空间关系查询、缓冲区分析、空间叠置分析、网络分析等。

“遥感空间信息教学实验系统”是RS基础教育的教学和实验平台，能够为学生更好地理解和掌握RS打下坚实的基础。软件主要包括以下功能：

（1）航空、卫星、雷达，多分辨率、多波段等各种遥感数据的演示。

（2）遥感解译(包括地图数字化)。如可对软件自带或者外部导入的遥感影像进行配准，并可利用基本的遥感影像判读知识进行遥感影像的解译和数字化，提取有用矢量数据的同时也可以输入其相关的属性数据。

“全球定位实验教学系统”是GPS基础教育的教学和实验平台，能够为学生更好地理解和掌握GPS打下坚实的基础。软件主要包括以下功能：

（1）GPS数据采集。如将手持GPS设备采集的数据导入软件，与现有的图层叠加显示并进行操作分析。

（2）在软件界面上显示手持GPS设备的位置以及相关信息。

2. GIS案例辅助教学举例

（1）专题地图的制作

专题地图，又称特种地图，着重表示一种或数种自然要素或社会经济现象的地图。利用“2010年中国各省GDP数据”，制作“2010年中国各省GDP分级设色专题图”，并添加各省名称注记。专题图用颜色的深浅来代表2010年各省GDP数值的大小，颜色深代表GDP数值大，颜色浅代表GDP数值小。通过观察“2010年中国各省GDP分级设色专题图”，我们可以看到东部省区显示的颜色最深，中部省区次之，西部省区显示的颜色最浅，表明我国东、中、西部省区在区域经济发展水平上的差异，如下图。

（2）叠置分析

叠置分析是指将代表不同主题的各个数据图层进行叠置产生一个新的数据层面，叠置结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性。制作“中国西部大开发省区和非西部大开发省区分色显示专题图”，并制作、叠加“中国各省多年GDP饼状专题图”。通过两图层的叠加显示，我们可以看到实施西部大开发省份的GDP数值都比较小，国家正是为了缩小和东部经济发达省份之间的差距，才实施了西部大开发战略，如下图。

（3）属性查询分析

属性查询是指根据电子地图数据属性表中的字段构造查询条件来查询某一属性表特定的记录值。首先，叠加显示“全球六大板块”、“世界行政区”、“全球2001至2005年4级以及4级以上地震分布”和“全球火山分布”图层数据。其次，选择“全球2001至2005年4级以及4级以上地震分布”图层数据，进行属性查询分析，设置属性查询条件“震级>7且震源深度<70公里的地震”。通过查询分析，我们可以看到红色突出显示的点即为查询出“震级>7且震源深度<70公里的地震”在全球的分布情况。我们可以看到这些地震基本上都是位于板块的交界处，从而进一步验证了板块的交界处是地壳运动的活跃地带，也是地震火山的多发地带，如下图。

（4）空间查询分析

空间查询，也称几何查询，是指基于电子地图数据图层间的拓扑关系来选择一个或多个图层中的地理要素。首先，叠加显示“中国主要干线铁路”、“中国省级行政区划”和“中国县级行政区划”图层数据。其次，通过“位置选择”对话框进行相应查询条件值的设置——即利用京广铁路线来选择京广线所穿越的县市区，我们可以看到红色突出显示的多边形即为京广铁路线穿越的县市区，如下图。

（5）缓冲区分析

缓冲区分析是指以电子地图的点、线、面实体为基础，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形图层，然后建立该图层与目标图层的叠加，进行分析而得到所需结果。首先，叠加显示“中国主要干线铁路”、“中国省级行政区划”、和“中国城镇分布”图层数据。其次，通过“位置选择”对话框进行相应缓冲区分析条件值的设置——即缓冲区分析选取京沪铁路20公里范围以内的城镇。我们可以从分析结果中看到图中红色多边形为利用京沪铁路线生成的缓冲区多边形，红色点为通过缓冲区分析选中的城镇，如下图。