加强中学生地理空间素养的培养——地理信息技术在地理教学中的应用

华东师范大学资源与环境科学学院（200241） 王燕华 段玉山

加强中学生地理空间素养的培养
——地理信息技术在地理教学中的应用

华东师范大学资源与环境科学学院（200241） 王燕华 段玉山

一、研究背景

首先，地理空间素养是培养全面发展的人的重要要素之一。华东师范大学前任校长俞立中教授曾经讲过：无论学生将来从事什么职业，空间分析能力都会是十分重要的。[1]这里所说的空间分析能力就是地理空间素养的一部分。其次，地理信息技术的时空性、多维性对地理空间素养的培养具有重大意义。从魏格纳的“大陆漂移学说”到勒皮雄“板块构造学说”，就是科学技术进步的一种表现。科学技术的进步扩大了人们的视野，明确了存在于大洋底部的海底地貌，使人们跳出了陆地和海洋的局限，将地球分为六大板块，从而科学的解释了地壳运动机理。再次，计算机技术的发展为地理信息技术应用于地理教学提供了软硬件条件，可以使3S技术更好的辅助于地理教学，有利于现在公民地理空间素养的提高。

二、中学生地理空间素养定义和作用

那么什么是地理空间素养呢？东北师范大学韩金荣在其论文中是这样定义的：地理空间素养是学生在学习有关空间位置、空间分布、空间过程、空间格局、空间上的成因联系等内容的过程中，在掌握地理空间知识和形成地理空间技能的基础上，运用这些知识与技能解决有关地理空间问题的内在修养。[2]它是一种修养，同时也是一种能力。在现代社会，教会学生如何获得知识比学会多少知识更为重要，中国自古就有“授人以鱼，不如授之以渔”的说法。培养学生搜集、处理、分析、利用各种信息的能力比单纯的教授一些事实性的知识更为有用。加强学生空间概念、空间认知能力的培养，有利于使学生树立全球意识，培养现代世界公民，构建终身学习的社会。

同时，国外也非常重视学生地理空间素养的培养。在美国地理科学委员会一份名为《空间思维——GIS与K-12 课程的整合》的报告中提出，空间素养在当今信息经济中发挥着越来越重要的作用，应该成为幼儿园和中小学教学的组成部分。[3]同时，它还进一步阐述了具有空间素养的人应该具备的基本特征，概括如下：知道何时何地应该如何运用空间思维；了解空间概念和空间呈现的方式，并可以进一步的进行空间推理；能够运用空间数据解决问题，对空间数据质量、可靠性进行评估，而以上内容正是地理学科的研究对象。可见，地理学科在培养空间素养能力，促进人的全面发展方面具有重要作用。

地理空间素养可以从地理空间对比、地理空间分析、地理空间推理、地理空间信息表达、地理空间想象等五个方面论述，其中地理空间信息表达是现代中学生需要加强的。通过对近几年上海高考和学业水平测试的研究发现，选择题和填空题的比重越来越小，而综合题的比重有所提高，这不仅要求学生要知道、了解地理概念、地理原理，而且还要达到会应用并可以正确的表达出来的要求。

地理空间素养对人的发展到底有何作用呢？可以通过东西方教育的差别来分析：中国教育重视逻辑分析、计算能力的培养；西方教育在想象力尤其是空间想象力培养方面比较重视。这使得中国学生在参加一些国际性竞赛的时候，在计算、阅读和记忆等方面表现很好，而在解决实际问题、创新能力和沟通协调方面表现不足。这就要求中学教学要注重学生的全面发展，尤其是地理学科，要把培养学生的地理空间素养放在首位，提高学生的地理空间想象能力，树立全球的、整体的空间意识。

三、当前地理信息技术应用于地理教学的条件

1.地理信息技术应用于现代地理教学已成为一种趋势

地理信息技术是指获取、管理、分析、应用地理空间信息的现代技术的总称，主要包括遥感（RS）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）等，人们通常简称3S技术。我国在社会、经济、科学技术等方面的发展，为地理信息技术应用于现代地理教学提供了必要的条件，主要体现在以下几个方面：

· 随着今年财政预算报告的出台，国家财政性教育经费支出将占国内生产总值4%以上，为3S技术辅助地理教学提供了物质基础。

· 新课程标准的要求为3S技术应用于地理教学提供了制度依据。高中地理课程标准明确规定：要建立具有时代性和基础性的高中地理课程，提供未来公民必备的地理知识，增强学生的地理学习能力和生存能力。[4]这里的时代性就包括地理信息时代的地理教学。

· 教师专业水平的提高为3S技术应用于地理教学提供了人力资本。目前，我国高等师范教育培养了大批高素质、具有专业知识素养的地理教育人才。地理信息技术成为高校地理师范教育专业的必修课程，有利于3S技术的应用和推广。

· 地理学科的学科性质可以为3S的应用提供广泛的数据基础。地理学是一个把自然、社会、人文各种要素联合在一起进行研究的学科，它的研究对象是人地关系，所以涉及了海量的数据。地理信息技术为地理知识的获取、演示和分析提供了极为有效的平台，有利于直观地表现地理学科内涵、发展空间能力、增强学习兴趣。

2.地理信息技术在培养中学生地理空间素养方面的优势

在信息时代的海量数据面前，学生要学会如何从海量数据中获取需要的信息，并把这些信息通过空间架构组合起来，建立相互联系，这是地理学研究的问题。[1]而现代地理信息技术具有形色并茂的特点，可以综合处理文字、图形、图像和声音，表现手法具有多样性、综合性、广泛性等，可以作为解决地理学问题的工具。遥感技术在形成地理事物空间形象方面具有很大优势，过去通过制作空间地理模型（地球仪，地图等）来使学生形成空间概念，现在遥感技术的发展使地理空间数据可以在很短时间内就可以得到更新，并可以从各个角度获取空间数据，构建数字化地球，更有利于学生直观的学习相关地理知识。全球定位系统则可以对地理事物、地理现象进行空间位置判定。通常，地理位置会在研究一个地区自然地理环境各要素过程中处在首位。地理信息系统可以根据地理事物要素在空间上的分布状态、排列组合进行分析、优化，并可以以直观的三维结果呈现。中学地理教学内容与地理信息技术的结合，将彻底改变传统的教学模式，使课堂教学更加多姿多彩，有利于学生地理空间素养的形成。

华东师范大学硕士研究生马旭丹做硕士论文《GIS辅助地理研究性学习探究》时对“GIS辅助地理研究性学习的优势”进行了问卷调查，根据其调查结果发现，有32%的教师认为GIS在“提高学生的地理空间思维能力”方面具有优势，而选择“学习GIS的理论与技术”、“提高学生的动手操作能力”、“提高学生的地理学习能力”的比重相差不是很大，分别为：20%、23%、19%，选择“其他”比例比较少。[5]从调查数据中可以得出，地理信息技术对于学生地理空间素养的培养具有很大优势。

四、中学教师对地理信息技术运用于教学的困惑

广大地理教师对3S技术辅助地理教学的优势有很好的认识，并且认为它的可行性也很高。但是，在现实教学中真正将3S技术实施的学校却是很少。我们通过对以下数据（数据来源于华东师范大学硕士研究生马旭丹的硕士论文《GIS辅助地理研究性学习探究》）进行分析（虽然问卷调查是以GIS对地理研究性学习开展的，但是它也能在一定程度上从侧面反映出3S技术为何不能在学校地理教学中顺利开展的原因）。

GIS辅助地理研究性学习可行性

对GIS理论和技术的熟悉程度

GIS如何辅助地理研究性学习

提供GIS辅助地理学习教学模式的必要性

通过对上述数据分析，在学校中认为GIS辅助地理研究性学习可行的还是占大部分，达到59%，只有11%的人认为不可行。然而，再看教师对于GIS理论和技术的熟悉程度，达到熟悉和非常熟悉的只占23%，大部分教师对于GIS理论和技术只是有一点的了解，这说明我们教师在技术方面还不过关。如果不能做到对3S技术熟悉，又从何来谈与地理教学的结合，所以还需要加强对教师的培训。在GIS如何辅助地理研究性学习方面，则有90%以上的教师不清楚和只有一点了解，这也许就是地理信息技术不能在地理教学中很好应用的原因。通过与地理教师的交谈和沟通，了解到学校教师在开展地理信息技术教学中存在着诸多的困难，比如学校的硬件设施跟不上，教学时间不够充裕，还有就是没有开展这种课程的案例可供参考，而自己又不想主动实施。教师普遍反映如果有一些编制好的案例供参考就会很好，节省了自己研究、摸索的时间。在调查教师对于提供GIS辅助地理研究性学习教学模式的必要性的结果中可以看到，教师对于是否提供教学模式还是认为很有必要的，达到80%。

五、3S技术与相关地理教学内容融合的途径

普雷斯顿•詹姆斯曾经用三个问题总结了地理学科的重要特点，分别是：“它是什么样子的？”“它在哪里？”“它意味着什么？”[6]3S技术可以从以下几个方面进行回答：“它是什么样子的？”遥感技术可以对地球空间的事物进行全方位观察和表述，及时更新全球最新数据；“它在哪里？”全球定位系统可以解决空间定位的问题，记录物体从哪里出发，向哪个方向移动，走了有多远等在空间位置上的移动过程；“它意味着什么？”地理信息系统则可以用获取来的数据对空间结构进行分析，主要涉及对地理空间事物进行多个维度的思考，综合、比较地理空间的差异点和共同点，使学生建立地理空间比较思维、分析思维和空间结构思维。根据GIS、RS、GPS的特点并结合中学地理教学内容，可以在教学过程中有所侧重的使用，达到培养中学生地理空间素养的目的。现将3S技术与中学地理教学内容相结合进行总结归纳（见下表）[7]。

3S技术与中学地理教学结合的内容

以上是3S技术与中学地理教学相关的内容，在实际教学活动中可以参照此表进行教学设计，思考3S技术与相关知识点如何更好结合，达到良好的课堂教学效果。

通过相关的教育研究，学生空间思维能力薄弱的原因往往是不能把握事物或现象的空间特征。因此，在观察地理事物现象的过程中，要引导学生抓住对象的空间特征。[8]下面我们以几个案例进行说明。

1.利用GIS三维分析功能培养学生地理空间形象思维能力

操作步骤:

第一步：在ArcScene中，点击工具栏上的“添加数据工具”，从ArcGIS软件携带的ArcTutor→Spatial Analyst→Stowe．gdb中加载高程“elevation”图层。

第二步：在ArcScene中，应用ArcToolbox→Spatial Analyst工具→表面分析→山体阴影工具计算高程图层对应的阴影栅格图，然后在ArcScene中加载刚生成的阴影图。

第三步：在ArcScene中，右键点击高程图层，点击“图层属性”，在“基本高度”选项卡中进行设置，在“自定义表面获取的高程值”中选择高程图层；山体阴影图做同样操作；在“显示”选项卡设置高程图层的透明度为30%，可以使三维显示效果更加逼真。

案例分析：直观的教学不是以抽象的概念和词语为依据，而是以学生直接感知的具体形式为依据。学生往往对地球运动这部分知识的学习倍感吃力，究其原因不外乎就是学生缺乏空间想象力，空间逻辑推理能力比较薄弱。这就要求教师要结合学生的认知特点，在教学过程中注意对学生这方面的培养。比如，学习地势地形的时候，可以运用GIS的三维立体功能建立空间立体感，这样图形既有经纬度又有海拔高度，同时对它的形状也有一定的认识。这种既带有相关数据，又带有形状的全球地物的空间格局，可以使学生形成“数字化”的心理地图，培养地理空间形象思维，更有利于学生进一步的进行地理空间分析和综合。

2.利用遥感图像培养学生地理空间比较分析能力

汶川大地震前后北川县遥感图像对比图[9]

以上两幅图片分别是四川汶川地震前与地震发生后卫星遥感数据对比分析，从图中可清楚看到其中对比情况，定位山体滑坡与泥石流的灾害发生地，其中因滑坡造成的土石崩塌，使得绿色的山区主体中出现较为明显的灰色区域。经过遥感处理可以获得该区域的植被指数及其他变换信息，为判读提供辅助依据。

案例分析：认识区域间的差异及某个区域典型的地理特征，常常要借助比较的方法。通过比较，可以区别区域间地理事项的特点和性质，分辨地理事物的程度和级别，找出区域间差异显著的征象和标志。[10]遥感图片主要是通过对事件发生前后的比较、同一区域内不同事物的差异比较来应用于实际的，所以利用遥感图片可以培养学生的空间比较能力，这对于学生学习区域地理，提高地理空间素养有很大的帮助。

3.利用GPS、GIS培养学生地理空间定位、空间综合分析能力

以人教版（必修三）中的一个活动为例：如何利用3S技术使城市最快出警。本设计是在传统的地理教学设计的基础上，加入了与3S技术的融合。在学生已经学会使用GPS进行定位、记录经纬网坐标和海拔高度等相关数据后，在了解GPS定位基本原理、功能和方法的基础上，结合与GIS的应用，开展这一活动。

操作步骤:

第一步，建立上海市道路网络数据集。在ArcCatalog中，右键点击含有上海市道路网络的数据集，选择“新建”，然后点击创建“网络数据集”，按照向导完成网络数据集创建。

第二步，在ArcGIS中点击“添加数据按钮”。从ArcGIS Online中搜索“Shanghai”加载OpenStreetMap地图作为后续操作的显示底图，然后再加载第一步建立的道路网络数据集和城市地理事物热点图层（见下图）。

第三步，获取报警地点位置的地理坐标。将接受报警的位置，比如说“徐家汇漕溪北路百脑汇电脑城”，通过常用工具条的“查找”工具（见下图）在报警点图层上确定其在地图上的具体位置。

第四步，以报警位置为中心，做周边四公里的缓冲区。以已知的报警点为中心利用ArcToolbox→分析工具→邻域分析→缓冲区工具，生成以半径R（比如4Km）的缓冲区B，R的计算要根据报警的最小响应时间决定，比如接受报警10分钟之内，警车要到达出事地点（见下图）。

第五步，搜索缓冲区范围内的所有的警车。由于每辆警车都装有GPS接收机，能够通过GPRS模块实时发布警车所在的位置，我们能够将其显示在地图上，利用ArcGIS菜单栏的选择→按位置选择选项，从所有警车中选择落在缓冲区B内的警车（见下图）。

第六步，查找距离报警地点最近的警车。在获取当前报警地点和缓冲区内警车的位置后，利用ArcGIS，Network Analyst工具条中建立OD矩阵工具，计算报警位置与所有候选警车的距离，然后从中找出距离最小的一辆（见下图）。

第七步，在地图上标示出警车到达报警地点的行走路线。利用ArcGIS，Network Analyst工具条中最短路径工具，生成警车的行走路线，如下图中线1所示。

除以上应用外，GPS在指挥疏导交通拥堵的路段和路口方面也可发挥重要作用，同时还可通过回放历史轨迹等形式检查民警出勤情况，自动统计出安装有GPS警车的出勤情况，实现对人的在线监控及管理。当发生重大事件时，指挥中心可以迅速调集路面巡逻的各警种车辆，控制事态发展，如道路封闭、围堵犯罪分子。

案例分析：通过空间查询与空间分析得出决策结论，是GIS的出发点和归宿。上述案例通过介绍地理数据的采集和编辑及对地理事物如何定位，利用GIS在缓冲区分析、地形分析方面的优势来设计地理教学。创建网络数据集，添加数据的过程必将极大的提高学生对地理信息的收集、处理能力，帮助学生学会分析地理信息，应用信息解决地理问题，提高其信息素养。报警地点的获取及警车位置的确定涉及到精确的空间定位，在这个过程中还可以让学生自己操作GIS地图进行学习，只要给他们明确的查找任务，通过选择放大，标注、查询经纬度，就能够很好的帮助学生掌握一些重要地理事物位置，建立起客观世界的空间概念。缓冲区的学习主要是为了让学生认识到某一地理实体或空间物体对其周围地物会产生一定的影响，并在其周围形成具有一定宽度的带状区域。缓冲区还可应用到道路、河流、环境污染源、居民点、辐射源等的空间分析，这样有利于学生建立空间现象关联性，培养学生的空间想象力等地理核心能力。

六、结束语

“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，人们对事物的感知具有局限性，太大或者是太小的事物都不利于人们对其的认识，这就是地理空间素养难以形成的原因。当代科学技术的发展可以使人们跳出认识的局限，大到从宇宙中观看地球全貌，小到对分子、原子的研究，无不是人类科学技术发展的结果。所以，地理信息技术与地理教学内容的结合是科学技术发展的必然结果，它作为地理空间信息处理的基本手段之一, 必将成为中学地理教学的重要内容和必要工具。

[1] 俞立中．对中学地理教育改革的几点思考．地理教学．2012．5

[2] 韩金荣．袁孝亭．美国基础教育地理课程标准对空间素养的关注及其启示．外国教育研究．2009．5

[3] Geographical Science Committee．Learning to Think Spatially-GIS as a Support System in the K-12 Curriculum[M]．Washington D．C:The National academies press．2006．12

[4] 中华人民共和国教育部．全日制普通高中地理课程标准（实验）[S]．人民教育出版社．2003．1

[5] 马旭丹．GIS辅助地理研究性学习探究．华东师范大学．2009

[6] 龚倩．赵媛．略论地理空间思维．地理教学．2010．21

[7] http://www．doc88．com/p-908706711199．html

[8] 徐君．空间概念、空间推理与空间分析——培养学生地理空间思维的策略．地理教学．2009．4

[9] http://news．ifeng．com/special/0512earthquake/roll news/200805/0515_3410_542824．shtml

[10] 段玉山．王家伟．运用“中学GIS教学平台”培养中学生地理空间比较分析能力的研究．地理教学．2012．10

（2）宜“顺藤摸瓜”，忌“赶鸭上架”

教学主线的设计，要追求顺藤摸瓜，和谐自然，而不是赶鸭上架，强加硬灌；要提倡“顺”着学生思维的发展设计，而不要“赶”着学生的思维跳跃、奔跑。因此，成功的教学设计应该立足于对学生的学情、学力和心理特征的分析和掌握。只有深入了解学生情况，才能正确把握学生在主动学习中可能出现的思维障碍，充分发挥教师的指导作用和学生的能动作用，优化教学设计，克服教学难点。