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

华东师范大学资源与环境科学学院（200062）段玉山 王家伟

地理学的一个显著特点就是地域性，地理事象由于其所处的空间位置不同，会存在很大的差异。地理空间比较分析能力就是确定地理事物、地理要素和地理现象在空间上的差异点和共同点，比较不同区域差异，揭示其蕴含的地理规律的能力。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。例如，在分析北美洲西岸海洋性气候的局限性时，只有通过与欧洲西部类似气候在程度和地区范围上的比较，这个特点才会显示出来。

一直以来，学生在学习高中区域地理部分中的一些经济社会上的统计数据时，传统的方法一般都是列出一些数据的统计图表来说明区域之间的差异，相关的统计图表不能与对应的地理区域相关联，数据显示抽象，关联性不强，不利于学生比较分析。利用GIS的动态显示、分类设色、专题制图、叠加分析等功能，可以动态直观地确定地理事物、地理要素和地理现象在空间上的差异点和共同点，比较不同区域差异，揭示其蕴含的地理规律。从而更好地培养中学生对地理环境差异性的理解和分析的空间比较分析能力。

一、“中学GIS教学平台”简介

2003年出台的《普通高中地理课程标准(实验)》[1]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》[2]，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，既要作为重要的地理信息科学的内容渗透在基础地理教育中，也要作为非常有用的辅助教学手段来支撑辅助地理课堂教学。即“学GIS，用GIS学”已经成为现代信息社会GIS基础地理教育的广泛共识，是当前基础地理教学改革与发展的一个重要突破口。

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。当前专业的GIS基础平台软件很多，但适合用于中学基础地理教学的应用软件平台却很少。基于此，华东师范大学地理教育研究所段玉山教授主持设计研发了基础地理教育的软件平台——“中学地理信息系统（GIS）教学平台”。本软件专门用于讲授GIS基础知识和用GIS进行辅助地理教学应用，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而设计研发。“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的教学平台”具备GIS地图以及分析功能，并附带大量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它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》[1]，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。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。

二、培养中学生地理空间比较分析能力的教学策略

1.制作各类专题地图，对比分析地理要素间的空间差异

无论是地理科学本身，还是地理教学，直观性是一个重要的特征。在地理教学中，GIS专题地图比普通地图更具优势。因为GIS专题地图能根据教学需要，灵活改变显示方式和添加附加地图要素，包括图注、图例、图标等信息，而且表现形式丰富多样。例如，国民经济的各种统计数据，如人口数量、人口构成、国民生产总值等等，它们都具有一定的区域性，把它们和GIS的图形数据结合起来就形成了各种空间统计数据。GIS的专题地图功能把国民经济的各种统计数据和GIS的图形数据结合起来，方便灵活地制作各种专题地图（分层设色图、饼图、直方图、点密度图等）。专题地图的直观易读性有利于学生通过比较认识区域间的差异以及某个区域不同于其它区域的典型地理特征，区别区域间地理现象的特点和性质，分辨事物的程度和级别，找出区域间差异显著的特征和标志。

2.实现二维与三维图形转换，增强差异的直观性与表现力

传统的地图表征以二维为主，用抽象的符号表示复杂的地理事象，是造成学生感知理解地图困难的主要原因之一。在地理教学中可以适当运用GIS的三维可视化功能，将平面二维地图或数据（如DEM）转换成三维立体图像进行显示，并对三维立体图像进行缩放、漫游、旋转观察和进行简单的属性信息查询，从三维空间认识地理事物及其分布，可以增强地理事物的直观化、形象化，有助于学生对地理空间分布和地理空间问题的理解和应用，培养学生对地理事物进行二维和三维转换的能力，从而更好地感知理解二维地图，提高对二维地图的判读分析能力。

例如可以利用GIS的三维可视化功能辅助判读等高线地形图。首先绘制二维等高线并赋予高程值，再建立数字高程模型（DEM），并进行三维可视化表达处理，便可展示出一座山体。地形的高低起伏在三维图上直观地表达出来，可以直观地观察山峰、山谷、山脊、鞍部、陡崖等多种特征地形。最后，将等高线与数字三维地形图进行叠加显示。结合三维地形图进行等高线地形图判读的学习，就可以化抽象为直观，极大地提高教学效率（如图1）。

图1 等高线叠加地形的三维显示图

3.注重图层叠加，探究地理要素间的空间关系

大部分GIS软件是以分层的方式组织地理景观，将地理景观按主题分层提取，同一地区的整个数据层即表达了该地区地理景观的内容。地理信息系统的叠加分析是将具有相关性的众多数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。

图层叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较，是一种综合，是一种联系，体现了一种因果关系规律。通过图形叠加分析可以很好地探究不同地理要素之间的空间关系，探索它们之间的因果关系，培养学生地理空间比较分析能力和地理空间综合分析的能力。地理教学中，应当注重运用 GIS将具有不同要素特征的多个图层进行叠加，让学生在视觉上验证叠加过程和叠加效应，从而探寻各种地理要素和现象间的空间关系。如在学习城市化的内容时，教师可以展示某地（如伦敦）多个年代的城区范围图层，透过叠加图层来比较城市土地利用变迁的过程和差异（如图2）。

图2 伦敦不同历史时期城区范围叠加图

三、以“区域发展差异”为例培养中学生地理空间比较分析能力

下文以“区域发展差异”为例，利用“中学GIS教学平台”，通过中国区域经济发展水平差异专题地图的动态制作、分色显示、叠加分析等“中学GIS教学平台”常见功能，促进学生比较不同地区经济发展水平的差异。通过比较，以分辨不同区域经济发展水平的程度和级别，更好地理解中国三大经济地带划分和实施西部大开发的原因，从而利用GIS更好地培养中学生的地理空间比较分析能力。

（本案例来源于普通高中地理课程标准实验教科书（湘教版）地理3中第一章“区域地理环境与人类活动”中的第三节“区域发展差异”。所需数据有：“中国三大经济地带数据”“西部大开发省份数据”和“中国各省2010年GDP数据”等。）

1.利用GIS分级设色功能，比较我国2010年各省区的GDP差异

【操作步骤】点击软件“添加数据”按钮，添加显示“2010年中国各省GDP数据”；点击“属性设置”按钮，对“2010年中国各省GDP数据”的属性值进行显示设置，并标注出各省级行政区的名称。制作出一幅用颜色的深浅来代表各省GDP数值大小的专题图（如图3）。

通过“2010年中国各省GDP数据分级设色专题图”的动态制作过程和对制图结果的观察分析，我们首先可以观察到各省GDP图斑显示颜色深浅上的差异，说明各省的GDP数值存在明显的地区间差异；其次我们可以观察到我国东部省份GDP图斑显示的颜色较深，中部省份GDP图斑显示的颜色较浅，西部省份显示的GDP图斑颜色最浅，说明我国东部沿海省份GDP数值大，经济发展水平高，中部省份次之，西部省份最小，呈现出梯级分布的规律。

2.利用GIS专题制图功能，比较我国多年来各省区的GDP差异

图3 中国各省2010年GDP分级设色专题图

【操作步骤】点击软件“添加数据”按钮，添加显示“多年中国各省GDP数据”；点击“属性设置”按钮，对“多年中国各省GDP数据”的属性值进行显示设置，并且对各省级行政区进行名称的标注。这样就制作出一幅综合多年各省GDP数值，并用圆饼的大小来代表多年中国各省GDP数值大小的饼状专题图（如图4）。

图4 多年中国各省GDP数值大小饼状专题图

通过GDP饼状专题图的动态制作过程和对制图结果的观察分析，我们首先可以看到综合多年GDP各省饼状图大小上的差异，说明各省的GDP数值一直以来存在着地区间的差异；其次，我们可以看到，各省内部不同年份的GDP数值也不同，各省GDP数值都在逐年的增长，说明各省经济有持续稳步增长的趋势；第三，从经济总量上，我们可以看到总体上还是我国东部省份GDP饼图较大，中部省份饼图较小，西部省份显示的饼图最小，说明多年来我国东部沿海省份GDP数值一直比较大，经济发展水平一直比较高，中部省份次之，西部省份经济发展水平在三个区域中仍旧最低，也呈现出梯级分布的规律。

3.利用GIS分类设色与叠加功能，比较我国三大经济带省区的GDP差异

【操作步骤】首先，点击软件“添加数据”按钮，添加显示“中国三大经济地带数据”，点击属性设置按钮，对“中国三大经济地数据”的属性值进行属性设置，即按不同经济地带进行分色显示，这样我们就得到了一幅把各个省区分成三种颜色进行分类显示的专题地图。我们可以看到紫色区域是东部经济地带，黄红色区域是中部经济地带，绿色区域是西部经济地带（如图5）。其次，将前面制作的“多年中国各省GDP饼状专题图”叠加显示到“中国三大经济地带分色显示专题图”上（如图5）。

图5 中国三大经济地带和各省GDP饼状专题图叠加显示

通过分层设色专题图的动态制作过程和对“中国三大经济地带的分色显示图”与“各省GDP饼状专题图”的叠加分析，我们可以直观地看到划分为东部经济地带各省份的GDP饼状图都比较大，经济发展水平都比较高，相对东部地区而言，中部经济地带各省份的GDP饼图都比较小，而西部经济地带各省份的GDP饼图最小。最后通过比较分析，我们可以得出东中西部省份经济发展水平上的差异是中国三大经济地带划分依据之一的结论。

4.利用GIS分类设色与叠加功能，比较我国西部与非西部开发省区的GDP差异

【操作步骤】首先，点击软件“添加数据”按钮，添加显示“西部大开发省份数据”，点击属性设置按钮，对“西部大开发省份数据”进行属性的分色显示设置，黄红色区域显示的是西部大开发省份，黄色区域显示的是非西部大开发省份。其次将前面得到的“多年中国各省GDP饼状专题图”和“中国西部大开发省份分色显示专题图”进行叠加显示分析(如图6)。

图5 中国西部大开发省份和各省GDP饼状专题图叠加显示

通过分类设色专题图的动态制作过程和对“中国西部大开发省份分色显示专题图”与“各省GDP饼状专题图”的叠加分析，我们可以看到西部大开发省份GDP数值饼图普遍比较小，说明经济发展水平较低，而非西部大开发省份GDP数值饼图总体都比较大，说明经济发展水平较高。通过二者的叠加分析，最后我们可以得出为缩小与东中部发达省份之间的经济差距，是实施西部大开发战略的重要原因之一的结论。

[1]中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准(实验)[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2]中华人民共和国教育部.高中理科教学仪器配备标准.中华人民共和国教育行业标准，2010.