地理空间素养教育理念下的导学电子地图设计

赵 亮，任 福

(1. 中国地图出版社，北京 100054; 2. 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

空间是地理科学的核心概念之一，它是一切地理事象、地理变化和地理过程存在、发生和变化的基础。中学地理课程的一个重要目标即是培育学生的地理空间素养。地图作为地理学科的形象化语言，不仅能够图解地理知识、建构空间概念，还有助于学生形成和发展空间思维能力，是地理空间素养教育的必备工具。

近年来，国际地理教育界十分注重地图在地理空间素养教育中的应用。美国、德国已对空间素养的水平层次进行了科学划分，并制定了具体细则，指导学生运用地图工具发展相应的空间思维能力[1-2]。我国地理教育界对学生的空间素养也很重视。新版《义务教育地理课程标准》和《普通高中地理课程标准》中都富含关于运用地图进行地理空间认知的条目，而“充分利用信息技术手段，为学生学习提供丰富多样的电子地图，使地理教学更生动，空间认知更直观”也已成为很多学者的共识。

随着我国中学地理课程改革的深化及教育技术信息化的发展，电子地图已经为越来越多地理教育工作者所研究和运用，成为地理空间素养教育的重要工具。然而，目前应用于中学地理课堂的电子地图往往局限于“给纸质地图搬个家”，即不经过加工处理，简单地将传统地图转移到电脑屏幕上。这种二维、静态、单向的信息传输方式不具备动态生成性和交互体验性，难以使学生与地图之间达成有意义的教学互动，阻碍了地理空间素养的形成与发展。

通过文献查阅统计发现,目前，我国学术界针对运用传统纸质地图培养空间思维能力的探讨，以及关于电子地图设计和开发的研究均已取得了一定的成效。然而，面向中学地理空间素养教育的导学电子地图之研究、设计却十分少见。笔者在地理空间认知和地图空间认知理论的指导下，基于地理空间素养教育理念，针对中学地理课程中不同层次的空间认知教学内容，提出相应的导学电子地图设计策略，并设计了实例，供中学地理教师及教学地图研发人员参考，共同致力于提升中学地理地图的空间素养教育功能。

1 导学电子地图的基本概念

从电子地图的定义[3]出发，笔者将中学地理导学电子地图含义概括如下：针对特定的地理空间素养教育目标，融入教学设计理念和多媒体元素的具有导学功能的电子地图。学生可以运用导学电子地图体验交互式的学习过程，根据学习需求和进度动态生成地图图像，主动落实空间认知，形成地理空间素养。

2 导学电子地图的设计理念

2.1 尊重学习者的空间认知水平

学生的空间认知水平存在差异，因此导学电子地图的设计需要兼顾普适性和个体差异。对于初中学生而言，导学电子地图应侧重于从建立初步感知和形成空间概念两方面表现地理表象的空间联系；对于高中学生而言，导学电子地图更应注重从地理原理方面揭示地理表象空间分布所形成的空间结构或空间格局，以及地理表象相互作用所形成的空间变化规律。

2.2 联系课程中的空间认知内容

中学地理课程内容普遍蕴含着空间认知能力，充分体现着地理空间素养[4-5]。因此，导学电子地图的内容编制应当密切联系课程中的空间教育内容。按照不同的认知水平，这些内容可以划分为由浅入深的4个层次，详见表1。

表1 中学地理课程中4个层次的空间认知内容

2.3 培育学习者的地理空间素养

空间认知是地理学科素养的核心构成内容之一[6]。中学地理教学的一个重要任务就是培育以空间思维能力为代表的地理空间素养。判断学生是否具备地理空间素养，就要视其是否具备地理空间思维，以及能否通过空间视角去审视和辨析地理问题[7]。

地理空间思维是对地理事象进行观察、分析、比较、综合、概括、抽象，从而在头脑中自主形成空间形象，进行空间定位、空间分布感知、空间综合分析和空间实践活动的过程。由该过程发展而来的空间定位思维、空间形象思维、空间综合思维、空间实践思维即是中学地理素养教育的关键所在[8]。它们依次集中体现于前文所述4个水平层次的空间教育内容。

导学电子地图以地理课程中不同层次的空间认知内容为题材，力求具备相应水平的地理空间素养教育意义，详见表2。

表2 导学电子地图的地理空间素养教育意义

3 中学地理导学电子地图的设计策略及其应用

中学地理课程内容普遍具有空间教育意义。针对不同的空间认知内容，采用适宜的图像设计策略(详见表3)，有助于充分发挥电子地图的动态生成性，并能显著增强学习过程的交互体验性，从而切实提升导学电子地图的地理空间素养教育价值。

表3 不同教学内容对应的导学电子地图设计策略

3.1 图像动态化策略及其应用

3.1.1 图像动态化策略

图像动态化策略是指运用计算机技术，通过动态形式呈现地理事物变化的一种地图设计策略。动画可以生动地展示地理事物的变化，如地球板块的运动、台风中心的移动、人口的迁移等，有助于学生察觉、辨识地理位置，认知位置关系，形成空间定位思维。

归根究底，人类观察到的地理事物只是时间轴上一个静止状态，它会随着时间的推移而不断发生变化。因此，在设计导学电子地图时，应当运用动态表现方法模拟地理事物的变化规律，建立易于观察和理解的表达模型，从而提高学习者的空间认知效率。通常，动态地理现象的地图表达方式分为单幅静态图像、组合静态图像和动画3种[9]。其中，单幅静态图像和组合静态图像都属于传统的地理教学地图。单幅静态图像以箭头或渐进色表示地理事物的位置变化，例如运用箭头描绘了气流、洋流的运动。组合静态图像通常按照时间序列将图像编排成组，例如运用4幅不同地质时期的世界地图展示了板块的运动。相关研究表明，由于纸质媒介所限，上述两类静态图像均无法提供整体、连贯的空间动态画面，因而在一定程度上降低了读图者的空间认知效率，不利于有效形成空间思维。

较之上述两种静态图像，动画地图更有利于学生形成动态心像，实现对地理位置的迅速察觉和辨识。如果动画地图具备交互功能，则更加便于学生自主控制地理空间认知的过程，进而有效养成空间定位思维能力。

3.1.2 图像动态化策略的应用

下文以中图版初中地理教科书(七年级上册)中的“麦哲伦环球航海”这一课题[10]为例，简要阐释图像动态化策略的相关应用。

3.1.2.1 教材内容分析

“麦哲伦环球航海”这一内容位于“地球和地球仪”一节之中，旨在让学生建立起基本的地球空间概念，正确认识地球的形状，并初步掌握空间定位及定向的能力。

3.1.2.2 地图设计思路

根据对教材内容的上述分析，运用图像动态化策略，设计“交互式动画”形式的导学电子地图，如图1所示。

首先设置播放功能，显示麦哲伦环球探险行程，并同步显示麦哲伦船队在三维地球上的地理位置，如图1(a)所示。

然后设置“显示经纬线”功能，显示船队途经地点所在的经纬线，如图1(b)所示。

最后设置“交互答题”功能，例如显示菲律宾宿务和好望角两地的地理位置，请学生通过计算该段航程麦哲伦船队跨越的经度(或纬度)，认识两地的相对位置关系，如图1(c)所示。

图1 “麦哲伦船队环球探险航线”导学电子地图(示意)

3.2 图形转换策略及其应用

图形转换是一类应用广泛的图像研究方法。有时，需要重点研究地理要素的某特定属性，因此便将图形按照实际需要转换成便于观测该特定属性的形态，这一过程被称作地图图形转换。地图图形转换分为量度转换、维度转换、结构转换和表象方法转换等类型[11]。

对于面向地理空间素养教育的导学电子地图设计而言，“图形转换”指在尊重科学的基础上，运用合理手段将抽象地图加以形象化表示的方法和策略。经图形转换策略处理的地图更加富有直观性和表现力，有利于学习者高效形成和发展地理空间形象思维。较之科研用图，教学地图更追求简明实用。因此，设计导学电子地图时，无需采用烦琐复杂的图形转换方法。考虑到地理教学的实际需要，通常采用区域量度转换和视觉维度转换两种设计策略。

3.2.1 区域量度转换策略及其应用

采用区域量度转换策略是为了突出表现特定的数量指标，增强专题地图的可视化效果。经过转换，区域的轮廓和面积会随特定数量指标改变，而区域的位置关联则尽量遵循原貌。

在探究地域发展差异时，学生可以通过地图面色判断某国属于发展中国家或发达国家，为其经济发展水平准确定性。然而，对于定量问题，相关专题地图则难以为学生提供直观、形象的空间认知体验，这是因为无论地理数据被直接标注，还是以图表形式叠加于地图之上，可视化效果均不理想，难以有效激发空间形象思维。运用区域量度转换策略，可将“世界部分国家GDP比较”图变换为如图2所示的形式，以便学生直观认识不同国家的经济规模。此外，还可运用区域量度转换策略生成“世界部分国家人均GDP比较”图，并与上图建立动画关联，营造生动直观、对比强烈的视觉效果，进而有效促进学生形成和发展地理空间形象思维。

图2 运用区域量度转换策略生成的“世界部分国家GDP比较”

3.2.2 视觉维度转换策略及其应用

视觉维度转换通常体现于二维和三维的相互转换。传统地理教学地图的视觉维度多限于二维，在反映许多地理要素时，难免显得抽象、虚假，因而阻碍学习者形成和发展空间形象思维。相比而言，三维地图显然更加符合学生的生活经验及认知水平，其具有高度的形象性，因而更易被多数人接纳。例如，中学生在学习地理课程之初，往往对分层设色地形图感到生疏。对此，可以采用视觉维度转换策略设计导学电子地图，通过动画形式展示地形从三维转换为二维的完整过程。按照播放顺序，导学电子地图依次呈现三维地物模型、等高线及“分层”“设色”的过程，直至形成如图3所示的结果。这种直观、生动的表现形式有助于学生理解分层设色地形图的成图原理，并形成和发展与之相关的地理空间形象思维。在演示过程中，电子地图左上角的模型保持360°旋转，便于学生从整体的视角，全方位地观察地理事物，避免出现如“横看成岭侧成峰”似的片面性认识。

3.3 图层叠加策略及其应用

3.3.1 图层叠加策略

图层叠加策略，即运用图层的形式将存在特定关系的多种地理要素分别显示或叠加显示。本策略适用于借助地图开展空间综合认知的教学情境。

图3 “分层设色地形图”导学电子地图(示意)

地理要素之间普遍存在相互影响和相互制约的关系。运用地图工具对其加以认识、分析和归纳，将有助于学习者形成空间综合思维，进而深度理解各种地理现象。在图层叠加过程中，学生按照由个体到整体的逻辑顺序认识地理要素，并将相关的空间信息进行科学整合，最终得以全面、系统地认知并阐释地理要素之间的相互关系。

运用图层叠加策略设计的导学电子地图可供学生体验从简单到复杂，从单一到综合的空间认识过程。地理课程内容是综合性的，将知识分解开来进行教学旨在方便学生认知，最终仍然要归于综合。图层叠加的原理即是先分解后还原，其优势是直观、形象，可以弥补关系图的不足，便于循序渐进构建空间概念，剖析地理本质。也就是说，图层叠加实际上是把原本限于概念、想象的内容，变成了可操作的对象，即可用于叠加的多个图层。而这些图层使虚化的空间要素拥有了物化的“替身”，在抽象与具体之间搭建起了一座桥梁[12]。

人类短期记忆储存信息的能力有限，如果将诸多地理要素一并呈现，便会加重认知负荷。为应对这一问题，需要设计和运用具有图层叠加功能的地图，供学生首先认知单一地理要素，准确获悉其空间分布特点及规律，再通过有意义的图层叠加，对相关地理要素进行综合认知，分析各个要素的异同点及其空间联系，最终有效形成和发展空间综合思维能力。

3.3.2 图层叠加策略的应用

下文以中图版初中地理教科书(八年级上册)中的“全球火山和地震的分布规律和特点”课题[13]为例，简要阐释图层叠加策略的相关应用。

3.3.2.1 教材内容分析

“全球火山和地震的分布规律和特点”这一内容位于“海陆变迁”一节当中，也是本节的重点和难点。让学生运用图像，自主辨识和认知本课题内多种地理要素间隐含的相互关系，能够促使他们由表及里地掌握火山和地震分布的相关知识。

3.3.2.2 地图设计思路

根据对教材内容的上述分析，运用图层叠加策略设计导学电子地图。首先，设计标识工具，可供学生按照教科书“世界近几十年来发生的主要火山、地震统计表”中的经纬度，将火山和地震尝试性地标注于空白世界地图中。然后，设计图层选择工具，用来实现如下的功能：仅显示全球主要火山分布；仅显示全球主要地震分布；仅显示全球板块分布；叠加显示全球主要火山、地震分布及全球板块分布，最终形成导学电子地图。

3.4 模拟体验策略及其应用

3.4.1 模拟体验策略

模拟体验策略，即运用信息技术创建虚拟空间场景，以便于学习者体验地理实践活动、发展空间素养的地图设计策略。计算机模拟生成的空间环境给予学习者身临其境的参与感，具有逼真性、交互性和构想性，能够帮助学习者形成和发展地理空间实践能力。

现实地理环境千变万化，纷繁复杂，学生不可能在短时间内全面把握空间特征，也难以从整体上探究和掌握空间要素的分布及发展规律。采用模拟体验策略设计的导学电子地图能够有效增强读图者的临场感和在模拟情境中的沉浸性(逼真性)，以及模拟情境中对象的可操作度和对外界的反馈度(交互性)，同时带来广阔的可想象空间(构想性)。这种模拟体验的学习环境不仅帮助学习者在身临其境之际获取新的地理空间知识，还能够促进其萌发新颖的构想并反馈给系统，从而完成“学习-创造-再学习-再创造”的空间实践学习过程[14]。

一般而言，运用模拟体验策略设计的导学电子地图可以分为演示型和操作型。

(1) 演示型，即通过虚拟现实技术(VR)或增强现实技术(AR)构建的模拟地图演示场景，该场景能够生动、直观地表达地理空间信息，帮助读图者精准、真切地认知地理事物的空间特征，同时萌生地理空间实践思维。

(2) 操控型，即通过虚拟现实技术、增强现实技术及其他多媒体技术构建的模拟地图交互场景。该场景下，学生可以使用交互工具与地图进行“对话”，浏览、查询和分析虚拟现实地理事物的空间特征，进而完成分析、比较和归纳等一系列空间思维过程。

3.4.2 模拟体验策略的应用

下文以中图版初中地理教科书(七年级上册)中的“中国地势三级阶梯”课题为例，简要阐释模拟体验策略的相关应用。

3.4.2.1 教材内容分析

“中国地势三级阶梯”这一内容位于“中国的地势与地形”一节中，也是本节的重点和难点。让学生通过多种图像情境，从不同的地理视角认知中国的地势，能够促使他们形成相关的空间概念(如主要地形区和山脉的分布)。

3.4.2.2 地图设计思路

根据对教材内容的上述分析，运用模拟体验策略(结合图形转换策略)设计导学电子地图。首先，设计交互工具，可使二维中国地图中的“三级阶梯”依次隆起。然后，设计视频链接，显示“沿北纬30°模拟航拍影像”，动态呈现出沿北纬30°(自东向西)分布的主要山脉和地形区。最后，设计地形图动画链接，模拟截取三维的“中国地势沿北纬30°附近剖面图”。

3.4.3 模拟体验策略的应用

下文以中图版高中地理教科书(选修4·城乡规划)中的“人居环境与城市规划”课题[15]为例，简要阐释模拟体验策略的相关应用。

3.4.3.1 教材内容分析

本节内容紧密围绕“宜居城市”这一主题。建设宜居城市应兼顾自然资源禀赋、人口合理容量和城市用地布局等诸多因素，规划者需始终坚持人地协调观，进行科学合理的城市空间布局。在相关教学中，可借助地图开展以“布局一座宜居城市”为主题的空间实践活动，帮助学生深刻感悟城市背景下的人地关系，有效形成自主探究地理空间问题的意识和能力。

3.4.3.2 地图设计思路

根据对教材内容的上述分析，运用模拟体验策略设计导学电子地图。首先设置分类标识工具，可供学生在图中相应位置按照类别标识规划对象。然后设置地形图，用来反映图中区域的地形状况。再设置交通地图，用来呈现反映区域联系主要交通线路，并可叠加在三维地形图上。最后设置气候信息和资源信息，用来反映图中区域气温、降水、盛行风、矿产等信息。

4 结 语

导学电子地图以地理空间素养教育为核心设计理念。针对不同层次的空间认知内容，采用有针对性的策略进行图像设计，旨在充分调动地理图像的动态生成性，有效增强学习过程的交互体验性，最终切实提升导学电子地图的地理空间素养教育价值。①针对关于“察觉、辨识地理位置”的教学内容，适宜采取图像动态化策略。运用计算机技术，通过动画形式呈现地理事物位置移动，帮助学生发展空间定位、定向思维能力，形成基本的空间概念。②针对关于“认识空间分布、空间格局”的内容，适宜采取图形转换策略。通过一定的方法将抽象的地图图形加以形象化呈现，便于学生形成空间形象思维能力，深入探究空间要素的某种特定属性。③针对关于“认识空间要素相互作用和空间过程”的教学内容，适宜采取图层叠加策略。借助图层，将地理课程内容中相互关联的地理事象单独呈现或叠加呈现，帮助学生形成空间综合思维能力，运用联系的观点全面认识地理要素之间的相互关系。④针对关于“实际应用空间规律和原理”的教学内容，适宜采取模拟体验策略。运用信息技术创设虚拟场景，以供学生通过交互界面进行模拟操作，从中获得身临其境的参与感，进而在“学习-创造-再学习-再创造”的过程中发展地理空间实践能力。

“好雨知时节，当春乃发生”，随着信息技术的不断发展和教育改革的日益深化，中学地理地图即将迎来春雨的洗礼。导学电子地图以其“润物细无声”般的应用体验，正在逐渐为广大师生所熟识和悦纳。展望未来，以下问题尚有待于深入研究。①针对不同地区、不同年龄层次的学生，检验和修正导学电子地图的设计理念和设计策略，形成更加符合地理教育规律的导学电子地图设计理论。②全面建设以导学电子地图为标志的地理学习环境。学习本质上是一种具有交互属性的社会活动，而不仅仅是学生的个人事务。今后，导学电子地图要在基于以WebGIS为核心的信息技术的基础上，逐渐形成一个专业化、开放化的地理学习环境。学生不仅可以据此获得地理知识，形成空间思维，还能够通过完成数据上传，界面共享、远程交流等学习活动逐步增强实践能力，进而发展与现实生活相适应的地理空间素养。