新媒体语境下地理信息科学专业学生的空间思维培养

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(1. 武汉大学资源与环境科学学院,湖北 武汉 430079; 2. 地理信息系统教育部重点实验室(武汉大学),湖北 武汉 430079)

近年来互联网、移动通信和计算机架构的技术革新催生了传统媒体与数字媒介交融互渗[1]，出现了以电脑、手机、数字电视等为终端，具有数字性、交互性、超文本性、虚拟性和网络化信息传播特征[2]的新媒体。新媒体一方面互动、及时地向全民传播不同时空、不同领域的热点地理事件及丰富的专业资讯，成为地理信息科学专业学生快速增长知识与信息体量、迅速掌握专业方法技能的动态学习工具；另一方面，其视频、语音、地图和文本等组合的数字媒体为地理信息的数据视觉化提供了多元化的创新方法。然而，新媒体在推进地理信息科学发展的同时，也催生了一种资讯浏览形式的“快餐式”学习模式，其片段化的媒体数据致使学生获取的知识或信息碎片化、缺乏系统性，给地理信息科学专业的本科人才培养带来新的挑战。为此，本文将借鉴空间思维在艺术设计[3]、广告设计[4]、音乐表达[5]、机械制图[6]、工程制图[7]、计算机制图[8]、建筑设计[9]、园林艺术[10]、医学训练[11]、小说文学[12]、人格培养[13]、数学[14]和历史[15]等诸多方向的教学研究经验，设计针对地理空间思维能力培养的教学内容，为专业学生系统化地学习、挖掘和利用新媒体所蕴含海量地理信息及前沿科学资讯指明方法思路。

1 空间思维能力与人才素质培养挑战

空间思维能力即空间素养(spatial literacy)是对空间事物具体表象观察、思考、抽象的能力[16]。其在美国、芬兰及中国等国家的地理课程标准中被普遍关注和强调[17-19]。空间思维在日常生活中的需求无处不在，在当今信息经济中发挥着越来越重要的作用[20]。美国心理学家将计算能力、语言能力与空间能力(包括空间定位能力，空间信息的收集、加工处理、储存和提取能力，空间思维能力)并列成为现代教育应当赋予人的“三大基本能力”[21]。宾夕法尼亚州大学的地理学教授罗格·道斯曾说：“如没能明确重视空间思维，我们将担负不起肩上的责任——即培养21世纪会学习懂生活的年轻一代。”空间思维能力作为新世纪人才的基本素质已成为国内外教育界的重要共识。

作为一种认知与挖掘世界上事物N维复合特征[22]的系统思维模式，空间思维在探索发现、科学研究和知识学习等多方面都起到了积极、关键的作用。英国医生约翰·斯诺通过地图标注伦敦霍乱死亡案例发现饮用水源污染的传播途径[23]的经典事例，充分显示了空间思维在帮助科学研究发现事物现象模式、探索因果规律方面强大的生命力。法国化学家路易斯·巴斯德展示腐败物质中细菌来自于空气的著名灭菌实验原理示意图，表明了空间思维在科学教育中可用来展现复杂思路和传达关键信息[24]。Thomas Niedomysl等使用二维和三维地图进行制图课程教学的对比试验[25]、Jongwon Lee等关于男性和女性学生的GIS学习对比测试[26]和杜清运等在电子地图设计课程中引入的多媒体情境教学法[27]等研究则证明了空间思维训练有助于提高教学效果和学生的学习能力。

地理信息科学的基本研究对象具有地理定位、三维形态、多维属性和复杂关系的系统特征，决定了空间思维是地理认知、空间信息抽象、数据可视表达等地理研究的基本思维框架。然而，目前国内多数大学相关本科专业设置了GIS设计与应用、空间数据库、GIS算法和模型等技术类课程。这些课程可将普通本科生培养成精通GIS软件应用及二次开发的专业人才，但缺乏对地理学、地图学、空间统计等基础理论拓展应用的空间思维教学训练，学生在理解地理现象形成机理，深度挖掘、分析与科学表达地理信息等方面存在局限，极大影响了知识体系在广度和深度上的进一步融合[28-30]。

当前新媒体与学科交融发展的趋势背景下，如何有效地将新媒体离散事件中蕴含的地理信息、关联数据等有机组织形成系统化的专业知识，如何利用新媒体准确有效地表达各种地理事件、系统地传递事件本身及有用关联信息，成为新媒体时代地理信息科学完善专业教学内容、培养学生空间思维的新驱动。

2 地理空间思维能力培养的教学设计

地理信息科学的空间思维具有一般空间思维特性，但侧重于针对地理信息数据获取、处理、存储、提取、管理、分析和表达[31-32]，强调基于空间视角对地理事物的空间分布、尺度格局、地域联系思考。结合地理信息科学研究对象的空间特性及新媒体承载的地理大数据特征，本节按照认知推理的递进规律要求，设计了包括地理空间体验模拟、空间信息地图绘读、隐喻信息语义认知和地理系统综合分析等4方面的空间思维能力培养教学内容。

2.1 地理空间的感知模拟训练

空间知觉、心理旋转和空间想象是影响空间思维能力的3种主要因素[33]。空间思维是建立在空间想象基础之上，而空间知觉、心理旋转所得的感性经验和表象记忆是人们进行空间想象的基础。地理空间思维就是将人类感官获取的具体空间表象综合加工形成空间知觉，最后通过空间想象完成对空间事物认知的思维过程。地理空间的体验模拟通过对学生空间知觉、心理旋转和空间想象能力的训练，加强学生关于地理信息相关表象的存储记忆，为形成空间想象的瞬时判断和创新加工能力奠定基础。训练内容设计如下：

(2) 数字地球的模拟体验：应用NASA World Wind、Earth 3D等三维数字地球工具，引导学生从外太空对比火星、水星、月球等观察地球的表面形态；结合地球仪鸟瞰观察南北两极与经纬网、地球陆地与海洋、森林与荒漠等；通过缩放工具展示从地球椭球、大洲和大洋、国家、省区、市县、城镇到地块等不同尺度下、不同精度的地理信息特征，建立多层次坐标体系的空间关系认知。数字地球的模拟体验从感性上帮助学生在脑海中加强由“地理现象”到“视觉表达”的映射，有助于实现空间定位的瞬时判断。

(3) 虚拟场景模拟训练：指导学生利用Google Earth 、Cities Skylines、SimCity和Mine craft等软件，综合加工感官获取的现实具体空间表象，模拟构建空间规划、空间布局、建筑建造等情景需求的虚拟场景。

将“虚拟”与“现实”结合的地理空间体验模拟训练，使得地理事物和现象能更有效地刺激大脑皮层记忆，强化想象区的构思能力，提高学生对新媒体所蕴含地理空间信息的空间认知能力。

2.2 空间信息的地图绘读训练

空间思维是数据视觉化的基础。地图设计与编绘(“绘”)是应用空间思维将现实世界向地图符号系统映射的综合过程，而地图判读与解译(“读”)则是地图设计与编绘的逆向过程。地图信息的“绘读”训练是通过理清空间数据、空间关系与视觉表达之间的联系，来帮助学生提高综合空间思维能力的经典训练方法。训练内容设计如下：

(1) 指导学习地图坐标与地理坐标、逻辑坐标的数学度量与相互转换关系，进行地理实体的地图空间定位、地理坐标的快速解译方法训练，提高学生的空间定位与抽象思维能力。

(2) 指导学生学习不同专题类型、不同比例尺要求的点、线、面及复合地物的地图语言及符号化表现方法，进行空间形象思维和抽象思维能力的训练。

(3) 指导学生学习个体符号法、线状符号法、运动符号法、范围法、质底法、量底法、等值线法、点值法、网格法、定点统计图表法、分区统计图表法和分区分级统计图法等专题地图的表现方法；进行地理信息的空间结构、空间比较、空间联系及空间综合视觉化的应用训练；从地图绘制的角度感知视觉化效果并认知方法的适用性；从信息逆向提取的角度通过分析地图要素的颜色、大小、形态等信息判读与解译符号所表达的专题信息。

（3）2014年9月，国务院发布《关于深化考试招生制度改革的实施意见》，在高考综合改革试点省市进行考试科目设置改革，高考数学考试将不分文理科，所有考生使用相同的试卷．随着这项政策的落实，越来越多的省份将不分文理科，今后的高考数学命题将更加统一化、科学化．研究发现，高考数学全国I卷文理科试题越来越趋向于统一化．为了进一步落实新高考政策，积极推进由文理分科命题转向统一命题的教学转变，一线数学教师要及时更新知识体系，调整数学教学方法，适应教育新时代背景下的数学教学工作．

(4) 指导学习传统地图制图与图数一体化GIS制图两种模式下地图要素与地理信息数据的映射关系，培养学生“由信息数据正确想象图形语言及符号”的空间想象思维和地图编绘能力，“由图形语言及符号抽取数据”的空间信息解译能力。

(5) 通过百度地图、高德地图等电子地图的日常使用，辅以传统纸质地图、已出版地图集的阅读与理解，提高学生的读图能力。

地图是新媒体空间信息重要的视觉化载体和传递通道。地图信息的“绘读”训练既对新媒体所需的地图视觉化方法进行了全面梳理，又对学习、挖掘新媒体中蕴含的地理信息资讯及学科知识的信息解译方法进行了系统化凝练，是新媒体中地图信息挖掘技能训练的重要途径。

2.3 隐喻信息的语义认知训练

在泛在网络实现信息异构集成和多维立体视觉化等技术支撑下，作为“互联网+”终端之一的新媒体(网站、网页、微信、微博等)成为“地理位置+行业资讯”交叉融合大数据的重要传播源。新媒体语境下，学科概念交叉、用户自创内容(UGC)等使得地理事物及地理现象的语言表达方式日渐多样化。从具有5V特点(volume、velocity、variety、value、veracity)的大数据中提取有用信息和专业知识，需要从认知语言学角度对学生进行隐喻信息的语义认知训练。训练内容设计如下：

(1) 认知语言学的理论学习：指导学生掌握莱考夫和约翰逊等关于认知的概念隐喻理论和意象图式理论，实例讲解方位(空间)隐喻、本体隐喻和结构隐喻与地理信息认知的关系，引导学生了解容器、路径、连接、力量、运动、平衡、对称、上下、前后、部分-整体、中央-边缘和线性等基本意象图式，掌握对地理信息科学中地理事物、现象(原始域)概念及多重映射认知进行分析的复合意象图式。

(2) 数据的可视化隐喻理解：引导学生发挥空间想象，理解概念、数据的语义相关性、层次性、因果联系和过程序列等特征，将数据与自然界真实物体结合，实现对非空间语义信息集合形象、直观的空间隐喻表达；掌握语义关系的拓扑图形化表达方法，如用树隐喻表达分类、河流隐喻表达演化、摩天轮隐喻表达不同时间尺度上信息特征、三维可视化地图隐喻表现专利技术的分支、领域和申请数量[34]等，针对信息的拓扑空间及逻辑关系进行快速判读训练，以提高学生对数据的空间推理思维能力。

(3) 文本挖掘方法技术学习：文本挖掘主要着力于从非结构化或半结构化的文本中抽取有用的知识，是从微博等新媒体的海量文本中抽取或挖掘隐含信息和知识的重要方法和途径[35]。需要指导学生学习了解信息抽取、信息检索、自然语言处理和数据挖掘等文本挖掘相关的认知原理、方法模型和常用工具软件。

2.4 地理系统的综合分析训练

致力于政府空间治理决策及社会各领域空间分析的应用需求，发挥互联网在社会资源配置中的优化和集成作用，地理信息科学不仅要研究地理事物、现象的位置和范围、空间分布、空间结构和空间差异，还需基于人类活动与地理环境的作用机理揭示其运动与变化规律。地表上各地理要素有机联系、相互作用而形成的地理空间或环境空间是一切物质、能量、信息的数量及行为在地理范畴中的广延性存在形式[36]。科学揭示、认知地理事物或现象反映的自然、社会及经济领域的空间规律，需要培养学生的空间系统思维能力，从系统结构及属性关系、空间关系和时变特征[37]等维度进行地理系统认知挖掘的综合训练。主要训练内容包括：

(1) 系统结构的认知与剖析：系统结构的认知分析实际上是对一个复杂地理系统或多个简单地理事物群体进行认知的过程。需要指导学生学习系统科学理论与分析方法，从时间、空间及系统关系等多维、复合角度界定研究对象的系统边界，理清系统中个体、群体、整体(封闭系统)、系统(开放系统)的层次结构与关系，全面提高学生综合分析地理事物与现象的系统思维能力。

(2) 属性关系的认知与挖掘：地理系统中的任何事物都不是孤立存在的，系统内部各组成部分互相联系，如各类自然灾害(地震、台风、洪涝等)、人为灾害(水土流失、土地荒漠化等)都是多方面因素共同作用的结果，并且各个因素之间具有极其复杂的关系。属性关系的认知与挖掘训练需要设计不同层次、不同情境的地理系统，指导学生应用系统动力学原理和分析方法，对地理事物与现象的复杂系统关系进行剖析和模型构建，加强学生系统空间结构、空间联系思维能力的提升。

(3) 空间关系的认知与分析：地理学第一定律指出，任何事物都相关，只是相近的事物关联更紧密[38]。地理事物或属性在空间分布上存在集聚(clustering)、随机(random)、规则(Regularity)等分布，而空间相关性与属性关系结合紧密，往往是属性相关性的空间表征。全面认知地理事物、现象的产生、发展原因，需要指导学生理解地理事物系统内部实体的拓扑、顺序、度量空间关系[39]和各实体间的空间连通性、邻近相似性、空间异质性，以及延伸分析与其他地理事物或非地理要素之间(如血吸虫病与水系)的系统联系性和空间相关性。

(4) 时变特征的认知与挖掘：地理要素在地理空间中的系统位置、属性关系和空间关系随时间发展而变化。认知地理信息的时变特征，需要指导学生掌握地理学经典的时空理论，学习利用时间轴透视、观测地理系统的层次结构、属性关系、空间关系中相关指标的变化；剖析、重用历史地理学表现时间脉络的视觉化方法和地图作品，学习掌握时间序列数据的统计学分析方法和空间挖掘分析方法。

3 新媒体语境下地理空间思维的应用

地理空间思维是对新媒体传播热点进行问题感知、信息挖掘与地理分析的能力基石。国外教育界很早就在科学和社会等课程研究训练中，利用媒体热点分析来培养学生的地理感知、挖掘与分析能力。美国教师鼓励学生在阅读学术和专业期刊，浏览与GIS相关的博客、Facebook页面及类似Directions Magazine、GIS User、GIS Cafe等具有价值的新闻网站时，关注当地、区域、国家及国际上的新闻事件，积累相关的地理数据为问题分析与决策提供支持，如：分析预算减少情景下关闭学校的决策、基于地形的山区丘陵地带野火缓解措施分析、科罗拉多州松甲虫(pine beetle)侵扰解决及城市绿道(greenways)设计等问题[40]。

按照《国家地理信息产业发展规划(2014-2020年)》部署，全国各地以“互联网+地理信息”为创新服务模式，逐步建设成了时空大数据云中心、地理信息公共服务云平台等基础设施，为“互联网+行业”提供持续、统一、标准的地理信息支撑服务。较传统媒体而言，新媒体蕴含的地理信息数据量更大、覆盖面更宽。提升“互联网+地理信息”创新力和生产力需要基于地理空间思维，深度开发、挖掘新媒体的信息共享服务功能。地理空间思维在新媒体信息深度挖掘方向上的应用可体现在以下5个方面：

(1) 信息感知与整理角度：基于时间、空间及要素关系等多维度构建地理空间认知框架，实现新媒体中相关的地理信息、行业专题数据和专业科学知识的系统整理、综合与转化。

(2) 隐含信息挖掘角度：地理信息与网络挖掘、位置信息挖掘、文本数据挖掘、关联规则挖掘及神经网络等人工智能方法[41]的深度结合，可对新媒体中的隐含信息进行探测与显化，对离散信息进行整理与序化，对杂乱信息进行规范与类化。

(3) 信息表达视觉化角度：空间信息的地图绘读训练及隐喻信息的语义认知训练将有助于从新媒体数据中进行地理信息判读、解译、挖掘，同时新媒体中无论是地理信息还是行业信息的多元视觉化方法，都有助于学生对地图学、统计学等领域数据的传统可视化方法进行丰富、完善与创新。

(4) 行业服务支撑角度：地理系统的综合认知将有助于进行不同层次、不同行业、不同应用的信息共享平台建立、地理数据资源整合、空间信息动态展示、地理信息查询、统计分析等需求分析，实现“互联网+地理信息”相关服务支撑体系框架的敏捷构建，有助于对自然灾害(如台风、地震等)、网络舆情等热点事件的捕捉分析和决策响应。

(5) 空间治理决策角度：当前我国的生态文明建设及“一带一路”“京津冀协同发展”和“长江经济带”等国家战略发展面临着空间自主性与治理主导性、空间流动性与治理地域性、空间异质化与治理同质化等诸多矛盾，需要挖掘区域的地理国情[42]、掌握社会阶层舆情、汇聚各部门各行业谏言，从空间角度探索政府的发展规划与治理决策[43]。这也是地理信息科学专业为治理主体培养具备空间意识和空间思维的高端人才的最终目标需求。

4 结 语

空间思维能力在地理信息科学专业课程学习及地理信息科学研究中扮演着重要的作用。“互联网+”背景下的新媒体发展对地理信息科学与新媒体融合及专业学生的空间思维能力提出了更高要求[44]。本文针对当前地理信息科学专业教学在空间思维能力培养方面的不足，设计的教学训练内容系统化拓展了抽象地理事物分布规律、探究地理现象动因机制的思考视角与分析方法，有利于地理信息科学研究对新媒体信息的深度挖掘应用、完善专业科学知识体系、提高学生的地理空间思维素养，是地理信息科学专业本科教学的新的、有益的研究探索。