3S技术在中学地理教学中的应用与展望

龚绍琦

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.036

摘  要 叙述3S技术发展现状，阐明3S技术应用在中学地理教学中的重要性，指出存在的问题，对加强3S技术应用进行展望，以期为促进中学地理教学信息化提供理论指导。

关键词 3S技术;中学地理;核心素养;地理实践力

中图分类号：G633.55    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）21-0036-04

1 引言

早期3S技术是遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系統（GPS）的总称。随着世界各国卫星导航定位系统（GNSS）的发展，3S主要是指RS、GIS和GNSS，具有对地理空间数据综合获取、管理和定位的功能，在国土、海洋、气象、环保、农业、交通、军事等领域有广泛的应用，带来巨大的社会效益和经济效益，改变了人们的生活和工作方式，受到世界各国政府的高度重视并被大力发展。

3S技术作为一种现代信息技术，改变了传统地理学的研究方法和表现形式，成为解决地理空间问题的重要手段和关键技术，推动了现代地理学的发展，由此给地理学的教育内容和教学方式带来一定的变革和影响。随着信息化进程的不断推进，3S技术被逐渐应用到中学地理教学中。

2001年6月，教育部颁发《基础教育课程改革纲要》，提出“在课程的实施过程中，加强信息技术教育，培养学生利用信息技术的意识和能力”的要求，并且要“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具”。此外，《全日制普通高中地理课程标准》也指出：“强调信息技术在地理学习中的应用。充分考虑信息技术对地理教学的影响，营造有利于学生形成地理信息意识和能力的教学环境。”因此，将3S技术引入中学地理教学是现代地理教育发展的需要，也是基础教育课程改革以及教育技术现代化的必然趋势。

2 3S技术发展现状

RS技术发展现状  自20世纪60年代美国发射太阳同步气象卫星以来，遥感技术突飞猛进，取得长足进步：遥感图像由早期的定性分析发展到当前的定量反演;遥感的探测波段从多光谱到具有2000多通道的高光谱，光谱范围覆盖了紫外、可见光、近红外、热红外和微波波段;遥感的工作方式从以前的被动遥感发展到主动遥感;遥感平台也逐渐多样化，由早期的卫星平台和航空平台到航天飞机、无人机以及地面平台;遥感图像的性能不断提高，高空间、时间、光谱和辐射分辨率的遥感数据越来越多;遥感观测的对象不再局限于地球，对月球的遥感探测、发展“太空经济”成为世界各国的新一轮热潮，甚至开始了对火星的遥感探测。

遥感技术的进步，不仅体现在遥感探测能力和水平方面，在遥感数据处理技术方面也发展很快，面对海量的遥感数据，遥感信息处理的智能化、数据获取的动态化和实时化、遥感应用的网络化以及遥感工具的实用化已成为遥感技术发展的趋势。由此也衍生了遥感信息的产业化发展，国内外新型的商业遥感公司不断诞生，如美国数字地球（Digi-

talGlobe）公司、天空盒子（SKY BOX）公司、行星实验室（Planet Labs）公司，欧洲的空中客车防务与空间公司[1]，国内的北京二十一世纪空间技术应用股份有限公司、长光卫星技术有限公司、中国四维测绘技术有限公司、珠海欧比特宇航科技股份有限公司等都发射高空间分辨率的小卫星，可向政府和企事业单位出售高分辨率的遥感数据，预计全球遥感数据市场可达到九万亿美元的收益甚至更高[2]。

GIS技术发展现状  国际GIS萌发于20世纪60年代，我国GIS建设稍晚，开始于20世纪80年代初。GIS具有地理空间数据采集、空间数据管理、空间数据处理以及空间地理信息服务等功能。GIS已经在城市规划、国土管理、交通运输、国防建设、设施管理、环境保护、电力、水利、农业、林业等众多行业得到成功应用，并逐渐应用到电信、商业、旅游以及大众信息服务业等领域。GIS无论是技术开发，还是理论建设，都取得长足进步。新型GIS向着WebGIS、

组件GIS、移动GIS、三维GIS、时空GIS、高性能GIS和云GIS方向发展[3]。随着GIS技术的发展，以地理信息资源开发利用为核心的地理信息产业日益兴盛，成为世界各国争相发展的新兴战略产业。

2014年，《国务院办公厅关于促进地理信息产业发展的意见》（国办发〔2014〕2号）印发，国家发改委和国家测绘地理信息局联合发布《国家地理信息产业发展规划（2014—2020年）》，我国地理信息产业出现良好的发展机遇。2017年，全国具有测绘地理信息资质单位突破1.8万家，从业人员数量达到46万人，产业总产值预计超过6200亿元，年均增长速度超过20%。地理信息产业的蓬勃发展也促进了地理信息科学的发展以及高校人才培养的需求[4]。

GNSS技术发展现状  自1957年苏联发射第一颗人造卫星，人们就开始了利用卫星辅助导航的科学设想。美国于1958年开始研制子午仪卫星导航系统，并于1967年开放民用定位、导航和测量服务。苏联于1965年开始建立圣卡达卫星导航系统。美国建立了世界上第一个用于导航定位的全球定位系统GPS，经过几十年的发展和完善，成为全球星座组网最完善、定位精度最高、用户数量最多的卫星导航系统[5]。此外，俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo）、我国的北斗卫星导航系统（BDS），以及区域增强系统如日本准天顶卫星导航系统（QZSS）、印度区域卫星导航系统（IRNSS）也在不断发展和完善。新一代GNSS不仅具有导航、定位和授时功能，还能提供全天候、全球覆盖、高时间分辨率的L频段（1～

2 GHz）的微波信号，根据信号在大气折射和地表反射的延迟，可以遥感反演大气温度、湿度、压强、电离层电子总量等，海洋表面高度、海风、海冰、盐度等，陆地表面土壤水分、积雪深度、植被高度、地形等参数[6]。GNSS作为一种新型遥感手段，在资源与环境监测中具有重要的应用前景。

3 3S技术应用在中学地理教学中的重要性

激发学生地理学习兴趣，培养学生地理信息技术素养  由于地理学知识、现象和规律很抽象，需要学生充分发挥空间想象力，往往会使得地理学习枯燥乏味。在地理教学过程中引入遥感影像，并在GIS中可视化甚至是虚拟的、三维可视化，将大大增强地理内容的表述性;若加上GPS獲得的地理位置信息，可随时查询图像上的地物属性。

比如教学“大气运动、海水运动”，可利用高时间分辨率的静止气象卫星图像来制作动画特效，反映大气和海水的运动轨迹、发生强度和范围，使学生生动、形象、直观和真实地感受大气和海水的运动规律和特点。又如，学生在野外地理实习时携带遥感影像地图，不仅可以观察地形地貌的影像特征，还能实地感受地形地貌分布的真实特点。此外，还可以利用GPS记录野外考察的路径。通过这样的教学活动，培养学生学习地理的兴趣，同时让学生感受到3S技术强大的功能，增进对3S技术的热爱，确立将来在高等教育学业和职业上选择地理空间信息技术的意向，为高等学校3S技术人才培养提供优质的生源。

丰富地理教学内容，改变地理教学方式  中学地理主要介绍地球表层自然、人文和区域环境要素的空间分布、演变格局、人地关系等内容，涉及区域大尺度乃至全球范围的地理现象。传统的地理教学主要是文字描述，辅以地图册或挂图展示，教学内容有限又单调，不利于教师深入讲解，学生理解不深入，学习变得没有兴趣。3S技术承担了良好的地理信息载体作用，将3S技术引入地理教学，可以对教学中的每个地理知识点从遥感影像中得到说明和体现，并在GIS中无限缩放、动态显示，以及地理空间分析演示。比如在介绍“交通运输布局”时，由于铁路和公路能在超高空间分辨率遥感影像上显示出来，因此可在遥感影像上给学生展示交通网络的分布、城市群落的情况。此外，还可以在GIS中利用GIS的网络分析功能进行最优路径分析，利用GIS的缓冲区分析功能对城市火车站和汽车站、铁路和公路沿线经济辐射区域进行影响分析。通过这样的教学，极大地丰富了地理教学内容，增强了学生学习地理的兴趣。

传统地理课堂教学主要是教师讲、学生听的模式，教师注重文字的推理和讲解，辅以板书为学生绘制一些简单的地理示意图。这种教学方式使学生和教师之间的互动交流很少，很难调动学生参与课堂教学活动的积极性，学习效果不理想。引入3S技术后，可先让学生在GIS中观察遥感图像，从图像中发现地理现象，然后进行分析和讨论，最后由教师系统地讲解教学内容。这样可以激活学生的认知，优化课堂结构，使学生实现从感性认识到理性认识、再上升到理论和规律性知识的认知过程，培养地理核心素养。

增强学生对地理知识的理解，培养学生的探究能力  在地理教学中，针对教学内容中的知识点，充分利用3S技术的强大功能，制作相应的教学案例和素材，有效地帮助教师降低地理教学的难度，有助于学生深刻地理解地理学知识。比如在介绍“人口的变化”时，可用城市夜间灯光的遥感图像来说明人口数量和分布情况，因为夜间灯光的强弱间接反映了人口数量的多少。此外，还可以在GIS中直接显示各个地区人口数量的分布特征。通过这样的教学案例，激发学生对新事物的好奇心和求知欲，拓展学生的想象力和空间思维，培养学生对地理问题的探究能力。

4 在中学地理教学中应用3S技术存在的问题

中学师生的信息素养不高  进入21世纪以来，我国信息技术得到普及和广泛应用，教育信息化程度不断增强，在中小学开设信息技术课程，但中学师生信息素养的整体水平亟待提高。首先，高性能计算机硬件设备不足、区域差异明显。由于3S软件对计算机配置要求比较高，尽管一些经济较发达地区的计算机硬件设备已初具规模，但经济欠发达地区的硬件设备仍相对不足，尤其是偏远农村，可用的计算机数量有限，不利于教师和学生对3S软件的使用。其次，师生对信息技术认识不足，教学效果不明显。由于中学生课业重、升学压力大，开设信息技术课只限课堂理论学习，课外实践操作少，学生计算机软件操作能力低，势必影响3S软件在中学地理教学实践中的应用。

中学地理教学中3S的配套设施不完善  目前，中学地理教学中3S基础设施不够完善，主要表现在3S软件和配套教学数据两方面。RS主流的商业遥感软件有ENVI、ERDAS、

PCI等，GIS软件有ARCGIS、MAPGIS等，GNSS软件有Ber-nese、GAMIT等。这些软件功能强大，但操作复杂，大多是英文界面，GNSS软件还需要在Linux系统下操作，不利于中学教师和学生使用，缺乏适合中学地理教学使用的3S软件。此外，与中学地理教学相配套的3S数据和素材十分缺乏，尽管现在3S技术带来海量的地理大数据，出现了信息过剩的问题，但中学地理教师要找到适用于教学案例的经典数据和素材，需要花费很多时间和精力，给他们带来很大的负担。由此可见，当前中学地理教学中3S配套设施还不完善，限制了3S技术在中学地理教学中的应用。

中学地理教师3S知识和技能缺乏  当前很多高校都开设了GIS和RS专业，并且相关专业的教学计划中都有GNSS的课程，但由于3S技术在我国起步比较晚，在中学一线开展地理教学的教师中真正精通3S技术的人还很少，大部分教师缺乏3S知识和技能。调查表明，中学地理教师仅6.67%的人具备GIS专业知识，而近80%的教师有所了解或基本不懂[7]。因此，当地理课堂上遇到3S教学内容时，教师往往照本宣科，很难对3S的内涵、发展现状和应用前景展开说明，势必影响预期的教学效果，更谈不上3S技术在地理教学中的应用。潘立新和黄成林曾对安徽省128所中学关于3S在地理教学中的应用情况进行调查，发现很少甚至没有涉及3S技术。当地理高考中出现有关3S的题目时，就会出现很多教师都回答不出的现象，更不用说学生了[8]。中学地理教师3S知识和技能的缺乏，成为制约3S技术在中学地理教学中应用的主要因素。

5 在中学地理教学中应用3S技术展望

加快中学地理配套设施建设  针对当前中学地理教学中3S设施不完善的问题，首先，各级教育主管部门和学校领导应重视信息技术在地理教学中的作用，积极改善教师办公的计算机设备条件，配置有利于3S软件运行、足够数量、便于学生实习的计算机机房，提高学生的计算机水平和信息素养。其次，建议教育主管部门牵头，委托国内知名地理信息产业公司开发面向中学地理教学的3S综合应用软件，实现对遥感图像、地理信息数据、卫星导航数据的基本操作，做到简单、易学易用，以便于中学地理教师制作课件和学生实习使用。尽管早在2005年人民教育电子音像出版社与北京超图地理信息技术有限公司就联合开发了中学地理教育软件《超级地图》，给中学地理教学带来便利和素材，但对3S知识和技能的学习与推广还很有限。最后，开发与中学地理教材相配套的地理数据和素材。有关部门不仅要组织教育专家编写好中学地理教材，还应组织从事3S技术教学与科学研究的专家开发相应的案例数据，并以光盘的形式与地理教材配套发行，方便中学地理教学使用，减轻教师制作课件的负担，提高地理教学质量。

加强中学地理教师3S技术培训  基于中学地理教师3S知识和技能缺乏的现状，教育主管部门可利用学校寒暑假组织中学地理一线教师定期到当地开设有3S技术相关专业的高等学校进行培训。据最新统计，全国拥有地理信息科学（GIS）本科专业的普通高校有175所，拥有遥感科学与技术（RS）专业的高校有40所，拥有测绘工程专业的高校有153所，拥有导航工程专业的高校有六所，而且RS、GIS和GNSS课程都是这些专业的必修课。高校教师承担了3S技术的理论教学和科学研究工作，具有丰富的理论和实践经验。同时，高等学校也有足够的师资和硬件设施完成中学地理教师3S技术的培训工作。因此，利用地方高校对中学地理教师开展3S技术培训是切实可行的，也是提升中学地理教师3S技术水平的重要途径。

促进3S技术在中学地理实践力培养中的应用  地理实践力是地理学科四大核心素养之一，受应试教育的影响，地理实践力素养成为地理教学中最欠缺的能力。将3S技术引入地理实践教学中，极大地方便了中学地理教师的课堂组织，也促进了学生地理实践力的提升。比如，人教版高中地理（必修2）介绍了城市、农业地域、工业地域和交通运输布局等内容，因此可设计一个综合运用3S技术进行土地利用现状分类的实践项目。首先，从网上下载一幅某一地区最新的美国陆地资源卫星Landsat 8陆地成像仪OLI影像，空间分辨率为30米，适合中尺度地区的土地利用分

类;再从影像上找若干个同名地物点，用GPS接收机到影像对应的地物点上采集经纬度坐标;然后利用采集的同名地物点的坐标，对整幅影像进行几何精校正，使得整幅图像具有地理坐标;最后在GIS软件的支持下，选择合适的波段进行假彩色显示，使影像中的各类地物最有利于目视解译。按照《土地利用现状分类》标准，从影像中解译出一类地中的12大类来，即耕地、园地、林地、草地、商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施用地以及其他用地，并在GIS软件中自动统计出每一地类的面积等属性。该实习内容可在地理教师的指导下在室内机房完成，通过实习可以很好地锻炼学生运用地理知识解决实际问题的能力。

又如山岳地形地貌的实地考察，在出发前可让学生提前观察遥感影像图，在影像图上标记重点考察的地形地貌位置，并沿途用GPS接收机记录行径的轨迹，通过设置接收机自动保存的时间间隔，就可以自动记录行径中每个位置的经纬度和海拔信息。在考察结束后可将接收机中记录的信息导入GIS软件中，利用海拔信息绘制等高线图。由此可见，无论是地理课程的室内实践还是野外实践，3S技术都将发挥重要作用，有效促进学生地理实践力的培养。

参考文獻

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[7]岳秀云.GIS技术在中学地理教学中的应用研究[J].太原大学教育学院学报，2012（4）：115-117.

[8]潘立新，黄成林.3S与中学地理教育探讨[J].滁州学院学报，2007（6）：116-119.