基于GIS技术的“综合自然地理学”教学探讨

王艳霞　吴利华　周汝良

[摘 要] “综合自然地理学”教学存在过于注重文字知识、缺乏图件资料、课程实践较为困难的问题。以渉地理本科专业的培养需求为指向，充分利用现代空间信息技术的优势，从教学内容具体化、教学方法多样化、教学实践虚拟化等方面探讨基于GIS技术的“综合自然地理学”教学。交叉引入GIS数据库管理、空间分析、空间建模、空间模拟及预测等技术，通过构建GIS数据库、GIS辅助专题图集、虚拟自然地理场景及制定典型理论知识的GIS教学实践方案等，改变宏观尺度上综合性知识教师难讲授、学生难掌握的现状，对培养新时代地理类人才具有重要意义。

[关键词] “综合自然地理学”;GIS;课程教学;空间信息;虚拟自然地理场景

[作者简介] 王艳霞（1982—），女，山东莱芜人，博士，西南林业大学地理与生态旅游学院讲师，主要从事数字生态系统研建研究;周汝良（1963—），男，云南祥云人，硕士，西南林业大学地理与生态旅游学院教授（通信作者），主要从事山地生态灾害监测与预警研究。

[中图分类号] G642.3   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）12-0161-04    [收稿日期] 2020-10-09

一、引言

“综合自然地理学”是地理科学专业一门重要的专业基础课，是以自然地理学为基础，利用综合的理论与方法、综合的研究实践，解决综合性的复杂问题[1-3]。该学科涉及的理论知识与技术方法具有较强的整体性、多尺度性、复杂性及交叉性。传统的教学手段和方法因教学内容的抽象性，导致教师在准确描述地理综合规律时较为困难，难以达到教学效果，而学生也存在较难理解的问题，以致学习效果差[4]。充分利用现代空间信息技术的优势，顺应综合自然地理学教与学的特点，探讨综合自然地理学教学，对改变宏观尺度上综合性知识难讲授、难掌握的现状，达到预期教学目标，培养新时代地理类人才具有重要的意义[5]。

由于传统研究手段的限制，导致宏观尺度的地学研究在获取科研数据和成果形式方面存在较大的局限性，从而使理论内容的抽象程度和展示形式难以被学生理解掌握。综合自然地理学教材普遍存在用大篇幅的文字性内容阐述难点、重点理论的问题，辅助学生理解的插图较少。在现代空间信息技术高速发展的今天，仅有的插图多来源于传统经典研究成果，滞后于地理信息科学、地理科学、自然地理学等本科专业学生的专业认知，导致学生在室内对专业知识进行实践理解时较为困难。为提高综合自然地理学的教学效果，常见改革措施是使用中国自然地理图集、自备教学挂图、课堂板图及地理景观照片等图件资料[6]，但这仅是一定程度上改变教学手段，未对课程教学内容进行实质性的改革，学生仍知其然，不知其所以然，即对地理现象产生的机理和过程存在认识上的模糊。

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）技术，作为一种信息化、数字化的核心空间信息技术之一，已从资源管理、环境规划扩展至应急反应、国民经济规划等领域，向着集成化、产业化和社会化方向迈进[7]。GIS技术以整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据为研究对象，具有强大的空间数据存储、显示、管理、分析、建模、模拟等能力。GIS学科和综合自然地理学的研究对象具有一致性，学科交叉意义较明显。基于GIS技术的综合自然地理学教学可用可视化良好的数据视图和虚拟地理场景降低课程内容的抽象性;用区域尺度的空间模拟及预测建立地理现象过去、现在及未来发生发展的过程，弥补难以开展的野外实习之不足;用高效的空间数据库管理能力建设综合自然地理学教学资源库，使优质教学资源可共建共享，为不同老师、不同学生创造规范化的教学、学习环境。通过发挥GIS技术解决综合问题的优势，降低综合自然地理学的教学难度和学生对综合性地理规律的理解难度，进而提高学生学习的兴趣，达到教学的预期效果。

我国学者一直在探讨“综合自然地理学”的课程教学改革实践，从教学内容、教学方法、实践教学等方法，提出了课程教学改革的举措，对综合自然地理学教学起到了重要的指导作用，表明将现代新技术或学科交叉成果用于改革课程教学，是综合自然地理学教学改革的一大方向[8-10 ]。利用现代GIS学科的理论和技术方法，深化综合自然地理学教学内容，创新教学手段和实践内容，使学生在有限的学时内掌握地域分异、自然区划和分区评价、土地类型划分、土地利用与土地覆盖变化分析等方面的知识，并懂得如何综合运用专业知识开展实践操作，对培养掌握GIS技术的地理专业人才，或者具有综合自然地理学专业知识的GIS人才具有重要的意义。

二、总体指导思想

以改善“综合自然地理学”现行教材过于注重文字知识、缺乏圖件资料、课程实践内容欠缺的现状为目标，以渉地理行业的本科生培养需求为指向，通过对综合自然地理学教材的整体分析和具体分析，引入GIS学科中已成熟的技术和方法，阐释综合自然地理多尺度抽象理论。通过构建GIS数据库、GIS辅助专题图集、虚拟自然地理场景及配套GIS教学技术实践，更新教学内容、教学方法和实践内容。针对典型重点内容提出基于GIS技术的案例分析方案，设计基于GIS技术的实践课程。通过GIS技术辅助教学过程，降低学科理论知识的抽象性，增加学生学习的积极性，降低教师教授的难度，培养符合新时代需求的创新型高技能综合人才。

三、教学内容的具体化

“综合自然地理学”的课程教学内容具有理论性强且十分庞杂的特点，涉及的知识面十分广泛。课程教学存在理论教学比重大、不易理解和掌握、教学内容陈旧、课程讲授的深度和广度受限等问题[ 11 ]。针对这些问题，学者们根据培养学生的目标要求和所在学校制定的专业培养计划，有重点、有取舍的将教材中的内容教授给学生，并注重及时更新教学内容，有选择地将新观点、新数据纳入新的教学内容中，反映学科最新进展[ 12，13 ]。有学者结合自己的科研项目，系统讲解部分内容，通过理论和实践相结合，使学生加深了相关理论的理解，提高了学习的积极性[ 14 ]。可见，依据地理类本科生培养计划，将GIS技术与地理学、自然地理学、综合自然地理学进行交叉应用，更新课程内容，符合综合自然地理学教学改革的发展方向。

基于GIS技术手段，可实现自然地理环境因子时空连续化、精细化的空间模拟与预测，该模拟与预测结果可在可视化良好、易于理解的立体场景中展示，便于学生掌握从宏观到微观的自然地理规律。基于GIS技术将教学内容具体化表现在以下几个方面：在自然地理环境整体性理论阐述时，基于GIS技术手段模拟太阳总辐射场并叠加地形地貌场景，向学生阐释太阳总辐射的空间分布格局特点;使用空间连续化分布的太阳辐射模拟场，根据地表热量带识别模型，建立精细化的地表热量带分布场，向学生阐释地表热量带空间分布格局特征;改进现有自然带的制图方式，在虚拟自然地理场景中向学生展示更加符合自然地理分布规律的自然带;在自然地理环境的地域分异理论讲授中，使用以像元为单位的空间连续化的气温场、积温场、相对湿度场及基于GIS空间模拟技术的土壤分类制图、基于GIS地学建模的地形地貌模拟结果等，向学生展示出较为直观的不同尺度下的纬度地带性、非地带性分异规律;建立植被垂直分带语义识别模型，建立植被垂直分布场，形成讲授植被垂直分布的教学内容;在自然区划理论内容中，教授学生用自然地理空间数据为科学支撑制定区划方案的理论与方法;将基于数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的山地地形地貌场和基于遥感和GIS技术的山地气候学研究结果引入，教授学生开展山地自然区划;在土地变化理论中，将近年来利用遥感影像开展的多年土地利用监测与评价项目实施过程与项目成果融入课程教学内容中，教授学生土地、土地分类、土地评价、土地利用变化监测及驱动力研究等方面的概念及其阶段结果中蕴含的不同时空尺度上的理论知识。

四、教学方法的多样化

教学方法的选择对学生的学习效果有很大的影响。针对学生学习综合自然地理学课程积极性不高的问题，学者们提出引导式教学、讲授与课堂讨论的有机结合、引导学生开展自主学习、适当运用多媒体教学手段、挖掘利用网络资源等手段，充分调动学生课内外的积极性[ 12 ]。由于教学方法受特定课程内容制约并指向教学目标，因此，新技术推动下产生的新形式的教学内容，需要老师因材施教，针对具体的内容设计多样化的教学方法。

基于GIS技术改进综合自然地理学教学方法具体表现为以下几个方面：利用各类GIS网络数据服务，下载GIS、遥感等背景数据;使用较为成熟的遥感反演算法、GIS同化算法等，构建GIS背景数据库，包括气候、地形地貌、基础地理信息、人为干扰及遥感数据集;GIS专题图构建使用GIS空间分析、建模、統计等技术方法;使用GIS空间模拟技术方法，将气候、地形、植被等要素栅格化，例如：将年平均温度等值线图替换为空间连续分布的年平均温度基线模拟场;以气温为例，使用时空替换方法，建立海拔、纬度、经度、山体效应等单因素影响下的温度场，以阐述纬度地带性分异规律、经度地带性分异规律、非地带性分异规律等;使用多期遥感影像解译和GIS数据分析与制图技术，开展土地利用变化监测教学;选取典型重点内容，分别设计GIS案例分析方案，形成专题技术路线，如基于太阳辐射场的热力分带、基于气温场的热量分带、基于遥感和GIS的自然区划案例、基于GIS数据同化的垂直分布带模拟、基于垂直带谱建立植被类型的生态分布概率模型，并在未来气候变暖背景下模拟该植被类型的分布及其变化情况等等。

五、课程实践的虚拟化

实践教学对于帮助和加深学生对理论的理解和掌握具有十分重要的作用。由于综合自然地理学涉及地域分异规律理论、区划理论、土地科学理论、人地关系理论等，不可能让学生实地进行实践观察，学者们往往根据所在团队相关科研成果，以案例教学的形式，加深学生对相关理论知识的理解，同时培养学生科研思维[ 13 ]。然而，因教师不同、教学内容不同，这种实践教学内容不符合规范教学理念。有学者提出加强实践环节，狠抓基地建设，但基地的实践仅能帮助学生掌握区域理论与知识，且基地的建设耗时耗力，困难重重[ 15 ]。基于GIS的虚拟地理场景模拟技术，可根据确定的教学内容建立三维或者二维半地表景观虚拟场景，构建可共享的课程实践数据库，设计可通用课程实践方案，配以统一的实践指导书，从而实现课程实践方面的改革。

实践方案制定时，应遵循“突出重点、抓典型”的原则，选取典型、重点内容，设计虚拟模拟的场景及构建通用数据库。以自然地理的地域分异为例，实践方案可基于遥感和GIS技术反演、同化技术构建时空连续化分布的气象因子场，建立气象因子专题数据库，然后与地形地貌叠加显示为立体效果的气象分布场景，进而设计地带性、非地带性地理规律的实践操作内容，包括精细化的气候分带、典型地区植被垂直分布制图、自然地理区划等。学生在可视化良好的虚拟场景中可了解或掌握地带性及非地带性理论，同时又能回顾GIS空间分析中的空间建模、空间预测、空间制图等方面的技术方法。又如综合性知识的实习，可选取某个自然保护区作为实践应用区域，建立该自然保护区背景数据库，结合GIS信息数据、遥感影像、已有图件资料，设计其遥感调查实践方案及多年保护成效评估实践方案。学生在加深对自然资源保护、景观结构分析、生态质量监测、土地利用及变化监测、人地关系等方面的综合理解时，同时学习或回顾基于遥感和GIS的数据获取、处理、变化监测、评估等方面的技术方法。

六、结语

GIS技术已交叉应用于林业、农业、国土、生态、生物多样性等行业领域中，并推动了这些行业向数字化、精准化、时空化方向不断发展，对本科生充分了解和把握综合自然地理学的理论并利用理论开展生产实践活动提出了更高的要求。基于现代GIS技术的综合自然地理学改革，充分考虑学生自身特点及其学科特点等多种因素，既衡量了学生学习的难度及可理解程度，又考虑了改革内容和相应教学方法、实践课程的有用性和启迪性，还兼顾了学科的前沿性和实用性。不管是课程内容、教学方法，还是课程实践，其改革内容最终确定和推广应用，需要选取一定量的本科生和任课老师为试用人员，根据反馈意见对方案进行修改和完善，使课程教学具有更高的合理性和可行性。通过多期试验和不断完善，基于GIS技术的综合自然地理学改革在教学内容、教学方法及教学实践三大教学环节定会寻求到一种师生均乐于接受的平衡状态，课程教学取得预期效果。

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Abstract： Under the background of the new era， there are some problems in the teaching of Integrated Physical Geography， such as paying too much attention to the knowledge of characters， lacking the materials of maps， and the difficulties in practice teaching. In view of the training needs of geography undergraduate major， and making full use of the advantages of modern spatial information technology， this paper discusses the teaching of Integrated Physical Geography based on GIS（Geographic Information System） technology from the aspects of the concretization of teaching content， the diversification of teaching methods and the virtualization of teaching practice. The technologies of GIS database management， spatial analysis， spatial modeling， spatial simulation and prediction are introduced. Through the construction of GIS database， GIS auxiliary thematic atlas， virtual natural geography scene and GIS teaching practice scheme of typical theoretical knowledge， the current situation that comprehensive knowledge is difficult for teachers to teach and students to master at macro scale is changed， which is helpful for training geography talents in the new era.

Key words： Integrated Physical Geography; GIS; course teaching; spatial information; virtual physical geography scene