地理信息技术与高中地理教学的融合实践*——以“黄土高原水土流失”为例

关一龙，蔺 芳，吴红波

（陕西理工大学人文学院，陕西 汉中 723000）

《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》对高中地理课堂教学运用地理信息技术提出了更明确的要求：“要充分利用地理信息技术辅助地理教学，为学生营造直观、实时、生动的地理教学环境［1］。”近年来，地理信息系统（Geographical Information System）的空间分析方法、电子地图展示、三维沙盘、时空动态分析等地理信息技术，运用于中学地理课堂教学，不仅能清晰地展示各种时间尺度、空间尺度的地理现象和场景，也能使课堂教学效果更直观与生动，有助于激发学生的学习兴趣，改善中学生被动接受地理知识的现状。目前，地理信息技术已在中学地理课堂教学和研学实践中得到广泛应用。因此，亟需将课堂教学设计和过程与地理信息技术的优势融合互补，让地理信息技术成为地理课堂教学、学生感知地理空间的重要教辅工具。

通过梳理相关文献和分析线上、线下优质课，发现对地理信息技术的运用大多局限于课程导入部分或者课堂教学的某一环节，无法依托地理信息技术设计整个教学过程，出现为了整合而整合或者本末倒置等问题，并未做到真正意义上的深度融合。基于此，本文尝试依托ArcGIS、Surfer、Loca Space Viewer等地理信息系统软件设计课堂教学过程，从学生研究性学习的角度出发，引导学生借助地理信息技术，探究黄土高原水土流失的影响因素，为地理信息技术辅助高中地理教学提供案例参考。

一、高中地理教学运用地理信息技术的必要性和适切性

1.高中地理教学运用地理信息技术的必要性

（1）地理课程标准的要求

新课标2020年修订版指出，地理核心素养的培养必须重视和依赖地理信息技术的运用。在必修课程地理Ⅰ和地理Ⅱ课程内容要求中明确指出：“通过探究有关自然和人文方面的地理问题，了解地理信息技术的应用［2］。”除此之外，在选择性必修课程中也明确指出，通过学习选择性必修模块，使学生能够运用地理信息技术分析现实世界的自然现象、区域发展的异同以及身边资源环境状况。一方面，学生亲身参与了实践并进行了思考；另一方面，教师用更高效的方式开展地理教学，都有助于地理学科核心素养的培育。

（2）学生多元发展的需求

传统的中学地理教学中，一些具有空间大尺度的地理现象和原理很难进行直观展示，教学难点很难被突破，教学效果并不理想，导致学生的地理学习兴趣下降。因此，抽象的地理知识更需要借助地理教具进行直观展示。突破教学难点是改变地理教学中教师与学生、学生与知识之间相互割裂现状的有效方法，而地理信息技术能将规律性的知识动态直观地展示给学生，大大降低了学习难度。直观体验式的教学方法有助于激发学生的学习兴趣，改变学习动机，从而提升其课堂参与度与课堂教学效果，推进核心素养的培养。

2.高中地理教学运用地理信息技术的适切性

（1）地理信息技术的多元化，为地理教学提供了丰富的教学资源

针对不同学习主题的需求，地理信息技术辅助教学的软件种类多样。在涉及地球运动、气象、地形、土壤与城市化等多个方面的教学中都有相应的教学软件辅助课堂教学。软件种类多样且各具特色，具有针对性强、容量小、集成化高的特点，一些软件甚至无需安装，便可直接打开且运行速度快。除此之外，各类软件教学视频相对全面且操作简单，满足一线教师快速学习的需求。例如，在软件方面，Loca Space Viewer（简称LSV）是一款三维数字地球桌面软件，不需要提前安装，只需打开文件夹中的快捷方式即可快速进入界面，数据集成多个地图影像数据，具备强大的数据编辑、管理与分析功能。在数据获取方面，公开共享的地理数据众多，如“中国科学院数据中心地理空间数据云、中国科学院资源环境科学与数据中心”等都可免费获取多种类型数据，满足一线教师的教研应用需求。

（2）地理信息技术的可视化，为培养学生地理核心素养提供了新方法

地理信息技术通过可视化功能，制作契合课堂教学的专题地图、三维模型与动画演示等教学资源，能将抽象的地理事物进行直观表达，以此满足教学需求，培养地理核心素养。例如，高中地理必修Ⅰ自然地理“常见的地貌类型”一课，可使用LSV三维虚拟地貌模型观察和识别各类地貌，引导学生操作飞行视点，最大限度地培养学生的地理实践能力，进而在真实的情境中对各类地貌的成因进行分析，培养学生地理学科素养和综合思维能力。

二、地理教学运用地理信息技术的教学示例

1.教学分析及注意事项

“黄土高原水土流失”一课的设计理念是以黄土高原生态脆弱区为例，结合水土流失的模拟实验，以合作探究的方式，引导学生制作专题地图，探究黄土高原水土流失严重的原因。对比中图版2019年和2004年教材，教学重心不仅是对黄土高原地区水土流失原理的讲述，而且要把地理信息技术作为一种地理分析工具和教学辅助，融入地理教学和学习的情境中。因而，教学设计和教学活动中应重点突出地理信息技术的融合和实践活动。

教学对象为高中二年级学生，学生在高一年级已经掌握必修Ⅰ和Ⅱ的基础知识，可以理解自然地理环境的五大要素，并具备一定的空间感知和逻辑分析能力。本节教学内容具有较强的区域地理特征，依托ArcGIS、Surfer等地理信息软件搭建的教学过程，学生的学习兴趣浓厚，对知识的探索意识较强，并以认知建构主义为理论背景，通过研究性学习方式培养学生的地理核心素养能力。

2.教学目标

①设置教学情境，运用Surfer制作三维虚拟地貌模型，直观感知黄土高原的地貌景观，正确辨别各类地貌特征，培养学生的区域认知。②学生观察LSV实景影像地图，了解黄土高原的自然环境特征，结合相关专题地图，从五大自然地理要素和人文要素的角度，分析水土流失的影响因素，理解水土流失发生、演变过程，培养学生提取地图信息的能力和综合思维能力。③通过对比黄土高原旧貌和新貌，让学生正确认识人地协调的重要性，树立和谐共生的可持续发展理念，懂得尊重自然的重要性和必要性，培养人地协调观。④通过模拟实验以及绘制专题地图，培养学生的地理实践能力和科学探究精神。

3.教学过程设计

（1）黄土组：探究黄土特性对水土流失的影响

【情境一】在中央电视台CCTV-1综合频道制作的《开讲啦》某期节目中，被称为“黄河的医生”的刘国彬现场演示了水土流失实验。通过插放节目视频，让学生直观感受黄土和黏土的土壤质地，与学生交流视频内容。

农地流转作为目前我国农村改革的新突破口，对实现我国农业规模化经营和推进至农业现代化具有重要意义。新疆启动农村土地承包经营权确权登记颁证工作试点工作以来，农村土地流转率明显提高，农村土地流转规模逐年增大，截至2017年底，新疆农村家庭承包耕地流转面积达到661.1万亩，占家庭承包经营耕地总面积的21%，但仍低于全国平均水平。根据国内外相关研究，主体障碍成为影响土地流转的重要影响因素，探讨新疆农村农户土地流转意愿的影响因素对于推动土地流转具有重要的参考意义。本文利用在新疆北疆地区的调研数据，运用计量模型对调查数据进行计算，探究农户土地流转意愿的现状，提出相应的建议。

【地图制作】教师引导学生在中国科学院资源环境科学与数据中心下载土壤质地空间分布数据，解析数据后，在ArcMap中将数据添加到内容列表中并打开ArcToolbox工具箱，选择Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取，提取黄土高原三类土壤质地数据。选择合适的配色方案，绘制黄土高原土壤质地空间分布图（图1）。

图1 黄土高原土壤质地空间分布

【结果分析】由图1可知，黄土高原大部分区域砂土比例在50%～60%之间，粉砂土含量在30%～60%之间，砂土、粉砂土含量最高，分布范围最广，主要分布在关中平原、陇中高原、陕北高原和汾河谷地的部分区域。黏土含量相比砂土和粉砂土含量较少，大部分区域不超过30%，集中在10%～20%之间。砂土和粉砂土组成粒间距较大，孔隙数量多，透水性强，遇水易崩解，为黄土高原水土流失提供了物质基础。

【设计意图】以认知建构主义为理论背景，教师引导学生通过制作和分析专题地图1，有助于培养学生阅读专题地图和提取地理信息的能力。除此之外，学生结合必修Ⅰ学习的土壤的主要形成因素及土壤质地，分析黄土高原水土流失的土壤因素，通过新、旧知识之间的联系，不断发现并解决问题，有助于培养学生自主学习能力、地理实践力和综合思维。

（2）降水组：探究降水量对水土流失的影响

【地图制作】教师引导学生在中国科学院资源环境科学与数据中心下载最新的降水量空间分布数据，解析数据后，在ArcMap中将数据添加到内容列表中，打开ArcToolbox工具箱，选择Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取，提取黄土高原的降水量空间分布数据，选取合适的配色方案制作专题图。搜集延安市各月份的气温及降水量数据，通过空间统计分析功能，绘制气温、降水量分布柱状图。

【实验结论】降水强度越大，水土流失越严重。

【分析验证】由图2可知，黄土高原地区的降水空间特征是从东南向西北降水量逐渐减少。结合季风气候年内降水季节分配不均的特征，观察黄土高原气温、降水分布图（图3），7～9月份降水量较大，其他月份降水较少，为黄土高原水土流失提供了动力条件。

图2 降水实验及黄土高原降水量空间分布

图3 黄土高原气温、降水量分布

【设计意图】探究性和小组合作式学习，最大程度调动了学生的学习兴趣和积极性。教师引导学生使用ArcGIS软件，绘制降水量分布图，直观展示黄土高原各区域的降水分布状况。观察季节性降水量的柱状图，结合必修Ⅰ自然地理的基础知识和水土流失模拟实验，总结该区域降水呈现出的规律特征，归纳水土流失的原因，理论与实践相结合，培养和提升学生的科学探究和综合思维能力。

（3）地形组：探究地形对水土流失的影响

【地图制作】教师引导学生在中国科学院数据中心地理空间数据云下载黄土高原地区的数字高程模型数据，解析数据后，在ArcMap中将数据添加到内容列表中，打开ArcToolbox工具箱，选择数据管理工具—栅格—栅格数据集—镶嵌至新栅格。选择Spatial Analyst工具—表面分析—坡度，提取黄土高原坡度数据，选取合适的配色方案制作专题图（图4、图5）。

图4 坡度实验及黄土高原坡度

图5 黄土高原三维地貌模型

【实验结论】坡度越大，水土流失越严重。

【分析验证】由图4可知，黄土高原坡角小于3°的区域仅占比36%，其余均大于3°。结合图5，黄土高原的塬、墚、峁、川的独特地貌景观，从地形地貌的角度分析，该区域平地少、斜坡多，地形起伏大，地势陡峭，容易诱发崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害，从而加剧水土流失。

【设计意图】教师引导学生使用ArcGIS表面分析工具，提取坡度并绘制专题图4，可以直观地展示各段坡度的可视化数据，再通过GIS统计分析中的分类区统计，统计各坡度值所占比重。除此之外，教师通过Surfer制作三维虚拟地貌模型，为学生还原一个真实、立体且三维的黄土高原独特的地貌景观，进而探究地形地貌对水土流失的影响。通过对地貌景观的感知、地图信息的读取，分析验证实验结果，有助于激发学生的学习积极性，进而提升课堂参与度，培养学生的地理实践力。

（4）植被组：探究植被对水土流失的影响

【情境二】植物叶片可以降低水流速度，起缓冲作用，防止雨滴击溅侵蚀。腐殖质层增加地表粗糙度，增加土壤黏性，降低地表径流速度，减轻对地表的冲刷强度。植物的根系可以固定土壤，减少水蚀作用。

【地图制作】教师引导学生在中国科学院资源环境科学与数据中心下载最新的土地利用现状遥感监测数据和2000年与2018年植被指数（NDVI）空间分布数据，解析数据后，在ArcMap中将数据添加到内容列表中，打开ArcToolbox工具箱，选择Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取，提取黄土高原土地利用空间分布数据和植被指数（NDVI）空间分布数据，选取合适的配色方案制作专题图（图6、图7）。

图6 植被实验及黄土高原土地利用类型空间分布

图7 黄土高原植被指数（NDVI）空间分布

【实验结论】植被覆盖率越低，水土流失越严重。

【分析验证】由图6可知，黄土高原耕地面积最大，占比45%，草地次之，森林覆盖面积占比较低，仅占9%，弱化了土壤表层森林的保护作用。除此之外，结合必修Ⅰ自然地理的基础知识，黄土高原地区属于秦岭淮河一线以北地区，农作物一年一熟，春冬季地表裸露，加剧水土流失。根据图7可知，黄土高原在近20年时间植被指数变化较大，说明植被覆盖对黄土高原水土流失的治理效果显著。

【设计意图】教师引导学生使用ArcGIS图像分类工具，对遥感影像进行分类，制作黄土高原地区土地利用类型专题图（图6），从中可直观展示各种地表覆被类型所占比重及分布。师生根据水土流失的原因，分组探究如何治理并提出措施，为治理水土流失建言献策，帮助学生树立正确的人地观。

三、课后评价及教学启示

1.教学设计亮点

（1）沉浸式教学情境，有效激发学生学习兴趣

本节内容以“黄河医生”短视频、LSV实景影像地图、ArcGIS和Surfer制作的契合教学案例的专题地图等作为教学素材，结合水土流失的模拟实验，充分激发学生的兴趣，让学生积极参与到课堂教学情境中，通过自主思考、合作交流和探究学习的形式引导学生主动学习，在知识技能提升的过程中思维能力、实践能力和科学素养也得到了极大提升。

（2）教学目标与核心素养紧密结合，深化地理信息技术的应用

本节内容直观展示出地理信息技术与地理教学融合的优势，引导学生借助多种类型的地理信息软件绘制专题地图和统计图表，通过模拟实验获取实验结论，分析验证结论的探究思路，理论与实践相结合，充分发挥地理信息技术的独特优势，让学生在真实情境中深度互动，培养学生的分析能力和地理核心素养，为促进学生的全面发展提供了新思路与实践平台。

2.教学启示及应注意的问题

地理信息技术、全息影像、虚拟技术、增强现实技术、多媒体技术与中学地理教学融合是近几年地理教育研究关注的热点之一［3］。现代化的教学方法、教具与教辅工具也应该不断锐意创新，与时俱进，旨在培养中学生地理学科核心素养。基于此，本节内容充分展示了地理信息技术融合课堂教学的强大优势，建议一线教师充分考虑并实践地理信息化的教学方式，将抽象的知识、原理、现象借助地理信息技术可视化展示，满足学生多维度的发展需求，落实地理学科核心素养的培养目标。需注意的是，本节内容综合性与逻辑性较强，教学组织环节衔接紧密，各影响因素之间相互影响且相互制约，是区域地理学习和空间认知培养的基础，在课堂教学中应不断锻炼并提升学生的区域认知和综合思维能力，引导学生构建思维导图，完善自己的学科知识框架［4］。与此同时，还可将地理信息技术应用于历史遗迹、生态环境、人文知识、社会经济与地理知识等方面的教学，共同完善高中地理课堂的“教与学”，达到交互式、研究性学习目的，营造地理知识学习氛围，最终提高地理课堂教学效果。