ArcGIS Earth：中学地理数字化学习的有效工具*

朱志刚

江苏省常州市教育科学研究院 江苏常州 213016

《“十四五”国家信息化规划》倡导全面推进教学模式创新，开展“终身数字教育”以及全面推进评价方式改革，要“推进信息技术、智能技术与教育教学融合的教育教学变革”。《义务教育地理课程标准（2022 版）》明确提出：“将现代信息技术与地理教学充分融合，创设多样化的学习情境，设计多层次的学习任务，积极开展地理户外实践，使学生深度参与地理学习活动，经历对提升核心素养有意义的学习过程。”［1-2］。在信息技术与地理教学深度融合的实践中，ArcGIS Earth 作为一种简明而有效的工具，为师生提供了思维呈示与交流的有力载体。

一、ArcGIS Earth 的概述

ArcGIS Earth 是美国环境系统研究所（Environment Systems Research Institute，以下简称Esri）地理空间云研发的一部分，是一款三维虚拟地球平台，可以显示全球的2D 和3D 数据，并具备一些基础的交互式分析功能。ArcGIS Earth 的出现，为中学地理教育在地理信息技术应用领域提供了一种解决方案。

ArcGIS Earth 界面简洁友好，上手容易。左上角是常用工具条，提供了加载数据、绘制、测量、交互分析、书签、分享、地图库等常用功能。点击“加载数据”按钮，界面左侧将出现图层树，加载的数据、创建的要素均可通过图层树进行控制显示；点击“测量”按钮，可自行绘制线段、折线、多边形、圆形等对地表区域进行测量与计算；点击“交互分析”按钮，可对地球表面进行剖面、通视等简易交互式分析。界面右上角是辅助工具条，提供了搜索框、指北针、恢复初始视角、3D 效果等辅助功能。

二、ArcGIS Earth 的优势

（一）海量的地理数据渠道

在GIS 辅助中学地理教学的实践中，数据的获取一直是一个重要的影响因素。

ArcGIS Earth 提供了海量的底图与地形数据。依托Esri 强大的云服务，教师可以免费获取来自DigitalGlobe、Earthstar、Here、USGS等世界顶级数据源的超过135 万张遥感底图。教师单击ArcGIS Earth 界面左上角工具栏中的“Basemap and Terrain”按钮，可以打开底图与地形数据库；进一步点击对话框右下角的“Add New”按钮，可以呈现海量的底图数据和地形数据。ArcGIS Earth 也预留了本地数据的加载通道。

同时，ArcGIS Earth 提供了全面的数据获取方式。教师可以通过ArcGIS Online、Add Files 和Enter a URL 三种方式获取数据（图1）。其中，“ArcGIS Online”是Esri 地理云涵盖各类主题的全球地理信息的集合，它可以用于浏览世界各地的乡土人情及其自然和人文因素，是广大师生进行地理分析的理想数据源。“Add Files”是加载本地计算机地理数据的通道，它支持Shapefile 文件（SHP）、Keyhole标记语言文件（KML 或KMZ）、文本文件（TXT）等常见的数据格式，具有较强的兼容性，因而具备一定的GIS 专业背景的教师能够更高效地利用它开展数据分析。“Enter a URL”则是加载网络数据的通道，教师可以根据需要从网络获取相关的地理数据。

图1 数据获取方式

（二）出色的地图搜索功能

ArcGIS Earth 基于Esri 强大的地理云搜索能力，提供了属性与坐标两种地图搜索方式。通过单击右上角的搜索按钮，在搜索框中输入“常州”（或“Changzhou”），ArcGIS Earth 会在全世界100 多个国家中查找目标地，最终确定为“常州，Jiangsu，CHN”。也可以使用坐标信息进行搜索。

同时，ArcGIS Earth 会根据师生使用的设备类型，智能地切换“鼠标导航”与“触摸导航”两种地图浏览的方式。在使用鼠标导航时，师生可以在选择、测量或编辑要素的同时，对视图进行旋转、倾斜和缩放。通过单击鼠标左键，可在随即显示的弹出窗口中识别要素。拖动鼠标左键，可平移视图。通过旋转滚轮键，可以放大或缩小视图。拖动滚轮键可连续缩放。右键单击并拖动滚轮键，可倾斜视图或围绕单击的点旋转。还可在场景中通过单击右键来探索系统预设的飞行模式：旋转、仰俯、离远与靠近。在使用触摸导航时，有三种导航模式可供选择，分别是单指平移、多指缩放和平移，以及多指旋转和仰俯。

此外，还可选取多个地图场景创建书签，并按序游览所有地图场景。

（三）优越的地图表达效果

Esri 凭借在GIS 研发方面强大的专业能力处于行业领先地位。ArcGIS Earth 提供的地图影像在类型、清晰度、拼接质量等方面均为上乘，且能够全方位支持2D 与3D 场景的建构。

此外，ArcGIS Earth 作为地理教学中专业的演示平台，具有类似于数字星球系统的动态演示效果。通过将虚拟地球作为载体，能够立体、动态、直观地显示各种地理现象及其规律。在日常教学中应用ArcGIS Earth，有助于激发学生的学习兴趣，并能有效地培养他们的空间思维能力，使其增强对地理规律的认知。教师可以预先选择课堂教学的研究区域，并按序加入书签，点击播放按钮时可获得类似PowerPoint、Prezi、Focusky 等动态演示软件的效果。

三、ArcGIS Earth 的典型教学应用

在实际教学过程中，ArcGIS Earth 有以下三个典型的应用方向，能将软件特点与地理教学内容有机结合，可以有效地化解教学难点。

（一）静态地貌现象的观察

地貌是出露地表的岩石圈在大气圈、水圈、生物圈综合作用下呈现的结果。地貌类型多样，千姿百态，特点各异。在地理课堂中，师生无法身临其境地近距离观察真实的地貌景观，往往只能借助视频、图像资料进行初步了解，无法窥其全貌。借助ArcGIS Earth 的高清全球影像，教师可以引导学生通过航天或航空遥感技术，获得对真实地貌类型的感性认知，有助于学生对常见地貌类型的判别。例如， 在右上角辅助工具条搜索框中输入“玉门”，ArcGIS Earth 会定位至甘肃玉门，在城市西北方向即可发现河流出山口巨型的扇形堆积地貌“昌马冲积扇”（图2）。

ArcGIS Earth 也为地理课堂教学中的地貌观察提供了高效的解决方案。师生可以选择一个开阔的视角，按从宏观到微观、从面到点的顺序进行观察。通过点击左上角常用工具条中的“测量”或“交互式分析”功能，师生可以选择线路、区域，并展开剖面图、通视（视线、可视域）问题的常规观测。在剖面图的分析中，地貌选线与地形剖面上的点将逐一对应。例如，鼠标停留在茅山最高峰上的某处，将会呈现该点在整个地貌游览线路上的行程距离与地形剖面上的绝对海拔高度（图3）。

图3 茅山的地形与剖面

ArcGIS Earth 自带的地理编码器可以批量解析地理位置。学生可以搜集和整理坐标信息数据，经Excel 编辑后，拖拽文件到ArcGIS Earth 窗口之中，所有以文字表达的地理位置信息便会转换成以图形表达的点要素，并在ArcGIS Earth 中被绘制出来。学生可以通过点击右键属性将点要素导出并分享。同时，加载相应的等高线数据，可以将等高线内容的教学由传统的2D 抽象转变为3D 形象化。

（二）动态海气规律的认知

与地貌相比，水圈和大气圈的物质运动更易被人们察觉。在较大的时空尺度范围内，海洋和大气的运动规律是高中地理学习的重要内容。对此，ArcGIS Earth 有很好的教学支持效果。

中国国家气象信息中心（NMIC）、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）每年都会定期更新和发布免费的气象与洋流数据。例如，教师可以下载特定时间的洋流数据，稍加处理后加载至ArcGIS Earth，能够较为清晰地呈现印度洋海区洋流的分布、变化以及规律（图4）。

图4 印度洋的洋流变化

（三）人文地理数据的可视化

ArcGIS Earth 作为专业GIS 公司的产品，其在数据的图形化输出方面对于地理教学具有重要价值。ArcGIS 对基本数据进行处理，可以生成多种形式的专题地图，包括点符号图、点值图、晕线图、等值线图、分层设色地图等。ArcGIS Earth 的三维可视化演示效果远比传统的数据呈现方式更直观明了。例如，对于全国城镇居民人均可支配收入进行对比，常规的数据报表可以通过地图可视化予以呈现。

信息化的快速发展加速推进了学科建设。以GIS 为代表的地理信息技术是地理学科信息化过程中的主要动力［3］。传统的地理课堂教学方式已经不能满足现代教学探究和展示的需求，引入以GIS 为代表的地理信息技术作为新的教学方式，必然成为一种教学需要。ArcGIS Earth 引入中学地理教学，为多样性与实践性相统一的地理教学探究提供了现实可能。

四、中学地理数字化学习案例

以下通过两个案例，来展示ArcGIS Earth在中学地理数字化学习中的运用。表1 为地理数字化学习案例“购房选址”。

表1 地理数字化学习案例：购房选址

ArcGIS Earth 软件技术的引入为解决综合地理问题提供了新的途径。在日常教学中，学生通常通过定性的方式来解决地理问题，但实际生活中的问题仅通过定性方式解决难有成效，往往需要定量化的探究才能有效解决。通过收集地理信息数据，进行地理问题定量化的探究，学生可以形成对科学研究的初步体验，更易将自然与人文要素对地理问题的影响具体化，从而加强综合思维在解决实际生活中地理问题的认识。这有利于学生从多个维度对区域展开分析，从而较全面地认知不同区域的地理特征，辩证地看待地理问题。表2 为地理数字化学习案例“海平面上升对沿海地区的影响”。

表2 地理数字化学习案例：海平面上升对沿海地区的影响

ArcGIS Earth 软件技术的引入，特别是结合虚拟现实（VR）技术，能够便捷地模拟和呈现学生在日常生活中缺乏体验且无法亲历的问题。这种教学方式不但可以提高学习效率，而且对结果的呈现往往更为直观。对于学生而言，这种教学方式远比传统的纸媒时代的知识讲授更具吸引力。这种方式有利于学生正确看待地理环境与人类活动的相互影响，理解人们对人地关系认识的阶段性表现及其原因，认同人地协调对可持续发展具有的重要意义，从而使其形成尊重自然、和谐发展的态度。

五、结语

综上，作为中学地理数字化学习的有效工具，ArcGIS Earth 的新特点、新变化契合中学地理课程改革的方向，有利于创设“复杂而真实的情境”，结合相关学习平台有利于动态生成“发展性任务”，并可以在较高的科学层面上促进师生进行基于项目研究的“协商对话”，有利于促进个性化的丰富多彩的“创造性应用”。

在数字化学习的具体实践过程中，ArcGIS Earth 这种“学科工具”模式，还可以与其他实践模式相互配合，融入中学地理数字化学习的全过程。图7［4］展示了信息技术深度融入地理教学的实践模式。以人地协调观为地理教学的核心内容，包括区域认知、综合思维和地理实践能力等三个方面。而信息技术深度融入地理教学则包含学习策略、学习工具、学习过程三个方面的内容，对传统地理教学模式产生了深远的影响。其中，学习策略方面，信息技术为地理教学提供了更多的学习方式和策略。学生可以通过网络课程、翻转课堂等提高学习效果。同时，信息技术也促进了合作学习、自主探究、跨学科等新型学习策略的发展。学习工具方面，信息技术为地理教学提供了更加丰富和多样化的学科工具。例如，基于GIS 技术开发的ArcGIS Earth 软件可以用于地理数据的采集、处理和分析，使学生能够更加深入地了解地理现象和规律。此外，信息技术还提供了虚拟现实、公共平台和模拟实验等资源，方便学生进行自主学习和探究。学习过程方面，信息技术为地理教学提供了更加高效和便捷的学习过程。教师可以更加灵活地组织教学，通过情境创设、学情调查、交流协商、创造应用和展示评价等实现个性化教学和差异化教学。同时，信息技术也促进了学生学习方式的转变，使学生能够更加主动地参与到学习中来，提高学习效果。

图7 信息技术深度融入地理教学的实践模式

这种融合有助于更高效地培养中学生的地理实践能力，使他们能够更好地理解和应用地理知识，解决实际问题。同时，这种融合也为他们未来可持续发展综合素养的形成奠定了坚实基础。通过实践操作和应用ArcGIS Earth 等数字化工具，学生可以锻炼自己的动手能力、创新能力和团队协作能力，提高自己的综合素养。这些能力对于他们的成长具有重要的意义。