運(yùn)用“中學(xué)GIS教學(xué)平臺”培養(yǎng)中學(xué)生地理空間比較分析能力的研究

華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院（200062）段玉山 王家偉

地理學(xué)的一個顯著特點(diǎn)就是地域性，地理事象由于其所處的空間位置不同，會存在很大的差異。地理空間比較分析能力就是確定地理事物、地理要素和地理現(xiàn)象在空間上的差異點(diǎn)和共同點(diǎn)，比較不同區(qū)域差異，揭示其蘊(yùn)含的地理規(guī)律的能力。認(rèn)識區(qū)域間的差異及某個區(qū)域典型的地理特征，常常要借助比較的方法。通過比較，可以區(qū)別區(qū)域間地理事項(xiàng)的特點(diǎn)和性質(zhì)，分辨地理事物的程度和級別，找出區(qū)域間差異顯著的征象和標(biāo)志。例如，在分析北美洲西岸海洋性氣候的局限性時，只有通過與歐洲西部類似氣候在程度和地區(qū)范圍上的比較，這個特點(diǎn)才會顯示出來。

一直以來，學(xué)生在學(xué)習(xí)高中區(qū)域地理部分中的一些經(jīng)濟(jì)社會上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時，傳統(tǒng)的方法一般都是列出一些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖表來說明區(qū)域之間的差異，相關(guān)的統(tǒng)計(jì)圖表不能與對應(yīng)的地理區(qū)域相關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)顯示抽象，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，不利于學(xué)生比較分析。利用GIS的動態(tài)顯示、分類設(shè)色、專題制圖、疊加分析等功能，可以動態(tài)直觀地確定地理事物、地理要素和地理現(xiàn)象在空間上的差異點(diǎn)和共同點(diǎn)，比較不同區(qū)域差異，揭示其蘊(yùn)含的地理規(guī)律。從而更好地培養(yǎng)中學(xué)生對地理環(huán)境差異性的理解和分析的空間比較分析能力。

一、“中學(xué)GIS教學(xué)平臺”簡介

2003年出臺的《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》[1]已把GIS正式納入高中地理課程之中。經(jīng)全國中小學(xué)教材審定委員會審定的普通高中地理教材中，GIS已成為必修和選修教材的主要內(nèi)容之一。此外，教育部在2010年發(fā)布了《高中理科教學(xué)儀器配備標(biāo)準(zhǔn)》[2]，其中的高中地理教學(xué)儀器配備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了3S（包括地理信息系統(tǒng)、遙感和全球定位系統(tǒng)）教學(xué)軟件的內(nèi)容。GIS技術(shù)作為地理學(xué)的第三代語言，既要作為重要的地理信息科學(xué)的內(nèi)容滲透在基礎(chǔ)地理教育中，也要作為非常有用的輔助教學(xué)手段來支撐輔助地理課堂教學(xué)。即“學(xué)GIS，用GIS學(xué)”已經(jīng)成為現(xiàn)代信息社會GIS基礎(chǔ)地理教育的廣泛共識，是當(dāng)前基礎(chǔ)地理教學(xué)改革與發(fā)展的一個重要突破口。

在我國，隨著新課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布，全國各地利用GIS輔助教學(xué)和開設(shè)選修課活動有了明顯增多。當(dāng)前專業(yè)的GIS基礎(chǔ)平臺軟件很多，但適合用于中學(xué)基礎(chǔ)地理教學(xué)的應(yīng)用軟件平臺卻很少?；诖?，華東師范大學(xué)地理教育研究所段玉山教授主持設(shè)計(jì)研發(fā)了基礎(chǔ)地理教育的軟件平臺——“中學(xué)地理信息系統(tǒng)（GIS）教學(xué)平臺”。本軟件專門用于講授GIS基礎(chǔ)知識和用GIS進(jìn)行輔助地理教學(xué)應(yīng)用，是基于國家高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)和教育部中學(xué)地理裝備儀器標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)研發(fā)?！爸袑W(xué)地理信息系統(tǒng)（GIS）教學(xué)平臺”包括“基于GIS的地理教學(xué)輔助系統(tǒng)”“GIS研究性學(xué)習(xí)系統(tǒng)”“遙感空間信息教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”和“GPS實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”四款軟件系統(tǒng)。

“基于GIS的教學(xué)平臺”具備GIS地圖以及分析功能，并附帶大量和地理教材相匹配的地理底圖、地形圖和專題圖，滿足地理教師在進(jìn)行地圖認(rèn)知、中國地理、世界地理和高中地理課件整合時的地圖需求。教師可以借助專題地圖豐富多樣的表現(xiàn)形式以及簡便的GIS操作方式，實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)分析和結(jié)果的直觀顯示。這款軟件還包括了一些高級的GIS空間查詢、空間分析功能，教師可利用其教授一些其它教學(xué)方法無法呈現(xiàn)的特定知識點(diǎn)，如通過緩沖區(qū)分析表達(dá)某一地理要素的屬性影響范圍，包括污染源的有害范圍、集水區(qū)范圍、經(jīng)濟(jì)輻射區(qū)域等。教師可以按照自己的需要自由組織地理數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單的地理分析，同時學(xué)生也可以利用該平臺進(jìn)行自主的研究性學(xué)習(xí)。

軟件還針對中學(xué)地理教師和學(xué)生電腦軟件操作技能不足、不熟悉GIS操作等實(shí)際情況，依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》[1]，對地理教材中適合運(yùn)用GIS進(jìn)行輔助教學(xué)的主題內(nèi)容進(jìn)行歸納整理，開發(fā)了大量能夠用GIS進(jìn)行輔助地理教學(xué)的典型教學(xué)案例。對于初次接觸GIS相關(guān)軟件的教師，在教學(xué)過程中可以直接通過案例向?qū)?，按步驟進(jìn)行簡單操作，即可快速加載對應(yīng)的地圖數(shù)據(jù)以及完成相應(yīng)的空間分析和專題制圖等操作。對于有一定計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的教師還可靈活地改變案例中默認(rèn)的操作參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行多樣化的輔助教學(xué)。對于學(xué)習(xí)過GIS課程或?qū)IS軟件操作比較熟悉的教師，也可以不按照案例來進(jìn)行GIS的輔助教學(xué)，而是通過軟件附帶的大量基礎(chǔ)地圖等數(shù)據(jù)，自己自行設(shè)計(jì)案例進(jìn)行GIS的輔助教學(xué)，從而滿足不同教師的不同層次的教學(xué)需求。

二、培養(yǎng)中學(xué)生地理空間比較分析能力的教學(xué)策略

1.制作各類專題地圖，對比分析地理要素間的空間差異

無論是地理科學(xué)本身，還是地理教學(xué)，直觀性是一個重要的特征。在地理教學(xué)中，GIS專題地圖比普通地圖更具優(yōu)勢。因?yàn)镚IS專題地圖能根據(jù)教學(xué)需要，靈活改變顯示方式和添加附加地圖要素，包括圖注、圖例、圖標(biāo)等信息，而且表現(xiàn)形式豐富多樣。例如，國民經(jīng)濟(jì)的各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如人口數(shù)量、人口構(gòu)成、國民生產(chǎn)總值等等，它們都具有一定的區(qū)域性，把它們和GIS的圖形數(shù)據(jù)結(jié)合起來就形成了各種空間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。GIS的專題地圖功能把國民經(jīng)濟(jì)的各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和GIS的圖形數(shù)據(jù)結(jié)合起來，方便靈活地制作各種專題地圖（分層設(shè)色圖、餅圖、直方圖、點(diǎn)密度圖等）。專題地圖的直觀易讀性有利于學(xué)生通過比較認(rèn)識區(qū)域間的差異以及某個區(qū)域不同于其它區(qū)域的典型地理特征，區(qū)別區(qū)域間地理現(xiàn)象的特點(diǎn)和性質(zhì)，分辨事物的程度和級別，找出區(qū)域間差異顯著的特征和標(biāo)志。

2.實(shí)現(xiàn)二維與三維圖形轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)差異的直觀性與表現(xiàn)力

傳統(tǒng)的地圖表征以二維為主，用抽象的符號表示復(fù)雜的地理事象，是造成學(xué)生感知理解地圖困難的主要原因之一。在地理教學(xué)中可以適當(dāng)運(yùn)用GIS的三維可視化功能，將平面二維地圖或數(shù)據(jù)（如DEM）轉(zhuǎn)換成三維立體圖像進(jìn)行顯示，并對三維立體圖像進(jìn)行縮放、漫游、旋轉(zhuǎn)觀察和進(jìn)行簡單的屬性信息查詢，從三維空間認(rèn)識地理事物及其分布，可以增強(qiáng)地理事物的直觀化、形象化，有助于學(xué)生對地理空間分布和地理空間問題的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生對地理事物進(jìn)行二維和三維轉(zhuǎn)換的能力，從而更好地感知理解二維地圖，提高對二維地圖的判讀分析能力。

例如可以利用GIS的三維可視化功能輔助判讀等高線地形圖。首先繪制二維等高線并賦予高程值，再建立數(shù)字高程模型（DEM），并進(jìn)行三維可視化表達(dá)處理，便可展示出一座山體。地形的高低起伏在三維圖上直觀地表達(dá)出來，可以直觀地觀察山峰、山谷、山脊、鞍部、陡崖等多種特征地形。最后，將等高線與數(shù)字三維地形圖進(jìn)行疊加顯示。結(jié)合三維地形圖進(jìn)行等高線地形圖判讀的學(xué)習(xí)，就可以化抽象為直觀，極大地提高教學(xué)效率（如圖1）。

圖1 等高線疊加地形的三維顯示圖

3.注重圖層疊加，探究地理要素間的空間關(guān)系

大部分GIS軟件是以分層的方式組織地理景觀，將地理景觀按主題分層提取，同一地區(qū)的整個數(shù)據(jù)層即表達(dá)了該地區(qū)地理景觀的內(nèi)容。地理信息系統(tǒng)的疊加分析是將具有相關(guān)性的眾多數(shù)據(jù)層面，進(jìn)行疊加產(chǎn)生一個新數(shù)據(jù)層面的操作，其結(jié)果綜合了原來兩層或多層要素所具有的屬性。

圖層疊加分析不僅包含空間關(guān)系的比較，還包含屬性關(guān)系的比較，是一種綜合，是一種聯(lián)系，體現(xiàn)了一種因果關(guān)系規(guī)律。通過圖形疊加分析可以很好地探究不同地理要素之間的空間關(guān)系，探索它們之間的因果關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生地理空間比較分析能力和地理空間綜合分析的能力。地理教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)注重運(yùn)用 GIS將具有不同要素特征的多個圖層進(jìn)行疊加，讓學(xué)生在視覺上驗(yàn)證疊加過程和疊加效應(yīng)，從而探尋各種地理要素和現(xiàn)象間的空間關(guān)系。如在學(xué)習(xí)城市化的內(nèi)容時，教師可以展示某地（如倫敦）多個年代的城區(qū)范圍圖層，透過疊加圖層來比較城市土地利用變遷的過程和差異（如圖2）。

圖2 倫敦不同歷史時期城區(qū)范圍疊加圖

三、以“區(qū)域發(fā)展差異”為例培養(yǎng)中學(xué)生地理空間比較分析能力

下文以“區(qū)域發(fā)展差異”為例，利用“中學(xué)GIS教學(xué)平臺”，通過中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異專題地圖的動態(tài)制作、分色顯示、疊加分析等“中學(xué)GIS教學(xué)平臺”常見功能，促進(jìn)學(xué)生比較不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異。通過比較，以分辨不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的程度和級別，更好地理解中國三大經(jīng)濟(jì)地帶劃分和實(shí)施西部大開發(fā)的原因，從而利用GIS更好地培養(yǎng)中學(xué)生的地理空間比較分析能力。

（本案例來源于普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書（湘教版）地理3中第一章“區(qū)域地理環(huán)境與人類活動”中的第三節(jié)“區(qū)域發(fā)展差異”。所需數(shù)據(jù)有：“中國三大經(jīng)濟(jì)地帶數(shù)據(jù)”“西部大開發(fā)省份數(shù)據(jù)”和“中國各省2010年GDP數(shù)據(jù)”等。）

1.利用GIS分級設(shè)色功能，比較我國2010年各省區(qū)的GDP差異

【操作步驟】點(diǎn)擊軟件“添加數(shù)據(jù)”按鈕，添加顯示“2010年中國各省GDP數(shù)據(jù)”；點(diǎn)擊“屬性設(shè)置”按鈕，對“2010年中國各省GDP數(shù)據(jù)”的屬性值進(jìn)行顯示設(shè)置，并標(biāo)注出各省級行政區(qū)的名稱。制作出一幅用顏色的深淺來代表各省GDP數(shù)值大小的專題圖（如圖3）。

通過“2010年中國各省GDP數(shù)據(jù)分級設(shè)色專題圖”的動態(tài)制作過程和對制圖結(jié)果的觀察分析，我們首先可以觀察到各省GDP圖斑顯示顏色深淺上的差異，說明各省的GDP數(shù)值存在明顯的地區(qū)間差異；其次我們可以觀察到我國東部省份GDP圖斑顯示的顏色較深，中部省份GDP圖斑顯示的顏色較淺，西部省份顯示的GDP圖斑顏色最淺，說明我國東部沿海省份GDP數(shù)值大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，中部省份次之，西部省份最小，呈現(xiàn)出梯級分布的規(guī)律。

2.利用GIS專題制圖功能，比較我國多年來各省區(qū)的GDP差異

圖3 中國各省2010年GDP分級設(shè)色專題圖

【操作步驟】點(diǎn)擊軟件“添加數(shù)據(jù)”按鈕，添加顯示“多年中國各省GDP數(shù)據(jù)”；點(diǎn)擊“屬性設(shè)置”按鈕，對“多年中國各省GDP數(shù)據(jù)”的屬性值進(jìn)行顯示設(shè)置，并且對各省級行政區(qū)進(jìn)行名稱的標(biāo)注。這樣就制作出一幅綜合多年各省GDP數(shù)值，并用圓餅的大小來代表多年中國各省GDP數(shù)值大小的餅狀專題圖（如圖4）。

圖4 多年中國各省GDP數(shù)值大小餅狀專題圖

通過GDP餅狀專題圖的動態(tài)制作過程和對制圖結(jié)果的觀察分析，我們首先可以看到綜合多年GDP各省餅狀圖大小上的差異，說明各省的GDP數(shù)值一直以來存在著地區(qū)間的差異；其次，我們可以看到，各省內(nèi)部不同年份的GDP數(shù)值也不同，各省GDP數(shù)值都在逐年的增長，說明各省經(jīng)濟(jì)有持續(xù)穩(wěn)步增長的趨勢；第三，從經(jīng)濟(jì)總量上，我們可以看到總體上還是我國東部省份GDP餅圖較大，中部省份餅圖較小，西部省份顯示的餅圖最小，說明多年來我國東部沿海省份GDP數(shù)值一直比較大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平一直比較高，中部省份次之，西部省份經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在三個區(qū)域中仍舊最低，也呈現(xiàn)出梯級分布的規(guī)律。

3.利用GIS分類設(shè)色與疊加功能，比較我國三大經(jīng)濟(jì)帶省區(qū)的GDP差異

【操作步驟】首先，點(diǎn)擊軟件“添加數(shù)據(jù)”按鈕，添加顯示“中國三大經(jīng)濟(jì)地帶數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊屬性設(shè)置按鈕，對“中國三大經(jīng)濟(jì)地?cái)?shù)據(jù)”的屬性值進(jìn)行屬性設(shè)置，即按不同經(jīng)濟(jì)地帶進(jìn)行分色顯示，這樣我們就得到了一幅把各個省區(qū)分成三種顏色進(jìn)行分類顯示的專題地圖。我們可以看到紫色區(qū)域是東部經(jīng)濟(jì)地帶，黃紅色區(qū)域是中部經(jīng)濟(jì)地帶，綠色區(qū)域是西部經(jīng)濟(jì)地帶（如圖5）。其次，將前面制作的“多年中國各省GDP餅狀專題圖”疊加顯示到“中國三大經(jīng)濟(jì)地帶分色顯示專題圖”上（如圖5）。

圖5 中國三大經(jīng)濟(jì)地帶和各省GDP餅狀專題圖疊加顯示

通過分層設(shè)色專題圖的動態(tài)制作過程和對“中國三大經(jīng)濟(jì)地帶的分色顯示圖”與“各省GDP餅狀專題圖”的疊加分析，我們可以直觀地看到劃分為東部經(jīng)濟(jì)地帶各省份的GDP餅狀圖都比較大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平都比較高，相對東部地區(qū)而言，中部經(jīng)濟(jì)地帶各省份的GDP餅圖都比較小，而西部經(jīng)濟(jì)地帶各省份的GDP餅圖最小。最后通過比較分析，我們可以得出東中西部省份經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平上的差異是中國三大經(jīng)濟(jì)地帶劃分依據(jù)之一的結(jié)論。

4.利用GIS分類設(shè)色與疊加功能，比較我國西部與非西部開發(fā)省區(qū)的GDP差異

【操作步驟】首先，點(diǎn)擊軟件“添加數(shù)據(jù)”按鈕，添加顯示“西部大開發(fā)省份數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊屬性設(shè)置按鈕，對“西部大開發(fā)省份數(shù)據(jù)”進(jìn)行屬性的分色顯示設(shè)置，黃紅色區(qū)域顯示的是西部大開發(fā)省份，黃色區(qū)域顯示的是非西部大開發(fā)省份。其次將前面得到的“多年中國各省GDP餅狀專題圖”和“中國西部大開發(fā)省份分色顯示專題圖”進(jìn)行疊加顯示分析(如圖6)。

圖5 中國西部大開發(fā)省份和各省GDP餅狀專題圖疊加顯示

通過分類設(shè)色專題圖的動態(tài)制作過程和對“中國西部大開發(fā)省份分色顯示專題圖”與“各省GDP餅狀專題圖”的疊加分析，我們可以看到西部大開發(fā)省份GDP數(shù)值餅圖普遍比較小，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，而非西部大開發(fā)省份GDP數(shù)值餅圖總體都比較大，說明經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高。通過二者的疊加分析，最后我們可以得出為縮小與東中部發(fā)達(dá)省份之間的經(jīng)濟(jì)差距，是實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重要原因之一的結(jié)論。

[1]中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2]中華人民共和國教育部.高中理科教學(xué)儀器配備標(biāo)準(zhǔn).中華人民共和國教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2010.