地理空間素養(yǎng)教育理念下的導學電子地圖設計

趙 亮，任 福

(1. 中國地圖出版社，北京 100054; 2. 武漢大學資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079)

空間是地理科學的核心概念之一，它是一切地理事象、地理變化和地理過程存在、發(fā)生和變化的基礎。中學地理課程的一個重要目標即是培育學生的地理空間素養(yǎng)。地圖作為地理學科的形象化語言，不僅能夠圖解地理知識、建構空間概念，還有助于學生形成和發(fā)展空間思維能力，是地理空間素養(yǎng)教育的必備工具。

近年來，國際地理教育界十分注重地圖在地理空間素養(yǎng)教育中的應用。美國、德國已對空間素養(yǎng)的水平層次進行了科學劃分，并制定了具體細則，指導學生運用地圖工具發(fā)展相應的空間思維能力[1-2]。我國地理教育界對學生的空間素養(yǎng)也很重視。新版《義務教育地理課程標準》和《普通高中地理課程標準》中都富含關于運用地圖進行地理空間認知的條目，而“充分利用信息技術手段，為學生學習提供豐富多樣的電子地圖，使地理教學更生動，空間認知更直觀”也已成為很多學者的共識。

隨著我國中學地理課程改革的深化及教育技術信息化的發(fā)展，電子地圖已經(jīng)為越來越多地理教育工作者所研究和運用，成為地理空間素養(yǎng)教育的重要工具。然而，目前應用于中學地理課堂的電子地圖往往局限于“給紙質(zhì)地圖搬個家”，即不經(jīng)過加工處理，簡單地將傳統(tǒng)地圖轉移到電腦屏幕上。這種二維、靜態(tài)、單向的信息傳輸方式不具備動態(tài)生成性和交互體驗性，難以使學生與地圖之間達成有意義的教學互動，阻礙了地理空間素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

通過文獻查閱統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),目前，我國學術界針對運用傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖培養(yǎng)空間思維能力的探討，以及關于電子地圖設計和開發(fā)的研究均已取得了一定的成效。然而，面向中學地理空間素養(yǎng)教育的導學電子地圖之研究、設計卻十分少見。筆者在地理空間認知和地圖空間認知理論的指導下，基于地理空間素養(yǎng)教育理念，針對中學地理課程中不同層次的空間認知教學內(nèi)容，提出相應的導學電子地圖設計策略，并設計了實例，供中學地理教師及教學地圖研發(fā)人員參考，共同致力于提升中學地理地圖的空間素養(yǎng)教育功能。

1 導學電子地圖的基本概念

從電子地圖的定義[3]出發(fā)，筆者將中學地理導學電子地圖含義概括如下：針對特定的地理空間素養(yǎng)教育目標，融入教學設計理念和多媒體元素的具有導學功能的電子地圖。學生可以運用導學電子地圖體驗交互式的學習過程，根據(jù)學習需求和進度動態(tài)生成地圖圖像，主動落實空間認知，形成地理空間素養(yǎng)。

2 導學電子地圖的設計理念

2.1 尊重學習者的空間認知水平

學生的空間認知水平存在差異，因此導學電子地圖的設計需要兼顧普適性和個體差異。對于初中學生而言，導學電子地圖應側重于從建立初步感知和形成空間概念兩方面表現(xiàn)地理表象的空間聯(lián)系；對于高中學生而言，導學電子地圖更應注重從地理原理方面揭示地理表象空間分布所形成的空間結構或空間格局，以及地理表象相互作用所形成的空間變化規(guī)律。

2.2 聯(lián)系課程中的空間認知內(nèi)容

中學地理課程內(nèi)容普遍蘊含著空間認知能力，充分體現(xiàn)著地理空間素養(yǎng)[4-5]。因此，導學電子地圖的內(nèi)容編制應當密切聯(lián)系課程中的空間教育內(nèi)容。按照不同的認知水平，這些內(nèi)容可以劃分為由淺入深的4個層次，詳見表1。

表1 中學地理課程中4個層次的空間認知內(nèi)容

2.3 培育學習者的地理空間素養(yǎng)

空間認知是地理學科素養(yǎng)的核心構成內(nèi)容之一[6]。中學地理教學的一個重要任務就是培育以空間思維能力為代表的地理空間素養(yǎng)。判斷學生是否具備地理空間素養(yǎng)，就要視其是否具備地理空間思維，以及能否通過空間視角去審視和辨析地理問題[7]。

地理空間思維是對地理事象進行觀察、分析、比較、綜合、概括、抽象，從而在頭腦中自主形成空間形象，進行空間定位、空間分布感知、空間綜合分析和空間實踐活動的過程。由該過程發(fā)展而來的空間定位思維、空間形象思維、空間綜合思維、空間實踐思維即是中學地理素養(yǎng)教育的關鍵所在[8]。它們依次集中體現(xiàn)于前文所述4個水平層次的空間教育內(nèi)容。

導學電子地圖以地理課程中不同層次的空間認知內(nèi)容為題材，力求具備相應水平的地理空間素養(yǎng)教育意義，詳見表2。

表2 導學電子地圖的地理空間素養(yǎng)教育意義

3 中學地理導學電子地圖的設計策略及其應用

中學地理課程內(nèi)容普遍具有空間教育意義。針對不同的空間認知內(nèi)容，采用適宜的圖像設計策略(詳見表3)，有助于充分發(fā)揮電子地圖的動態(tài)生成性，并能顯著增強學習過程的交互體驗性，從而切實提升導學電子地圖的地理空間素養(yǎng)教育價值。

表3 不同教學內(nèi)容對應的導學電子地圖設計策略

3.1 圖像動態(tài)化策略及其應用

3.1.1 圖像動態(tài)化策略

圖像動態(tài)化策略是指運用計算機技術，通過動態(tài)形式呈現(xiàn)地理事物變化的一種地圖設計策略。動畫可以生動地展示地理事物的變化，如地球板塊的運動、臺風中心的移動、人口的遷移等，有助于學生察覺、辨識地理位置，認知位置關系，形成空間定位思維。

歸根究底，人類觀察到的地理事物只是時間軸上一個靜止狀態(tài)，它會隨著時間的推移而不斷發(fā)生變化。因此，在設計導學電子地圖時，應當運用動態(tài)表現(xiàn)方法模擬地理事物的變化規(guī)律，建立易于觀察和理解的表達模型，從而提高學習者的空間認知效率。通常，動態(tài)地理現(xiàn)象的地圖表達方式分為單幅靜態(tài)圖像、組合靜態(tài)圖像和動畫3種[9]。其中，單幅靜態(tài)圖像和組合靜態(tài)圖像都屬于傳統(tǒng)的地理教學地圖。單幅靜態(tài)圖像以箭頭或漸進色表示地理事物的位置變化，例如運用箭頭描繪了氣流、洋流的運動。組合靜態(tài)圖像通常按照時間序列將圖像編排成組，例如運用4幅不同地質(zhì)時期的世界地圖展示了板塊的運動。相關研究表明，由于紙質(zhì)媒介所限，上述兩類靜態(tài)圖像均無法提供整體、連貫的空間動態(tài)畫面，因而在一定程度上降低了讀圖者的空間認知效率，不利于有效形成空間思維。

較之上述兩種靜態(tài)圖像，動畫地圖更有利于學生形成動態(tài)心像，實現(xiàn)對地理位置的迅速察覺和辨識。如果動畫地圖具備交互功能，則更加便于學生自主控制地理空間認知的過程，進而有效養(yǎng)成空間定位思維能力。

3.1.2 圖像動態(tài)化策略的應用

下文以中圖版初中地理教科書(七年級上冊)中的“麥哲倫環(huán)球航海”這一課題[10]為例，簡要闡釋圖像動態(tài)化策略的相關應用。

3.1.2.1 教材內(nèi)容分析

“麥哲倫環(huán)球航?！边@一內(nèi)容位于“地球和地球儀”一節(jié)之中，旨在讓學生建立起基本的地球空間概念，正確認識地球的形狀，并初步掌握空間定位及定向的能力。

3.1.2.2 地圖設計思路

根據(jù)對教材內(nèi)容的上述分析，運用圖像動態(tài)化策略，設計“交互式動畫”形式的導學電子地圖，如圖1所示。

首先設置播放功能，顯示麥哲倫環(huán)球探險行程，并同步顯示麥哲倫船隊在三維地球上的地理位置，如圖1(a)所示。

然后設置“顯示經(jīng)緯線”功能，顯示船隊途經(jīng)地點所在的經(jīng)緯線，如圖1(b)所示。

最后設置“交互答題”功能，例如顯示菲律賓宿務和好望角兩地的地理位置，請學生通過計算該段航程麥哲倫船隊跨越的經(jīng)度(或緯度)，認識兩地的相對位置關系，如圖1(c)所示。

圖1 “麥哲倫船隊環(huán)球探險航線”導學電子地圖(示意)

3.2 圖形轉換策略及其應用

圖形轉換是一類應用廣泛的圖像研究方法。有時，需要重點研究地理要素的某特定屬性，因此便將圖形按照實際需要轉換成便于觀測該特定屬性的形態(tài)，這一過程被稱作地圖圖形轉換。地圖圖形轉換分為量度轉換、維度轉換、結構轉換和表象方法轉換等類型[11]。

對于面向地理空間素養(yǎng)教育的導學電子地圖設計而言，“圖形轉換”指在尊重科學的基礎上，運用合理手段將抽象地圖加以形象化表示的方法和策略。經(jīng)圖形轉換策略處理的地圖更加富有直觀性和表現(xiàn)力，有利于學習者高效形成和發(fā)展地理空間形象思維。較之科研用圖，教學地圖更追求簡明實用。因此，設計導學電子地圖時，無需采用煩瑣復雜的圖形轉換方法?？紤]到地理教學的實際需要，通常采用區(qū)域量度轉換和視覺維度轉換兩種設計策略。

3.2.1 區(qū)域量度轉換策略及其應用

采用區(qū)域量度轉換策略是為了突出表現(xiàn)特定的數(shù)量指標，增強專題地圖的可視化效果。經(jīng)過轉換，區(qū)域的輪廓和面積會隨特定數(shù)量指標改變，而區(qū)域的位置關聯(lián)則盡量遵循原貌。

在探究地域發(fā)展差異時，學生可以通過地圖面色判斷某國屬于發(fā)展中國家或發(fā)達國家，為其經(jīng)濟發(fā)展水平準確定性。然而，對于定量問題，相關專題地圖則難以為學生提供直觀、形象的空間認知體驗，這是因為無論地理數(shù)據(jù)被直接標注，還是以圖表形式疊加于地圖之上，可視化效果均不理想，難以有效激發(fā)空間形象思維。運用區(qū)域量度轉換策略，可將“世界部分國家GDP比較”圖變換為如圖2所示的形式，以便學生直觀認識不同國家的經(jīng)濟規(guī)模。此外，還可運用區(qū)域量度轉換策略生成“世界部分國家人均GDP比較”圖，并與上圖建立動畫關聯(lián)，營造生動直觀、對比強烈的視覺效果，進而有效促進學生形成和發(fā)展地理空間形象思維。

圖2 運用區(qū)域量度轉換策略生成的“世界部分國家GDP比較”

3.2.2 視覺維度轉換策略及其應用

視覺維度轉換通常體現(xiàn)于二維和三維的相互轉換。傳統(tǒng)地理教學地圖的視覺維度多限于二維，在反映許多地理要素時，難免顯得抽象、虛假，因而阻礙學習者形成和發(fā)展空間形象思維。相比而言，三維地圖顯然更加符合學生的生活經(jīng)驗及認知水平，其具有高度的形象性，因而更易被多數(shù)人接納。例如，中學生在學習地理課程之初，往往對分層設色地形圖感到生疏。對此，可以采用視覺維度轉換策略設計導學電子地圖，通過動畫形式展示地形從三維轉換為二維的完整過程。按照播放順序，導學電子地圖依次呈現(xiàn)三維地物模型、等高線及“分層”“設色”的過程，直至形成如圖3所示的結果。這種直觀、生動的表現(xiàn)形式有助于學生理解分層設色地形圖的成圖原理，并形成和發(fā)展與之相關的地理空間形象思維。在演示過程中，電子地圖左上角的模型保持360°旋轉，便于學生從整體的視角，全方位地觀察地理事物，避免出現(xiàn)如“橫看成嶺側成峰”似的片面性認識。

3.3 圖層疊加策略及其應用

3.3.1 圖層疊加策略

圖層疊加策略，即運用圖層的形式將存在特定關系的多種地理要素分別顯示或疊加顯示。本策略適用于借助地圖開展空間綜合認知的教學情境。

圖3 “分層設色地形圖”導學電子地圖(示意)

地理要素之間普遍存在相互影響和相互制約的關系。運用地圖工具對其加以認識、分析和歸納，將有助于學習者形成空間綜合思維，進而深度理解各種地理現(xiàn)象。在圖層疊加過程中，學生按照由個體到整體的邏輯順序認識地理要素，并將相關的空間信息進行科學整合，最終得以全面、系統(tǒng)地認知并闡釋地理要素之間的相互關系。

運用圖層疊加策略設計的導學電子地圖可供學生體驗從簡單到復雜，從單一到綜合的空間認識過程。地理課程內(nèi)容是綜合性的，將知識分解開來進行教學旨在方便學生認知，最終仍然要歸于綜合。圖層疊加的原理即是先分解后還原，其優(yōu)勢是直觀、形象，可以彌補關系圖的不足，便于循序漸進構建空間概念，剖析地理本質(zhì)。也就是說，圖層疊加實際上是把原本限于概念、想象的內(nèi)容，變成了可操作的對象，即可用于疊加的多個圖層。而這些圖層使虛化的空間要素擁有了物化的“替身”，在抽象與具體之間搭建起了一座橋梁[12]。

人類短期記憶儲存信息的能力有限，如果將諸多地理要素一并呈現(xiàn)，便會加重認知負荷。為應對這一問題，需要設計和運用具有圖層疊加功能的地圖，供學生首先認知單一地理要素，準確獲悉其空間分布特點及規(guī)律，再通過有意義的圖層疊加，對相關地理要素進行綜合認知，分析各個要素的異同點及其空間聯(lián)系，最終有效形成和發(fā)展空間綜合思維能力。

3.3.2 圖層疊加策略的應用

下文以中圖版初中地理教科書(八年級上冊)中的“全球火山和地震的分布規(guī)律和特點”課題[13]為例，簡要闡釋圖層疊加策略的相關應用。

3.3.2.1 教材內(nèi)容分析

“全球火山和地震的分布規(guī)律和特點”這一內(nèi)容位于“海陸變遷”一節(jié)當中，也是本節(jié)的重點和難點。讓學生運用圖像，自主辨識和認知本課題內(nèi)多種地理要素間隱含的相互關系，能夠促使他們由表及里地掌握火山和地震分布的相關知識。

3.3.2.2 地圖設計思路

根據(jù)對教材內(nèi)容的上述分析，運用圖層疊加策略設計導學電子地圖。首先，設計標識工具，可供學生按照教科書“世界近幾十年來發(fā)生的主要火山、地震統(tǒng)計表”中的經(jīng)緯度，將火山和地震嘗試性地標注于空白世界地圖中。然后，設計圖層選擇工具，用來實現(xiàn)如下的功能：僅顯示全球主要火山分布；僅顯示全球主要地震分布；僅顯示全球板塊分布；疊加顯示全球主要火山、地震分布及全球板塊分布，最終形成導學電子地圖。

3.4 模擬體驗策略及其應用

3.4.1 模擬體驗策略

模擬體驗策略，即運用信息技術創(chuàng)建虛擬空間場景，以便于學習者體驗地理實踐活動、發(fā)展空間素養(yǎng)的地圖設計策略。計算機模擬生成的空間環(huán)境給予學習者身臨其境的參與感，具有逼真性、交互性和構想性，能夠幫助學習者形成和發(fā)展地理空間實踐能力。

現(xiàn)實地理環(huán)境千變?nèi)f化，紛繁復雜，學生不可能在短時間內(nèi)全面把握空間特征，也難以從整體上探究和掌握空間要素的分布及發(fā)展規(guī)律。采用模擬體驗策略設計的導學電子地圖能夠有效增強讀圖者的臨場感和在模擬情境中的沉浸性(逼真性)，以及模擬情境中對象的可操作度和對外界的反饋度(交互性)，同時帶來廣闊的可想象空間(構想性)。這種模擬體驗的學習環(huán)境不僅幫助學習者在身臨其境之際獲取新的地理空間知識，還能夠促進其萌發(fā)新穎的構想并反饋給系統(tǒng)，從而完成“學習-創(chuàng)造-再學習-再創(chuàng)造”的空間實踐學習過程[14]。

一般而言，運用模擬體驗策略設計的導學電子地圖可以分為演示型和操作型。

(1) 演示型，即通過虛擬現(xiàn)實技術(VR)或增強現(xiàn)實技術(AR)構建的模擬地圖演示場景，該場景能夠生動、直觀地表達地理空間信息，幫助讀圖者精準、真切地認知地理事物的空間特征，同時萌生地理空間實踐思維。

(2) 操控型，即通過虛擬現(xiàn)實技術、增強現(xiàn)實技術及其他多媒體技術構建的模擬地圖交互場景。該場景下，學生可以使用交互工具與地圖進行“對話”，瀏覽、查詢和分析虛擬現(xiàn)實地理事物的空間特征，進而完成分析、比較和歸納等一系列空間思維過程。

3.4.2 模擬體驗策略的應用

下文以中圖版初中地理教科書(七年級上冊)中的“中國地勢三級階梯”課題為例，簡要闡釋模擬體驗策略的相關應用。

3.4.2.1 教材內(nèi)容分析

“中國地勢三級階梯”這一內(nèi)容位于“中國的地勢與地形”一節(jié)中，也是本節(jié)的重點和難點。讓學生通過多種圖像情境，從不同的地理視角認知中國的地勢，能夠促使他們形成相關的空間概念(如主要地形區(qū)和山脈的分布)。

3.4.2.2 地圖設計思路

根據(jù)對教材內(nèi)容的上述分析，運用模擬體驗策略(結合圖形轉換策略)設計導學電子地圖。首先，設計交互工具，可使二維中國地圖中的“三級階梯”依次隆起。然后，設計視頻鏈接，顯示“沿北緯30°模擬航拍影像”，動態(tài)呈現(xiàn)出沿北緯30°(自東向西)分布的主要山脈和地形區(qū)。最后，設計地形圖動畫鏈接，模擬截取三維的“中國地勢沿北緯30°附近剖面圖”。

3.4.3 模擬體驗策略的應用

下文以中圖版高中地理教科書(選修4·城鄉(xiāng)規(guī)劃)中的“人居環(huán)境與城市規(guī)劃”課題[15]為例，簡要闡釋模擬體驗策略的相關應用。

3.4.3.1 教材內(nèi)容分析

本節(jié)內(nèi)容緊密圍繞“宜居城市”這一主題。建設宜居城市應兼顧自然資源稟賦、人口合理容量和城市用地布局等諸多因素，規(guī)劃者需始終堅持人地協(xié)調(diào)觀，進行科學合理的城市空間布局。在相關教學中，可借助地圖開展以“布局一座宜居城市”為主題的空間實踐活動，幫助學生深刻感悟城市背景下的人地關系，有效形成自主探究地理空間問題的意識和能力。

3.4.3.2 地圖設計思路

根據(jù)對教材內(nèi)容的上述分析，運用模擬體驗策略設計導學電子地圖。首先設置分類標識工具，可供學生在圖中相應位置按照類別標識規(guī)劃對象。然后設置地形圖，用來反映圖中區(qū)域的地形狀況。再設置交通地圖，用來呈現(xiàn)反映區(qū)域聯(lián)系主要交通線路，并可疊加在三維地形圖上。最后設置氣候信息和資源信息，用來反映圖中區(qū)域氣溫、降水、盛行風、礦產(chǎn)等信息。

4 結 語

導學電子地圖以地理空間素養(yǎng)教育為核心設計理念。針對不同層次的空間認知內(nèi)容，采用有針對性的策略進行圖像設計，旨在充分調(diào)動地理圖像的動態(tài)生成性，有效增強學習過程的交互體驗性，最終切實提升導學電子地圖的地理空間素養(yǎng)教育價值。①針對關于“察覺、辨識地理位置”的教學內(nèi)容，適宜采取圖像動態(tài)化策略。運用計算機技術，通過動畫形式呈現(xiàn)地理事物位置移動，幫助學生發(fā)展空間定位、定向思維能力，形成基本的空間概念。②針對關于“認識空間分布、空間格局”的內(nèi)容，適宜采取圖形轉換策略。通過一定的方法將抽象的地圖圖形加以形象化呈現(xiàn)，便于學生形成空間形象思維能力，深入探究空間要素的某種特定屬性。③針對關于“認識空間要素相互作用和空間過程”的教學內(nèi)容，適宜采取圖層疊加策略。借助圖層，將地理課程內(nèi)容中相互關聯(lián)的地理事象單獨呈現(xiàn)或疊加呈現(xiàn)，幫助學生形成空間綜合思維能力，運用聯(lián)系的觀點全面認識地理要素之間的相互關系。④針對關于“實際應用空間規(guī)律和原理”的教學內(nèi)容，適宜采取模擬體驗策略。運用信息技術創(chuàng)設虛擬場景，以供學生通過交互界面進行模擬操作，從中獲得身臨其境的參與感，進而在“學習-創(chuàng)造-再學習-再創(chuàng)造”的過程中發(fā)展地理空間實踐能力。

“好雨知時節(jié)，當春乃發(fā)生”，隨著信息技術的不斷發(fā)展和教育改革的日益深化，中學地理地圖即將迎來春雨的洗禮。導學電子地圖以其“潤物細無聲”般的應用體驗，正在逐漸為廣大師生所熟識和悅納。展望未來，以下問題尚有待于深入研究。①針對不同地區(qū)、不同年齡層次的學生，檢驗和修正導學電子地圖的設計理念和設計策略，形成更加符合地理教育規(guī)律的導學電子地圖設計理論。②全面建設以導學電子地圖為標志的地理學習環(huán)境。學習本質(zhì)上是一種具有交互屬性的社會活動，而不僅僅是學生的個人事務。今后，導學電子地圖要在基于以WebGIS為核心的信息技術的基礎上，逐漸形成一個專業(yè)化、開放化的地理學習環(huán)境。學生不僅可以據(jù)此獲得地理知識，形成空間思維，還能夠通過完成數(shù)據(jù)上傳，界面共享、遠程交流等學習活動逐步增強實踐能力，進而發(fā)展與現(xiàn)實生活相適應的地理空間素養(yǎng)。