基于應(yīng)用情境導(dǎo)向的環(huán)境類課程空間思維培養(yǎng)模式研究

佟志軍,都瓦蓮,劉興朋

(東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130024)

空間思維是一種獲取知識(shí)并利用空間的特性有效地解決問題的技能?？臻g思維在學(xué)生掌握環(huán)境類專業(yè)知識(shí)過程中扮演著重要角色,對(duì)學(xué)生理解地球上的各種現(xiàn)象和問題至關(guān)重要。情境教學(xué)法是一種基于實(shí)際情境的教學(xué)方法,它以情境為導(dǎo)向,讓學(xué)生身臨其境地學(xué)習(xí)[1]。教師在教學(xué)中靈活應(yīng)用情境教學(xué)法,可以使學(xué)生更好地理解和掌握物質(zhì)多維空間變化特征。

目前,全球環(huán)境問題受到廣泛關(guān)注,環(huán)境類課程與地學(xué)研究視域緊密交融,培養(yǎng)具有地學(xué)知識(shí)背景、地球尺度視野和綜合素養(yǎng)的人才是環(huán)境類專業(yè)要解決的時(shí)代課題?？臻g思維培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)從空間視角出發(fā),根據(jù)事物的空間分布、尺度格局和地域聯(lián)系,培養(yǎng)學(xué)生的觀察、定位、比較、分析及綜合思維能力[2]。本文以環(huán)境類課程為例,借助地理信息系統(tǒng)(GIS)探索基于“雙主體+多維度”空間思維的環(huán)境類課程培養(yǎng)模式,以應(yīng)用情境為導(dǎo)向,為環(huán)境類專業(yè)發(fā)展奠定人才基礎(chǔ)。

1 基于應(yīng)用情境導(dǎo)向的環(huán)境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養(yǎng)模式的重要性

環(huán)境類課程教學(xué)與空間能力的培養(yǎng)密切相關(guān),但仍存在一些問題。一方面,由于人類活動(dòng)大多發(fā)生在微觀層面,學(xué)生往往只關(guān)注微觀尺度問題,而忽略生態(tài)環(huán)境中宏觀尺度問題,以及微觀尺度與中宏觀尺度之間的密切聯(lián)系。另一方面,目前的教學(xué)往往借助GIS解決問題,忽略微觀尺度的變化,缺乏將二者結(jié)合的培養(yǎng)模式。為了加強(qiáng)環(huán)境類專業(yè)學(xué)生的多維度空間思維認(rèn)知能力,本文提出了基于應(yīng)用情境導(dǎo)向的環(huán)境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養(yǎng)模式。其中,“雙主體”指教師和學(xué)生,“多維度”指微觀和中宏觀的空間維度。新的培養(yǎng)模式必須服務(wù)于環(huán)境類專業(yè)人才的培養(yǎng)需求,創(chuàng)新學(xué)生培養(yǎng)模式,推動(dòng)課程質(zhì)量的提升?？臻g思維能力的培養(yǎng)要求教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物質(zhì)空間概念,通過物質(zhì)空間表象和空間要素構(gòu)成形成空間認(rèn)識(shí),進(jìn)而根據(jù)物質(zhì)空間原理和空間規(guī)律進(jìn)行空間表達(dá),并對(duì)物質(zhì)要素進(jìn)行分析,運(yùn)用地理語言科學(xué)表達(dá)空間事物之間的關(guān)系、結(jié)構(gòu)以及空間過程等?；趹?yīng)用情境導(dǎo)向的環(huán)境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養(yǎng)模式的重要性如下。

1.1 環(huán)境類課程教學(xué)的重要方向

環(huán)境類課程的特點(diǎn)在于其綜合性,學(xué)生通過微觀實(shí)驗(yàn)可以形成直觀感知,對(duì)物質(zhì)反應(yīng)有初步認(rèn)識(shí),但缺乏從宏觀現(xiàn)象中探究物質(zhì)本質(zhì)的能力,難以建立完整的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)和知識(shí)體系,影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生常在宏觀現(xiàn)象發(fā)生后產(chǎn)生興趣和好奇心,然后開始從微觀尺度進(jìn)行深入探索。因此,采用基于應(yīng)用情境導(dǎo)向的“雙主體+多維度”空間思維培養(yǎng)模式,可以培養(yǎng)學(xué)生的宏觀辨識(shí)和微觀探析能力,同時(shí)提升其抽象思維能力和空間想象力。

1.2 培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力的重要途徑

在以GIS為平臺(tái)構(gòu)建的教學(xué)場(chǎng)景中,教師有目的地引入色彩鮮明的場(chǎng)景,通過觀察和分析影像圖幫助學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容。這種教學(xué)方式可以使學(xué)生更輕松地學(xué)習(xí)課本內(nèi)容,透徹理解并牢固掌握多維度的環(huán)境類課程知識(shí)?；诳臻g思維的培養(yǎng)模式旨在將中宏觀和微觀尺度聯(lián)系起來,幫助學(xué)生跨越微觀和中宏觀之間的界限,快速高效地觀察客觀事物的空間形式。中宏觀尺度的課堂教學(xué)可以幫助學(xué)生擺脫點(diǎn)、線、面的局限,開闊思維并提升抽象思維能力和空間想象力;從全方位考慮問題,形成具體化、系統(tǒng)化的整體認(rèn)知;將許多知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為立體化圖像,實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合,從而形成多維度的空間思維。

1.3 滿足人才需求的有效途徑

基于空間思維視角的培養(yǎng)模式可以鍛煉學(xué)生的空間構(gòu)思能力,幫助其理解抽象的概念和微觀知識(shí),同時(shí)更好地鍛煉學(xué)生解決問題的能力。此外,學(xué)生學(xué)好本課程,可以為未來從事GIS數(shù)據(jù)采集、處理、建庫、分析和管理等工作提供必要的支持。

2 基于應(yīng)用情境導(dǎo)向的環(huán)境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養(yǎng)模式的培養(yǎng)目標(biāo)

2.1 培養(yǎng)學(xué)生的空間認(rèn)識(shí)能力

空間是一個(gè)沒有明確定義的概念,具有明顯的多維性和尺度效益,并隨著人們對(duì)世界認(rèn)識(shí)的不斷發(fā)展而不斷變化。為了促進(jìn)學(xué)生空間思維能力的發(fā)展,教師首先要引導(dǎo)學(xué)生形成空間概念。空間思維的最重要特點(diǎn)是通過空間概念對(duì)物質(zhì)進(jìn)行判斷、推理、分析和比較,從而得到更深層次的認(rèn)識(shí)。教師可以讓學(xué)生從不同的視角看待同一個(gè)地理事物,培養(yǎng)學(xué)生判斷各種地理事物位置和相互關(guān)系的空間認(rèn)知能力。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生的空間表達(dá)能力

空間表達(dá)是培養(yǎng)空間思維能力的重要工具,也是形成空間概念和空間邏輯思維能力的紐帶。通過地圖、圖標(biāo)、圖例和符號(hào)等形式,將抽象的多維空間信息和相互關(guān)系直觀地表達(dá)出來,可以讓學(xué)生通過解讀圖像,并結(jié)合微觀尺度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,理解中宏觀尺度的生態(tài)環(huán)境要素空間分布和演變趨勢(shì)。通過空間表達(dá),學(xué)生可以在頭腦中形成宏觀尺度的空間表象,或者以文字或圖形的形式在頭腦中進(jìn)行表征,從而連接微觀世界和宏觀現(xiàn)象,形成生態(tài)環(huán)境多個(gè)尺度的新知識(shí)鏈。

2.3 培養(yǎng)學(xué)生的空間理解能力

要提高學(xué)生的空間理解能力,不僅要使學(xué)生從微觀尺度識(shí)別物理屬性,更要比較多個(gè)不同地物的空間特征,在解圖過程中運(yùn)用各種地圖、剖面圖、模式圖等,提取、結(jié)合、比較、理解和提煉出各個(gè)地物之間的相關(guān)信息,從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和空間理解能力。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生的空間分析能力

空間分析指在觀察地表事物要素時(shí)對(duì)地理表象問題進(jìn)行分析和歸納,以中宏觀視角審視地表環(huán)境和現(xiàn)象。它的核心任務(wù)是獲取地理對(duì)象的空間位置、分布、形態(tài)、形成和演變等空間信息的分析方法和技術(shù)。教師指導(dǎo)學(xué)生通過二維或三維空間中的點(diǎn)、線、面結(jié)構(gòu)模式,分析環(huán)境要素空間位置數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)分布規(guī)律。

3 基于應(yīng)用情境導(dǎo)向的環(huán)境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養(yǎng)策略

3.1 梳理環(huán)境類基礎(chǔ)知識(shí),強(qiáng)化理論基礎(chǔ)

環(huán)境類課程涉及地球科學(xué)、空間科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,環(huán)境問題變得更加復(fù)雜,需要采集和處理大量的環(huán)境信息,其中很多信息與空間位置密切相關(guān)。地理信息系統(tǒng)通過采集、管理、處理、分析、建模和顯示空間數(shù)據(jù),可以解決與地理位置相關(guān)的問題。因此,此課程可以培養(yǎng)在環(huán)境保護(hù)、生態(tài)建設(shè)、防震減災(zāi)等領(lǐng)域具有進(jìn)一步深造潛質(zhì)的學(xué)術(shù)型人才或從事環(huán)境管理、咨詢、宣傳教育等工作的應(yīng)用型人才。課程教學(xué)內(nèi)容既包括理論教學(xué),也包括實(shí)踐教學(xué)。通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式,學(xué)生可以掌握地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)的基本原理和實(shí)際應(yīng)用技能,為未來的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 基于虛擬環(huán)境空間,進(jìn)行地球空間建模

地球的表面是凹凸不平的,教師可以利用多媒體視頻向?qū)W生展示地球的真實(shí)形狀,幫助他們了解地球表面。也可以利用地球儀向?qū)W生講解地球的基本特征。通過經(jīng)緯網(wǎng)的引導(dǎo),教師可以幫助學(xué)生分析各條緯線、經(jīng)線上兩點(diǎn)間的距離,觀察地球儀上經(jīng)緯線的分布特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,教師可以嘗試?yán)脦缀沃R(shí)概括經(jīng)緯度的分布規(guī)律,讓學(xué)生在腦海中形成空間地理坐標(biāo)。此外,教師還可以利用GIS建模讓學(xué)生了解人類與自然環(huán)境之間的聯(lián)系是豐富多彩的。

3.3 基于空間分析,強(qiáng)化多尺度空間表達(dá)

學(xué)生通過認(rèn)識(shí)和理解現(xiàn)實(shí)世界中地理空間實(shí)體的位置及形態(tài)特征,并將這些抽象認(rèn)知表達(dá)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,可以更加方便快捷地進(jìn)行地圖分析、可視化操作。

3.3.1 微觀尺度表達(dá)

在課程教學(xué)中,教師應(yīng)讓學(xué)生將三維空間和光譜等數(shù)據(jù)以圖形或圖像形式進(jìn)行空間表達(dá),以便更好地理解微觀世界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。這種數(shù)據(jù)的空間表達(dá)方式可以將區(qū)域物體的位置、速度、方向、能量等物理量以及光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行智能可視化處理,從而形成一個(gè)更加豐富和完整的空間數(shù)據(jù)模型。具體而言,可以通過一系列數(shù)學(xué)算法將實(shí)際物理空間中的對(duì)象轉(zhuǎn)化為數(shù)字,也可以使用頻譜學(xué)方法提取物體的光譜信息,為下一步構(gòu)建三維模型、圖像渲染、物體識(shí)別和分類等空間分析打基礎(chǔ)。例如,在“哪些因素影響土壤微生物多樣性”教學(xué)中,在微觀尺度上學(xué)生會(huì)從水分、土壤pH、溫度、植被類型、土壤類型、顆粒大小、耕作制度和施肥措施等方面分析土壤微生物多樣性的變化情況。學(xué)生可以根據(jù)課程相關(guān)理論,以行政區(qū)為單位,借助GIS分析土壤時(shí)空異質(zhì)性的潛在影響。此外,教師還應(yīng)讓學(xué)生利用實(shí)時(shí)、無損、高時(shí)空分辨率光譜數(shù)據(jù),獲取土壤關(guān)鍵理化參數(shù)的微尺度變化過程和分布特征,彌補(bǔ)采樣數(shù)據(jù)集的不足。

3.3.2 中宏觀尺度表達(dá)

教師對(duì)環(huán)境類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)不能局限于微觀尺度,應(yīng)增加中宏觀尺度的多維度空間思維教學(xué)。在宏觀尺度上,教師應(yīng)使學(xué)生了解如何利用空間統(tǒng)計(jì)工具探究全球環(huán)境變化和自然資源利用等問題,如何使用地圖和數(shù)據(jù)庫集成探究全球氣候變化成因,從而提升學(xué)生的空間分析能力。

3.3.3 微觀-中宏觀尺度的轉(zhuǎn)換

空間思維是微觀和中宏觀尺度結(jié)合過程中必不可少的思考方式,有助于跨尺度的數(shù)據(jù)分析、模型構(gòu)建和預(yù)測(cè)。教師需通過理論和實(shí)訓(xùn)教學(xué)提高學(xué)生的空間分析能力和空間思維能力。一方面,從微觀尺度到中宏觀尺度的轉(zhuǎn)換培養(yǎng)。教師通過上機(jī)操作,指導(dǎo)學(xué)生將已知坐標(biāo)位置和屬性的土壤采樣點(diǎn)的影響因子特征值轉(zhuǎn)換為空間數(shù)據(jù),演示如何使用GIS軟件或編程語言進(jìn)行空間數(shù)據(jù)插值,教學(xué)生了解土壤多樣性變化情況。另一方面,中宏觀到微觀尺度的轉(zhuǎn)換。在課程教學(xué)中,教師可以通過示例和實(shí)踐活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生理解和應(yīng)用離散化和抽樣的概念,培養(yǎng)他們?cè)谥泻暧^與微觀尺度之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的能力。

4 結(jié)語

探索和實(shí)踐培養(yǎng)模式的最終目的是讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量學(xué)習(xí)。將空間思維引入環(huán)境類課程,可以很好地研究地理事物,解決環(huán)境類專業(yè)中遇到的問題,并逐步提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。教學(xué)實(shí)踐表明,基于應(yīng)用情境導(dǎo)向的環(huán)境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養(yǎng)模式,可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境類專業(yè)教學(xué)的多學(xué)科、多樣性、全方位和空間性融合,有效激發(fā)學(xué)生對(duì)生態(tài)環(huán)境中微觀和宏觀知識(shí)的認(rèn)識(shí)。