融入ArcGIS的高中地理自然災(zāi)害教學(xué)路徑探索

摘 要：教育數(shù)字化背景下，推動GIS技術(shù)與地理課堂的深度融合是數(shù)字化賦能地理教育的現(xiàn)實途徑。本文通過分析ArcGIS軟件與高中地理自然災(zāi)害教學(xué)的適切性，明確了ArcGIS融入災(zāi)害教學(xué)的綜合性原則、數(shù)據(jù)可靠性原則、主體性與實踐性原則。在此基礎(chǔ)上，以洪澇災(zāi)害為例，運用ArcGIS設(shè)計災(zāi)害探究活動，構(gòu)建融入ArcGIS的高中地理自然災(zāi)害教學(xué)的路徑和方法。實踐表明，融入ArcGIS的災(zāi)害探究活動能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，有效培育數(shù)字技能和核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：教育數(shù)字化；ArcGIS；高中地理；自然災(zāi)害

中圖分類號：G633.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-5207（2024）10-0042-05

教育數(shù)字化是教育領(lǐng)域的一場系統(tǒng)性變革，是教育適應(yīng)數(shù)字時代發(fā)展的必然要求。2022年，全國教育工作會議明確提出國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動，提倡以數(shù)據(jù)資源為關(guān)鍵要素，推動數(shù)字技術(shù)與教育要素深度融合［1］。

地理信息系統(tǒng)（GIS）作為地理學(xué)科最重要的數(shù)字技術(shù)之一，是推動地理教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要載體［2］。《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）在課程內(nèi)容、教學(xué)與評價建議等模塊對地理課堂中GIS的學(xué)習(xí)和使用提出了現(xiàn)實要求［3］?？梢姡珿IS是輔助教師教學(xué)的有力手段，是地理課程內(nèi)容的必要組成部分，更是學(xué)生應(yīng)掌握的數(shù)字技能。然而，實際地理教學(xué)中仍存在教師不熟悉GIS軟件具體功能、找不到教學(xué)內(nèi)容與GIS的耦合點等現(xiàn)實問題［4］。本文選用ArcGIS軟件，探索ArcGIS與高中地理自然災(zāi)害教學(xué)的有效融合路徑，以期為數(shù)字化賦能地理教育提供參考。

一、ArcGIS與高中地理自然災(zāi)害教學(xué)的適切性

自然災(zāi)害是高中地理的重要教學(xué)內(nèi)容，其重難點在于認(rèn)識自然災(zāi)害的特點、危害與成因，了解自然災(zāi)害的分布規(guī)律及防災(zāi)減災(zāi)措施。在傳統(tǒng)的高中地理教學(xué)中，學(xué)生要理解種類繁多、成因各異的自然災(zāi)害并非易事。而以ArcGIS為代表的GIS軟件對分析自然災(zāi)害的形成、分布及其防治有獨到的優(yōu)勢。

ArcGIS由Esri公司開發(fā)，是世界上廣泛使用的GIS軟件。在強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)管理、空間分析、3D可視化、應(yīng)用程序開發(fā)和地圖制作等功能的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)高中地理自然災(zāi)害教學(xué)中的重難點，ArcGIS可以通過創(chuàng)造可視化情境增強(qiáng)學(xué)生對災(zāi)害的具身認(rèn)知，通過空間分析和圖層疊合引導(dǎo)學(xué)生分析致災(zāi)孕災(zāi)的地理要素，通過專題制圖展現(xiàn)災(zāi)害的空間分布規(guī)律。因此，ArcGIS與高中地理自然災(zāi)害教學(xué)有很好的適切性，其適用于高中地理自然災(zāi)害教學(xué)的功能如表1所示。

二、ArcGIS融入高中地理自然災(zāi)害教學(xué)的原則

1.綜合性原則

自然災(zāi)害是在自然與人文因素的綜合作用下形成的自然現(xiàn)象，對自然災(zāi)害成因的分析應(yīng)當(dāng)注重“要素綜合”。致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和防災(zāi)減災(zāi)能力在災(zāi)害形成過程中缺一不可［5］。因此，在使用ArcGIS輔助高中地理自然災(zāi)害教學(xué)時也應(yīng)注重這4個方面，運用圖層疊合功能展示影響自然災(zāi)害的各個要素，引導(dǎo)學(xué)生逐一分析其對災(zāi)害風(fēng)險的影響，培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維。

2.數(shù)據(jù)可靠性原則

教師使用ArcGIS軟件展示自然災(zāi)害專題圖時，應(yīng)保證數(shù)據(jù)的時效性與準(zhǔn)確性。尤其是涉及國界的相關(guān)數(shù)據(jù)，需從政府官方網(wǎng)站獲取。對于行政邊界等矢量數(shù)據(jù)，教師可通過訪問全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)（www.webmap.cn）獲得。對于遙感影像、DEM等柵格數(shù)據(jù)，教師可通過訪問地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（www.gscloud.cn）獲得。在教學(xué)過程中，教師也要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到數(shù)據(jù)的可靠性和維護(hù)國家領(lǐng)土安全的重要性。

3.主體性與實踐性原則

ArcGIS融入高中地理自然災(zāi)害教學(xué)旨在鼓勵學(xué)生積極主動掌握GIS的基本知識，了解軟件的簡單操作方式，增強(qiáng)學(xué)生對地理數(shù)據(jù)的搜集和分析能力，培養(yǎng)解決地理問題所必備的數(shù)字技能。由于GIS知識較為抽象，軟件操作存在一定困難，教師需在課前向?qū)W生介紹ArcGIS軟件的功能應(yīng)用。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)給予學(xué)生主動操作ArcGIS的機(jī)會，并引導(dǎo)學(xué)生解決地理問題。若學(xué)校硬件條件允許，且學(xué)生對軟件操作表現(xiàn)出較高熱情，教師還可傳輸給學(xué)生必要的地理數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生積極主動地進(jìn)行空間分析，培養(yǎng)地理實踐力。

三、ArcGIS融入高中地理自然災(zāi)害教學(xué)的路徑

1.確定教學(xué)內(nèi)容，設(shè)定情境任務(wù)

本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容選自人教版高中地理必修1第六章第一節(jié)“洪澇災(zāi)害”。由于教材中使用的案例發(fā)生時間較為久遠(yuǎn)，本節(jié)課以2023年7月19日杭州市主城區(qū)洪澇災(zāi)害為教學(xué)情境，圍繞致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、防災(zāi)減災(zāi)能力和災(zāi)害綜合風(fēng)險，構(gòu)建洪澇災(zāi)害探究活動的情境任務(wù)庫（表2），引導(dǎo)學(xué)生分析洪澇災(zāi)害涉及的各個地理要素。

2.空間分析和專題制圖

降水量等各個地理要素的空間分析和專題圖制作是教學(xué)準(zhǔn)備的主要工作，相關(guān)數(shù)據(jù)主要從地理空間數(shù)據(jù)云、全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)、杭州市氣象局和杭州市統(tǒng)計局網(wǎng)站獲得。運用ArcGIS制作各地理要素的專題圖，所用數(shù)據(jù)和空間分析方法如表3所示。

3.基于ArcGIS的洪澇災(zāi)害探究

（1）任務(wù)一：識災(zāi)情

教學(xué)導(dǎo)入：播放杭州市主城區(qū)2023年7月19日發(fā)生洪澇災(zāi)害的視頻，創(chuàng)設(shè)真實情境，增強(qiáng)學(xué)生對災(zāi)情、災(zāi)損的直觀感受。提出核心問題：杭州市主城區(qū)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害與其地理環(huán)境有何關(guān)系？

基于ArcGIS的探究：教師打開“杭州市主城區(qū)概況圖.mxd”文件（圖1）。分別展示各個圖層和所有圖層疊加起來的效果，使學(xué)生理解疊置分析的原理，直觀展現(xiàn)自然地理環(huán)境。學(xué)生通過比例尺縮放、圖層選取等功能，熟悉ArcGIS的基本操作，描述杭州市的絕對位置和相對位置，從氣候、地形、水文等角度推測杭州市洪澇災(zāi)害風(fēng)險大的原因。

（2）任務(wù)二：探災(zāi)由

教師講授：洪澇災(zāi)害的形成首先要考慮致災(zāi)因子——降水量。雨水落到地面后，經(jīng)過填洼、植物截留等過程，形成徑流注入河網(wǎng)，當(dāng)來水量過大時，水位則會上漲，形成洪水。因此，以降水量為代表的致災(zāi)因子和以洼地、植被、河網(wǎng)為代表的孕災(zāi)環(huán)境是災(zāi)害形成的必要條件。那么，這些地理要素有怎樣的空間分布特征？對杭州市主城區(qū)的洪澇災(zāi)害有什么影響？

基于ArcGIS的探究：教師為學(xué)生提供原始數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生運用克里金插值、水文分析、波段函數(shù)和線密度分析工具，生成降水量、洼地深度、植被覆蓋度和河網(wǎng)密度的專題圖，引導(dǎo)學(xué)生分析杭州市主城區(qū)洪澇災(zāi)害的致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境（圖2），概括降水量、洼地深度、植被覆蓋度和河網(wǎng)密度的空間分布特征，思考這些地理要素對洪澇災(zāi)害風(fēng)險的影響：洪澇災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)與較多的降水量、較大的洼地深度、較低的植被覆蓋度和較高的河網(wǎng)密度密切相關(guān)。

教師承接：分析自然災(zāi)害風(fēng)險時，不應(yīng)忽略承災(zāi)體的影響。此外，面對自然災(zāi)害，人類并非無能為力，對于自然災(zāi)害的研究，還應(yīng)考慮人類的防災(zāi)減災(zāi)能力。以道路和人均GDP表示承災(zāi)體，以排澇能力和避難場所密度表示防災(zāi)減災(zāi)能力，這些涉及洪澇災(zāi)害的地理要素有怎樣的空間分布特征？對杭州市主城區(qū)的洪澇災(zāi)害有何影響？

基于ArcGIS的探究：教師為學(xué)生提供原始數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生運用線密度分析、字段計算器、矢量字段賦值和核密度分析工具，生成道路密度、人均GDP、管網(wǎng)排澇能力和避難場所密度的專題圖，引導(dǎo)學(xué)生分析杭州市主城區(qū)洪澇災(zāi)害的承災(zāi)體和防災(zāi)減災(zāi)能力（圖3）。學(xué)生概括這些地理要素的空間分布特征，思考其對洪澇災(zāi)害風(fēng)險的影響：洪澇災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)與較高的道路密度、較高的人均GDP、較低的排澇能力和較低的避難場所密度密切相關(guān)。

（3）任務(wù)三：尋減災(zāi)

教師承接：自然災(zāi)害受多個自然和人文因素的共同影響，從單一角度考慮自然災(zāi)害的成因顯然不妥。應(yīng)如何綜合表示杭州市各地的洪澇災(zāi)害風(fēng)險大?。縂IS技術(shù)又應(yīng)如何助力防災(zāi)減災(zāi)工作？

基于ArcGIS的探究：教師使用柵格計算器功能，將各個指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)疊合，形成杭州市主城區(qū)洪澇災(zāi)害的綜合風(fēng)險評估圖（圖4）。學(xué)生觀察演示，理解柵格計算器的原理。概括洪澇災(zāi)害的風(fēng)險主要呈現(xiàn)以上城區(qū)、拱墅區(qū)等老城區(qū)為中心向外輻射、風(fēng)險逐漸降低的特點。根據(jù)結(jié)果圖，學(xué)生可以確定汛期防洪工作的重點地區(qū)，理解GIS技術(shù)基礎(chǔ)之上的洪澇災(zāi)害綜合風(fēng)險評估對于防災(zāi)減災(zāi)工作的意義。

四、總結(jié)與反思

本節(jié)課利用ArcGIS引導(dǎo)學(xué)生分析杭州市主城區(qū)洪澇災(zāi)害涉及的地理因素與空間分布格局，教學(xué)過程中學(xué)生表現(xiàn)出較高的探究熱情，積極運用軟件展開分析，主動建構(gòu)洪澇災(zāi)害相關(guān)知識。通過本次課例的實踐，筆者對融合ArcGIS的高中地理自然災(zāi)害教學(xué)有以下感悟。第一，教師運用ArcGIS創(chuàng)設(shè)自然災(zāi)害的真實情境，能夠增強(qiáng)學(xué)生的直觀感受，激發(fā)學(xué)生的探究興趣；第二，學(xué)生親自使用ArcGIS，逐一分析自然災(zāi)害涉及的地理要素，可有效培養(yǎng)綜合思維；第三，學(xué)生在核心問題的驅(qū)動下運用ArcGIS實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)可視化，可有效培養(yǎng)數(shù)字技能，增強(qiáng)信息素養(yǎng)。

關(guān)于將ArcGIS融入高中地理自然災(zāi)害教學(xué)有以下反思。第一，做好教學(xué)準(zhǔn)備工作。教師需要提前下載地理數(shù)據(jù)，熟悉ArcGIS空間分析和專題制圖的基本操作，能夠及時解決學(xué)生在軟件操作過程中出現(xiàn)的問題；第二，尊重學(xué)生的主體地位。ArcGIS的引入不在于其技術(shù)本身，而在于引導(dǎo)學(xué)生親自使用軟件分析地理問題，實現(xiàn)人機(jī)互動；第三，為學(xué)生提供“腳手架”。部分學(xué)生面對新技術(shù)的引入會產(chǎn)生畏難情緒，教師應(yīng)積極提供情感、技術(shù)和方法上的支持。

教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時代背景下，地理教師應(yīng)提高教育信息化水平，創(chuàng)建數(shù)字技術(shù)支撐下的高效課堂［7］。本研究旨在分享ArcGIS與高中地理自然災(zāi)害教學(xué)的耦合點。未來的研究可擴(kuò)大覆蓋面，豐富教學(xué)案例，將地理課堂與以ArcGIS為代表的數(shù)字技術(shù)深度融合，構(gòu)建數(shù)字化賦能地理教育的新生態(tài)。

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