GIS在中学地理教学中的应用
摘要:首先对GIS运用于中学地理教学的必要性和可行性作了分析,并结合教学实践,以大量教学实例论述了GIS的功能和应用,表明GIS技术在地理教学中有广泛的应用前景。
关键词:GIS;中学;地理教学
中图分类号:G642文献标志码:A文章编号:1673-291X(2010)18-0271-03
作为中学地理教师在新课程标准的指导下,在强调各种地理知识掌握的基础上,既要注意基本技能的训练和能力的培养,重视创新意识和实际能力的培养,还要结合新教材不断改进教学方法,做到与时俱进。地理教学内容就是以人―资源―环境为线索阐明地理原理、规律和运动变化的地理事物。它从宏观到微观,从整体到局部,从远古到未来,所涉及内容之多,范围之广,是其他科学无法比拟的。这就给传统的教学手段造成许多难以表达、难以理解的困难。传统的地理教学是板书式,满堂灌式,要求学生机械地、被动地接受知识,最多用一下投影仪,多媒体或Flash等计算机辅助教学手段,使所学地理知识更有直观性、趣味性以强化记忆。但这些方法很难使学生对知识在思维和认识上达到更高的层次。因此,把现代教育技术融入到教学内容中,利用计算机辅助教学,可以收到事半功倍的效果[1]。地理信息系统(Geographic Information System,简称GIS)是对地理空间信息进行描述、采集、处理、存储、管理、分析和应用的一门新兴学科,被广泛用于测绘、资源管理、城乡规划、灾害检测、环境保护、国防建设等多个领域[2]。GIS学科的发展也为中学地理教学注入了新鲜的“血液”, GIS技术已逐渐成为基础地理教学的高新手段。GIS 技术作为现代科学技术的基础和核心,将其应用于地理教育是现代信息社会对地理教学的要求,是教育适应21世纪挑战的需要,是当前地理教学改革发展的一个重要突破口。
一、GIS技术区别于其他教育技术的特点
1.GIS技术具有较快的空间定位搜索和复杂的查询功能、独立的地理空间分析能力、强大的图形创建和可视化表达手段、从空间和属性两个方面对现实对象进行查询、检索和分析,并将结果以各种直观的形式准确、形象地表达出来。以及通过建立地学信息组成的现实空间信息模型与程序实现对地理变化过程的动态模拟模拟和空间决策支持。
2.地理信息系统为用户提供了许多表达地理数据的工具。其形式既可以是计算机屏幕显示也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件,可以通过人机交互方式来选择显示对象的形式,尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能[3]。GIS不仅可以输出全要素地图,也可以根据用户需要,输出各种专题地图、统计图等。
二、GIS技术在地理教学中的重要性
地理教学尤其是基础地理教学,由于其受地理学性质的制约,如,地理学科涉及人文与自然的各种因素,涉及地球、太阳等天体的运行、资源整合利用、环境理等,需进行三维建模与可视化表达非常适合应用GIS技术。
GIS技术在地理教学中的应用具有交互式/自发式、探究式学习特点,因此,对于转变传统教育思想与念,促进教学模式、教学方法的改革,加速教育手段的换代,对提高学生的创造能力方面起到较大作用,由于传统重定性分析等诸多不足,而目前流行的多媒体技术,在虚拟现实、模拟仿真与各类数据融合方面亦有欠缺。现在,以GIS为核心的3S技术包括GIS(地理信息系统)、RS(遥感系统)、GPS(全球定位系统)已写入中学地理课本,作为新的重要的教学内容,这要求中学教师不仅要学习什么是GIS技术更需要用GIS技术进行中学地理教学,中学地理教学强调对学生的全面素质教育,要求在对各种地理知识的掌握基础上,重视学生能力的培养及地理思维方式的培养,优化教学信息环境,这就需要在地理教学中引入GIS技术。
三、GIS技术在地理教学中的应用实例
(一)GIS地形分析功能
中学地理要求学生懂得等高线弯曲方向和疏密程度代表的地理意义,等高线形态与地势高低、坡度陡缓的关系,在等高线图上能够识别地形种类。平面地图缺乏对山峰、山谷、山脊、鞍部与陡崖等概念的直观形象的可视化表达,不易明察,首先利用GIS技术矢量化各种地形类型的等高线图并赋高程值,然后创建TIN(不规则三角形)表面,从而生成相应的DEM(数字高程模型),并进行三维可视
化表达处理,便可展示出一座山体,直观地观察山峰、山谷山脊、鞍部、陡崖等多种地形,通过旋转动态技术,让学生自己上机操作,使山峰的方向任意旋转,或移走山体或变换颜色以突出某种地形,在此基础上将等高线矢量数据再叠加在数字高程模型上,如有相应的遥感影像数据更好,进行数据的融合实现三库一体,则山体表现得更加形象、逼真、使人感到浑然天成,这种教学明显调动了学生学习的积极性加深了学生对地形特征的理解,让学生有身临其境之感。
著名的地图与信息系统专家陈述彭院士认为:“定性描述是地理学的第一代语言!地图是地理学的第二代语言!地理信息系统是地理学的第三代语言。”[4]在GIS里可以实现:(1)数据可视化,可以从多角度快速实现地理数据的可视化;(2)快速制图,在Arcmap里有许多作图工具;(3)属性查询,通过属性编辑可以实现查询功能,理解地理事物的空间分布;(4)制图与输出,可以根据自己的需要制作合适的地图,并且可以产生与图相关的图表、柱状图、饼状图、照片等专题图,可以提高学生直观分析地理事物的能力;(5)图层管理,通过对图层的加载及修改,满足学习的需要。
(二)GIS的地图功能
地理教学中,利用ArcMap对地图的操作、简单查询和分析,可以实现辅助讲授特定教学内容。如,通过地图图层(主题)的操作、显示能直观地显示地理信息,表达地理要素的空间分布状态、要素间因果关系等,达到辅助教学的目标。
例如,讲授初中《地图》一章的内容时,要说明地图表示的范围、详略与比例尺大小的关系,一般利用课本上“北京市地图”和“中国地图”进行对比分析,但对于初中生来讲,过于抽象,不好理解。而用GIS地图来表现,效果好多了,首先引导学生观察,比较图幅大小,在图幅大小致的情况下,对比例尺大小不同的地图所表示的范围,内容的详与略有何不同。通过设置北京市比较详细地物(铁路、道路、河流、水库等)在大比例尺范围显示,通过缩放、漫游地图并进行比例尺、视野范围查询,然去除图层的显示范围设置,使北京市地物在小比例尺下也都显示,但各种符号、标注密密麻麻的都堆积在一起了,从而十分清晰、直观地反映了“在地图上所画地区的范围越小,要表示的内容越详细,选用的比例尺应越大;反之,选用的比例尺越小”这一结论。
再如,在对中国各个行政区的形状、面积大小、人口及相对位置的教学时,利用数字化地图中的Identify命令可直接查询到各省级行政单位的面积、人口和人口密度等属性,还可在地图中同时显示各行政区绝对人口数量(图2),这样不仅可以方便学生进行各行政区人口数量的对比, 更重要的是说明人口和所在地的空间关系。由于不同行政区单位面积大小差异甚大, 所以这种方式能够帮助学生更快更深刻地认识地图及地图上所反映的信息,同时更直观地向学生展示中国人口分布的态势,便于学生总结人口分布的特点。如,人口的空间分析、人口专题图的制作等,都需要矢量化的数据。
利用GIS制作的2000年第五次人口普查统计的人口密度专题地图,引入了胡焕庸人口线。使中国人口分布的东西差异一目了然,并请学生思考是什么原因造成了这种巨大的差异,自然条件还是社会经济条件?随后,将中国地形,植被等的分布特征展示给学生,要求通过对比进行思考。
(三)GIS空间分析功能
应用空间分析是基于地理对象的空间布局的地理数据分析技术,空间分析是GIS的主要特征和功能,是GIS区别于其他数据管理系统的特征,空间分析在人文地理学的研究中占据重要地位,必须在教学中进行相应的引介和应用。
1.GIS空间分析在经济地理学教学中的应用。在进行工业区位选择和工业布局教学时可充分利用地理信息系统的空间信息处理能力,引导学生将影响工业布局的各因素进行综合处理,利用地理信息系统支持下的空间分析工具,通过缓冲区分析、叠置分析和权重分析等操作,建立具体的最优场址选择模型,让学生通过动态地寻求工业布局的最优化方案,不但掌握了工业布局选择的主要理论因素,同时掌握了实际选择的方法。
2.GIS空间可视化功能在城市地理学教学中的应用。在课堂教学中,应用教学挂图时经常会出现这样的问题,由于教学挂图的比例尺是固定的,所以,照顾全局就照顾不到局部,并且信息表达能力有限。例如,在《城市地理学》的教学中讲授中国城市经济影响区域地域分布的时候,我们通常会选择中国城市分布图,使学生对中国的城市分布有一个整体的认识。但是,当分析