例談運用“中學地理信息系統（GIS）教學平臺”輔助地理教學

華東師范大學地理學系（200062） 王家偉 段玉山 查志江

2003年出臺的《普通高中地理課程標準(實驗)》已把GIS正式納入高中地理課程之中。經全國中小學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容之一。此外，教育部在2010年發布了《高中理科教學儀器配備標準》，其中的高中地理教學儀器配備標準規定了3S（包括地理信息系統、遙感和全球定位系統）教學軟件的內容。

GIS技術作為地理學的第三代語言，將其應用于基礎地理教育是現代信息社會對基礎地理教學的要求，是教育適應21世紀挑戰的需要，是當前基礎地理教學改革與發展的一個重要突破口 。GIS既要作為重要的地理信息科學的內容滲透在基礎教育中，也要作為非常有用的輔助教學手段來支撐地理課程。[1]

一、學習GIS，用GIS學習

1. GIS是重要的地理教學內容之一

根據《課程標準》，GIS不僅要在普通高中地理必修教材中呈現，也是《地理信息技術應用》選修模塊的重點內容。學生不僅要知道GIS的概念、原理與發展的基本知識，了解GIS的具體應用領域，并能夠比較具體地說出GIS在某一具體領域的作用與功能；而且要學會GIS軟件的基本操作，主要是熟悉GIS窗口界面、學會使用GIS窗口主要快捷按鈕(如放大、縮小、漫游、移動等圖層顯示，圖層疊加，標注顯示等等)、掌握簡單查詢分析(點查詢、條件查詢、簡單緩沖區查詢等)、學會建立數據庫(表)的方法等；對GIS的操作應用本身是對地理信息(數據)收集、處理、分析與應用的過程，在GIS的操作應用教學中，培養學生在地理信息處理分析過程中的創造能力和綜合能力，培養地理信息收集、處理與分析的素養。

2. GIS技術是一種重要的地理教學技術手段

地理信息技術作為教學技術手段應用于地理教學中，也是必修教材和《地理信息技術應用》選修模塊重要的價值取向之一。以GIS為例，GIS具有對地圖處理與操作的強大功能，地圖是地理教育的重要方法，利用GIS的地圖疊加、地圖漫游、地圖縮放和地圖要素的增減等進行輔助教學，效果是一般教學手段不可比擬的。另一方面，GIS技術是一種解決實際問題、提供地理數據處理功能的技術和方法。GIS的數據輸人、處理與分析功能，能很好地完成地理課程在能力培養方面的要求[2]。

地理信息技術教育對學生信息技術的掌握、地理研究技術的了解與應用、地理區域系統思想的建立和地理空間思維能力的培養，以及地理問題的分析與處理能力的培養等具有不可替代的獨特功能。例如，干濕地區分布的教學，需引導學生思考降水量和蒸發量的對比關系，形成正確干濕地區分布的概念。如果借助GIS軟件(如Mapinfo)提供的圖層控制和數據合成、專題圖等，教師可以很快利用世界地圖及各地區降水、蒸發狀況數據庫，繪出一張“全球各大洲(或某些區域)降水與蒸發柱狀(或餅狀)對比圖”，再疊加上雨帶分布圖，學生就能一目了然。這簡化了教學的程序，幫助學生形成地理要素間的相關性的邏輯概念，提升了學生的理性認識能力。

二、當前GIS在輔助地理教學中存在的問題

在我國，隨著新課程標準的頒布，全國各地利用GIS輔助教學和開設選修課活動有了明顯增多，但由于GIS軟件平臺、數據資料和師資力量等方面的問題，在絕大部分中學的地理教學中GIS教育僅停留在概念、理論層面的學習，很少有GIS軟件實際操作層面的學習，也很少有教師利用GIS軟件平臺進行地理課程的輔助教學。

1. 沒有適合基礎地理教學的GIS軟件平臺

GIS的基礎平臺軟件雖然有很多，例如ArcView、ArcInfo、ArcGIS、GeoStar、MapGIS、SuperMap等，但是這些軟件一般都是面向專業用戶的大型商業軟件，功能多、操作復雜，教師和學生難以掌握，也沒有必要去掌握。而二次開發的用于輔助基礎地理教育的GIS應用軟件還很少，目前僅有“清華同方電子教學地圖編輯系統”和超圖(SuperMap)公司的“超級地圖”是專門為基礎地理教育而開發的應用系統，但是這兩款GIS輔助地理教育的系統只是按照地圖和普通輔助教學的需要設計，操作者不需要掌握GIS 或多媒體工具軟件操作技能，所以它只是講授普通地理知識的地圖教學平臺，稱不上是真正的GIS教學平臺，很難實現真正的GIS輔助教學，更無法培養學生的地理素養，不能很好地激發學生的學習熱情、培養學生的能力、開發他們的智力。

2. 用于基礎教學的GIS數據不足

目前還很少有專門用于基礎地理教學的GIS地圖數據，利用教材相關地圖進行數字化又需要耗費教師大量的時間和精力，很少有人去做，所以許多人在探討GIS用于地理教學時主要用Mapinfo，ArcView等軟件中附帶的數據，不能緊扣教學大綱、教材內容，沒有什么實際教學意義。即使部分地理教師有一些GIS地圖數據，也存在不是數量有限，就是和現有的地理教材內容不相匹配，很難運用于基礎地理教育。

三、中學地理信息系統（GIS）教學平臺

1．平臺功能簡介

“中學地理信息系統（GIS）教學平臺”是基于國家高中地理課程標準和教育部中學地理裝備儀器標準，由華東師范大學地理信息技術教育部重點實驗室和上海愷擎軟件開發有限公司合作研制的一款適合基礎地理教育的專門用于講授GIS和基礎地理知識的GIS教學輔助平臺。“中學地理信息系統（GIS）教學平臺”包括“基于GIS的地理教學輔助系統”“GIS研究性學習系統”“遙感空間信息教學實驗系統”和“GPS實驗教學系統”四款軟件系統。

“基于GIS的地理教學輔助系統”具備GIS地圖以及分析功能，并附帶大量的和地理教材相匹配的地理底圖、地形圖和專題圖，滿足地理教師在進行地圖認知、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形式以及簡便的GIS操作方式，實現地理信息數據的查詢、統計分析和結果的直觀顯示，這兩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他教學方法無法呈現的特定知識點，如通過緩沖區分析表達某一地理要素的屬性影響范圍，包括污染源的有害范圍、集水區范圍、經濟輻射區域等。教師可以按照自己的需要自由組織地理數據，進行簡單的地理分析，同時學生也可以利用該平臺進行自主的研究性學習。

軟件還針對中學地理教師和學生電腦軟件操作技能不足、不熟悉GIS操作等實際情況，依據《課程標準》，對地理教材中適合運用GIS進行輔助教學的主題內容進行歸納整理，開發了大量能夠用GIS進行輔助地理教學的典型教學案例。對于初次接觸GIS相關軟件的教師，在教學過程中可以直接通過案例向導，按步驟進行簡單的操作，即可快速加載對應的地圖數據以及完成相應的空間分析和專題制圖等操作；對于有一定計算機基礎的教師還可靈活地改變案例中默認的操作參數設置，進行多樣化的輔助教學；而對于學習過GIS課程或對GIS軟件操作比較熟悉的教師，也可以不按照案例來進行GIS的輔助教學，而是通過軟件附帶的大量基礎地圖等數據，自己自行設計案例進行GIS的輔助教學，從而滿足不同教師的不同層次的教學需求。

“GIS研究性學習系統”是GIS的基礎教育的教學和實驗平臺，能夠為學生更好地理解和掌握GIS打下堅實的基礎。主要包括以下功能：

（1)GIS地圖的基本操作。如放大、縮小、漫游、地圖量算、比例尺控制等。

（2)圖層控制。如利用圖例控件可將各種基礎地理要素和專業專題要素進行分層綜合顯示和控制等。

（3）鷹眼視圖。鷹眼窗口以紅色矩形顯示當前地圖范圍，反映地圖全局和局部的關系，通過其還可進行地圖導航操作。

（4）圖形負載量控制。系統自動根據當前地圖的比例尺，調整顯示圖層數和某一圖層中信息量的疏密關系及效果（地圖負載量）。

（5)圖形數據的查詢。如通過點、線、面等多種選取方式，顯示該要素或者該區域內的若干要素的屬性數據，并進行屬性和空間的雙向查詢等。

（6)專題地圖制作。如制作諸如分級符號、統計地圖等方法表現地理數據的數量、結構、統計數字等特征的專題地圖，并可靈活的向專題地圖上添加文字標注、地圖符號等。

（7)空間分析。如可進行符合OGC規范的空間拓撲操作和空間關系查詢、緩沖區分析、空間疊置分析、網絡分析等。

“遙感空間信息教學實驗系統”是RS基礎教育的教學和實驗平臺，能夠為學生更好地理解和掌握RS打下堅實的基礎。軟件主要包括以下功能：

（1）航空、衛星、雷達，多分辨率、多波段等各種遙感數據的演示。

（2）遙感解譯(包括地圖數字化)。如可對軟件自帶或者外部導入的遙感影像進行配準，并可利用基本的遙感影像判讀知識進行遙感影像的解譯和數字化，提取有用矢量數據的同時也可以輸入其相關的屬性數據。

“全球定位實驗教學系統”是GPS基礎教育的教學和實驗平臺，能夠為學生更好地理解和掌握GPS打下堅實的基礎。軟件主要包括以下功能：

（1）GPS數據采集。如將手持GPS設備采集的數據導入軟件，與現有的圖層疊加顯示并進行操作分析。

（2）在軟件界面上顯示手持GPS設備的位置以及相關信息。

2. GIS案例輔助教學舉例

（1）專題地圖的制作

專題地圖，又稱特種地圖，著重表示一種或數種自然要素或社會經濟現象的地圖。利用“2010年中國各省GDP數據”，制作“2010年中國各省GDP分級設色專題圖”，并添加各省名稱注記。專題圖用顏色的深淺來代表2010年各省GDP數值的大小，顏色深代表GDP數值大，顏色淺代表GDP數值小。通過觀察“2010年中國各省GDP分級設色專題圖”，我們可以看到東部省區顯示的顏色最深，中部省區次之，西部省區顯示的顏色最淺，表明我國東、中、西部省區在區域經濟發展水平上的差異，如下圖。

（2）疊置分析

疊置分析是指將代表不同主題的各個數據圖層進行疊置產生一個新的數據層面，疊置結果綜合了原來兩個或多個層面要素所具有的屬性。制作“中國西部大開發省區和非西部大開發省區分色顯示專題圖”，并制作、疊加“中國各省多年GDP餅狀專題圖”。通過兩圖層的疊加顯示，我們可以看到實施西部大開發省份的GDP數值都比較小，國家正是為了縮小和東部經濟發達省份之間的差距，才實施了西部大開發戰略，如下圖。

（3）屬性查詢分析

屬性查詢是指根據電子地圖數據屬性表中的字段構造查詢條件來查詢某一屬性表特定的記錄值。首先，疊加顯示“全球六大板塊”、“世界行政區”、“全球2001至2005年4級以及4級以上地震分布”和“全球火山分布”圖層數據。其次，選擇“全球2001至2005年4級以及4級以上地震分布”圖層數據，進行屬性查詢分析，設置屬性查詢條件“震級>7且震源深度<70公里的地震”。通過查詢分析，我們可以看到紅色突出顯示的點即為查詢出“震級>7且震源深度<70公里的地震”在全球的分布情況。我們可以看到這些地震基本上都是位于板塊的交界處，從而進一步驗證了板塊的交界處是地殼運動的活躍地帶，也是地震火山的多發地帶，如下圖。

（4）空間查詢分析

空間查詢，也稱幾何查詢，是指基于電子地圖數據圖層間的拓撲關系來選擇一個或多個圖層中的地理要素。首先，疊加顯示“中國主要干線鐵路”、“中國省級行政區劃”和“中國縣級行政區劃”圖層數據。其次，通過“位置選擇”對話框進行相應查詢條件值的設置——即利用京廣鐵路線來選擇京廣線所穿越的縣市區，我們可以看到紅色突出顯示的多邊形即為京廣鐵路線穿越的縣市區，如下圖。

（5）緩沖區分析

緩沖區分析是指以電子地圖的點、線、面實體為基礎，自動建立其周圍一定寬度范圍內的緩沖區多邊形圖層，然后建立該圖層與目標圖層的疊加，進行分析而得到所需結果。首先，疊加顯示“中國主要干線鐵路”、“中國省級行政區劃”、和“中國城鎮分布”圖層數據。其次，通過“位置選擇”對話框進行相應緩沖區分析條件值的設置——即緩沖區分析選取京滬鐵路20公里范圍以內的城鎮。我們可以從分析結果中看到圖中紅色多邊形為利用京滬鐵路線生成的緩沖區多邊形，紅色點為通過緩沖區分析選中的城鎮，如下圖。

[1]段玉山, 夏志芳. 基礎教育階段地理信息(GIS)教育研究[J]. 全球教育展望, 2002（11）: 54-58.

[2]地理信息技術應用（地理·選修7）[M]. 北京: 人民教育出版社, 2007.