計算機(jī)輔助教學(xué)培養(yǎng)地理空間能力探討

徐志梅

地理空間能力是中學(xué)生地理素養(yǎng)的重要組成要素之一，與學(xué)生對地理問題的理解和地理學(xué)習(xí)成績的提高有著密切的關(guān)系。但是，由于受教學(xué)思想、課程教材、教學(xué)方法等各方面條件的限制，中學(xué)生的地理空間能力比較薄弱。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以為學(xué)生提供真實或模擬情境下的空間背景，補(bǔ)充學(xué)生由于缺乏空間經(jīng)驗造成地理空間能力低下的狀況，為地理空間能力教學(xué)提供很好的技術(shù)支持。

一、計算機(jī)輔助教學(xué)設(shè)計與地理教學(xué)

計算機(jī)輔助教學(xué)是以多媒體計算機(jī)為核心，交互地綜合處理文本、圖形、圖像、動畫、音頻、視頻等多種媒體信息，并使這些信息建立邏輯連接，以協(xié)同表示出更豐富而復(fù)雜的信息。計算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，帶來了新的課堂教學(xué)工具，可以使學(xué)生在較短的時間內(nèi)獲得對問題的視覺化描述，發(fā)現(xiàn)解決地理問題的辦法。多媒體計算機(jī)與地理學(xué)科教學(xué)整合成為現(xiàn)代地理教育研究的重要課題之一。

英國《國家地理課程》非常重視現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用。在“教學(xué)目標(biāo)”的舉例部分以及“學(xué)習(xí)綱要”中，多次提到錄像、計算機(jī)輔助教學(xué)軟件、CD-ROM、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)碼相機(jī)等在地理教學(xué)中的應(yīng)用，要求在教學(xué)中利用這些先進(jìn)技術(shù)手段分析、處理地理資料與信息，綜合概括地理模式與特征等。

日本強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生靈活運用計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等工具對地理事物進(jìn)行全方位考察以及運用信息技術(shù)繪制國家、世界政區(qū)圖的技能，從而培養(yǎng)總結(jié)、分析地理調(diào)查結(jié)果的能力和基本地理思維方式。

我國全日制義務(wù)教育地理課程標(biāo)準(zhǔn)指出：“構(gòu)建基于現(xiàn)代信息技術(shù)的地理課程。在內(nèi)容選擇、教學(xué)方式方法改革和評價中，要充分考慮現(xiàn)代信息技術(shù)的影響，為發(fā)展學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識和能力，創(chuàng)造適宜的環(huán)境。”普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)在課程基本理念中指出：“強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)在地理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用。充分考慮信息技術(shù)對地理教學(xué)的影響，營造有利于學(xué)生形成地理信息意識和能力的教學(xué)環(huán)境。”

由此可見，各國課程標(biāo)準(zhǔn)都突出現(xiàn)代信息技術(shù)和地理信息處理能力的目標(biāo)，使用計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行地理學(xué)習(xí)以及從各種來源獲取有用的地理信息并學(xué)會處理和應(yīng)用，是大多數(shù)地理課程目標(biāo)的重要組成部分之一。

二、計算機(jī)輔助教學(xué)培養(yǎng)地理空間能力的優(yōu)勢

第一，地理空間認(rèn)知過程視覺化。計算機(jī)輔助教學(xué)可以提供很好的環(huán)境，允許學(xué)生視覺化其認(rèn)知過程。視覺化可以減少學(xué)生在處理三維任務(wù)過程中的困難，允許迅速改變視角和投影類型，提供逼真圖像視覺吸引力。

第二，構(gòu)建二維或三維地理空間模擬。如通過計算機(jī)輔助設(shè)計，可讓學(xué)生“走進(jìn)沙漠”、“進(jìn)入太空”、“返回遠(yuǎn)古”、“潛入海底”，可以對地殼運動、大氣環(huán)流、洋流等進(jìn)行模擬，使學(xué)生在直接的空間感知中體驗地理事物的形成和發(fā)展過程。

第三，直接演示地理空間關(guān)系。計算機(jī)輔助教學(xué)可以向?qū)W生提供各種方法指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生一步步學(xué)習(xí)和操作，可以對圖形進(jìn)行放大或縮小，或進(jìn)行空間平移、翻折、旋轉(zhuǎn)、變形、轉(zhuǎn)換視角等操作。

第四，獲取大量地理空間信息。計算機(jī)輔助教學(xué)能提供大量的文本、圖片、照片、錄像、地圖等有吸引力的表征。如可向?qū)W生展現(xiàn)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的照片，通過對圖形布局研究和操作對這些圖片進(jìn)行抽象，可以順利達(dá)到對空間概念轉(zhuǎn)換的全面理解。

第五，提供多種空間表征手段。計算機(jī)輔助教學(xué)中，可以要求學(xué)生寫出真實旅行的體驗設(shè)計，用圖片、地圖或素描圖表達(dá)自己的觀點和看法，可提供表達(dá)空間和知識的多種方式。

三、典型案例——等高線地形圖判讀

等高線地形圖是培養(yǎng)地理空間能力的重要載體之一。等高線地形圖判讀歷來被認(rèn)為是地理教學(xué)的難點，不僅涉及海拔、相對高度、山谷、山脊、鞍部等諸多地理空間概念，而且還要求學(xué)生理解用等高線的形式表示地形的起伏，即將立體轉(zhuǎn)化為平面表示，還要學(xué)會等高線地形圖的判讀即是將平面圖轉(zhuǎn)化為立體形象。由于學(xué)生缺乏空間、立體概念和野外經(jīng)驗，因此抽象難懂。計算機(jī)輔助教學(xué)可以利用其空間化、視覺化、操作性和互動性等特征，幫助學(xué)生突出重點、突破難點，從而在學(xué)生理解掌握地形圖的同時，提高學(xué)生的地理空間能力。

高度的判斷、地形部位的辨識、剖面圖的構(gòu)建是理解地形圖的幾個重要方面，學(xué)生的困難來自不能理解由等高線二維表征所示的三維透視。運用計算機(jī)輔助教學(xué)手段，可以向?qū)W生提供四個片段的視頻影像地形圖，學(xué)生可以通過控制黑白圖像的陰影量，將彩色的地形景觀從一個視圖旋轉(zhuǎn)到另一個視圖，提高和降低水位、橫剖等高線圖等操作，以理解等高線和間距所表征的高度變化。

第一步，顯示一個簡單的山地景觀模型。包括山頂、山谷、山脊等通常閱讀和理解地形圖中常見的三個地形部位。通過計算機(jī)建立視覺影像以顯示三維景觀，學(xué)生可以通過陰影和光線變化，發(fā)現(xiàn)山頂、山谷、山脊的外觀以及海拔點的高低。將二維景觀和三維景觀以相同的方向和大小同時顯示在同一個屏幕中，學(xué)生通過陰影特征直接比較二維平面和三維立體圖上的具體點和特征，發(fā)現(xiàn)等高線形狀和地形特征之間的關(guān)系。

第二步，在屏幕上同時呈現(xiàn)彩色的二維平面圖和三維立體圖。可以縱橫向旋轉(zhuǎn)該視頻影像，讓學(xué)生從不同方位和視角觀察等高線和地形景觀之間的關(guān)系。通過拖拽鼠標(biāo)，學(xué)生可以清晰、直觀地觀察到隨著三維地形的變化，二維等高線是如何隨之變化的。并根據(jù)兩個影像的相應(yīng)變化，探究二維等高線圖與三維立體圖的各部位景觀的相互關(guān)聯(lián)。在這一過程中，向?qū)W生提問與地形景觀觀察相關(guān)的、開放的討論性問題。如根據(jù)所呈示的視頻圖形影像，現(xiàn)在你能想象這是什么地形？有哪些更詳細(xì)的地形部位？各方向上坡度是否一樣？

第三步，采用水浸方法顯示三維可視化功能。學(xué)生可以通過在視頻影像中點擊和拖拽剪頭，看到水位上升并平行于某一條等高線；也可以讓學(xué)生在等高線上設(shè)定水位，觀察水位與地形的相互作用。當(dāng)學(xué)生改變水位，觀察水位變化與等高線的關(guān)系時，要求他們思考并描述水是如何淹沒該區(qū)域的？當(dāng)水達(dá)到斜坡的某一高度時會形成什么格局？在進(jìn)行了幾個水浸地形圖操作互動之后，要求小組用語言描述，隨著時間的推移土地如何被淹沒？

第四步，建立等高線景觀剖面。將地形圖和某兩點間的剖面圖視頻影像同時呈現(xiàn)在一個屏幕上，當(dāng)學(xué)生在左圖中選擇某一剖面線時，右屏中同時顯示其景觀剖面圖。學(xué)生通過點擊和上下拖拽改變剖面線，以觀察、比較相應(yīng)地形景觀剖面圖的變化。同時，學(xué)生可以按住鼠標(biāo)沿著二維等高線圖上的紅線運行，并顯示相對應(yīng)的路徑。這時，可以要求學(xué)生預(yù)測在每個路徑下，山谷、山脊等的高程剖面將會呈現(xiàn)的狀況。