運用“中學GIS教學平臺”培養中學生地理空間比較分析能力的研究

華東師范大學資源與環境科學學院（200062）段玉山 王家偉

地理學的一個顯著特點就是地域性，地理事象由于其所處的空間位置不同，會存在很大的差異。地理空間比較分析能力就是確定地理事物、地理要素和地理現象在空間上的差異點和共同點，比較不同區域差異，揭示其蘊含的地理規律的能力。認識區域間的差異及某個區域典型的地理特征，常常要借助比較的方法。通過比較，可以區別區域間地理事項的特點和性質，分辨地理事物的程度和級別，找出區域間差異顯著的征象和標志。例如，在分析北美洲西岸海洋性氣候的局限性時，只有通過與歐洲西部類似氣候在程度和地區范圍上的比較，這個特點才會顯示出來。

一直以來，學生在學習高中區域地理部分中的一些經濟社會上的統計數據時，傳統的方法一般都是列出一些數據的統計圖表來說明區域之間的差異，相關的統計圖表不能與對應的地理區域相關聯，數據顯示抽象，關聯性不強，不利于學生比較分析。利用GIS的動態顯示、分類設色、專題制圖、疊加分析等功能，可以動態直觀地確定地理事物、地理要素和地理現象在空間上的差異點和共同點，比較不同區域差異，揭示其蘊含的地理規律。從而更好地培養中學生對地理環境差異性的理解和分析的空間比較分析能力。

一、“中學GIS教學平臺”簡介

2003年出臺的《普通高中地理課程標準(實驗)》[1]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》[2]，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，既要作為重要的地理信息科學的內容滲透在基礎地理教育中，也要作為非常有用的輔助教學手段來支撐輔助地理課堂教學。即“學GIS，用GIS學”已經成為現代信息社會GIS基礎地理教育的廣泛共識，是當前基礎地理教學改革與發展的一個重要突破口。

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。當前專業的GIS基礎平臺軟件很多，但適合用于中學基礎地理教學的應用軟件平臺卻很少。基于此，華東師范大學地理教育研究所段玉山教授主持設計研發了基礎地理教育的軟件平臺——“中學地理信息系統（GIS）教學平臺”。本軟件專門用于講授GIS基礎知識和用GIS進行輔助地理教學應用，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而設計研發。“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的教學平臺”具備GIS地圖以及分析功能，并附帶大量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它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》[1]，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。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。

二、培養中學生地理空間比較分析能力的教學策略

1.制作各類專題地圖，對比分析地理要素間的空間差異

無論是地理科學本身，還是地理教學，直觀性是一個重要的特征。在地理教學中，GIS專題地圖比普通地圖更具優勢。因為GIS專題地圖能根據教學需要，靈活改變顯示方式和添加附加地圖要素，包括圖注、圖例、圖標等信息，而且表現形式豐富多樣。例如，國民經濟的各種統計數據，如人口數量、人口構成、國民生產總值等等，它們都具有一定的區域性，把它們和GIS的圖形數據結合起來就形成了各種空間統計數據。GIS的專題地圖功能把國民經濟的各種統計數據和GIS的圖形數據結合起來，方便靈活地制作各種專題地圖（分層設色圖、餅圖、直方圖、點密度圖等）。專題地圖的直觀易讀性有利于學生通過比較認識區域間的差異以及某個區域不同于其它區域的典型地理特征，區別區域間地理現象的特點和性質，分辨事物的程度和級別，找出區域間差異顯著的特征和標志。

2.實現二維與三維圖形轉換，增強差異的直觀性與表現力

傳統的地圖表征以二維為主，用抽象的符號表示復雜的地理事象，是造成學生感知理解地圖困難的主要原因之一。在地理教學中可以適當運用GIS的三維可視化功能，將平面二維地圖或數據（如DEM）轉換成三維立體圖像進行顯示，并對三維立體圖像進行縮放、漫游、旋轉觀察和進行簡單的屬性信息查詢，從三維空間認識地理事物及其分布，可以增強地理事物的直觀化、形象化，有助于學生對地理空間分布和地理空間問題的理解和應用，培養學生對地理事物進行二維和三維轉換的能力，從而更好地感知理解二維地圖，提高對二維地圖的判讀分析能力。

例如可以利用GIS的三維可視化功能輔助判讀等高線地形圖。首先繪制二維等高線并賦予高程值，再建立數字高程模型（DEM），并進行三維可視化表達處理，便可展示出一座山體。地形的高低起伏在三維圖上直觀地表達出來，可以直觀地觀察山峰、山谷、山脊、鞍部、陡崖等多種特征地形。最后，將等高線與數字三維地形圖進行疊加顯示。結合三維地形圖進行等高線地形圖判讀的學習，就可以化抽象為直觀，極大地提高教學效率（如圖1）。

圖1 等高線疊加地形的三維顯示圖

3.注重圖層疊加，探究地理要素間的空間關系

大部分GIS軟件是以分層的方式組織地理景觀，將地理景觀按主題分層提取，同一地區的整個數據層即表達了該地區地理景觀的內容。地理信息系統的疊加分析是將具有相關性的眾多數據層面，進行疊加產生一個新數據層面的操作，其結果綜合了原來兩層或多層要素所具有的屬性。

圖層疊加分析不僅包含空間關系的比較，還包含屬性關系的比較，是一種綜合，是一種聯系，體現了一種因果關系規律。通過圖形疊加分析可以很好地探究不同地理要素之間的空間關系，探索它們之間的因果關系，培養學生地理空間比較分析能力和地理空間綜合分析的能力。地理教學中，應當注重運用 GIS將具有不同要素特征的多個圖層進行疊加，讓學生在視覺上驗證疊加過程和疊加效應，從而探尋各種地理要素和現象間的空間關系。如在學習城市化的內容時，教師可以展示某地（如倫敦）多個年代的城區范圍圖層，透過疊加圖層來比較城市土地利用變遷的過程和差異（如圖2）。

圖2 倫敦不同歷史時期城區范圍疊加圖

三、以“區域發展差異”為例培養中學生地理空間比較分析能力

下文以“區域發展差異”為例，利用“中學GIS教學平臺”，通過中國區域經濟發展水平差異專題地圖的動態制作、分色顯示、疊加分析等“中學GIS教學平臺”常見功能，促進學生比較不同地區經濟發展水平的差異。通過比較，以分辨不同區域經濟發展水平的程度和級別，更好地理解中國三大經濟地帶劃分和實施西部大開發的原因，從而利用GIS更好地培養中學生的地理空間比較分析能力。

（本案例來源于普通高中地理課程標準實驗教科書（湘教版）地理3中第一章“區域地理環境與人類活動”中的第三節“區域發展差異”。所需數據有：“中國三大經濟地帶數據”“西部大開發省份數據”和“中國各省2010年GDP數據”等。）

1.利用GIS分級設色功能，比較我國2010年各省區的GDP差異

【操作步驟】點擊軟件“添加數據”按鈕，添加顯示“2010年中國各省GDP數據”；點擊“屬性設置”按鈕，對“2010年中國各省GDP數據”的屬性值進行顯示設置，并標注出各省級行政區的名稱。制作出一幅用顏色的深淺來代表各省GDP數值大小的專題圖（如圖3）。

通過“2010年中國各省GDP數據分級設色專題圖”的動態制作過程和對制圖結果的觀察分析，我們首先可以觀察到各省GDP圖斑顯示顏色深淺上的差異，說明各省的GDP數值存在明顯的地區間差異；其次我們可以觀察到我國東部省份GDP圖斑顯示的顏色較深，中部省份GDP圖斑顯示的顏色較淺，西部省份顯示的GDP圖斑顏色最淺，說明我國東部沿海省份GDP數值大，經濟發展水平高，中部省份次之，西部省份最小，呈現出梯級分布的規律。

2.利用GIS專題制圖功能，比較我國多年來各省區的GDP差異

圖3 中國各省2010年GDP分級設色專題圖

【操作步驟】點擊軟件“添加數據”按鈕，添加顯示“多年中國各省GDP數據”；點擊“屬性設置”按鈕，對“多年中國各省GDP數據”的屬性值進行顯示設置，并且對各省級行政區進行名稱的標注。這樣就制作出一幅綜合多年各省GDP數值，并用圓餅的大小來代表多年中國各省GDP數值大小的餅狀專題圖（如圖4）。

圖4 多年中國各省GDP數值大小餅狀專題圖

通過GDP餅狀專題圖的動態制作過程和對制圖結果的觀察分析，我們首先可以看到綜合多年GDP各省餅狀圖大小上的差異，說明各省的GDP數值一直以來存在著地區間的差異；其次，我們可以看到，各省內部不同年份的GDP數值也不同，各省GDP數值都在逐年的增長，說明各省經濟有持續穩步增長的趨勢；第三，從經濟總量上，我們可以看到總體上還是我國東部省份GDP餅圖較大，中部省份餅圖較小，西部省份顯示的餅圖最小，說明多年來我國東部沿海省份GDP數值一直比較大，經濟發展水平一直比較高，中部省份次之，西部省份經濟發展水平在三個區域中仍舊最低，也呈現出梯級分布的規律。

3.利用GIS分類設色與疊加功能，比較我國三大經濟帶省區的GDP差異

【操作步驟】首先，點擊軟件“添加數據”按鈕，添加顯示“中國三大經濟地帶數據”，點擊屬性設置按鈕，對“中國三大經濟地數據”的屬性值進行屬性設置，即按不同經濟地帶進行分色顯示，這樣我們就得到了一幅把各個省區分成三種顏色進行分類顯示的專題地圖。我們可以看到紫色區域是東部經濟地帶，黃紅色區域是中部經濟地帶，綠色區域是西部經濟地帶（如圖5）。其次，將前面制作的“多年中國各省GDP餅狀專題圖”疊加顯示到“中國三大經濟地帶分色顯示專題圖”上（如圖5）。

圖5 中國三大經濟地帶和各省GDP餅狀專題圖疊加顯示

通過分層設色專題圖的動態制作過程和對“中國三大經濟地帶的分色顯示圖”與“各省GDP餅狀專題圖”的疊加分析，我們可以直觀地看到劃分為東部經濟地帶各省份的GDP餅狀圖都比較大，經濟發展水平都比較高，相對東部地區而言，中部經濟地帶各省份的GDP餅圖都比較小，而西部經濟地帶各省份的GDP餅圖最小。最后通過比較分析，我們可以得出東中西部省份經濟發展水平上的差異是中國三大經濟地帶劃分依據之一的結論。

4.利用GIS分類設色與疊加功能，比較我國西部與非西部開發省區的GDP差異

【操作步驟】首先，點擊軟件“添加數據”按鈕，添加顯示“西部大開發省份數據”，點擊屬性設置按鈕，對“西部大開發省份數據”進行屬性的分色顯示設置，黃紅色區域顯示的是西部大開發省份，黃色區域顯示的是非西部大開發省份。其次將前面得到的“多年中國各省GDP餅狀專題圖”和“中國西部大開發省份分色顯示專題圖”進行疊加顯示分析(如圖6)。

圖5 中國西部大開發省份和各省GDP餅狀專題圖疊加顯示

通過分類設色專題圖的動態制作過程和對“中國西部大開發省份分色顯示專題圖”與“各省GDP餅狀專題圖”的疊加分析，我們可以看到西部大開發省份GDP數值餅圖普遍比較小，說明經濟發展水平較低，而非西部大開發省份GDP數值餅圖總體都比較大，說明經濟發展水平較高。通過二者的疊加分析，最后我們可以得出為縮小與東中部發達省份之間的經濟差距，是實施西部大開發戰略的重要原因之一的結論。

[1]中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標準(實驗)[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2]中華人民共和國教育部.高中理科教學儀器配備標準.中華人民共和國教育行業標準，2010.