支持中學地理研究性學習的電子教學地圖設計及應用開發示例

[摘 要] 在中學地理新課程教學中，研究性學習被提到了一個前所未有的高度。在開展地理課程研究性學習過程中，例如地理觀測、考察、實驗、設計等實踐活動，都會涉及兩大問題，即對所獲取地理信息的分析、處理，或者應用地圖以研究其空間分布特征和不同地理事象間的空間關系。然而，目前的地理研究性學習從外部條件來看還缺乏合適的信息化支持環境以幫助地理教師開展相關教學活動，這直接會影響到中學地理研究性學習開展的有效性。針對這一問題，本文從三方面提出一個支持中學地理研究性學習的信息化環境的設計模型，即電子教學地圖的設計思路、電子教學地圖的認知模型和電子教學地圖的系統架構設計，并在此基礎上以“氣溫日變化探究實驗”為內容提供一個開發示例。

[關鍵詞] 電子教學地圖； 研究性學習； 地圖認知

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A

[作者簡介] 蘇小兵（1972—），男，浙江金華人。講師，博士，主要從事數字化實驗教學、數字校園和遠程教育研究。E-mail：jhsxb@yahoo.com.cn。

一、引 言

2001年教育部印發了《普通高中“研究性學習”實施指南（試行）》（教基[2001]6號），其中將研究性學習定義為“研究性學習是指學生在教師的指導下，從自然、社會和生活中選擇和確定專題進行研究，并在研究過程中主動地獲取知識、應用知識、解決問題的學習活動。”在研究性學習過程中，學生圍繞特定“研究專題”，主動獲取知識、應用知識、解決問題。因而，學生是信息加工的主體，是學習的中心，是意義的主動建構者，不僅有助于學生理解課程內容，而且也是培養創新精神和解決實際問題能力的重要途徑。地理作為一門與社會生活、生產緊密聯系的學科，在《全日制義務教育地理課程標準（實驗稿）》中更是提出“要學習對生活有用的地理，學習對終身發展有用的地理。”并且指出要“改變地理學習方式。要根據學生的心理發展規律，聯系實際安排教學內容，引導學生從現實生活的經歷與體驗出發，激發學生對地理問題的興趣，培養地理學習能力，鼓勵積極探究，使學生了解地理知識的功能與價值，形成主動學習的態度。”[1]因此，在地理新課程教學中，研究性學習被提到了一個前所未有的高度。地理課程教學更應注重對地理問題的探究，倡導自主學習、合作學習和探究學習，開展地理觀測、考察、實驗、調查和地理專題研究等實踐活動，激發學生地理學習的積極性，培養科學精神，養成科學態度。

然而，在現實的地理課程教學過程中，其實施情況還存在諸多問題，其效果與設想還存在較大的差距。其中一個重要的原因是缺乏支持開展地理課程研究性學習的信息化支撐環境。在開展地理課程研究性學習過程中，地理觀測、考察、實驗、設計等實踐活動，都會涉及到兩大問題，即對所獲取地理信息的分析、處理，或者應用地圖以研究其空間分布特征和不同地理事象間的空間關系。在傳統地理課程教學環境下，在依靠教師個人力量的情況下，很難保證此類學習活動的常態化開展。在《全日制義務教育地理課程標準（實驗稿）》中也指出“在課程內容選擇、教學方式方法改革和教學評價中，要充分考慮現代信息技術的影響，為發展學生自主學習意識和能力創造適宜的環境”。[2]然而，就目前國內情況來看，地理課程教師還是主要依靠一些GIS專業軟件，這些軟件一般可以根據教學內容的需要，實現二維或三維地圖的顯示、查詢、放大、縮小，或者對不同地理要素信息進行組合，如AcrViewGIS、GoogleEarth等。由于專業的GIS軟件平臺價格昂貴、操作復雜，并不適合一般地理教師將其用于地理研究性學習的教學。而GoogleEarth、World Wind 1.4等應用型平臺一般都不是專門為地理教學而設計開發，因此將其用于地理教學時也不是非常合適。總體上來說，目前的地理研究性學習從外部條件來看是缺乏合適的信息化支持環境以幫助地理教師開展相關教學活動；從教學設計視角來看是地理教師在設計地理研究性學習時作了過多的預設，在實施過程中又作了過多的“引導”，在探究結果上過于關注對已知地理知識的驗證。這些問題的存在會直接影響到中學地理課程研究性學習開展的有效性。

二、電子教學地圖的設計思路

（一）把電子教學地圖作為非真實地理情境與真實地理情境間的聯系紐帶

韋伯斯特詞典對情境的定義是“指與某一事件相關的整個情景、背景或環境”。“情境既可以是觀念的、想象的、情意的、問題的，又可以是物理的；既可以是虛擬的，又可以是真實的；既可以是基于學校與課堂的功能性的，又可以是基于社會的、自然的、日常生活中的。”[3]自20世紀90年代以來，有關情境認知與情境學習的理論已經成為學習理論領域研究的主流。在地理教學領域也存在同樣的情況，地理課堂教學過程中非常注重對教學情境的創設。但在學校地理教學中所創設的很多所謂的教學情境往往脫離特定的真實的地理情境，存在形式化、抽象化、簡單化等問題。由此產生的學習結果往往只能應付考試，而不能遷移至復雜的，真實的地理情境中解決、分析實際問題。這與《全日制義務教育地理課程標準（實驗稿）》所關注的“（1）學習對生活有用的地理。地理課程要提供給學生與其生活和周圍世界密切相關的地理知識，側重基礎性的地理知識和技能，增強學生的生存能力；（2）學習對終身發展有用的地理。反映全球變化形勢，突出人口、資源、環境以及區域差異、國土整治、全球變化、可持續發展等內容。使所學內容不僅對學生現在的生活和學習有用，而且對他們的終身學習和發展有用。”[4]的教學理念相去甚遠。

因此，在創設支持研究性學習的地理電子教學地圖的教學情境時，應該關注在真實的地理情境和非真實的地理情境間建立聯系，尋求一種有利于學生認知學習的平衡狀態，以兼顧課堂教學的實際與所學知識在復雜真實情境中的遷移。真實的地理情境、非真實的地理情境與地理電子教學地圖之間的關系如圖1所示。借助地理電子教學地圖，把學生在真實地理情境中所形成的地理空間通過可視化工具形成可視化情境，與課堂教學情境共同組成非真實的地理情境。這種融入真實地理情境的地理教學，將有助于學生在非真實的地理情境中所習得的知識在復雜的、真實的地理情境中的遷移。在設計過程中，要重點關注地理電子地圖的可視化情境（非真實的地理情境）與真實的地理情境之間的平衡。

與真實、非真實地理情境間的關系

（二）把電子教學地圖作為學生進行地理研究性學習的認知工具，表達探究結果的可視化工具

DiBiase的科學探究工具論借助可視化和應用數據分析將地圖可視化視為科學探究的工具。認為這種基于地圖的可視化由原始數據探究、確認、綜合、表達等內容組成了一條曲線（如圖2所示）。從曲線可以看出，DiBiase認為地圖在探究一端的作用是促進個人的視覺思考，在表達一端的作用是把研究結果面向公眾的視覺傳輸。MacEachren的地圖應用論則通過一個立方體（如圖3所示）來表達地圖應用空間、可視化以及信息傳輸在立方體中的不同位置和作用。圖中的三個坐標軸表示：地圖應用的對象包括個人和公眾，即地圖起到將知識傳輸給公眾讀者的作用，也可用來幫助個人進行空間思維；地圖應用的目的是提示未知和表達已知；在地圖應用中，人—圖交互水平有高有低。兩個對角點表示：信息傳輸具有表達已知、面對個人、人—圖交互作用較低的特點；可視化則具有提示未知、面對個人、人—圖交互較高的特點。

可見，地圖一般具有兩種功能，即地圖是地理空間認知的工具，是表達認知結果的可視化工具。對于支持研究性學習的地理電子教學地圖來說，首先，應該成為幫助學生更好地認識地理空間的思維工具、問題解決工具、理解教學內容的工具。作為一種學生的認知工具，應該具有良好的人圖交互的可視化界面，幫助學生把從現實情境中獲取的地理空間信息整合到可視化的地圖界面中，以探究、揭示、理解學生未知的地理知識。其次，也是學生呈現探究結果、分析與理解探究結果的一種可視化工具。在地理研究性學習過程中，其中很重要的一項內容是向同學和老師呈現、解釋自己的探究結果。也就是說，支持地理研究性學習的電子教學地圖是學生自己對地理空間認知結果的一種很好的表達工具。

因此，在設計支持地理研究性學習的電子教學地圖時，要充分考慮兩個問題。第一，地理空間信息的分析工具。要考慮地理課程標準和地理教材對相關內容的要求，分析需要學生掌握的技能、方法，分析需要學生理解的地理知識，然后設計相應的分析工具。第二，地理空間認知的表達方式。對認知結果采用不同的表達、呈現方式，其所產生的作用、效果都會有不同程度的差異。在設計地圖時對同一地理空間數據應考慮不同的表達方式，或者不同表達方式的組合，如不同形式的圖表、直觀的圖像等多媒體素材。其相互之間的關系如圖4所示。

三、電子教學地圖的認知模型

在計算機技術、圖形學技術、地理信息系統（GIS）技術、虛擬現實技術、多媒體技術等新技術在地圖學中被廣泛應用的背景下，教學地圖的制圖方式也由傳統的手工制作方式轉向數字化制圖方式。這直接導致地理教學地圖的應用出現兩種新的變化。第一，地理教學地圖的制圖與生產不再是受過專業教育的地圖學者的專利，學生和教師可以根據教學的需要輸入地理數據或從數據庫中提取地理數據，通過可視化交互的方式來制作地圖。在這種情況下，學生不再是被動地接受信息，而是主動地獲取信息。教學地圖也從單純的地理信息的視覺傳輸工具轉變為視覺思維工具。第二，地理教學地圖也由過去的靜態地理教學地圖擴展到動態交互、三維可進入的地理教學地圖，并且可以將動畫、文本、圖像、圖表、視頻和聲音等多媒體信息融入到地理教學地圖中。這都大大增強了地理教學地圖的空間認知的手段，也更加符合學生空間認知的特點。

支持地理研究性學習的電子教學地圖的信息傳輸與傳統地理教學地圖的信息傳輸相比，也發生了顯著的變化。學生通過地理電子教學地圖進行研究性學習時，信息傳輸的認知過程可分為三個階段。（1）地理現實體驗階段。學生根據確定的探究主題，在對地理現實已有認知的基礎上，通過實地考察、野外觀測、社會調查等不同手段直接體驗真實的地理情境。學生在獲得地理現實的空間信息的同時，也在頭腦中形成與地理現實對應的心像地圖。（2）認知制圖階段。在這個階段，學生把所獲得的地理現實的空間信息輸入探索型地理電子教學地圖，借助相應的數據分析工具對空間信息進行分析，并把分析結果以直觀的可視化方式呈現。這個過程實際上就是把地理現實的空間信息轉化為可視化的地圖圖像的過程，即地圖的編碼過程。（3）地圖認知階段。學生借助自己繪制的可視化地圖進行模式識別，改變或修正在頭腦中形成的原有心像地圖，即對頭腦中的心像地圖進行再認知，從而形成對地理現實所屬空間區域的空間認知。這個過程也是對學生自己繪制地圖的解碼過程。其認知模型如圖5所示。

這個認知模型具有三個特點。（1）把真實的地理情境與非真實地理情境（地理課堂所營造的教學情境）通過地理電子教學地圖建立了聯系，不僅有助于學生對地理現實的認知，也有助于學生把認知結果在地理現實情境中進行遷移。（2）把地圖制圖的編碼過程與地圖認知的解碼過程相結合，學生既是制圖者，又是讀圖者。這有助于對地理現實的空間認知，也有助于學生將所掌握的思維、方法、技能和知識遷移至對一般地圖的認知。（3）體現學生學習的意義建構理念。學生將大腦中的心像地圖用符號化（即可視化）的方式形成反應地理現實空間信息的地圖圖像，又通過地圖認知的方法把地圖圖像表示的空間信息轉換成人腦中的心像地圖，從而達到對地理現實的意義建構。

四、電子教學地圖的系統架構設計

支持研究性學習的地理電子教學地圖作為一種學生開展地理學習的認知工具，已經超越了傳統意義上的地理教學地圖，主要體現在兩方面：（1）支持學生分析在開展研究性學習活動中所采集的地理空間數據，以建立或證明某種假設；（2）支持學生通過不同的視角、比例尺、移位、旋轉、扭曲等，或借助不同的分析工具來閱讀地圖，以發現地理空間分布的規律性或異常，即挖掘新知識，并將新知識擴充到地理電子地圖中。因此，支持研究性學習的地理電子教學地圖不是一幅或幾幅地圖圖像，而是一個學生開展地理研究性學習的知識增值平臺、知識生成平臺。其系統架構如圖6所示。

（一）數據采集

支持地理研究性學習的電子地圖所需的地理空間數據主要有三種途徑。（1）各學校根據不同的探究主題，用專用傳感器連接到數據采集器來獲取數據。這些數據通過無線傳輸或通過電腦進入地理電子教學地圖的數據庫。進入數據庫的數據信息可以在不同班級、不同學校之間實現共享，這有利于學生利用不同區域的數據來分析同一地理事象的空間分布規律。（2）從不同級別的公共服務機構獲取地理空間數據。不同學校可以從當地的公共服務機構獲取不同類型的地理空間數據，如當地的人口數據、氣象數據、糧食作物數據等，并把這些數據按照規定的格式輸入數據庫。（3）不同學校在開展不同主題的地理研究性學習活動時，都可能需要采集或收集相應的景觀圖像、錄像等多媒體資料。把這些多媒體資料上傳到地圖數據庫中，這對不同地理區域的學校開展教學活動提供豐富的直觀教學資料。

（二）地圖數據庫

共享地圖數據庫是與地理研究性學習相關的地理數據存儲、組織、管理的有效手段，教學中所涉及的地理環境現象可以通過模數轉換，以數字形式存儲于地圖數據庫系統中。地圖數據庫是地理電子地圖的核心組成部分，須符合以下要求：（1）允許學生或教師按照約定的格式批量導入數據，或者通過無線傳輸的方式將數據采集器中的數據導入數據庫；（2）能按不同的分析要求對各種相關數據進行動態組織與呈現。

（三）探索工具

從功能角度來看，探索工具可以分為四大類。（1）基本操作工具。包含地圖放大、地圖縮小、地圖漫游、圖層控制等基本的地圖操作功能。（2）數據分析工具。根據不同的探究活動主題，設計不同的數據分析工具，如空間距離測量工具、人口密度空間分布計算工具、相關性分析工具等。（3）地圖制作工具。如等溫線繪制工具、等高線繪制工具、直方圖繪制工具等。（4）交互/分享工具。提供一個交互、分享的學習環境，學生面對一個探究性學習任務時，有機會獲得來自教師、同伴，甚至校外專家、家長的幫助和支持。

（四）可視化界面

可視化界面是學生和教師與地圖數據庫進行交互的直接操作界面。就具體形式而言，可分為文本式菜單、圖形化用戶界面、多媒體用戶界面、虛擬現實系統等。學生和教師與數據庫交互關系可用圖7來表示。

五、應用開發示例：氣溫日

變化觀測分析實驗

（一）實驗設計

1. 實驗說明：日常生活體驗告訴我們，一天24小時中氣溫是變化的。在上海的初秋，早上你會覺得比較冷，出門前媽媽會叫你加件外套，中午時穿兩件你又會感覺熱，這個氣溫真是像小孩一樣──喜怒無常。在這個實驗中，我們要通過實際的氣溫數據來研究一天24小時中氣溫的變動是否存在規律？如果有規律，這個規律又有什么特點？

2. 問題描述：氣溫日變化有什么規律？

3. 技能目標：繪制曲線圖；閱讀分析曲線圖。

4. 實驗步驟

第一步：學生描述氣溫日變化的生活體驗。請學生從不同的視角描述一下對當地氣溫日變化的感性認識。

第二步：氣溫數據選擇。選擇學校所在地最近7天中某一天24小時的氣溫數據。

第三步：繪制氣溫曲線圖。繪制學校所在地的氣溫日變化曲線圖。

第四步：分析與結論。根據氣溫日變化曲線圖，描述學校所在地一天24小時的氣溫變化的規律。

5. 撰寫實驗報告

（1）問題描述

（2）數據與圖表

實驗中所獲得數據如表1和圖8所示。

（3）分析與結論

（二）技術實現

示例應用系統采用跨平臺的HTML5技術、可縮放矢量圖形技術（Scalable Vector Graphics，SVG）和華東師范大學李治洪團隊自主研發的GeoServer平臺來實現。

1. HTML5技術

HTML5是新一代Web標準，由WHATWG（Web Hypertext Application Technology Working Group）和W3C（World Wide Web Consortium）組織合作研制的。HTML5在已有的HTML4的基礎上，增添了一系列新技術和新功能，包括應用程序接口（API）技術、多媒體技術、表單控制技術和語義元素等，并具有跨平臺的特性。HTML5的畫布（Canvas） API接口技術大大提升了交互式Web圖形功能，此接口可以把瀏覽器窗口的某些區域定義成動態位圖，可對畫布中內容進行處理和實時渲染。[8]

2. SVG技術

SVG是W3C（World Wide Web Consortium）組織制定的一種基于可擴展標記語言（XML）的網絡矢量圖形標準。SVG圖形具有跨平臺特性，可嵌入到其他XML文檔中。SVG圖形采用文本描述對象，具有更好的可讀性。SVG圖形可嵌入動畫元素，具有很強的動態交互性，符合網絡媒體的需求。SVG圖形還可任意縮放、控制顏色呈現，存儲文件尺寸也小于JPEG和GIF文件。[9]

3. GeoServer平臺

GeoServer平臺支持shp格式數據和遙感影像數據格式，定義了基于HTTP請求的多種服務接口，包括地圖瀏覽、地圖查詢、專題地圖、切片地圖等功能。GeoServer地圖具有全圖顯示、放大、縮小、清除地圖要素、查詢、平移、線段長度量算、面積量算、保存圖片、專題圖例顯示控制、圖層控制和專題地圖繪制等功能。

六、結束語

本文研究了電子教學地圖的設計思路、認知模型和系統架構，提出了一個支持中學地理研究性學習的信息化環境的設計模型，并成功地開發了“氣溫日變化探究實驗”教學案例和應用系統，為國內的數字化地理教學提供可參考的解決方案。