讓GIS技術走進高中地理課程

陳志慧

摘 要： 隨著我國信息產業的發展和國民經濟信息化進程的推進，遙感（RS）、地理信息系統（GIS）和全球定位系統（GPS）等現代信息技術的應用越來越廣泛，成為許多領域的技術支撐。地理課程對地理學的這些新發展給予了較多關注，在必修模塊引入“地理信息技術”內容，將“3S技術應用”專列為一個選修模塊，強調了地理信息技術的應用價值，引導學生直觀地、感性地認識“3S”技術的基本知識及其應用原理。此外，信息技術在地理學習中的應用與整合，還可為學生的地理學習和發展提供豐富多彩的教育環境和有力的學習工具，為發展學生自主學習意識和能力創造適宜的環境。但目前，在我國大部分地區開設地理信息系統課程還存在一定的困難。文章就引領GIS技術走進高中地理課堂展開論述。

關鍵詞： 地理信息系統 高中地理課堂教學 案例 困難

1.GIS的概論

1.1 GIS的內涵

針對不同的部門和不同的應用目的，地理信息系統的定義也不盡相同。美國學者Parker認為“GIS是一種存儲、分析和顯示空間與非空間數據的信息技術”。加拿大的Roger Tomlinson認為“GIS是全方位分析和操作地理數據的數字系統”。俄羅斯學者把GIS定義為“一種解決各種復雜的地理相關問題，以及具有內部聯系的工具集合”。這些定義，有的側重于GIS的技術內涵，有的則強調GIS的應用功能。美國聯邦數字地圖協調委員會（FIC-CDC）關于GIS的定義較為全面具體。該定義認為“GIS”是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統，該系統設計支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題。[1]

1.2 GIS的功能

由計算機技術與空間數據相結合而產生的GIS這一高新技術，它包含了處理地理信息的各種高級功能。GIS具有四項基本功能：

1.2.1輸入功能

利用數字化儀或掃描儀把地圖、圖像（如航空照片）和規劃圖輸入計算機中，然后進行編輯處理（修改、增補等）。

1.2.2輸出功能

把經過分析而得出的圖形、圖表或文字報告顯示在熒光屏上，也可以通過繪圖儀或打印機打印出來。

1.2.3查詢、分析功能

通過空間查詢和空間分析而得出決策結論是GIS的出發點和歸宿。這是一個復雜的處理過程，需要應用目標之間的內在空間聯系并結合各自的數學模型和理論制訂規劃和決策。典型的空間分析包括最佳路徑分析、疊加分析、鄰域分析、網絡分析、通視分析及填挖方計算和表面積計算等，可用在污染源流分析、農業布局合理性分析、城市布局合理性分析、道路選線分析等工作中。

1.2.4空間數據庫管理功能

地理對象是龐大的地理數據集，對此需要利用數據庫管理系統來進行管理[2]。

GIS依托這些基本功能，通過利用空間分析技術、模型分析技術、網絡技術、數據庫和數據集成技術等，演繹出豐富多彩的系統應用功能，滿足社會和用戶的廣泛需求。

2. GIS走進高中地理課程

著名的地圖與信息系統專家陳述彭院士認為，定性描述是地理學的第一代語言，地圖是地理學的第二代語言，地理信息系統是地理學的第三代語言。這也是廣大地理教師的共識，充分體現出GIS技術的重要性與價值所在[3]。《普通高中地理課程標準》提出了地理課程的基本理念，其中之一是強調信息技術在地理學習中的應用。在新一輪的地理課程改革中，地理信息系統成為地理選修模塊之一，作為新的重要的教學內容。

2.1 GIS技術進入高中地理的必要性

2.1.1 “GIS技術”是地理科學發展與社會信息化的重要內容

當今時代，信息技術飛速發展，地理信息技術對資源與環境可持續發展、國家經濟建設與社會進步的巨大作用日益顯著。地理信息技術應用的具體形式，大到地球村、數字國家，小到數字居民區、數字家庭。隨著工業化和信息化水平的進一步發展，世界城市化成為文明進步的標志。城市帶來了富足、繁榮，也帶來人口擁擠、交通緊張、資源短缺、用地緊張等一系列城市問題，這為地理信息技術提供了大顯身手的機會。世界各國的城市，尤其在經濟發達和發展水平較高的城市，數字城市研究日益成熟，信息化管理成為熱門研究領域，利用地理信息技術進行社會、經濟、文化、基礎設施、交通通訊、城市規劃等數字管理，成為構筑新世紀人類生存環境的新模式。

地理信息技術是“數字化地球”、“信息化地球”的基礎，信息化發展需要大量的具有地理信息技術基本素養的人才。從國家戰略的高度來講，基礎教育階段的地理信息技術素養教育很必要也很迫切。

地理信息技術作為地理科學發展的重要內容，加之其在社會生產、生活中的廣泛應用和價值，在高中階段，將其納入地理課程體系，意義重大。

2.1.2設置“地理信息技術應用”模塊有利于培養學生的信息素養

信息科技時代，教育目的不應僅是教給學生知識，更應以學生的發展為根本，全面提高學生的素質，使學生身心得到發展，發掘學生的外在和內在潛力，促使他們得到全面發展。地理信息技術在信息社會有著舉足輕重的地位和作用，設置地理信息技術課程是普及地理信息技術基礎知識的有效途徑。對學生進行地理信息技術教育，可以培養學生的思考能力和分析能力，提高學生的信息素養，符合《高中地理課程標準》的設計理念，也是提高學生綜合素質的基本途徑。

當前，基礎教育強調全面的素質教育，地理教育也應如此。在對各種地理知識（信息）掌握的基礎上，地理教育重視學生能力的提高及地理思維方式的培養，要求學生既具備地理知識素質，又具備地理能力素質。要求學生運用地理知識處理和解決地里問題。要求學生主動地吸收、掌握各種地理信息，并將信息分析、重組、應用。

2.1.3“地理信息技術”是一種重要的教學技術手段

地理信息技術作為教學技術手段應用于地理教學中也是《地理信息技術應用》模塊重要的價值取向之一。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[4]。

一方面，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媒介，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的數據輸入、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。例如，利用GIS實現對地理事物的分布特征、分布規律的輔助教學，教師可以應用GIS在空間上顯示符合某一條件的地理要素的特征，幫助學生認識地理空間概念；利用GIS實現地理事物環境分析輔助教學，GIS技術可以確定某地理要素在一定范圍內對于其他地理要素的分布；利用GIS實現地理事物變化趨勢的輔助教學，GIS能顯示地理事物在不同時段的地理信息的空間分布，能展示其各階段的特征，有助于學生認識地理事物的發展過程；利用GIS實現數據統計分析與地理直觀的輔助教學，GIS可以進行數據排列顯示、專題地圖制作圖、地形圖、行政區劃圖、旅游規劃圖等；利用網絡GIS、多媒體GIS的輔助教學等[5]。

2.2高中地理信息系統課程教學案例

地理信息技術是一門新興的課程，開設這門課程的主要目標是培養學生的地理信息素養。

下面以GIS在道路選線中的應用作為教學內容進行分析。

傳統的道路選線方法是選線人員通過收集和分析線路區域內有關設計資料，在大比例尺地形圖上選出幾個可能的路線方案。然后在紙上定線的基礎上，選線人員到實地勘測，經過反復比較確定一個較為經濟、合理的路線方案。它在很大程度上取決于選線人員的實際經驗和技術水平，而且費時費力，因此已不能滿足現代公路設計的需要。隨著地理信息系統技術的發展及空間信息軟件平臺的不斷開發，設計人員不但能考慮傳統的選線因素，對于地質、水文等空間屬性也能納入考慮范圍，這不管是從質量上還是從效率上都得到了較大提高。目前常用的空間軟件有ArcInfo、MapInfo、Geo系列軟件、TITANGIS等。

2.2.1地理數據的采集和處理

根據道路的設計功能和設計要求，需要收集道路沿線所有的基礎資料，包括沿線各類比例尺地形圖、地質圖、水文、氣象、交通流量等。具備了這些基本資料之后，利用GIS功能對各種資料進行分類處理。

數字化資料包括地形圖、地質圖、規劃設計圖、文字說明等多種信息資源。圖形數字化過程中需要進行投影轉換、坐標轉換，經過掃描、糾正、跟蹤、附屬性、建立拓撲關系等步驟，最終形成各類數據文件。目前，常用的數據格式有：Tiff、Arc/InfoE00、Arc/InfoCoverage、MapInfo、DXF等。在地形圖進行數字化的過程中，需對各類影響線路的空間要素進行分層空間數據管理，為以后的空間分析做好準備。沿線主要的空間數據層有：地形層、地質圖層、城市層、鄉村層、植被層、沿線水系層、水利設施層、鐵路層等。對空間數據層的分類應盡可能詳細，避免遺漏。同時，使用的資料應為最新資料，保證空間數據的時效性及其準確性。

2.2.2地理數據的空間分析

根據道路的設計標準和使用要求，利用GeoStar軟件對各類數據文件進行分析是采用地理信息系統進行道路選線的核心。GeoStar軟件的空間分析功能主要有地形分析、緩沖分析、疊置分析、網絡分析等，這能幫助設計人員宏觀地認識設計區域。在數據處理過程中，應盡可能準確規范，這對于以后建立數字地面模型DEM、地面正射影像圖DOM等數據具有重要作用。

2.2.3建立數字地面模型DEM

數字地面模型可為道路選線提供直觀圖形并可以與GIS的空間分析結果進行疊加分析。同時可為今后的道路最佳路徑分析、縱橫斷面設計、填挖方量的計算提供快捷成果。

2.2.4疊加分析

利用GeoStar軟件，將矢量數據庫、影像數據庫和DEM數據庫三庫疊加，生成三維景觀再現。在計算機疊加分析的結果里，確定道路控制點的樁號及線路的大致走向，接著根據設計規范和要求，在三維景觀里進行路線設計，確定道路變坡點位置、交點位置、坡度、曲線半徑等要素，這樣設計人員能隨時根據地形來進行設計，非常方便。

2.2.5線路的比選

根據要求一般設計兩到三條線路，然后利用GeoStar的空間分析功能進行比選，考慮的因素主要有土地、水文、路線長度、地質條件、政治因素、經濟狀況、氣象等。如，在設計中，道路應盡量避免穿過農田、森林，并且線路通過地段的地質水文狀況應滿足工程設計要求，以此作為選線條件。此時可以從空間數據層中分別提取鄉村層、植被層、地質層、沿線水系層的相應數據，將它們的數據繪以不同顏色的圖形，根據選線人員給定的選線條件和范圍分別與地形圖形拓撲疊加，此時在計算機上就可以分別顯示出滿足要求的范圍。根據這些范圍，選線人員再進行綜合修改，重新制定設計條件，在計算機上反復進行疊加拓撲分析獲取最終結果。這種選線過程非常直觀明了，結果也可隨時以圖形、表格、數字的形式打印輸出[6]。

2.3高中開設地理信息系統課程存在的困難

在當今的高中地理教學中，開設地理信息系統課程遇到了比較大的困難，學生的地理信息素養也普遍比較薄弱。

2.3.1教育觀念滯后

由于教育觀念滯后，即使是在教育較為先進的地區，地理信息系統課程開設仍困難重重。學校固守舊觀念，認為培養信息素養對于學生高考分數提高目前還沒有實質性作用，往往以各種理由拒絕開設地理信息類課程。

2.3.2經濟支持不足

地理信息系統課程開設需要一定物質基礎作為保證，例如計算機、網絡設施、配套的課程軟件等。經濟落后地區的一些學校硬件、軟件設施都不齊全，尤其像GPS這種儀器市場價一般在2000元左右，作為教具幾乎是不可能購買的，3S技術的培養成為“紙上談兵”。

2.3.3教師素質有待提高

地理信息系統是一門新興的技術，因此，當今高中里能夠熟練掌握信息技術的地理教師比較匱乏。此外，目前高師所開設的地理信息系統課程，多數只是簡單地移植綜合性大學地理信息系統專業課程的基本內容，而真正適合師范生實際操作應用技能訓練較少，并沒有培養出真正適應高中地理教學的合格的地理教師。

因此，高校在培養地理教師的過程中應重視師范生的地理信息技術學習，在學習基礎知識的同時，提高動手操作能力。同時，各地教育部門應完善教師的職后培訓，為在職地理教師提供更多的進修機會和渠道。各地教研部門要為地理教師提供學術和業務的支持，例如通過舉辦培訓班，組織教學經驗交流，推動校本教研，開發課程資源等方式幫助地理教師開展地理信息技術教學，培養學生的地理信息素養。

3.結語

鑒于我國經濟的快速發展及GIS技術強大的功能，GIS將在國民經濟中發揮越來越重要的作用。高中地理課程應緊跟時代潮流，反映時代需求。GIS進入高中地理課程是培養現代公民必備地理素養的必要舉措。盡管現在地理信息技術課程在高中的開設仍遇到一些困難，但困難是暫時的，地理信息技術最終將順利進入高中校園，成為一門培養學生基本地理信息素養的必要課程。

參考文獻：

[1]黃杏元等.地理信息系統概論.北京：高等教育出版社，2003.

[2]李智等.地理信息系統概述.甘肅科技，2004年11月.

[3]李佩武等.GIS技術及其在地理教學中的應用分析.天津教育，2005年第六期.

[4]陳澄等.普通高中地理課程標準（實驗）解讀.南京：江蘇教育出版社，2004.3.

[5]段玉山.地理信息技術輔助教學功能初探.中小學教材教學，2005年第三期.

[6]曹健等.GIS技術在道路選線中的應用.測繪與空間地理信息，2005.12.