GIS在高中環境教育跨學科模式下的作用初探

江蘇省常州市北郊高級中學（213031） 戴文斌

江蘇省教育科學研究院環境教育研究所（210013） 史 威

南京大學地理信息科學系（210093） 馬勁松

環境素養是現代公民素養的重要體現，在對其培養中，高中環境教育的重要性不言而喻。《中國環境保護21世紀議程》中明確指出應加強高中環境教育[1]，同時透過“中學地理新課程標準(實驗)及標準解讀”[2-5]和“中小學環境教育實施指南(試行)”[6]的目標細則以及“國家中長期教育改革和發展規劃綱要”[7]中有關素質教育的實質精神，不難看出高中環境教育的使命在于培養具備現代環境素養的合格公民。

引入GIS作為跨學科模式下高中環境教育的一種優選途徑，利于環境教育過程趨于優質高效。同時將GIS納入普通高中教育內容，也是國家新課改的要求所在。但GIS本身屬于高科技、高要求的地理信息科學的前沿學科，基礎教育引入GIS尚屬探索、研究的萌芽階段，并未有多少現成的經驗和成果可供借鑒，故有必要探討GIS在高中環境教育中的作用這一前人鮮有言及的內容。

一、GIS引入高中環境教育的必然性

1. 跨學科模式是高中環境教育的優選模式

回顧近年來我國高中環境教育的發展現狀，其總體成效并不顯著。

究其原因，除各種主客觀限制因素外，問題主要集中于：①認知教育比重過大；②過程教育是薄弱環節；③目標達成不充分。[8]

究其模式，目前公認的環境教育課程模式主要分為多學科模式與跨學科模式。

前者將環境教育內容滲透到各門學科之中，通過各門學科課程化整為零實施教育。此類模式的現實依據在于，環境教育的課程內容在高中階段不同學科教學中均有所體現，便于學生在各學科的學習中獲得相應的知識、技能與情感，無需專門的時間投入，教育成本較低。因而，在日常教育實踐中的運用最為廣泛。但不可否認，由于教育組織分散，加之各學科所涉內容首要滿足于應試的要求，因此學生對于環境教育往往停留于認知階段，缺少過程環節的自主探究性感知，教育效果和目標達成也自然不甚理想。

跨學科模式，又稱單一學科課程模式，即從各學科中選取有關環境科學的概念、內容進行統整，形成一門獨立課程。如此可于一定程度上彌補多學科課程模式中內容零散、缺乏系統的不足，使教育更富針對性與系統性。但重要前提在于，課程的整合與實施務必做到形式與內容的統一。

2. 地理學科構建了高中環境教育的基礎平臺

依據已有的教育研究分析[9]，在高中課程體系中，地理是唯一相對全面而系統地與環境教育發生聯系的課程，因而地理學科構筑了基本平臺，著力點在于思維廣度和事實判斷，以橫向交叉式滲透見長；而政治學科居于核心地位，著力點在于思維深度和價值判斷，以縱向滲透式交叉為主。歷史、文學、美術和音樂等人文學科處于輔助性地位，其共同的價值取向是人文關懷，具有考察、評判、反思、審美及情感轉化等功能；物理、化學和生物等自然學科同樣處于輔助性地位，但其共同的價值取向在于科學理性（見圖1）。

圖1 不同學科在高中環境教育中的功能與地位

3. GIS是跨學科模式高中環境教育的優選途徑

由于環境教育體系自身涉及多學科知識的滲透，地理學科的平臺作用通過橫向交叉，發揮其跨學科知識的基礎紐帶作用。所有信息終將以數據為載體匯總，并對學生形成一定的教育感知。對于跨學科模式下的環境教育課程，首先應對龐大的數據信息進行采集、分類、存儲，從而對不同學科知識體系下已有的環境內容進行整合。但若在環境教育過程中產生的數據并未得到跨學科的信息共享，數據意義就可能呈現出一定的局限。例如對各地采集所獲水樣進行化學實驗，最后獲得的數據可進行地理空間上的再分析，可通過水樣采集的空間定位從而判斷污染源的可能分布進而分析其危害的時空范圍。若僅停留于水樣分析實驗，那么學生獲取的信息類似于多學科模式下的化學實驗結果，對于環境教育的主觀認知也僅在于對水體污染物的認知。因此，跨學科模式下的環境教育課程內容的整合過程，優先尋求一種基于地理學科作為基礎平臺作用下的信息系統。

地理學語言是人類理解、研究、表達與傳播地理信息的重要工具，它隨著人類科學技術的進步與認識水平的提高而不斷演進。[10]已故的“中國地理信息科學之父”陳述彭院士認為其已經歷了三次具有重大意義的變革。“第一代語言”是對地理事物及現象的定性描述，“第二代語言”則是地圖的產生，地理學的“第三代語言”自然非地理信息系統莫屬。

GIS與其他信息系統的主要區別在于其存儲和處理的信息是經過地理編碼的，以空間數據作為處理和操作的主要對象。地理位置及與該位置有關的地物屬性信息是信息檢索的重要部分。GIS的強大功能是空間分析，這也是GIS區別于其他類型信息系統的根本標志。在GIS中，現實世界通常被表達成一系列的地理要素，這些地理事物的屬性至少可由空間位置參考信息與非空間位置信息兩部分構成。由于側重不同，可建立專題地理信息系統或區域地理信息系統。

GIS本身是集地理科學、環境科學、計算機科學等諸多學科綜合的邊緣學科，國內高校的GIS專業多在地理系、環境工程系、環境與規劃系等院系下開設，故GIS與環境教育聯系十分密切。因此，地理信息系統作為地理這一基礎平臺學科下最前沿的技術分支學科，對于整個環境教育課程資源的建設必然產生重要的作用。

二、GIS引入高中環境教育的作用

當前主流的觀點認為，地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）是以計算機技術為依托，以地理空間數據庫為基礎，使地理數據轉化為地理信息，通過采集、存儲、處理、分析、顯示、輸出地理信息的計算機技術系統，最終為規劃、管理和決策提供信息來源和技術支持。[11-14]

GIS的發展已經歷半個世紀，日益受到重視，并由最初的技術工具發展成為了一門獨立的技術科學。因此作為一門新興技術科學，GIS在高中環境教育中的作用，有其作為技術本身的作用，亦有作為跨學科體系下的學科作用。

1. GIS在高中環境教育中的技術作用

GIS的出現相對傳統地圖而言在龐大的數據容量、多尺度和多類型數據集成處理及靈活多樣的可視化機制等方面具有明顯的優勢。[15]GIS在高中環境教育中的技術支撐作用主要體現于以下幾個方面。

（1）優越的信息綜合能力

環境數據是進行環境教育課程內容整合的基礎，GIS作為跨學科模式下環境教育的優選途徑，最大特征在于信息量巨大。環境系統的復雜性需要對其描述和表達的復雜性。環境系統是由不同部分、不同層次組成的，作為一個系統，不同部分和不同層次間存有耦合，甚至于同層次、同部分內部亦存有關聯。這種關聯有些表現較為直接明顯，有些則通過第三者間接隱含地表現出來。因此，對于環境系統的數據描述常隨著精細程度趨于海量化。

GIS與環境教育課程內容都依托于地理實體與地理現象，故均可借助地理科學的基礎平臺作用與其他學科進行數據交流和共享，最后形成信息整合，從而達成高中環境教育的最終目標。在環境教育中應慮及人類-生態系統中同一層次的各子系統之間的關系及不同層次各子系統之間的關系，課程資源整合同時應注重建立在高中階段環境教育所涉及的學科知識交叉體系中學生的實踐與理解之上。

為更好地管理環境數據，須利用GIS建立環境教育課程數據庫，可涉及大氣、土壤、地貌、生物、水文、資源等地理環境實體，而每種實體又包含空間坐標、地理分類、面積統計等基本數據。首先，應進行環境數據的采集。數據的來源是全方位多樣化的，可源于校內外實地測量、理化生實驗數據、環境事件文字描述、地圖、遙感影像數據等（見圖2），可通過GPS、鍵盤、掃描儀等外部設備，將地圖、遙感影像數據、統計數據、監測數據輸入并進行基本的數據處理，從而對繁復的環境信息進行整合。

圖2 GIS環境數據采集流程圖

在環境教育課程數據采集、編輯、存儲、管理的過程中，既避免了環境數據資源的冗余，又對環境教育課程內容進行了篩選。同時可充分利用GIS的檢索查詢功能，快捷地在海量數據中提取所需信息。這些無疑都得益于依托GIS建立的環境教育課程數據庫優勢。

（2）強大的時空分析能力

空間分析是GIS的獨特領域，主要特點在于幫助確定地理要素間新的空間關系。它不但是區別于其他信息系統的一個重要標志，而且成為了彌補傳統環境教育過程薄弱的有效手段之一。

常用的空間分析有：①疊合分析，通過對同一地區若干不同數據層疊合，不僅建立新的空間數據，且能將輸入的屬性數據予以合并，易于進行多條件的查詢檢索、地圖更新和統計分析等；②緩沖區分析，緩沖區分析是在點、線或面等不同實體周圍建立一定寬度的緩沖多邊形，以確定不同地理要素的空間鄰近性或其影響范圍；③數字地形分析，是GIS中地形起伏的數字化表達和存儲形式，其中數字高程模型是常見的一種數字地形，GIS提供了構造數字地形及有關地形分析的功能，包括分析地形的坡度、坡向（水流方向）、日照強度、庫容量、表面積、剖面圖和通視分析等。

時間與空間是客觀事物存在的形式，兩者是緊密聯系的。環境數據的時間性反映了環境數據的空間特性和屬性隨時間變化的動態特征。我們對現實世界中環境現象加以描述，對環境資源進行整合，則此類數據也必然隨時間而變化。

例如，探求某旅游景點主要客源分布與空間距離的關系，可先將某一時間客源信息輸入并通過建立緩沖區分析，遂得到兩者間的關系。同樣，計算重大環境事件如森林火災隨時間影響分布區域等情況借助于GIS的空間分析將事半功倍。

（3）顯著的直觀展示能力

GIS的產品輸出能力是其一大優勢。其中地圖圖形輸出是GIS產品的主要表現形式，包括各種類型的點符號圖、點值圖、暈線圖、動線圖、等值線圖和立體圖等。環境教育的結果信息可被描繪以二維或三維的形式呈現，甚至利用虛擬現實技術對環境進行再現，比傳統的數據展示要直觀明顯的多，這也是環境數據可視化的重要體現。

2. GIS在高中環境教育中的學科作用

GIS對學生信息技術的掌握、跨學科知識的采集整合、環境研究技術的了解與應用、區域系統思想的建立和空間思維能力的培養，以及環境問題的分析與處理等多方面具有不可替代的獨特功能。

（1）GIS的空間特征利于培養學生的空間思維能力

空間性是環境數據的基本特征，反映了環境實體的地理位置、幾何特征以及實體間的拓撲關系，從而形成了空間實體的位置、形態及由此產生的一系列特征。空間性不但令環境實體的位置、形態的分析成為可能，而且還是環境實體相互關系處理分析的基礎。所以GIS環境教育的過程可提高學生的空間思維能力。

構建的環境數據庫在存儲環境實體空間描述信息的同時，還存儲了實體間的空間關系，此為空間分析奠定了基礎。GIS的空間思維培養利用環境數據庫中業已存儲的信息，通過自身的空間分析工具（如疊合分析、緩沖區分析），生成新的空間數據并存儲。在進行空間分析的過程時，學生將各種分析工具按所探究領域的要求形成流程交由GIS完成，最后提供空間可視化的分析結果。

（2）GIS的實踐特征利于培養學生實踐探索能力

當前的環境教育模式之所以成效不明顯很大程度在于過程教育實踐的薄弱。雖存在理化生的實驗，但實驗本身是依循教師設定的模式進行，學生對于信息的獲取是認知性的。

GIS是一種處理空間數據的工具，因而注重實踐性。環境教育課程中的GIS應用可改善當前環境教育過程薄弱的現狀，讓學生在實踐中體會環境教育課程內容，理解跨學科的環境知識。在GIS教學中加強學生動手能力的培養，也是新課程對于高中GIS課程的基本要求。學生實踐探索能力的培養，首先在環境教育課程數據庫構建的過程中，需要師生一起對所關注的問題進行數據的采集、編輯、整理。其次，在數據庫構建完成之后，依托GIS自身的空間分析功能模塊嘗試探究性實踐。最終，對于過程中產生的結論信息還需要進行整理，若以三維的形式輸出，則還需要對學生進一步提出空間建模的能力要求。

（3）GIS的可視化特征利于培養學生的空間想象能力

通過GIS的空間可視化特征可培養學生的空間想象能力。信息系統是對現實世界的計算機模擬，而GIS則突出其對現實世界空間關系的模擬，甚至可通過虛擬現實技術，使學生實現對環境各實體有一直觀感受。無論是在屏幕上展示一幅可以多級縮放和信息查詢的地圖，還是展現一幅三維的地形模型，都使學生對現實世界空間關系的認識更為具體、直觀。GIS的可視化功能還在于它可將環境實體普通屬性信息的圖形可視化，這是由于GIS實現了空間信息和屬性信息的集成管理，并能夠完善地建立兩者之間的聯系。

例如，利用中國行政區劃圖，可從環境數據庫中提取各省、直轄市、自治區某年份的人口統計數據以及某環境污染情況分布數據，并計算人口密度，之后按人口密度以及環境污染的分級指標以不同的色彩和填充方式顯示行政區所對應的信息，最后通過疊合分析，即可尋求不同區域環境污染與人口分布的相關分析。這樣空間實體的專題屬性特征就可通過GIS工具實現具有空間參照信息的可視化。

（4）GIS對人地關系與可持續發展、環境意識的教育功能

人地關系和可持續發展是環境教育的一個主線。通過應用GIS，解決環境問題、經濟發展問題、人口迅速增長的問題以及資源合理開發等問題是社會發展與GIS科學發展的必然，同樣GIS解決方案對了解環境問題和培養高中生環境意識、人地關系思想和可持續發展思想具有重要的教育功能（見圖3）。

圖3 GIS的教育功能

GIS有利于學生加深對環境的了解，制定可持續發展規劃。對關心的環境問題，學生通過獲取相關信息，應用空間分析與虛擬現實技術，模擬人類活動對生產和環境的影響，即可制定可持續發展對策。

三、結語

綜上所述，在跨學科模式下進行高中環境教育，欲提高課程建設中資源的整合力度，尋求高質量的教育實效，GIS是必然優選途徑。借助GIS的技術作用能培養學生的實踐探究環境問題的基礎能力，有效彌補當下環境教育過程薄弱的現狀，從而促使高中生正確環境價值觀的養成。同時，依托其學科作用，為促進環境教育的開展，為學生走上社會、解決實際問題、擁有高素質的問題分析和解決能力打下堅實的基礎。

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