基于地理空間尺度思想的中學地理教學設計

徐志梅袁孝亭

（1.山東師范大學 人口?資源與環(huán)境學院, 山東 濟南 250014; 2.東北師范大學 城市與環(huán)境科學學院, 吉林 長春 130024）

基于地理空間尺度思想的中學地理教學設計

徐志梅1袁孝亭2

（1.山東師范大學 人口?資源與環(huán)境學院, 山東 濟南 250014; 2.東北師范大學 城市與環(huán)境科學學院, 吉林 長春 130024）

空間尺度是地理學研究的重要內(nèi)容，對于中學地理課堂教學具有重要的方法論價值和意義。文章主要探討地理空間尺度的內(nèi)涵、分類，以及地理空間尺度特性，分析地理空間尺度對中學地理教學的價值，并提出基于地理空間尺度的課堂教學設計策略。

空間尺度；中學；地理教學

尺度是地理學的一個重要概念。近年來有關尺度的研究一直是地理學中研究的熱門話題。“地理學的基本思想是根據(jù)其空間的差異性，將空間劃分為大陸、地區(qū)、地方和地點來理解地表”。地理教學也涉及尺度的問題，然而現(xiàn)有的地理教學很少考慮尺度問題，缺乏如何運用尺度問題組織地理信息，發(fā)展學生地理思維，形成地理空間觀點，建構地理探究方法等方面的研究。基于此，本文以地理空間尺度分類、地理空間尺度特性、地理空間尺度對中學地理教學的價值表現(xiàn)，地理空間尺度教學設計策略等作為探討的重要內(nèi)容。

一、地理空間尺度的概念與分類

尺度是某一現(xiàn)象或過程在空間和時間上所涉及到的范圍和發(fā)生的頻率，也指觀察或研究對象的空間分辨率和時間單位。[1]尺度包含空間、時間和等級三個要素。地理學中尺度主要關注空間，地理空間尺度是一種空間認知和空間分析方法，地理學家經(jīng)常運用不同尺度的地理空間來分析并表達世界，以及認識地理空間尺度效應帶來的結果。

對于地理空間尺度的劃分，不同的學者劃分出不同的類型。D.R.Mtello將空間尺度分為地圖尺度、分析尺度和現(xiàn)象尺度三種類型。[2]地圖尺度是指圖上距離與地球上實際距離之比。地圖尺度被用于繪制地圖，用符號描述真實世界中兩個事物之間的距離。分析尺度指被分析問題所在的單元大小，包括被測量現(xiàn)象單元的大小，以及為數(shù)據(jù)分析和繪圖所測量單元的大小。分析尺度的一些問題來自于實踐，地理學家使用主觀經(jīng)驗“試誤”方法來辨識分析某一現(xiàn)象應該選擇的正確尺度。現(xiàn)象尺度指人文或自然地理結構或過程存在的單元，它是地理現(xiàn)象的真實尺度，是地理結構存在的大小以及地理過程運行的大小。現(xiàn)象尺度的確定是地理學中一個重要的研究目標，正確地辨識現(xiàn)象尺度是地理研究中的一個核心問題。地理學家已認識到為了最準確地觀察或研究某一現(xiàn)象，分析尺度必須與現(xiàn)象尺度相對應，要正確地辨識現(xiàn)象尺度。J.Wu認為尺度包含空間、時間和組織水平三個最基本的維度。基于空間維度，將空間尺度分為內(nèi)在尺度、觀察尺度、政治尺度。內(nèi)在尺度是指某一格局或過程事實上運作的尺度。觀察尺度是研究或測量所采用的尺度。[3]觀察尺度并不一定與內(nèi)在尺度一致，地理學家通過特定分析、比例分析、小波分析、尺度變化、地理統(tǒng)計、多尺度目標等方法確定觀察尺度，盡量使觀察尺度與內(nèi)在尺度一致。受一系列經(jīng)濟、政治、社會因素的影響，會形成另一種尺度——政治尺度。政治尺度與其他尺度類型相互聯(lián)系，只有當所采用的政治尺度與問題的內(nèi)在尺度相一致，政治尺度才有效。我國地理學者李雙成、蔡運龍將其歸并為本征尺度和非本征尺度。本征尺度是指自然本質(zhì)存在的，隱匿于自然實體單元、格局和過程中的真尺度。非本征尺度是人為附加的，自然界中并不存在的尺度，包括研究尺度或操作尺度。研究尺度和操作尺度的選擇常常受研究目的、科學發(fā)展水平以及經(jīng)濟發(fā)展水平的制約。[4]

從以上學者的分類可以看出，多數(shù)學者分類中均有實際尺度和操作尺度兩種，只是名稱不同，如以上分類中的觀察尺度、分析尺度、研究尺度實際為一類，而現(xiàn)象尺度、內(nèi)在尺度、本征尺度則為同一類。不管如何劃分，各種尺度類型間相互作用、相互聯(lián)系，分析尺度、觀察尺度必須以現(xiàn)象尺度和內(nèi)在尺度為基礎，而現(xiàn)象尺度和內(nèi)在尺度則需通過分析尺度和觀察尺度來表達。

二、理解地理空間尺度特性是地理空間思維和地理空間觀點建立的前提

1.地理空間尺度具有等級性

尺度具有明顯的等級結構特征，常分為微觀、中觀和宏觀等幾個層次，尺度越大表示研究面積越大、研究對象的時間間隔越長。具體的地理空間尺度的劃分常常根據(jù)研究對象特征和研究需要等實際情況而定。各結構等級間相互聯(lián)系，相互作用，存在相互鑲嵌關系。一方面，大尺度空間是由若干中等尺度空間及更多的小尺度空間鑲嵌而成的，大尺度空間的研究必然以中尺度空間和小尺度空間的研究為基礎；另一方面，小尺度空間發(fā)生的現(xiàn)象受其所在的大尺度空間影響和制約，大尺度空間是中小尺度空間地理現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的前提和基礎條件。因此，對于某一地理對象研究，需要同時進行大尺度、中尺度、小尺度下的綜合研究，并正確處理各尺度研究的協(xié)調(diào)和有機整合。凡是涉及到區(qū)域的、地方的、直至更小范圍的地理空間，它們要受到宏觀尺度規(guī)律統(tǒng)一制約，更加注重較細微、較精密的空間結構、空間排布等規(guī)律的探討。它們以點在二維(平面)或三維(立體)空間中的分布規(guī)律或排布格局為研究目標，力圖發(fā)現(xiàn)更加抽象的、在均衡狀態(tài)下的空間分布的本質(zhì)。

2.地理空間尺度具有依存性

地理空間尺度的依存性是指在某一尺度上觀察到空間格局和空間過程，可以在其他尺度上發(fā)生。地理空間尺度的空間依存性，主要是由于不同空間尺度下此類現(xiàn)象的發(fā)生與其形成的基本原理相同，從而形成相類似運作過程。一般來說具有空間依存性的地理事物和現(xiàn)象其具有明顯的相關性，可以從一種尺度推演到另一個尺度。

3.地理空間尺度具有尺度效應

并不是所有的現(xiàn)象都具有尺度依存性。有些地理事物和現(xiàn)象的地理特性，會由于空間尺度的變化而不同，也就是說某一地理事象的特性與其所研究的空間區(qū)域的大小有關聯(lián)，地理學研究中這種由于改變研究尺度而產(chǎn)生的結果的變化稱為尺度效應。尺度效應的產(chǎn)生原因有兩個：第一，由于尺度的概念會影響主導因子發(fā)生變化，致使在某一尺度上的表現(xiàn)穩(wěn)定的特性，在另外尺度上則表現(xiàn)為不穩(wěn)定。第二，地球系統(tǒng)的空間異質(zhì)性限制了從一個空間尺度到另一個空間尺度的信息轉換，是空間尺度效應產(chǎn)生的根本原因。不同影響因素有不同的空間變異特性及局限性，某種因素的明顯變化只發(fā)生在一定大小的空間尺度內(nèi)，在特定的空間尺度內(nèi)面積的縮小或放大，變異度不會持續(xù)增大，而是維持某一特定水平。

4.地理空間尺度具有時空關聯(lián)性

空間與時間是尺度的兩個最基本的軸。最近幾十年，時間與空間尺度的關系受到越來越多的關注。研究發(fā)現(xiàn)空間尺度和時間尺度的比率在一系列尺度上總是相對不變的，這一比率被稱為“特征速率”。即許多自然、生態(tài)、社會經(jīng)濟現(xiàn)象，大尺度總是有較慢的速度以及更少的頻率。相反小的事象速度較快、頻率較大。說明地理事物和現(xiàn)象的空間尺度和時間特征尺度是緊密相關的，對于復雜的地理系統(tǒng)，可以從時間、空間方面同時研究分析。例如對生態(tài)系統(tǒng)來說，在小尺度上常表現(xiàn)出非平衡特征或瞬變特征，但在更大尺度上則表現(xiàn)為極強的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。因此，大尺度的生態(tài)過程可提供較大的穩(wěn)定性，而小尺度的生態(tài)過程對個別景觀系統(tǒng)的波動具有顯著影響。

事實上，不是所有自然現(xiàn)象都嚴格遵循時空相應的規(guī)律，不同性質(zhì)的尺度頻率可能會有所不同。許多時間上循環(huán)的事件，如太陽黑子的周期性變化，在大空間尺度上發(fā)生，卻有相對頻繁的頻率。一般來說符合巢狀等級結構的事物往往符合這一規(guī)律（如小的實體被包含在大的實體中，反過來又被大的實體所包括），但非巢狀等級結構事物往往不符合這一規(guī)律。近年來，由于人類活動使得大多數(shù)生態(tài)現(xiàn)象的時空尺度比率發(fā)生很大的變化。

5.地理空間尺度轉換特性

空間尺度轉換就是跨越不同空間尺度的進行辨識、推演和預測，通過尺度轉化可以將已知的某一空間尺度上的問題擴展、推演到更大或更小空間尺度上的相應問題。一般來說，大尺度空間特征值并非是若干小尺度特征值的簡單疊加，小尺度特征值也不是簡單的大尺度特征的拆分，而是需要在不同空間尺度建立某種尺度轉換關系。傳統(tǒng)上，許多地理實驗和研究是在小的空間尺度上完成的，而對于大空間尺度的實驗操作和研究會受到限制。因此，如何將小空間尺度下的研究通過尺度轉換，外推到大的空間尺度具有重要的理論意義和實踐價值。比如土壤侵蝕定量評價的空間尺度轉換就是在各種技術的支撐下，將小空間尺度上的觀測數(shù)據(jù)和模型合理地應用于大的空間尺度，實現(xiàn)大空間尺度的土壤侵蝕定量評價。但是，由于研究的尺度和地理事象不同，影響因子也會發(fā)生相應變化，尺度轉換關系也會隨之發(fā)生變化，這使尺度轉換變得非常復雜。

三、運用地理空間尺度進行教學具有重要教育價值

對地理空間尺度大小進行清晰、準確的認知，是對地理事物和現(xiàn)象進行等級劃分、分析地理成因、認識空間關系、解釋地理現(xiàn)象、解決地理問題的基礎和前提。通過地理空間尺度教學可以幫助學生組織地理信息、建構探究方法，從而發(fā)展學生的地理空間思維，建立正確的地理空間觀點。

1.通過地理空間尺度等級劃分來組織地理空間信息

最近，腦科學家研究發(fā)現(xiàn)人類通過建立不同區(qū)域的框架來組織空間信息，將較小空間尺度的詳細信息添加到較大空間尺度的粗略信息系統(tǒng)中，形成不同空間尺度的區(qū)域信息結構體系。地理學家經(jīng)常討論尺度的等級，從大洲到國家、省區(qū)、地區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，形成不同等級尺度的空間區(qū)域系統(tǒng)，運用空間尺度等級來組織空間信息，形成按照空間尺度的大小關系和包含關系來建構心理地圖。我國區(qū)域地理教材的編制往往以地理空間尺度為依托，來組織地理內(nèi)容，安排教材編寫順序，從大尺度空間到小尺度空間，從宇宙到地球上的陸地和海洋，到大洲、地區(qū)、國家、省區(qū)，最后是鄉(xiāng)土地理。

2.運用地理空間等級來描述空間特征

“改變分析的空間尺度能提供深入了解地理過程和現(xiàn)象的洞察力，能了解地理過程和現(xiàn)象在不同尺度上是如何相互聯(lián)系的”。同一對象在不同尺度空間的描述是不同的，建立在一定尺度基礎上的區(qū)域地理空間描述，有利于形成對地理概念深層次描述與理解，有利于對概念進行全方位清晰把握。因此，在描述地理空間事物時，尺度性必須加以考慮，學生要能夠使用大尺度和小尺度視角，描述不同尺度下的地理事物和特征，以提供不同解釋。例如，對于城市若從宏觀尺度考慮，它往往被視為一個點，而若從較小的空間尺度觀察，可以看做是一個面，而從更小的尺度上來看，則包含了更為豐富的信息，表現(xiàn)為不同功能區(qū)組成的空間，其內(nèi)部有空間結構，如扇形結構、星形結構等。

3.實現(xiàn)從現(xiàn)實空間到地圖空間轉化，進行差異性度量

地理學家運用空間尺度的概念，將現(xiàn)實世界大尺度空間通過一定的規(guī)則轉化成小尺度地圖空間。如果學習者掌握了地理空間尺度的概念，理解了現(xiàn)實空間與地圖空間的關系，可以運用尺度轉換的規(guī)則來判斷現(xiàn)實世界的狀況，認識實際空間區(qū)域的特征與地圖圖示特征之間的關系。如可以通過地圖來計算海岸線的長短、地形坡度的大小、空間距離的大小等。地理空間尺度和規(guī)模原理還涉及地圖的使用，如對城市氣候和城市土地利用而言，地理學家應使用較大比例尺地圖；對于城市體系和氣候區(qū)劃研究而言，則會運用較小比例尺的地圖。同時地理空間尺度大小還會影響差異性度量，如判斷地形坡度、氣壓梯度大小時，除了看等高線的疏密，還要看空間尺度的大小。

4.運用地理空間尺度教學發(fā)展學生空間思維

尺度是地理思維的重要部分，皮亞杰和他的同事聲稱“不同尺度在人們感知和思考方式上存在很大差異”，也就是說尺度影響人們對其所見和所經(jīng)歷事物的思考方式和思維方法。通過空間的方式觀察認識世界，能夠使用和理解尺度是地理思維和空間觀點的基礎。培養(yǎng)學生的地理思維能力，就要理解空間尺度，以及如何使用空間尺度視角解決地理問題。

（1）對不同區(qū)域的地理現(xiàn)象進行比較分析，要判斷空間尺度大小、延伸方向，比較尺度特征，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，找出其聯(lián)系。同一地理現(xiàn)象在不同的位置占據(jù)不同大小的空間尺度，如剛果盆地和亞馬遜流域同為熱帶雨林氣候，亞馬遜平原熱帶雨林氣候分布范圍更廣。同一地理事物和現(xiàn)象由于占據(jù)的空間尺度大小不同，會形成不同的地理結果和影響。如，東亞地區(qū)和北美東海岸，同在大陸東岸，維度位置大致相當，卻形成不同的氣候類型。

（2）對于同一事物，要從不同的尺度進行考查，探究其在不同空間尺度下的功能和影響。例如，在探討人口遷移的影響時，要考慮人口遷移對不同空間尺度地域的不同影響，對于遷出地來說人口會減少、人口密度會減小，而對于遷入地來說人口會增加、人口密度會增大，但從大的空間尺度上來看，人口數(shù)量和人口密度卻保持不變。

（3）要把握不同空間尺度下所涉及的主要問題和核心環(huán)節(jié)。一般來說，對于同一地理事物和現(xiàn)象，研究的空間尺度不同，研究主題和研究的目的也有較大差異。對于大的空間尺度對象主要研究其規(guī)律和格局，而小的空間尺度對象則主要研究其特性、結構。如，對于河流的研究，大尺度空間下主要分析其流域、水系、水文特征、河流補給方式、水能資源等，而在小的空間區(qū)域內(nèi)主要分析河床、河漫灘、階地等。

5.運用地理空間尺度概念建構地理探究方法

地球是一個復雜的巨系統(tǒng)，要詳細、具體地進行研究、模擬或表征，必須采用劃區(qū)的方法將其簡化，通過對不同空間尺度區(qū)域的研究，提高對地理信息細節(jié)數(shù)量和程度的概括水平。同一地理事物和現(xiàn)象在某一尺度水平上的活動結果，可能與另一水平上的結果很不相同，基于問題分析的尺度不同，人們對特定現(xiàn)象得出的結論會發(fā)生變化。因此，地理空間尺度的問題在地理學中具有非常重要的地位。

四、運用地理空間尺度進行教學設計的策略

1.學習分析不同地理空間尺度的方法和策略

在地理學中，空間尺度是一種空間認知和空間分析方法，地理學家經(jīng)常運用不同尺度的地理空間來分析并表達世界。中學地理教育，要教給學生認識和學習不同空間尺度的方法和策略，先從大尺度的整體知覺，然后將大尺度空間根據(jù)一定的標準劃分成多個區(qū)域，再對局部空間進行比較、分析，在此基礎上再從整體上分析大尺度空間的總體的規(guī)律、特征等，部分到整體，局部到系統(tǒng)，螺旋上升。

2.研究各種地理空間尺度間的關系

不同尺度上的地理現(xiàn)象相互聯(lián)系、相互作用，在某一尺度上發(fā)生的現(xiàn)象來自更小或更大尺度，小尺度的現(xiàn)象鑲嵌在大的現(xiàn)象中，大尺度現(xiàn)象包含小尺度現(xiàn)象，大小尺度現(xiàn)象相互作用，相互影響，因此要學會分析研究同一尺度之間以及不同尺度間地理事物和現(xiàn)象的相互關系。

3.認識不同地理空間尺度功能效應

地理學家認為在不同等級層次單元上發(fā)生的地理事件具有不同規(guī)模、性質(zhì)，不同尺度和規(guī)模的地理現(xiàn)象作用機制不同，對其解釋也具有顯著的差別。因此，在認識地理問題的過程中，能夠?qū)⒌乩砜臻g事象放置于不同的空間范圍內(nèi)進行思考，能夠認識不同尺度所帶來的功能效應。例如，不同尺度要素對城市氣候影響不同，小范圍的下墊面的植被覆蓋變化對大氣環(huán)流幾乎沒有影響，但是對城市氣候來講就不可忽視。對城市氣候變化的分析，不僅要考慮整個氣候空間模式的變化對城市氣候是否具有實質(zhì)性的影響，而且要考慮小尺度的下墊面所發(fā)生的變化。

地理空間尺度的問題在地理學中具有非常重要的地位，地理研究都是建立在不同尺度空間區(qū)域的基礎上。在中學地理基礎教育階段，要幫助學生發(fā)展空間等級的觀念，注意分析不同尺度下的地理過程和現(xiàn)象，能夠根據(jù)區(qū)域的空間尺度大小，判斷真實的空間距離，而且能夠在不同的尺度之間選擇問題和恰當?shù)目臻g分析方法。

[1] 李小建.經(jīng)濟地理學研究中的尺度問題[J].經(jīng)濟地理,2005(7)：433-435.

[2] In N. J. Smelser & P. B. Baltes (Eds.), International Encyclopedia of the Social & Behavioral Sciences[M]. Oxford： Pergamon Press, 2001.

[3] Wu, J. Effects of changing scale on landscape pattern analysis： scaling relations[J]. Landscape Ecology，2004(19)：125-138.

[4] 李雙成,蔡運龍.地理尺度轉換若干問題的初步探討[J].地理研究,2005(1)：12-13.