基于LBS的戶外地理教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用*

鐘 正，張曉露，周東波，張明華，李學(xué)康

（華中師范大學(xué) 國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢430079）

一、引言

戶外教學(xué)是實現(xiàn)地理教育及鄉(xiāng)土教育的一種有效教學(xué)方法，可協(xié)助學(xué)生運用地理知識來理解地理現(xiàn)象、培養(yǎng)學(xué)生的地理素養(yǎng)和地理技能[1]。由于戶外考察活動中師生比例極低、學(xué)生的學(xué)習(xí)動機難以持續(xù)、學(xué)生之間協(xié)作性較弱等問題，當(dāng)前中小學(xué)較難組織、開展有效的戶外地理教學(xué)。以智能手機、平板電腦等為終端的移動地理信息系統(tǒng)（移動GIS或Mobile GIS）因整合遙感技術(shù)、全球定位技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等數(shù)據(jù)采集能力，可形象、直觀地展現(xiàn)地理信息。將其應(yīng)用于戶外地理探究教學(xué)，可實時顯示與反應(yīng)學(xué)生所處的環(huán)境特征，有利于提高學(xué)生的空間認知與推理的能力。在移動GIS中應(yīng)用基于問題的學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning，PBL）來組織戶外教學(xué)活動，可協(xié)助學(xué)生在戶外真實環(huán)境下培養(yǎng)解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)組成

電子地圖系統(tǒng)已是移動終端中最常見的應(yīng)用之一（如百度地圖、Google地圖、蘋果地圖等），這些應(yīng)用中不僅包含衛(wèi)星地圖、地形、公交路線等圖層數(shù)據(jù)，還提供了定位、搜索、導(dǎo)航等功能。為滿足戶外地理探究教學(xué)活動的需求，筆者基于Android平臺的Baidu Maps地圖服務(wù)[2-3]，設(shè)計并實現(xiàn)了一套戶外教學(xué)系統(tǒng)（GeoOutSys），根據(jù)終端所處位置，結(jié)合PBL為用戶提供與探究活動相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容；將戶外探究活動中的學(xué)習(xí)成果（如手繪素描、照片）上傳到服務(wù)器端以供教師實時掌握學(xué)習(xí)活動的動態(tài)、及時給予學(xué)生指導(dǎo)。整個系統(tǒng)主要包括八個部分（如圖1所示），即：客戶端的移動終端、無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、定位服務(wù)、內(nèi)容服務(wù)器、資源制作工具、位置管理組件、GIS組件、地圖數(shù)據(jù)庫，其功能如下：

（1）客戶端的移動終端可選擇智能手機或平板電腦，目前移動終端已具有較強的運算能力以及可攜帶性，其手控功能也便于用戶書寫和繪圖。

（2）無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在野外具有較強的信息傳輸能力，適合于戶外活動中的位置服務(wù)、信息傳輸?shù)取?/p>

（3）定位服務(wù)采用GPS技術(shù)，當(dāng)前的智能手機中均已集成其相關(guān)模塊。

（4）內(nèi)容服務(wù)器是從Web服務(wù)器接收請求后，由GIS組件處理地理空間數(shù)據(jù)，由Web服務(wù)器以URL的方式包裝與請求回傳到用戶的移動終端，解析信息并使用。

（5）資源制作工具協(xié)助教師基于PBL來制作探究教學(xué)所需的相關(guān)任務(wù)資源。

（6）位置管理組件記錄用戶的位置變化信息，當(dāng)用戶進入到預(yù)設(shè)任務(wù)地點附近時，系統(tǒng)便調(diào)用GIS組件執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

（7）GIS組件通過調(diào)用Baidu Maps API來構(gòu)建自身所需的地圖服務(wù)，并處理、管理和顯示相關(guān)任務(wù)的空間及屬性數(shù)據(jù)。

（8）地圖數(shù)據(jù)庫不僅存儲地圖數(shù)據(jù)，而且也存儲師生的探究過程數(shù)據(jù)，考慮到系統(tǒng)效率，在初始化任務(wù)是將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)加載到移動終端的本地數(shù)據(jù)庫中。

圖1 移動GIS教學(xué)系統(tǒng)體系圖

2.功能模塊

整個系統(tǒng)設(shè)計可分為服務(wù)器和客戶端兩個部分，而系統(tǒng)角色又可分為管理員、教師和學(xué)生。另考慮移動終端的特性及探究學(xué)習(xí)的需求，遵循“高內(nèi)聚，低耦合”的原則，將系統(tǒng)進一步細分成多個模塊，并用接口詳細定義各模塊之間的關(guān)系，通過虛接口為新模塊擴充預(yù)留了接口，圖2表示該系統(tǒng)中學(xué)生端的功能結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)功能圖

（1）學(xué)生安全管理模塊

考慮到師生比以及少年兒童活潑好動的特性，戶外活動中學(xué)生的人身安全管理十分重要。借助于Baidu Maps API，很方便地實現(xiàn)學(xué)生軌跡實時顯示、歷史行走路線回放，使用地理圍欄技術(shù)實現(xiàn)學(xué)生超出活動區(qū)域的報警提示以及路徑規(guī)劃等功能。通過集成Baidu Maps的定位模塊，學(xué)生移動終端上每隔一定時間將其軌跡更新到服務(wù)器端，可在教師終端上實時查看學(xué)生的行走軌跡，對偏離任務(wù)活動范圍內(nèi)的同學(xué)及時提醒，可確保整個活動的安全。

圖3 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航

（2）學(xué)習(xí)活動模塊

根據(jù)皮亞杰的兒童智力發(fā)展論，兒童在表象思維的過程中主要運用符號象征功能和替代作用，在頭腦中將事物內(nèi)化。多媒體信息的好處就是能用媒體信息取代文字，從而更直觀、生動并能吸引學(xué)生的注意力與興趣。Android系統(tǒng)中已有集成圖片、音頻和視頻等多媒體應(yīng)用的成熟機制。設(shè)計學(xué)習(xí)活動模塊時，采用基于PBL的教學(xué)設(shè)計，以游戲或題目方式，達到引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的目的。同時，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中或是學(xué)習(xí)結(jié)束時，按照學(xué)習(xí)要求將成果上傳到服務(wù)器端個人空間。

（3）地圖顯示模塊

在移動終端上安裝應(yīng)用時，即將該任務(wù)所涉及的基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)和任務(wù)數(shù)據(jù)加載到移動終端的本地數(shù)據(jù)庫中。學(xué)習(xí)過程中用戶根據(jù)學(xué)習(xí)要求通過無線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器提交業(yè)務(wù)請求，并從數(shù)據(jù)庫中提取屬性數(shù)據(jù)，用隱藏標(biāo)簽的方法將該數(shù)據(jù)傳到用戶界面。最后，通過Baidu Maps API向其服務(wù)器請求，將相關(guān)信息（如地圖數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)專題數(shù)據(jù)）疊加顯示在百度地圖上。擁有教師權(quán)限的用戶可通過圖層管理功能，實現(xiàn)對圖層的新增、修改、查詢等操作。此外，該模塊還能記錄用戶在地圖上書寫的筆記等信息。通過GPS定位服務(wù)也可獲取終端設(shè)備當(dāng)前位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并根據(jù)學(xué)習(xí)主題為學(xué)生提供該處所需的地理圖層和學(xué)習(xí)內(nèi)容。譬如，通過路徑導(dǎo)航功能可確認探究活動起始地到目的地之間的最短路徑，圖3表示了某次戶外探究學(xué)習(xí)規(guī)劃路徑，起始點為該校學(xué)生在校園門口搭乘大巴時的位置，以氣泡表示的目標(biāo)地點為終點。單擊地圖上的標(biāo)志可查看該點所對應(yīng)的名稱、經(jīng)緯度坐標(biāo)等信息。

（4）數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫中存儲有地圖數(shù)據(jù)、教學(xué)資料、學(xué)習(xí)任務(wù)數(shù)據(jù)、用戶的個人信息等。學(xué)生學(xué)習(xí)過程中拍攝的照片、手繪的素描草圖、個人學(xué)習(xí)記錄、完成測試題的情況均會上傳到其個人空間中。教師通過檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄進行教學(xué)評估。在設(shè)計試題庫中題目時，應(yīng)考慮戶外教學(xué)的特點，針對實際的學(xué)習(xí)情境進行設(shè)計。學(xué)生答題后，系統(tǒng)會立即給予反饋，以加強學(xué)習(xí)效果。測試題類型應(yīng)以選擇題、識圖題為主[4]。如：

題目1：請說出下面那一項不屬于聽濤區(qū)中的寓言雕塑：（）

A.鷸蚌相爭；B.刻舟求劍；C.盲人摸象；D.掩耳盜鈴

三、基于移動GIS的戶外地理教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)活動設(shè)計

戶外地理探究教學(xué)可令學(xué)生利用各種感官直接感知地理事物而獲得地理知識和能力。建構(gòu)主義認為，興趣是建構(gòu)新知識的源動力，通過戶外探究學(xué)習(xí)，教師就給了學(xué)生實證、操作的機會，為其創(chuàng)設(shè)探究條件，調(diào)動起學(xué)習(xí)興趣和探究欲望[5]。戶外探究學(xué)習(xí)更強調(diào)參與性，改變被動接受式的學(xué)習(xí)，盡可能讓學(xué)生操作、記錄觀察信息、分析研究獲取的資料信息，主動獲取知識、得出結(jié)論。在戶外探究過程中老師需及時關(guān)注學(xué)生的反應(yīng)，每一個“疑問”或許就是一個“新發(fā)現(xiàn)”，都有助于建構(gòu)正確的地理概念和原理。下面以GeoOutSys在“武漢東湖風(fēng)景區(qū)自然人文景觀的學(xué)習(xí)”的應(yīng)用為例，結(jié)合九年一貫?zāi)芰χ笜?biāo)設(shè)計課程內(nèi)容，具體設(shè)計方案如下。

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）認知領(lǐng)域

①理解經(jīng)緯度的意義與功能。

②以主客體的相對關(guān)系說出兩地的相對方向。

③利用地圖、數(shù)據(jù)、坐標(biāo)等資料，來描述和解釋地表事物及其空間組織。

④了解東湖風(fēng)景區(qū)的自然人文景觀。

（2）動作技能領(lǐng)域

①辨識地點、位置、方向，并能制作或運用模型代表實物。

②在GIS地圖上坐標(biāo)定位、規(guī)劃路徑。

③掌握基本地理繪圖能力。

④學(xué)會使用攝影等現(xiàn)代化手段搜集地理素材。

⑤制作東湖風(fēng)景區(qū)出游路線方案。

（3）情感領(lǐng)域

①培養(yǎng)愛護環(huán)境、珍惜資源及尊重生命的態(tài)度。

②體驗生物之間、人與自然之間相互依存的生態(tài)法則。

③表達熱愛故鄉(xiāng)、熱愛祖國山河的情懷。

2.教學(xué)準(zhǔn)備

為沒有智能手機的學(xué)生配備一部公用手機，在校園網(wǎng)中下載教學(xué)應(yīng)用，并對學(xué)生講解GeoOutSys的操作說明使用，共30分鐘。

3.教學(xué)活動流程

戶外地理教學(xué)過程中師生比率較低，通常是1～2名教師指導(dǎo)一個班40多名學(xué)生。因此，在同一地點老師無法向?qū)W生一一講解教學(xué)內(nèi)容，如果不加以適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)，很難維持較高的學(xué)習(xí)動機；同時學(xué)生很容易迷失方向，失去學(xué)習(xí)的興趣。PBL是近年來受到廣泛關(guān)注的一種教學(xué)方式，它強調(diào)教師利用生活中的問題作為學(xué)習(xí)材料，將學(xué)生置于一個結(jié)構(gòu)不良，但與實際生活緊密聯(lián)系的問題情境，讓學(xué)生作為該情境的主人，去分析問題，學(xué)習(xí)解決該問題所需的知識，最終解決該問題[6]。該方法非常適合于戶外地理教學(xué)活動設(shè)計，以游戲或題目方式，達到引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的目的。問題解決的教學(xué)流程包含創(chuàng)設(shè)問題情境、明確問題所在、產(chǎn)生解題途徑、成果展示和驗證結(jié)果等五個階段[7]。下面以“東湖風(fēng)景區(qū)屈原紀(jì)念館學(xué)習(xí)子任務(wù)為例”來說明整個教學(xué)流程，如表1所示。

表1 基于問題解決的教學(xué)流程

圖4 基于問題解決的教學(xué)流程

（1）提供問題情境

通過GPS定位功能，學(xué)習(xí)者能確定當(dāng)前所在位置，通過不同的方式，系統(tǒng)能給予學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)材料，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進入問題情境，如圖4（a）所示。

（2）明確問題所在

通過問題解決的任務(wù)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并作答，每題作答方式不同，例如：書寫答案、拍照、畫圖、利用GPS找答案等。學(xué)生解題過程中所有不同形式的解答均記錄在GIS系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)作為學(xué)生整個學(xué)習(xí)活動的過程資料，可作學(xué)生的反思、分享，亦可供教師作為評價的依據(jù)。圖4（b）為利用GPS尋找寶藏所在地。

（3）產(chǎn)生問題解決途徑

學(xué)生在答題的過程中，若有不清楚的地方，可進入問題提示頁面，系統(tǒng)給予學(xué)生提示，協(xié)助其學(xué)習(xí)。圖4（c）即為學(xué)習(xí)任務(wù)詳情和如何完成任務(wù)的提示頁面。

（4）展示成果

學(xué)生可以通過系統(tǒng)與其他同學(xué)分享學(xué)習(xí)成果及心得。圖4（d）為學(xué)生利用系統(tǒng)手繪功能繪制的所在地周邊地理環(huán)境圖片（記錄在GIS中）及使用圖片分享功能分享其學(xué)習(xí)成果。

（5）驗證結(jié)果

任務(wù)完成后，以測驗題的方式，檢查自我學(xué)習(xí)成效。學(xué)生答題后，系統(tǒng)會及時給予反饋，以加強學(xué)習(xí)效果，如圖4（e）所示。

四、教學(xué)應(yīng)用評價

戶外地理探究教學(xué)提供“看得見，摸得著”的真實生活情境，通過跑路（實察）、動腦（思考）、動手（記錄、使用和學(xué)習(xí)地圖繪制，攝影等）等活動的開展，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主動者，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析問題和解決問題的實際能力，對擴大學(xué)生的地理知識范圍、鍛煉學(xué)生的意志、培養(yǎng)團隊合作精神等方面,都有著積極的促進作用。根據(jù)上述教學(xué)目標(biāo)，為了檢驗該教學(xué)軟件的有效性，筆者進行了如下步驟的評價：

1.選擇被試對象

選定湖北省某中學(xué)八年級兩個班級的學(xué)生為研究對象，為了盡可能的排除學(xué)生能力水平差異對評價結(jié)果的影響，特意選擇了認知水平相當(dāng)?shù)膬蓚€平行班作為調(diào)研群體，使教學(xué)實驗的誤差降到最低。A班55人，作為控制組實施戶外傳統(tǒng)地理教學(xué)活動；B班54人，作為實驗組使用筆者設(shè)計的GeoOutSys戶外地理教學(xué)系統(tǒng)開展教學(xué)活動。

2.實驗過程

為了考察教學(xué)前后兩個班級學(xué)生對于武漢東湖風(fēng)景區(qū)自然人文景觀知識的認知程度，筆者共進行了兩次測驗，分別為前測驗和后測驗。前測驗用于考察學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)內(nèi)容掌握能力的初始狀態(tài)，后測驗在前測驗的基礎(chǔ)上，考察兩個班級經(jīng)過不同教學(xué)方式之后的狀態(tài)。測試題目的內(nèi)容由3位地理教師共同制定，前測和后測均包含30道題目，涉及的知識點如下：辨識四方位和八方位、說出兩地的相對方位、列出東湖比較著名的景點并加以說明，辨識東湖不同的植被類型、繪制東湖周邊地形圖，設(shè)計東湖出游方案等，每個知識點平均考察五道題目，確保能真實的反應(yīng)學(xué)生的實際水平。

3.實驗結(jié)果

為了探討不同教學(xué)方式對于地理學(xué)習(xí)成效的影響，分析A班與B班的學(xué)習(xí)成效。以教學(xué)方式為自變量，測驗后測成績?yōu)橐蜃兞浚皽y成績?yōu)楣沧兞浚M行獨立樣本單因子共變量分析[8]。其中，統(tǒng)計的前測成績與后測成績的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。經(jīng)同質(zhì)性測驗后，以α=0.05為顯著水準(zhǔn)進行共變量分析，結(jié)果如表3所示，其中包括后測成績的組間平方和SSB、組內(nèi)平方和SSW、組間自由度df、組內(nèi)自由度df、組間調(diào)整均方MSB、組內(nèi)調(diào)整均方MSW、以及標(biāo)準(zhǔn)F值。

表2 不同教學(xué)方法前后測成績統(tǒng)計表

表3 后測共變量分析表

由表3得知，排除共變量（前測成績）對因變量（后測成績）的影響力后，自變量（教學(xué)方式）對因變量的實驗處理效果顯著，F(xiàn)值為13.402（p〈0.05），表示不同教學(xué)方式間有顯著差異，以事后比較分析兩種教學(xué)方法的學(xué)習(xí)成效。由多重事后比較表（如表4所示）及各組調(diào)整后平均數(shù)（如表5所示），得知：

實驗班B班（M=82.208）的學(xué)習(xí)成效明顯優(yōu)于對照班A班（M=72.546）。

表4 各組地理學(xué)習(xí)成效后測事后比較表

表5 各組成績調(diào)整后平均數(shù)

4.討論分析

由實驗結(jié)果可知，接受不同教學(xué)方式的學(xué)生在地理學(xué)習(xí)成就上有著較大的差異。采用GeoOutSys戶外地理教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)者其學(xué)習(xí)成效明顯優(yōu)于傳統(tǒng)戶外地理教學(xué)。探究其原因為移動GIS戶外地理教學(xué)系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者構(gòu)建了一個開放、生動、自主探究合作的學(xué)習(xí)平臺，并提供了多渠道獲取知識的機會，增強了與場景的互動性，學(xué)習(xí)者也可以根據(jù)需要自己調(diào)整學(xué)習(xí)的進度。真實的學(xué)習(xí)情境，合適的教材內(nèi)容，多媒體信息呈現(xiàn)方式，基于問題解決的學(xué)習(xí)活動設(shè)計，以及及時的反饋練習(xí)，搭配移動學(xué)習(xí)輔助工具的幫助，因此更能提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成效。而傳統(tǒng)戶外教學(xué)方式，是由教師所引導(dǎo)，教學(xué)活動大多是“觀賞式”“趕羊式”或者“參觀旅行式”的，教師負責(zé)講解，同學(xué)們只能“聽和記”，最多不過再進行一些討論，采集些標(biāo)本，同學(xué)們參加過考察活動后，并沒有真正具備獨立進行戶外地理工作的基本能力。同時在開放式的空間中，較難控制學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，且學(xué)生易受外在因素的影響而失去專注力。

所以，本研究發(fā)現(xiàn)，通過移動GIS戶外地理教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者更能專注于學(xué)習(xí)活動中，加深學(xué)生學(xué)習(xí)的責(zé)任心，并把所學(xué)知識遷移到生活中，做到隨時隨地與生活的結(jié)合，養(yǎng)成學(xué)、思、行結(jié)合的習(xí)慣，消除傳統(tǒng)戶外教學(xué)的缺點。

五、結(jié)語

將移動GIS融入戶外地理教學(xué)有助于提高中學(xué)生學(xué)習(xí)地理的意愿與興趣，本文基于Android平臺的Web地圖服務(wù)設(shè)計并實現(xiàn)一個移動GIS輔助戶外地理探究教學(xué)系統(tǒng)，具有顯著的地理特色，利于學(xué)生建立地理空間概念，培養(yǎng)地理思維。基于問題解決的教學(xué)活動方案設(shè)計，并結(jié)合智能手機的電子地圖及定位等服務(wù)，可以有步驟的引導(dǎo)學(xué)生解決老師設(shè)定的問題，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力。最后通過單因子共變量分析，對系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用效果進行評估，分析表明，基于移動GIS的戶外地理探究教學(xué)系統(tǒng)能在一定程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

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