數字地球在自然地理教學中的應用實踐與探討

朱長明

摘 要：針對自然地理教學過程中與球體相關的很多抽象概念不好表達與呈現，要求學生有很強的空間想象能力和對課堂知識點的難以接受問題。提出了數字地球支持下的地理教學應用實踐探討研究。介紹了數字地球的由來和功能，指出了通過數字地球注重學生地理技能培養，有利于幫助學生構建心中三維球體，最后以晨昏線和地方時等具體內容為案例，在數字地球上實現光照圖的真實呈現與動態演示，說明如何在課堂教學實踐中，為學生營造地理教學研究過程仿真情境，加深學生對球體上抽象概念的認識和理解，提高整體課堂教學效果。

關鍵詞：地理教學 虛擬地球 教學模式 晨昏線

中圖分類號：G642；P90-4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0118-02

在自然地理實踐教學中發現，有很多和球體有關的抽象概念，單靠教師的講解，學生一下子難以理解和接受。尤其是三維球體加上地球運動這一部分內容一直是教學過程中難點，最大的難處不是教師難教，而是學生必須要有很強的空間思維想象能力才能達到對抽象知識點的理解。隨著科技的進步，空間信息技術取得了飛速發展，數字地球走進了千家萬戶，改變了我們傳統的生活和出行方式，提高了我們對于客觀世界的認識水平。其中最具有代表性的就是由美國Google公司開發的一款數字地球軟件（Google Earth）[1]。實現了對真實地球及其相關現象統一的數字化重現和認識，最大限度地利用全球衛星遙感影像數據資源，完成對地球三維多分辨率表示，使普通百姓能夠方便地獲得他們所想了解的有關地球的信息。數字地球憑借其三維立體的地球模擬功能，表達了大量無法用語言直接傳遞的空間信息，幫助每位學生構建自己心中的地球和地圖，有效地提高教與學雙方的課堂興趣[2]。已經成為美國基礎地理教育中新興的信息技術工作，并發揮了積極的作用[3]，國內的中小學地理教學中也展開了積極探索[4-7]。

1 數字地球從構想到現實

數字地球最早是美國副總統戈爾于1998年1月在加利福尼亞科學中心的題為“數字地球：認識21世紀我們所居住的星球”演說時提出的。他將數字地球看成是對地球的三維多分辨率表示，能夠放入大量的地理數據——“我們需要一個‘數字地球，即一種可以嵌入海量地理數據的、多分辨率的和三維的地球的表示，可以在其上添加許多與我們所處的星球有關的數據”[8]。直到2004年，Google公司宣布收購了Keyhole公司，并于2005年推出了Google Earth軟件，提供在線地圖檢索服務[9]。Google Earth以三維地球的形式把大量的不同分辨率的衛星影像，航拍影像和3D街景圖像組織在一起。使用該軟件，使用戶可從一個全新的角度來觀看地球。通過鼠標控制可以看到世界各地不同類型的地物景觀，大到鳥瞰海陸山川地貌的分布，小到走進城市樹木三維街道都可以一覽無余，同時還提供了與地理相關的大量的信息，全球第一款商業數字地球模型的成功問世。

隨著Google earth的不斷升級，其功能越來越豐富，已經建立了從陸地到海洋，從地球到太空的空間信息結構，例如：Google Moon，Google Mar，內容涵蓋了天文、氣象、地質、水文、地貌、環境等地理知識。主要功能包括：（1）多視角瀏覽全球地理信息：結合衛星圖片與地圖，以及強大的Google搜索技術，多視角瀏覽全球地理信息；（2）強大的地點搜索功能：通過目的地輸入，直接放大；（3）顯示三維地形和建筑物：瀏覽視角支持傾斜或旋轉；（4）顯示經緯網（Grid）：本初子午線、南北回歸線、北南極圈都是以加粗加亮的方式突出顯示的；（5）定制飛行路線，模擬飛行場景，可以從一個地點飛往另一個地點；（6）瀏覽星空圖，觀看月相變化及各個星座；（7）搜索公共服務設施：學校，餐館，酒店等便民服務；（8）輔助功能：添加注釋、量距、兼容GPS、駕車導航等。這些功能在自然地理教學中均有重要的應用價值，有效地客服了地理教育中應用GIS軟件的弱點。

2 數字地球對地理教育的意義

美國《國家地理課程標準》明確提出了重點培養學生的五項技能，即：提出地理問題，收集地理信息，整理地理信息，分析地理信息和回答地理問題[10]。這五項技能涉及到了空間現象、空間數據、空間分析、空間信息和空間知識，確立了完整的地理空間教育基礎，強調的是學生動手能力和技能的培養。數字地球通過三維球體模型，采用并將本地搜索功能和衛星圖像綜合管理起來。用戶可以調整視角、隨意地翻轉這個球體，通過放大、縮小、漫游操作，學生從任意角度去觀察地球。可以是太空60000多公里的高度，也可以身臨其境的三維街景圖，從山脈河流到街道建筑物，這種無極縮放，真正實現了從太空漫游到鄰家一瞥。通過“飛越”到地球上任意地點，大大提高了學生的學習熱情，把很多難以描述的自然現象展現在學生的面前，建立地理空間概念，樹立地理思維，可全面培養學生的讀圖能力，空間想象能力，觀察與分析能力，形成地理核心技能。這些是數字地球在地理教育過程的獨特而普世的價值。

3 數字地球輔助構建三維球體

跟地球球體有關的概念之所以抽象和難以理解，究其根本原因是學生心中沒有這個三維球體，也不明白到底如何運動。所以球體加運動，一看到就類似的知識點就覺得難，不可理解。因此，通過改進地理教學，幫助學生構建心中的地球模型是解決這些問題的關鍵。數字地球為我們在地理教學中提供了巨大的便利，幫助學生建立心中球體模型的重要途徑。啟動Google Earth，添加經緯網，回歸線，北極圈，子午線等三位球體上抽象而虛擬的格網（見圖1），在三維數字球體上可以清楚地看到這些縱橫交錯的弧線。轉動球體，讓學生去觀察這些線條，并通過具體的案例進行啟發式教學，幫助每位學生構建自己心中的三維地球體（意象地圖）。

轉動虛擬地球，讓學生自己去觀看其轉動規律。打開Google Earth，將地球調整到合適的大小，并且將赤道置于中間位置，使Google Earth大致以地軸為中心轉動起來，用鍵盤上的方向鍵來控制轉動，其中右方向鍵控制地球自西向東轉動。引導學生觀察地球的自轉方向。對于經常遇到的問題俯視北極或者仰視南極地球的轉動問題，我們可以進一步調整地球觀看角度，將數字地球的北極或者南極調整為中心，然后通過Google Earth的左右方向控制按鈕，演示地球從北極或者南極上空觀察的自轉狀況。這個效果遠比去告訴學生，從北極看地球呈現順時針旋轉，從南極看地球呈現逆時針旋轉效果好得多。

4 應用案例分析

經常遇到的問題是，一架飛機從A地飛往B地，航程是X小時，請問到達B地的地方時間？很多學生難以理解。其實本質上這就是一個地方時問題。要徹底弄清楚這個問題，必須將地球自轉，晨昏線和地方時一起聯系起來思考。虛擬地球（Google earth）通過晨昏線的動態模擬，恰到好處地為學生展示了這一抽象的自然現象。打開Google earth，點擊工具欄中顯示陽光在地面的移動軌跡功能（圖2）。通過設置時間滑塊，可以顯示不同日期內不同時間點陽光在地面的移動軌跡，也就是可以看到晝半球、夜半球和晨昏線。拖動地球使之自轉，則可以看到同一時刻地球不同地區的晝夜狀況，增加學生對晝夜之分和晝夜交替的認識。同時，使用時間滑塊，設置向左自動播放，可以看到晨昏線自東向西移動（動態模擬）。

圖3顯示了12月22日晨昏線在地面的移動軌跡。圖3a為早晨北京時間6：52晨昏線的位置，圖3b北京時間7：52晨昏線的位置，圖3c北京時間8：52晨昏線的位置，圖3d北京時間9：52晨昏線的位置，圖3e北京時間10：52晨昏線的位置，圖3f北京時間11：52晨昏線的位置。通過這樣的一個動態過程演示，學生對晨昏線必然有了更加清楚的認識。

有了對晨昏線的清楚認識，理解地方時以及對地方時的推算，將有很大的幫助。地方時以太陽作為參照物確定，某地的太陽高度角達到一天中的最大值時，當地的地方時為12點，與12點相對的地方時為0點。將連續兩個正午12時之間等分為24個小時，所成的時間系統，稱為地方時。這樣，同一條經線上的地方時相同，不同經線的地方時不同，越往東時刻越早，即東早西晚，每隔15度，相差1 h。通過數字地球的光照系統，同樣可以將太陽上中天情形展現出來，讓學生有著更為直觀的認識。

5 結論

實踐教學模式創新是教師提高教學質量，激發學生學習興趣的重要途徑。數字地球最大的特點是基于位置服務（LBS：Locating Based Service），具有顯著的地理特色；它第一次將地球以三維球體形式真實地展現在用戶面前，帶給了人們對自己生活的地球空間更為感性的認識，有利于學生建立地理空間概念，培養地理思維。并可以將一些抽象的地理理論知識表達并呈現出來，帶給學生更多的視覺感知，在地理教學中具有重要的應用價值。文中僅僅以課堂教學中與球體相關的幾個抽象概念，在三維球體上的呈現與展示進行了簡單的探索研究。隨著Google Earth本身的進一步完善，數字地球將來必將成為輔助自然地理教學的一件利器，需要我們教師不斷地改進實踐教學模式，挖掘其在地理教學中的應用價值，整合地理教學，激發學生興趣，提高教學質量。

參考文獻

[1] Google Earth and XML：Advanced Visualization and Publishing of Geographic Information[M].er Berlin Heidelberg，2008（2）：143-153.

[2] 范文娟.身未動心已遠—— Google Earth在地理教學中大顯身手[J].地理教育，2008（1）.

[3] 韓金榮，袁孝亭.Google Earth在美國地理教育中的應用及啟示[J].中國電化教育，2009（3）：78-80.

[4] 胡久龍.信息技術環境下的地理教學改革實踐—— Google Earth在初中地理教學中的應用為例[J].教育導刊，2011（7）：79-81

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[9] 郭潔，銀屏，范超群.Google Earth在中學地理教學中的應用探討[J].教育改革，2012（1）：28-29

[10] 聶影，張超.美國地理國家標準—— 《生活化的地理學》評介[J].中學地理教學參考，2000（Z2）：7-8.