基于GIS對中學生地理空間素養培養的探討

林娜 林先成

摘要：本文從地理空間素養的內涵出發，結合GIS的教育功能，分別從構建空間概念、發展空間形象思維和綜合思維三方面探討如何運用GIS技術培育學生地理空間素養。

關鍵詞：GIS；地理空間；地理空間素養

一、地理空間素養

空間分為一般空間和地理空間、具體空間和抽象空間、絕對空間和相對空間、客觀空間和主觀空間等4組類型，地理空間是地理學的核心概念，是地理學的一個重要標志，是一切地理事件、地理現象和地理過程存在、發生和變化的空間基礎，空間中不同的地理事象決定了地理空間的不同類型，地理空間雖然也可以用維數來衡量，但更強調地理事物的位置和事物之間的距離關系。地理空間素養既是地理素養也是空間素養的重要組成部分。判斷一個人是否具備了地理空間素養最重要的是看其是否具備地理空間思維，能否從地理空間的視角去看待問題和分析問題。地理空間思維是對地理事象進行觀察、分析、比較、概括、抽象，從而在頭腦中創造性地形成它們的空間形象，進行空間定位、空間分布狀態和結構、空間相互作用和空間綜合分析和比較的心理過程，其中地理空間概念的構建是地理空間思維形成的基礎；學生首先要在頭腦中構建出空間概念才能據此進行去發現問題、解決問題；其次是地理空間形象思維、地理空間綜合思維，本文擬從這三個方面探討GIS技術對中學生地理空間素養的培養。

二、GIS教育功能對中學生地理空間素養的培養

1.基于GIS軟件操作培養地理空間素養

GIS軟件操作主要是利用GIS軟件的基本功能對主題地圖進行操作，包括對地圖的無極縮放和漫游，空間查詢、空間定位和空間分析等直觀顯示地理信息，地理事象的空間分布、要素間的空間分布關系和因果聯系。基于GIS軟件操作對中學生空間素養的培養主要體現是：①地圖顯示操作。直接利用GIS圖層顯示的地圖進行輔助教學，操作簡單快捷，易上手，初期應用廣泛，如通過展示一幅能無極縮放和信息查詢的電子地圖或是一幅三維地形模型，都能使學生對現實世界空間關系的認識更具體。②地理位置空間分析。利用GIS查詢功能，在地圖中顯示查詢目標，進行直觀教學，主要有定點、線路、范圍等查詢。如范圍查詢即查詢某一特定地點一定范圍內的對象，查詢某一商場服務范圍內的人口分布等。③緩沖區分析。緩沖區是指與某一個點、線、面有一定距離的空間范圍，在教學中多用于講授某一事物的屬性影響分布范圍，如經濟區輻射范圍、污染源范圍、集水區范圍等。

2.基于GIS數據輸出培養地理空間素養

GIS數據輸出主要包括利用GIS軟件制作專題地圖和利用GIS自帶或輸出地圖文檔在其它軟件中應用。根據GIS輸出數據類型不同，在教學中有兩種引入方式：①運用GIS軟件制作專題地圖。GIS本身帶有地圖屬性數據，其它光盤或軟件提供的矢量文件都可以作為制作專題地圖所需材料，可設計一些地形圖、行政區劃圖、旅游規劃圖、交通圖等；直觀性是地理科學和地理教學所具有的重要特征之一，教學中教師要引導學生用好地圖冊和其它含有大量地理信息的材料，而其中很大一部分就是專題地圖，同時GIS制作的專題地圖能根據用戶需要，靈活改變顯示形式，添加圖例、比例尺、圖注、圖標等地圖要素，表現形式豐富多樣，完全可以滿足不同學生的學習需求。②應用地圖文檔。利用GIS軟件輸出的專題地圖或地圖圖檔，在其它教學軟件制作中應用，導出的文件格式包括柵格形式和矢量形式，可以在Powerpoint、flash、word等軟件中使用。

3.基于3D GIS和 VR GIS培養地理空間素養

3D GIS即三維地理信息系統，對地理空間信息進行三維顯示和三維空間分析和操作；三維GIS相對于二維GIS更能真實地表達現實世界，將抽象難懂的空間信息可視化、直觀化，增強地理教學的直觀性，不僅能表達空間對象的平面關系，描述空間對象的垂向關系，還能對它們進行三維空間的分析和操作，讓人們能憑借自己的經驗理解空間事物并作出準確判斷，如直觀地看山脈的走向和溝谷；VR GIS即虛擬地理信息系統，通過GIS演示地理過程的動態演變，讓學生獲得形象化認識；自然界中的很多地理過程是難以看到的，但虛擬地理信息系統能為學生提供虛擬的環境模擬其過程。

4.基于Web GIS培養地理空間素養

Web GIS即網絡地理信息系統，具有獨立的客戶端運行平臺，客戶訪問范圍廣且操作難度低，主要進行空間數據的發布、空間查詢與檢索、空間模型服務等。WebGIS與地理教學相結合形成的WebGIS輔助地理教學（網絡地理教學）將成為今后地理教學發展的一個重要趨勢。將Web GIS用于教學有以下優勢：具備豐富的學習資料庫；更新教學內容方便，教師可以根據學生不同需求開展有實際價值的教學；具備圖形化的超媒體信息系統，豐富GIS內容和表現力，使課堂教學活動生動活潑；鍛煉學生的動手能力和獨立解決問題的能力；為學生提供互動的學習環境，讓學生能進行多角度思考和空間思維及空間分析。

三、基于GIS技術對中學生地理空間素養的培養策略

1.發展地理形象思維

空間概念是形成空間思維的基礎，地理形象思維要求學生具有空間想象能力，學生要在沒有客觀實體的基礎上也能夠在頭腦中創造性地構建出地理事物的表象，才能說明他們已經構建起地理空間概念。例如，區域地理學習中，知道各地區經濟協調發展是保證國民經濟持續穩定增長的關鍵，GDP是反映各地區經濟發展狀況的重要指標。科學準確分析各地區GDP的空間分布特征，對制定有效措施了解經濟協調發展有重要意義，但GDP是抽象的地理信息數據，應通過GIS制圖功能，制作“GDP區域分布圖”，直觀展示GDP分布狀況，學生在自己動手操作過程中也可掌握收集地理信息、分析地理數據、最終獲得專題地圖的能力，如圖1所示。

2.發展地理空間抽象思維

地理空間抽象思維，不僅要求能夠依據地理概念構建地理事象的表象，還能夠想象出地理事象的發展變化過程。運用GIS的三維模擬和虛擬現實功能，能將抽象的地理事象和地理過程直觀化、立體化和動態化，能夠在各維度空間中對圖形進行轉換，發展其空間抽象思維。運用GIS對地圖的制作和直觀展示，由近及遠、逐步深入，建立地理事象間空間聯系。例如，沿著某條旅游線路，看沿途會經過哪些地形區，自然景觀和人文景觀會有怎樣變化，思考為什么會有這樣的變化。

運用GIS的地圖疊加，獲取空間信息和特征，如將中國地形圖和河流密度分布圖疊加，觀察分析兩者之間關系。例如，“等高線地形圖的判讀”一直是學習難點，利用GIS三維可視化功能，可在三維場景ArcSence中將平面的等高線三維立體化，呈現出真實的山體地貌，讓學生能直觀看到山谷、山峰、山脊、洼地、鞍部、陡崖等地貌特征，在頭腦中構建地理事物的形象。

3.發展地理空間綜合思維

地理空間綜合思維要求在解決地理問題時具有整體意識，須考慮諸地理要素的相互影響。地理學具有兩大顯著特征即綜合性和區域性，地理環境是由大氣圈、生物圈、巖石圈、水圈等構成，各個地理要素之間存在著內在聯系，他們相互聯系相互制約構成一個整體，其中一個要素的變化會影響到其它要素的變化。中學地理教材中涉及到地理環境的整體性和差異性就體現了地理環境的這兩大特征。GIS可為師生創造開放式和交互式的學習環境，提供分析解決地理問題的主要工具，促使學生在教師指導下，能自主運用地理數據去分析問題和解決問題，利于學生自主學習能力和綜合空間思維能力的提高。例如，設計一個“市區住房區位的選擇”，提供給學生“市區交通網絡圖”、“商業中心分布圖”、“重點高中分布圖”以及“名勝古跡分布圖”，讓學生思考影響住房選擇的因素有哪些，對照給出的圖形數據分析具體影響條件：為減少噪音污染，住宅應分布在離交通要道200米外；為生活方便，住宅應布置在商業中心服務范圍之內；為方便學生上學，房宅應在距離重點高中750米之內；為環境優雅，住宅應選在距離名勝古跡500米范圍內。最后學生在教師指導下，對這四個圖層進行疊加求和顯示，可以清楚看到滿足條件的住宅區分布范圍。這樣的教學過程，學生動手參與、動腦思考，不僅對區位影響因素更明確，掌握區位選擇的分析方法，也學會如何從收集信息到分析地理問題并最終解決地理問題，有利于培養空間綜合思維能力。