新媒體語境下地理信息科學專業學生的空間思維培養

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(1. 武漢大學資源與環境科學學院,湖北 武漢 430079; 2. 地理信息系統教育部重點實驗室(武漢大學),湖北 武漢 430079)

近年來互聯網、移動通信和計算機架構的技術革新催生了傳統媒體與數字媒介交融互滲[1]，出現了以電腦、手機、數字電視等為終端，具有數字性、交互性、超文本性、虛擬性和網絡化信息傳播特征[2]的新媒體。新媒體一方面互動、及時地向全民傳播不同時空、不同領域的熱點地理事件及豐富的專業資訊，成為地理信息科學專業學生快速增長知識與信息體量、迅速掌握專業方法技能的動態學習工具；另一方面，其視頻、語音、地圖和文本等組合的數字媒體為地理信息的數據視覺化提供了多元化的創新方法。然而，新媒體在推進地理信息科學發展的同時，也催生了一種資訊瀏覽形式的“快餐式”學習模式，其片段化的媒體數據致使學生獲取的知識或信息碎片化、缺乏系統性，給地理信息科學專業的本科人才培養帶來新的挑戰。為此，本文將借鑒空間思維在藝術設計[3]、廣告設計[4]、音樂表達[5]、機械制圖[6]、工程制圖[7]、計算機制圖[8]、建筑設計[9]、園林藝術[10]、醫學訓練[11]、小說文學[12]、人格培養[13]、數學[14]和歷史[15]等諸多方向的教學研究經驗，設計針對地理空間思維能力培養的教學內容，為專業學生系統化地學習、挖掘和利用新媒體所蘊含海量地理信息及前沿科學資訊指明方法思路。

1 空間思維能力與人才素質培養挑戰

空間思維能力即空間素養(spatial literacy)是對空間事物具體表象觀察、思考、抽象的能力[16]。其在美國、芬蘭及中國等國家的地理課程標準中被普遍關注和強調[17-19]。空間思維在日常生活中的需求無處不在，在當今信息經濟中發揮著越來越重要的作用[20]。美國心理學家將計算能力、語言能力與空間能力(包括空間定位能力，空間信息的收集、加工處理、儲存和提取能力，空間思維能力)并列成為現代教育應當賦予人的“三大基本能力”[21]。賓夕法尼亞州大學的地理學教授羅格·道斯曾說：“如沒能明確重視空間思維，我們將擔負不起肩上的責任——即培養21世紀會學習懂生活的年輕一代。”空間思維能力作為新世紀人才的基本素質已成為國內外教育界的重要共識。

作為一種認知與挖掘世界上事物N維復合特征[22]的系統思維模式，空間思維在探索發現、科學研究和知識學習等多方面都起到了積極、關鍵的作用。英國醫生約翰·斯諾通過地圖標注倫敦霍亂死亡案例發現飲用水源污染的傳播途徑[23]的經典事例，充分顯示了空間思維在幫助科學研究發現事物現象模式、探索因果規律方面強大的生命力。法國化學家路易斯·巴斯德展示腐敗物質中細菌來自于空氣的著名滅菌實驗原理示意圖，表明了空間思維在科學教育中可用來展現復雜思路和傳達關鍵信息[24]。Thomas Niedomysl等使用二維和三維地圖進行制圖課程教學的對比試驗[25]、Jongwon Lee等關于男性和女性學生的GIS學習對比測試[26]和杜清運等在電子地圖設計課程中引入的多媒體情境教學法[27]等研究則證明了空間思維訓練有助于提高教學效果和學生的學習能力。

地理信息科學的基本研究對象具有地理定位、三維形態、多維屬性和復雜關系的系統特征，決定了空間思維是地理認知、空間信息抽象、數據可視表達等地理研究的基本思維框架。然而，目前國內多數大學相關本科專業設置了GIS設計與應用、空間數據庫、GIS算法和模型等技術類課程。這些課程可將普通本科生培養成精通GIS軟件應用及二次開發的專業人才，但缺乏對地理學、地圖學、空間統計等基礎理論拓展應用的空間思維教學訓練，學生在理解地理現象形成機理，深度挖掘、分析與科學表達地理信息等方面存在局限，極大影響了知識體系在廣度和深度上的進一步融合[28-30]。

當前新媒體與學科交融發展的趨勢背景下，如何有效地將新媒體離散事件中蘊含的地理信息、關聯數據等有機組織形成系統化的專業知識，如何利用新媒體準確有效地表達各種地理事件、系統地傳遞事件本身及有用關聯信息，成為新媒體時代地理信息科學完善專業教學內容、培養學生空間思維的新驅動。

2 地理空間思維能力培養的教學設計

地理信息科學的空間思維具有一般空間思維特性，但側重于針對地理信息數據獲取、處理、存儲、提取、管理、分析和表達[31-32]，強調基于空間視角對地理事物的空間分布、尺度格局、地域聯系思考。結合地理信息科學研究對象的空間特性及新媒體承載的地理大數據特征，本節按照認知推理的遞進規律要求，設計了包括地理空間體驗模擬、空間信息地圖繪讀、隱喻信息語義認知和地理系統綜合分析等4方面的空間思維能力培養教學內容。

2.1 地理空間的感知模擬訓練

空間知覺、心理旋轉和空間想象是影響空間思維能力的3種主要因素[33]。空間思維是建立在空間想象基礎之上，而空間知覺、心理旋轉所得的感性經驗和表象記憶是人們進行空間想象的基礎。地理空間思維就是將人類感官獲取的具體空間表象綜合加工形成空間知覺，最后通過空間想象完成對空間事物認知的思維過程。地理空間的體驗模擬通過對學生空間知覺、心理旋轉和空間想象能力的訓練，加強學生關于地理信息相關表象的存儲記憶，為形成空間想象的瞬時判斷和創新加工能力奠定基礎。訓練內容設計如下：

(2) 數字地球的模擬體驗：應用NASA World Wind、Earth 3D等三維數字地球工具，引導學生從外太空對比火星、水星、月球等觀察地球的表面形態；結合地球儀鳥瞰觀察南北兩極與經緯網、地球陸地與海洋、森林與荒漠等；通過縮放工具展示從地球橢球、大洲和大洋、國家、省區、市縣、城鎮到地塊等不同尺度下、不同精度的地理信息特征，建立多層次坐標體系的空間關系認知。數字地球的模擬體驗從感性上幫助學生在腦海中加強由“地理現象”到“視覺表達”的映射，有助于實現空間定位的瞬時判斷。

(3) 虛擬場景模擬訓練：指導學生利用Google Earth 、Cities Skylines、SimCity和Mine craft等軟件，綜合加工感官獲取的現實具體空間表象，模擬構建空間規劃、空間布局、建筑建造等情景需求的虛擬場景。

將“虛擬”與“現實”結合的地理空間體驗模擬訓練，使得地理事物和現象能更有效地刺激大腦皮層記憶，強化想象區的構思能力，提高學生對新媒體所蘊含地理空間信息的空間認知能力。

2.2 空間信息的地圖繪讀訓練

空間思維是數據視覺化的基礎。地圖設計與編繪(“繪”)是應用空間思維將現實世界向地圖符號系統映射的綜合過程，而地圖判讀與解譯(“讀”)則是地圖設計與編繪的逆向過程。地圖信息的“繪讀”訓練是通過理清空間數據、空間關系與視覺表達之間的聯系，來幫助學生提高綜合空間思維能力的經典訓練方法。訓練內容設計如下：

(1) 指導學習地圖坐標與地理坐標、邏輯坐標的數學度量與相互轉換關系，進行地理實體的地圖空間定位、地理坐標的快速解譯方法訓練，提高學生的空間定位與抽象思維能力。

(2) 指導學生學習不同專題類型、不同比例尺要求的點、線、面及復合地物的地圖語言及符號化表現方法，進行空間形象思維和抽象思維能力的訓練。

(3) 指導學生學習個體符號法、線狀符號法、運動符號法、范圍法、質底法、量底法、等值線法、點值法、網格法、定點統計圖表法、分區統計圖表法和分區分級統計圖法等專題地圖的表現方法；進行地理信息的空間結構、空間比較、空間聯系及空間綜合視覺化的應用訓練；從地圖繪制的角度感知視覺化效果并認知方法的適用性；從信息逆向提取的角度通過分析地圖要素的顏色、大小、形態等信息判讀與解譯符號所表達的專題信息。

（3）2014年9月，國務院發布《關于深化考試招生制度改革的實施意見》，在高考綜合改革試點省市進行考試科目設置改革，高考數學考試將不分文理科，所有考生使用相同的試卷．隨著這項政策的落實，越來越多的省份將不分文理科，今后的高考數學命題將更加統一化、科學化．研究發現，高考數學全國I卷文理科試題越來越趨向于統一化．為了進一步落實新高考政策，積極推進由文理分科命題轉向統一命題的教學轉變，一線數學教師要及時更新知識體系，調整數學教學方法，適應教育新時代背景下的數學教學工作．

(4) 指導學習傳統地圖制圖與圖數一體化GIS制圖兩種模式下地圖要素與地理信息數據的映射關系，培養學生“由信息數據正確想象圖形語言及符號”的空間想象思維和地圖編繪能力，“由圖形語言及符號抽取數據”的空間信息解譯能力。

(5) 通過百度地圖、高德地圖等電子地圖的日常使用，輔以傳統紙質地圖、已出版地圖集的閱讀與理解，提高學生的讀圖能力。

地圖是新媒體空間信息重要的視覺化載體和傳遞通道。地圖信息的“繪讀”訓練既對新媒體所需的地圖視覺化方法進行了全面梳理，又對學習、挖掘新媒體中蘊含的地理信息資訊及學科知識的信息解譯方法進行了系統化凝練，是新媒體中地圖信息挖掘技能訓練的重要途徑。

2.3 隱喻信息的語義認知訓練

在泛在網絡實現信息異構集成和多維立體視覺化等技術支撐下，作為“互聯網+”終端之一的新媒體(網站、網頁、微信、微博等)成為“地理位置+行業資訊”交叉融合大數據的重要傳播源。新媒體語境下，學科概念交叉、用戶自創內容(UGC)等使得地理事物及地理現象的語言表達方式日漸多樣化。從具有5V特點(volume、velocity、variety、value、veracity)的大數據中提取有用信息和專業知識，需要從認知語言學角度對學生進行隱喻信息的語義認知訓練。訓練內容設計如下：

(1) 認知語言學的理論學習：指導學生掌握萊考夫和約翰遜等關于認知的概念隱喻理論和意象圖式理論，實例講解方位(空間)隱喻、本體隱喻和結構隱喻與地理信息認知的關系，引導學生了解容器、路徑、連接、力量、運動、平衡、對稱、上下、前后、部分-整體、中央-邊緣和線性等基本意象圖式，掌握對地理信息科學中地理事物、現象(原始域)概念及多重映射認知進行分析的復合意象圖式。

(2) 數據的可視化隱喻理解：引導學生發揮空間想象，理解概念、數據的語義相關性、層次性、因果聯系和過程序列等特征，將數據與自然界真實物體結合，實現對非空間語義信息集合形象、直觀的空間隱喻表達；掌握語義關系的拓撲圖形化表達方法，如用樹隱喻表達分類、河流隱喻表達演化、摩天輪隱喻表達不同時間尺度上信息特征、三維可視化地圖隱喻表現專利技術的分支、領域和申請數量[34]等，針對信息的拓撲空間及邏輯關系進行快速判讀訓練，以提高學生對數據的空間推理思維能力。

(3) 文本挖掘方法技術學習：文本挖掘主要著力于從非結構化或半結構化的文本中抽取有用的知識，是從微博等新媒體的海量文本中抽取或挖掘隱含信息和知識的重要方法和途徑[35]。需要指導學生學習了解信息抽取、信息檢索、自然語言處理和數據挖掘等文本挖掘相關的認知原理、方法模型和常用工具軟件。

2.4 地理系統的綜合分析訓練

致力于政府空間治理決策及社會各領域空間分析的應用需求，發揮互聯網在社會資源配置中的優化和集成作用，地理信息科學不僅要研究地理事物、現象的位置和范圍、空間分布、空間結構和空間差異，還需基于人類活動與地理環境的作用機理揭示其運動與變化規律。地表上各地理要素有機聯系、相互作用而形成的地理空間或環境空間是一切物質、能量、信息的數量及行為在地理范疇中的廣延性存在形式[36]。科學揭示、認知地理事物或現象反映的自然、社會及經濟領域的空間規律，需要培養學生的空間系統思維能力，從系統結構及屬性關系、空間關系和時變特征[37]等維度進行地理系統認知挖掘的綜合訓練。主要訓練內容包括：

(1) 系統結構的認知與剖析：系統結構的認知分析實際上是對一個復雜地理系統或多個簡單地理事物群體進行認知的過程。需要指導學生學習系統科學理論與分析方法，從時間、空間及系統關系等多維、復合角度界定研究對象的系統邊界，理清系統中個體、群體、整體(封閉系統)、系統(開放系統)的層次結構與關系，全面提高學生綜合分析地理事物與現象的系統思維能力。

(2) 屬性關系的認知與挖掘：地理系統中的任何事物都不是孤立存在的，系統內部各組成部分互相聯系，如各類自然災害(地震、臺風、洪澇等)、人為災害(水土流失、土地荒漠化等)都是多方面因素共同作用的結果，并且各個因素之間具有極其復雜的關系。屬性關系的認知與挖掘訓練需要設計不同層次、不同情境的地理系統，指導學生應用系統動力學原理和分析方法，對地理事物與現象的復雜系統關系進行剖析和模型構建，加強學生系統空間結構、空間聯系思維能力的提升。

(3) 空間關系的認知與分析：地理學第一定律指出，任何事物都相關，只是相近的事物關聯更緊密[38]。地理事物或屬性在空間分布上存在集聚(clustering)、隨機(random)、規則(Regularity)等分布，而空間相關性與屬性關系結合緊密，往往是屬性相關性的空間表征。全面認知地理事物、現象的產生、發展原因，需要指導學生理解地理事物系統內部實體的拓撲、順序、度量空間關系[39]和各實體間的空間連通性、鄰近相似性、空間異質性，以及延伸分析與其他地理事物或非地理要素之間(如血吸蟲病與水系)的系統聯系性和空間相關性。

(4) 時變特征的認知與挖掘：地理要素在地理空間中的系統位置、屬性關系和空間關系隨時間發展而變化。認知地理信息的時變特征，需要指導學生掌握地理學經典的時空理論，學習利用時間軸透視、觀測地理系統的層次結構、屬性關系、空間關系中相關指標的變化；剖析、重用歷史地理學表現時間脈絡的視覺化方法和地圖作品，學習掌握時間序列數據的統計學分析方法和空間挖掘分析方法。

3 新媒體語境下地理空間思維的應用

地理空間思維是對新媒體傳播熱點進行問題感知、信息挖掘與地理分析的能力基石。國外教育界很早就在科學和社會等課程研究訓練中，利用媒體熱點分析來培養學生的地理感知、挖掘與分析能力。美國教師鼓勵學生在閱讀學術和專業期刊，瀏覽與GIS相關的博客、Facebook頁面及類似Directions Magazine、GIS User、GIS Cafe等具有價值的新聞網站時，關注當地、區域、國家及國際上的新聞事件，積累相關的地理數據為問題分析與決策提供支持，如：分析預算減少情景下關閉學校的決策、基于地形的山區丘陵地帶野火緩解措施分析、科羅拉多州松甲蟲(pine beetle)侵擾解決及城市綠道(greenways)設計等問題[40]。

按照《國家地理信息產業發展規劃(2014-2020年)》部署，全國各地以“互聯網+地理信息”為創新服務模式，逐步建設成了時空大數據云中心、地理信息公共服務云平臺等基礎設施，為“互聯網+行業”提供持續、統一、標準的地理信息支撐服務。較傳統媒體而言，新媒體蘊含的地理信息數據量更大、覆蓋面更寬。提升“互聯網+地理信息”創新力和生產力需要基于地理空間思維，深度開發、挖掘新媒體的信息共享服務功能。地理空間思維在新媒體信息深度挖掘方向上的應用可體現在以下5個方面：

(1) 信息感知與整理角度：基于時間、空間及要素關系等多維度構建地理空間認知框架，實現新媒體中相關的地理信息、行業專題數據和專業科學知識的系統整理、綜合與轉化。

(2) 隱含信息挖掘角度：地理信息與網絡挖掘、位置信息挖掘、文本數據挖掘、關聯規則挖掘及神經網絡等人工智能方法[41]的深度結合，可對新媒體中的隱含信息進行探測與顯化，對離散信息進行整理與序化，對雜亂信息進行規范與類化。

(3) 信息表達視覺化角度：空間信息的地圖繪讀訓練及隱喻信息的語義認知訓練將有助于從新媒體數據中進行地理信息判讀、解譯、挖掘，同時新媒體中無論是地理信息還是行業信息的多元視覺化方法，都有助于學生對地圖學、統計學等領域數據的傳統可視化方法進行豐富、完善與創新。

(4) 行業服務支撐角度：地理系統的綜合認知將有助于進行不同層次、不同行業、不同應用的信息共享平臺建立、地理數據資源整合、空間信息動態展示、地理信息查詢、統計分析等需求分析，實現“互聯網+地理信息”相關服務支撐體系框架的敏捷構建，有助于對自然災害(如臺風、地震等)、網絡輿情等熱點事件的捕捉分析和決策響應。

(5) 空間治理決策角度：當前我國的生態文明建設及“一帶一路”“京津冀協同發展”和“長江經濟帶”等國家戰略發展面臨著空間自主性與治理主導性、空間流動性與治理地域性、空間異質化與治理同質化等諸多矛盾，需要挖掘區域的地理國情[42]、掌握社會階層輿情、匯聚各部門各行業諫言，從空間角度探索政府的發展規劃與治理決策[43]。這也是地理信息科學專業為治理主體培養具備空間意識和空間思維的高端人才的最終目標需求。

4 結 語

空間思維能力在地理信息科學專業課程學習及地理信息科學研究中扮演著重要的作用。“互聯網+”背景下的新媒體發展對地理信息科學與新媒體融合及專業學生的空間思維能力提出了更高要求[44]。本文針對當前地理信息科學專業教學在空間思維能力培養方面的不足，設計的教學訓練內容系統化拓展了抽象地理事物分布規律、探究地理現象動因機制的思考視角與分析方法，有利于地理信息科學研究對新媒體信息的深度挖掘應用、完善專業科學知識體系、提高學生的地理空間思維素養，是地理信息科學專業本科教學的新的、有益的研究探索。