Google Earth在水文類(lèi)課程教學(xué)中的應(yīng)用

危潤(rùn)初 盛豐 諶宏偉 張貴金 彭向訓(xùn)

摘要：Goolge Earth是基于三維地形和遙感技術(shù)的地球模型，其具有三維顯示、多尺度視角、海量影像庫(kù)、歷史影像展示等特點(diǎn)。在水文類(lèi)課程教學(xué)中應(yīng)用Goolge Earth軟件輔助教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)地形地貌的三維演示、水文演化過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示、人類(lèi)活動(dòng)與水文環(huán)境效應(yīng)展示以及水文循環(huán)過(guò)程的直觀圖解等。這不僅能夠?qū)ⅰ耙巴猬F(xiàn)場(chǎng)”帶進(jìn)課堂，彌補(bǔ)野外實(shí)踐教學(xué)課時(shí)的不足，同時(shí)能夠借助Goolge Earth豐富的素材庫(kù)向?qū)W生展示各類(lèi)水文素材，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：Google Earth;水文;課程教學(xué);輔助應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2020）21-0290-03

水文類(lèi)課程包括“水文學(xué)原理”“地下水文學(xué)”“工程水文學(xué)”等相關(guān)課程，涉及水文與水資源工程、水利水電工程、土木工程等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。水文類(lèi)課程主要讓學(xué)生學(xué)習(xí)自然界中水體形成、分布、變化、運(yùn)動(dòng)以及水與環(huán)境要素相互作用的知識(shí)，主要內(nèi)容包括水文循環(huán)、水文地貌、水文測(cè)驗(yàn)、水文計(jì)算等，是理論與野外實(shí)踐高度結(jié)合的課程類(lèi)，該類(lèi)課程一般開(kāi)設(shè)于第二學(xué)年。雖然大部分專(zhuān)業(yè)學(xué)生都完成了專(zhuān)業(yè)認(rèn)知實(shí)習(xí)，但總體來(lái)說(shuō)大部分學(xué)生仍然缺乏對(duì)野外的直接認(rèn)知，給水文類(lèi)課程教學(xué)帶來(lái)了一定困難。Google Earth是目前世界上最成熟的三維地球仿真軟件。近5年來(lái)，筆者所在課程團(tuán)隊(duì)將Google Earth 軟件應(yīng)用于水文類(lèi)課程教學(xué)，將課堂教學(xué)內(nèi)容與野外實(shí)地場(chǎng)景無(wú)縫連接，給學(xué)生提供了與水文學(xué)相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，增加了學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)感，取得了很好的教學(xué)效果。

一、Google Earth 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

Google Earth最早由Keyhole公司開(kāi)發(fā)。2004年Google公司收購(gòu)Keyhole公司，并于2005年推出了Google Earth系列軟件[1]。Google Earth軟件將衛(wèi)星影像、航空影像、道路信息等數(shù)據(jù)集成，并融合地形數(shù)據(jù)，從而形成一個(gè)信息豐富的三維地球模型，用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端軟件，能夠全方位、立體瀏覽全球各地的地面影像[2-3]。Google Earth衛(wèi)星影像部分來(lái)自美國(guó)DigitalGlobe公司的QuickBird（快鳥(niǎo)）商業(yè)衛(wèi)星與EarthSat公司，航拍部分的來(lái)源有BlueSky公司、Sanborn公司、美國(guó)IKONOS及法國(guó)SPOT5。其中SPOT5可以提供解析度為2.5米的影像，IKONOS可提供1米左右的影像，而快鳥(niǎo)能夠提供最高為0.61米的高精度影像，是全球商用的最高水平[4]。

二、Google Earth在水文類(lèi)課程教學(xué)中分類(lèi)應(yīng)用

水文類(lèi)課程相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)水文類(lèi)課程之前，地學(xué)類(lèi)知識(shí)基礎(chǔ)不一，為此自2014年起本課程組引入Google Earth輔助教學(xué)。在講解水文類(lèi)課程的緒論部分時(shí)，我們就向?qū)W生展示Google Earth軟件，在課堂上演示使用，要求他們?cè)谧约弘娔X上安裝并完成相關(guān)作業(yè)，如“利用Google Earth軟件繪制家鄉(xiāng)主要河流水系圖”。通過(guò)積極引導(dǎo)，學(xué)生對(duì)Google Earth產(chǎn)生了濃厚興趣，在后續(xù)課程中Google Earth就成了教學(xué)的重要輔助工具。根據(jù)近五年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者將Google Earth在水文類(lèi)課程教學(xué)中的應(yīng)用歸納為4大類(lèi)，下面對(duì)各類(lèi)型進(jìn)行介紹并附以實(shí)例說(shuō)明。

（一）地形地貌的三維演示

水是大自然的“雕塑師”。在水文類(lèi)課程的教學(xué)過(guò)程中，不僅有直接涉及地形地貌的教學(xué)內(nèi)容，如“流域”“河流”“湖泊”等，同時(shí)在某些特殊水文過(guò)程的講解時(shí)，會(huì)涉及特定的地貌類(lèi)型，如“巖溶”“冰川”等。Google Earth是在NASA 生產(chǎn)的SRTM全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維建模，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行遙感圖像的三維顯示，效果逼真。通過(guò)Google Earth，可以調(diào)整視角高度從而獲得不同的觀察尺度，也可調(diào)整方向?yàn)閷W(xué)生提供全方位演示。

【示例】“地下水文學(xué)”第一章第四節(jié)：巖溶水

巖溶水是一種特殊的地下水類(lèi)型，如果沒(méi)有見(jiàn)過(guò)巖溶，很難真正理解巖溶水文過(guò)程機(jī)制。借助Google Earth引領(lǐng)學(xué)生深入巖溶區(qū)（圖1），切身感受巖溶地貌及其影響下的水文過(guò)程，增加其現(xiàn)場(chǎng)感，從而提高學(xué)習(xí)興趣和效果。

（二）水文循環(huán)過(guò)程的直觀圖解

水文循環(huán)是通過(guò)降水、蒸散發(fā)、下滲、地面徑流與地下徑流等環(huán)節(jié)進(jìn)行的水量和能量交換，這些過(guò)程對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)具有一定的抽象性，尤其是一些特殊的水循環(huán)現(xiàn)象，在缺少現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的情況下學(xué)生很難理解其內(nèi)在機(jī)制。利用Google Earth輔助教學(xué)能夠很好地解決這些問(wèn)題，它不僅能夠?yàn)閷W(xué)生提供全尺度的水循環(huán)圖景，讓學(xué)生能夠從宏觀上去理解各種水循環(huán)模式的內(nèi)在機(jī)理，而且能夠讓學(xué)生思考世界不同地區(qū)的水文情勢(shì)差異，培養(yǎng)其國(guó)際視野。

【示例】“地下水文學(xué)”第三章：地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄

在講解此章時(shí)，引入河西走廊這一具有歷史感的實(shí)例，為學(xué)生展示地下水的特殊魅力（圖2）。通過(guò)Google Earth演示，為學(xué)生形象地展示河西走廊典型的“雪山—河流—洪積扇—泉群—河流—地下水”循環(huán)模式。這不僅能夠讓學(xué)生深刻理解地下水補(bǔ)給、徑流及排泄，同時(shí)也讓學(xué)生對(duì)河西走廊水與人類(lèi)的關(guān)系有更深刻的思考。

（三）水文演化過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示

水文過(guò)程從本質(zhì)上說(shuō)，就是水在地球系統(tǒng)周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，深刻理解這種運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)學(xué)生全面把握水文機(jī)理具有重要作用。傳統(tǒng)的教學(xué)手段很難從宏觀上給學(xué)生直觀展示某條河流或流域宏觀上的時(shí)空變化，而Google Earth的“歷史影像”能夠提供不同時(shí)期的影像，這為水文類(lèi)課程教學(xué)提供了非常便利的條件。

【示例】“水文學(xué)原理”第十一章：河流泥沙

在講解此知識(shí)點(diǎn)時(shí)，借助Google Earth“歷史影像”功能，給學(xué)生展示典型河流不同時(shí)期影像（圖3），讓學(xué)生深刻理解河流泥沙與降雨的關(guān)系、河口三角洲與泥沙淤積關(guān)系等知識(shí)點(diǎn)，提高了教學(xué)效果。

（四）人類(lèi)活動(dòng)與水文環(huán)境效應(yīng)

水作為地球上最活躍的環(huán)境因子，持續(xù)影響人類(lèi)賴(lài)以生存的自然環(huán)境。理解水文過(guò)程與人類(lèi)社會(huì)的關(guān)系是水文類(lèi)課程的重要教學(xué)目的之一，是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用水文學(xué)理論去解決水災(zāi)害問(wèn)題能力的重要基礎(chǔ)。運(yùn)用Google Earth向?qū)W生展示各類(lèi)水文相關(guān)環(huán)境問(wèn)題，不僅能夠加深學(xué)生印象，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，同時(shí)也能夠引導(dǎo)學(xué)生從更宏觀的角度去思考水文相關(guān)環(huán)境問(wèn)題的發(fā)展及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境問(wèn)題發(fā)展的影響。

【示例】“水文學(xué)原理”第二章第三節(jié)：水量的平衡

在講解此知識(shí)點(diǎn)時(shí)，引入乍得湖實(shí)例（圖4），構(gòu)建湖泊水均衡方程，這不僅能夠加深學(xué)生對(duì)“水量的平衡”知識(shí)點(diǎn)的理解，體會(huì)人與自然之間的互饋關(guān)系，同時(shí)也能直接提高學(xué)生的國(guó)際化認(rèn)知，直面全人類(lèi)面臨的國(guó)際化問(wèn)題，思考作為國(guó)際公民一員的我們應(yīng)該承擔(dān)的國(guó)際責(zé)任。

圖4 乍得湖面積變化（1984-2018）

三、Google Earth在水文類(lèi)課程中輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)分析

Google Earth作為現(xiàn)代遙感技術(shù)、信息技術(shù)的綜合成果，其在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）提供高度仿真現(xiàn)場(chǎng)模擬，彌補(bǔ)野外實(shí)踐教學(xué)課時(shí)的不足。基于3D地形顯示與遙感技術(shù)的Google Earth本質(zhì)上為高度仿真的三維地球模型，能夠從不同尺度給學(xué)生展示特定的地理對(duì)象，使其有身臨其境的感覺(jué)，從而彌補(bǔ)野外實(shí)踐教學(xué)課時(shí)的不足;（2）Google Earth為水文類(lèi)課程的教學(xué)提供了豐富的素材庫(kù)。Google Earth的數(shù)據(jù)庫(kù)幾乎囊括了地球各個(gè)角落不同歷史時(shí)期的影像，這為水文類(lèi)課程的教學(xué)提供了非常豐富的素材庫(kù)。從水文類(lèi)課程的客觀需求來(lái)看，在教學(xué)過(guò)程中可以重點(diǎn)挖掘水文地貌、地質(zhì)土壤、地形、氣象、環(huán)境、土地利用等素材來(lái)支持課程教學(xué);（3）有效培養(yǎng)學(xué)生的宏觀思維和整體觀念，提高時(shí)空邏輯能力。水文學(xué)的學(xué)習(xí)需要有較強(qiáng)時(shí)空邏輯能力，能夠用系統(tǒng)的觀點(diǎn)去思考水文過(guò)程，而很多學(xué)生在這個(gè)方面的能力不足。運(yùn)用Google Earth引導(dǎo)學(xué)生分別從全球尺度、洲際尺度、流域尺度去探究水文循環(huán)過(guò)程及相關(guān)水文現(xiàn)象，能夠有效培養(yǎng)其宏觀思維和時(shí)空邏輯能力;（4）Google Earth的全球視角，有利于國(guó)際化視野的培養(yǎng)。近年來(lái)，中國(guó)企業(yè)積極落實(shí)國(guó)家“一帶一路”倡議，逐步加大國(guó)際化經(jīng)營(yíng)。這要求我國(guó)高校工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的國(guó)際化視野培養(yǎng)要有新的高度[5]。運(yùn)用Google Earth輔助水文類(lèi)課程教學(xué)，能夠從全球視角為學(xué)生講解水文學(xué)基礎(chǔ)理論，同時(shí)教學(xué)素材和案例也源自不同國(guó)家和地區(qū)，這就在無(wú)形中培養(yǎng)了學(xué)生的國(guó)際化視野。

四、結(jié)論與建議

Google Earth是高度仿真的地球模型，其具有三維顯示、多尺度視角、海量影像庫(kù)、歷史影像展示等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在水文類(lèi)課程教學(xué)中應(yīng)用Google Earth軟件輔助教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)地形地貌的三維演示、水文演化過(guò)程的動(dòng)態(tài)演示、人類(lèi)活動(dòng)與水文環(huán)境效應(yīng)展示以及水文循環(huán)過(guò)程的直觀圖解等，這不僅能夠在將“野外現(xiàn)場(chǎng)”帶進(jìn)課堂，彌補(bǔ)野外實(shí)踐教學(xué)課時(shí)的不足，同時(shí)能夠借助Google Earth豐富的素材庫(kù)向?qū)W生展示各類(lèi)水文素材，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。此外，在運(yùn)用Google Earth開(kāi)展教學(xué)的過(guò)程中，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的宏觀思維和整體觀念，提高時(shí)空邏輯能力，拓展其國(guó)際化視野。水文學(xué)是一門(mén)綜合性學(xué)科，其涉及地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)等多個(gè)學(xué)科，在運(yùn)用Google Earth輔助教學(xué)時(shí)，可以根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)置情況開(kāi)展課程聯(lián)動(dòng)，做到循序漸進(jìn)、層次分明。

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Abstract： Google Earth is a model of the earth based on three-dimensional terrain and remote sensing technology. The application of Google Earth in Hydrology Teaching can help to display three-dimensional topography and landform， hydrological evolution process and response of hydrological environment to human activities， which not only brings the field into the classroom and makes up for the shortage of field practice， but also shows all kinds of hydrological materials to the students so as to stimulate students' interest in learning and improve the teaching effect.

Key words： Google Earth; Hydrology; teaching; auxiliary application