地理信息技術助力學生地理學科核心素養的養成

郭劍峰：浙江省特級教師，現任浙江省教育廳教研室高中地理教研員、高中部主任，首屆教育部基礎教育地理教學指導專委會委員，中國教育學會地理教學專業委員會常務理事，浙江教育學會地理教學分會副理事長兼秘書長，浙江省地理學會副理事長，浙江師范大學地理與環境科學學院兼職教授。在學術期刊上發表60 多篇文章，參與多種教學用書的編寫，是上海版普通高中地理新教材核心作者之一、人教版地理新教材和教學用書編委。秉承“學生活中的地理”的理念，堅持以“潛心育師，用心教研”為目標，開展地理教學與教研。

當今時代，人工智能、大數據、云計算、5G等技術逐漸成為教育教學中非常重要的手段和方法，信息技術與課堂教學的深度融合已經成為教育發展的重要趨勢。信息技術在地理教學中有著天然的優勢。在地理課堂轉型與重塑過程中，充分運用地理信息系統（GIS）、遙感技術（RS）、全球衛星導航系統（GNSS）等地理信息技術的原理及應用案例進行教學活動設計，促進信息技術與學科教學的深度融合，對提升學生地理學科核心素養尤為重要。

《普通高中地理課程標準（2017年版）》涉及地理信息技術運用的內容有12條之多，如必修課程中要求“通過探究有關地理問題，了解地理信息技術的運用”，選修課程中要求“解釋地圖數字化的過程，學會建立地理信息系統數據表”“說明遙感圖像的基本原理和方法，判讀某地的遙感圖像”等。通過高中地理課程學習，要求學生不僅能運用地理信息技術，掌握觀察、識別、描述與地貌及土壤和植被等有關的自然現象的方法，還要求學會收集和呈現人口、城鎮、產業活動等人文數據及圖表和地圖來分析與解決有關地理問題。以3S技術（GIS、RS、GNSS）為代表的地理信息技術，已成為學生認識區域、分析要素間相互關系與提升實踐能力的重要工具和手段。

地理信息技術在地理課堂上的運用，并不側重對信息技術原理的分析，須與真實情境相融合，通過“用中學、學中用”達到知能的掌握、素養的提升。本文主要根據2020年新冠肺炎疫情中有關地理的時事熱點，結合本人名師工作室設計和制作的系列微課程“疫情中的地理”案例，通過疫情可視化地圖制作、雷神山醫院遙感圖像判讀和分析、北斗系統顯神威等探究活動，研究地理信息技術在地理課堂上的運用策略，以提高學生的地理學科核心素養。

一、地圖的可視化呈現，提高學生的地理實踐力

地圖是地理學的第二語言，是地理學習和研究的重要工具。日常教學中，教師一般會收集和選用不同比例尺的區域圖、不同主題的要素圖來分析和解答地理問題，以此輔助教學實施。一些教師會給學生布置臨摹地圖的學習任務，提升他們的讀圖能力。有的教研組還會開展手繪美食地圖、旅游地圖等地圖制作比賽，激發學生的學習興趣。但這樣制作出來的地圖大多是傳統的紙質地圖，師生普遍缺少地圖制作尤其是融合地理信息技術的電子地圖的制作經歷。為了將疫情表格數據通過地圖進行可視化呈現，加強信息的直觀性，教學中可指導學生嘗試制作個性化的疫情地圖來探究疫情的時空格局。

（一）利用Excel，導入網絡中的相關數據

為了獲取疫情實時數據，可以打開Excel（2019版）軟件，通過直接輸入的方式獲取相關數據，還可選擇能提供實時、動態的新冠疫情確診感染人數的網站，以獲取數據。具體方法是：點擊菜單中的“數據”—“獲取數據”—“自其他源”—“自網站”，輸入能提供疫情數據的網址，在彈出的網站數據“導航器”中選擇某一數據表格，回車“確定”加載，即可導入。

（二）修改Excel屬性，實現數據的自動刷新

導入的數據可以通過手動方式輸入刷新，也可通過修改Excel表格菜單欄的“數據”—“連接屬性”設置數據的刷新要求，如將控件修改為“允許后臺刷新”、刷新頻率為720分鐘（半天）等。網站每天自動更新疫情數據，實時、動態顯示疫情地圖內容。

（三）制作電子地圖，理解地理信息系統的作用

疫情地圖的制作原理，主要是借助計算機技術和數字傳輸技術，將Excel存儲的空間數據（地圖）與獲取的屬性數據（現有確診人數、治愈人數等）進行融合，通過對數據的處理、分析、顯示和描述，實現地圖的可視化。通過制作疫情地圖，學生不僅能夠提高獲取和處理地理信息的能力，還可以理解地理信息系統在疫情信息通報過程中發揮的重要作用。

獲取和處理好數據后，就可以制作電子地圖了。首先，選中表格中的數據，按照菜單欄的“插入”—“三維地圖”—“打開地圖編輯”順序，設置地圖屬性：第一步，將“圖層1”界面中的“數據”設置為五種“類型”的“可視化”，“位置”為“省/市/自治區”，“值”選擇導入數據表格中的“現有確診”;第二步，繼續設置“圖層選項”中的“色階”“不透明度”和“顏色”等屬性，如將數據顏色設置為紫色、“色階”為37%;第三步，鼠標點擊地圖上的任意省份，就會彈出數據說明。如果還想添加獲取信息中的“累計確診”“治愈”和“死亡”人數等數據，也可通過圖例說明右上角的“設置”添加。然后，將地圖縮放調整到可視的合適大小，通過菜單欄選擇輸出的地圖形式為“三維地圖”或“平面地圖”。

教師在教學中引導學生使用信息技術設計和制作數字可視化地圖，讓學生在分步驟摸索和操作過程中提升地理實踐力。制作數字地圖時，由于學生的信息技術水平有差異，軟件使用熟練程度也不同，因此，教師首先要鼓勵技術薄弱的學生具備克服困難的勇氣，通過分組的方式讓他們在小組合作探究過程中提升信息技術應用能力。當然，教師也可根據教學實際，在疫情數據源的獲取途徑、圖例的科學設計等關鍵環節予以適時指導;或將全國疫情地圖制作活動調整為制作學校所在省市的疫情地圖，以激發學生的家鄉情懷，增強防疫意識。

二、運用遙感影像輔助教學，增強空間尺度思想

遙感技術是通過記錄地物電磁波輻射信息感知目標某些特性并加以分析利用的技術。與日常使用相機拍照記錄時空信息如出一轍，借助飛機或人造衛星對地面進行航空或航天觀測獲得的遙感影像，可提供兩方面的信息——空間信息和光譜信息。空間信息表達出地表目標物在圖像上的組合特征，如形狀、大小、紋理結構等;光譜信息是目標物電磁波能量大小在圖像中的記錄。這些信息能幫助我們分析周圍的環境狀況、預報天氣變化、監測自然災害等。教學中，組織學生對遙感影像進行識別、判讀和分析，能解決教學中的許多問題，有助于學生學科核心素養的養成。

（一）運用航天遙感影像判讀地物，增強學生區域認識與綜合思維水平

航天遙感是指借助地球資源、海洋、氣象等專題衛星，對地表進行綜合探測。教學中，教師要組織學生運用航天遙感衛星影像進行地物的識別和判讀，引導學生從時空綜合的角度比較地表目標物的變化，了解地理事象發生、發展和演化的過程。這對學生區域認識、綜合思維水平的提高非常有幫助。

例如，武漢市參照2003年抗擊非典期間北京小湯山醫院模式，在蔡甸區和江夏區分別建設了火神山、雷神山兩家專門救治新冠肺炎患者的醫院。通過奧維互動地圖瀏覽器中的“地圖切換”菜單，可在“中國資源衛星日新圖”中搜索不同地區2017年10月至今拍攝的不同時段的遙感影像。圖1為搜索到的武漢雷神山醫院建設前（2019年12月15日）與建成后（2020年2月9日）的遙感影像。通過圖像對比，學生可以判讀出圖中綠色為水體，黃棕色為陸地，直觀判斷出雷神山醫院選址在黃家湖東畔。在不同時段，地表目標物顏色由深棕色轉變為藍白色，說明一座新醫院拔地而起。

為了進一步引導學生深入探究雷神山醫院選址、布局的合理性，教學時還可選擇比例尺較大的小范圍區域分析醫院內部的微觀結構，以此評估區域內醫院開發建設決策的得失。圖2顯示出雷神山醫院內部醫療隔離區、醫務人員生活區、污水處理站的位置，教學時可設計問題引導學生討論污水處理站的布局是否合理。

通過衛星遙感影像對雷神山醫院周邊環境及其內部功能分區進行識別、判讀和分析，有利于學生使用合適的工具認識區域環境，養成從區域視角認識地理事象的意識和習慣，提升運用空間區域觀點認識地理環境的綜合思維水平。

（二）運用航天遙感數據對比變化，理解人地協調發展的重要性

人類社會要更好地發展，必須尊重自然規律，協調好人類活動與地理環境的關系。新冠肺炎疫情發生后，武漢兩家專治新冠肺炎患者的方艙醫院迅速建成，對疫情防控起到重要作用。但是醫院在建設和運轉過程中，是否會對周邊環境產生不利影響，一度引起人們的高度關注。教學中，教師通過下載不同時相的航天遙感衛星監測數據，引導學生對醫院建設區及其周邊的植被、土壤、水體、地面形變等遙感數據進行對比分析，通過研究人類活動對地理環境的積極與消極影響，理解人地協調發展的重要性。

例如，教學時可提供珠海一號高光譜衛星（分辨率10米，32波段）兩個不同時段的衛星遙感數據，引導學生將建設中（2020年1月29日）與建設前（1月19日）的雷神山醫院周邊黃家湖區域光譜反射率數據（如圖3）進行對比分析。可發現建設階段，雷神山醫院鄰近水域（近岸和中心）沒有發生明顯變化，說明施工過程中沒有明顯地向知音湖排放污水的行為，沒有形成明顯的泥沙擾動等現象，有效地控制對周邊水環境的不良后果。該探究活動的開展，使得學生理解人類開展活動時必須充分考慮對地理環境的影響，懂得尊重自然規律的重要性和必要性，樹立正確的人地協調觀。

（三）運用航空遙感照片再現現場，感知真實教學情境

與航天遙感相比，航空遙感的平臺距地面高度更低，覆蓋范圍更小，對地物的分辨率更高，表達的地物特征信息更豐富。航天遙感則關注地理空間的整體特性，遙感范圍內的許多信息細節往往被忽略。因此，教學中僅運用航天遙感圖像探究地理問題還顯不足，教師需要提供航空遙感圖像再現現場，帶領學生“走進”拍攝地親歷過程，感知更直觀、更真實的情境。

例如，為了讓學生了解雷神山醫院工地每一天的巨大變化，感受醫院建成的“中國速度”，可在學科教學中加強德育，通過上網收集無人機航拍武漢雷神山醫院建設現場的遙感照片，復現醫院建設現場，讓學生“見證”雷神山醫院建設中展現出的“中國效率”，激發學生的民族自豪感，彰顯中國特色社會主義制度的優越性。同時，師生一起“見證”醫院建設者不眠不休與疫情賽跑的奮斗精神，有助于學生自覺提升防疫意識，提高社會責任感。

選擇航空或航天遙感圖像對地理現象和地理問題展開研究，能讓學生懂得從不同空間尺度認識地理環境：從大尺度概括區域的整體性，從小尺度分析區域內的特質性，增強空間尺度思想，提升學科核心素養。

三、借助衛星導航系統應用案例輔助教學，理解信息技術在教學中的價值

全球衛星導航系統具有對地理空間進行全方位、實時三維導航與定位的功能。與地理信息技術及遙感技術相結合，全球衛星導航系統可在資源調查、工程管理、精確服務等方面提供多種用途。教學中，選擇全球衛星導航系統在生活中運用的案例，尤其是發生在身邊、學生熟悉的事例，以此設計教學問題，布置學習任務，有助于激發學生的學習興趣，更好地理解GNSS在地理教學中的運用。

（一）選用北斗系統導航案例

學習全球衛星導航系統時，2003年版地理課程標準和教材內容介紹的是美國的全球定位系統（GPS）。隨著我國北斗衛星導航系統（BDS）于2020年6月完成全球組網，教學時應更多列舉北斗系統在服務國家現代化建設和人們日常生活以及全球科技、經濟和社會發展方面的成功案例，以彰顯中國智慧與中國力量，進行愛國主義教育。

新冠肺炎疫情防控是一項系統工程，涉及交通運輸、物資供應、環境監測、氣象測報、電力調度、公共安全等方面。想解決疫情防控問題，需要較高的綜合思維水平。教學中，可設計角色扮演活動，開展“北斗系統顯神威”的學習活動。活動中，請學生以社區工作者的身份，探究借助北斗系統如何采取有效措施進行疫情防控，培養學生用綜合的觀點解決現實問題的能力，提高其綜合思維水平。如學生通過上網查詢和課堂討論，列舉社區人員可借助北斗定位系統用無人機噴灑消毒液，實現“精準抗疫”。再如，借助北斗衛星導航系統，社區可實現為居家隔離的居民用無人車或無人機配送藥品、生活用品，避免因人員近距離接觸可能造成的疫情傳播，有效緩解防疫工作中社區人員不足等問題。通過了解這些社區生動、溫暖的抗疫案例，重點學習在戰“疫”中大顯身手的北斗衛星導航系統，不僅可以讓學生多角度、動態地理解地理信息技術在社區和社會管理中的作用，還能弘揚家國情懷，讓“四個自信”飛入每位學生的心田。

（二）選用防疫行程卡定位案例

疫情防控行程卡是由國務院工信部提供的，可讓手機用戶查詢14天內到達或途經省市的行程記錄。行程碼的綠、黃和紅三種顏色，能快速、便捷地證明自己是否途經疫情地區，為企業、社區、交通部門等查驗人員行程提高效率。防疫行程碼的定位方法，一種是通過手機通信基站完成，另一種是調用安裝在手機中的信號接收設備在手機使用期間“允許GPS衛星訪問地理位置的權限”所獲得的位置信息。教學時，利用防疫行程卡的定位案例，可讓學生理解全球衛星導航系統在定位、位置信息查詢、跟蹤等方面的作用。

隨著2020年冬季的來臨，我國出現零星的新冠肺炎確診病例，病例所在地被列為疫情風險地區，這對居民出行帶來一定的影響。11月20日，上海新增兩例本地新冠肺炎確診病例，隨即浦東新區駐橋鎮被列為中風險地區，同期天津市濱海新區、內蒙古滿洲里市東山街道等地也成為中風險地區。作為我國經濟、金融中心的上海經常舉行商務會議，天津市的商務人士是否在此期間都不能赴上海參加會議？其個人行程碼的顏色是否會發生變化？在教學中，可讓學生角色扮演天津企業的商務人士，評估其赴上海的可行性，討論需要做哪些防護準備。

教學時，教師也可用真實案例介紹防疫行程卡的使用情況。圖4是筆者11月20日去上海閔行區開會，23日返回時防疫行程卡的動態信息。可以看出，筆者在兩周時間去過浙江省的杭州、溫州、湖州等地市，雖然有過上海旅居史，但因為沒有去疫情中風險地區的浦東新區，行程卡只是在文字信息中用紅色標注了上海市，其仍為綠卡。通過出行案例分析，不僅讓學生對行程卡在疫情防控和復工復產中發揮的作用有了深入理解，也為學生出行明確個人的職責和義務，為我國防疫的最后勝利做好宣傳教育。

地理學科核心素養是互相聯系的有機整體，課程實施中不能就某個素養單獨培育。本文列舉的實踐活動案例雖然在分析時更側重某一核心素養的養成，但在實施時，每個實踐活動在突出某個核心素養培育的同時，也有助于其他素養的提升。如疫情地圖的制作過程中，學生的地理實踐力得以提高，對疫情的空間分布特點也有了更清晰的認識。這有助于學生從區域視角認識疫情，提高區域認知水平。再如，遙感影像對比醫院周邊環境變化的活動，在認知區域的同時，也培養學生從時間尺度分析地理事象的變化，有助于學生綜合思維水平的提升。因此，運用地理信息技術的原理和應用案例組織教學活動，設計形式多樣的探究活動，可營造直觀、生動的地理學習環境，激發學生的學習興趣，促進學生地理學習方式的轉變，逐步形成正確的人地觀，養成必備品質，練就關鍵能力，提高地理學科核心素養。