淺析“3S”技術(shù)在中學生空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力培養(yǎng)中的應用

王 葉

（長治市第五中學 山西長治 046000）

地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)的重要內(nèi)容是培養(yǎng)對地理要素觀察、識別、分析和應用的能力[1-3]。當前，對空間、區(qū)域的認知和識別是我國普通高中地理課程標準規(guī)定的地理學科培養(yǎng)的核心素養(yǎng)。“3S”技術(shù)，通常認為是遙感（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息技術(shù)（GIS）的總稱，其中地理信息系統(tǒng)（GIS）是“3S”技術(shù)的“大管家”，處于核心位置；遙感技術(shù)（RS）是信息采集（提取）的主力；全球定位系統(tǒng)（GPS）是對遙感圖像（像片）及從中提取的信息進行定位，賦予坐標，使其能和“電子地圖”同步使用。從科研層面來看，“3S”技術(shù)是目前解決人口、資源、環(huán)境及經(jīng)濟發(fā)展等重大地理問題的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)。“3S”技術(shù)通過對地表各類事物形成的地理空間數(shù)據(jù)的采集、整理和分析，表達地表事物的空間屬性，為中學地理教學帶來重大的推進和變革[4-6]。將“3S”技術(shù)與地理教學進行深度融合，著力培養(yǎng)中學生的地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)，就是培養(yǎng)中學生獲得區(qū)域信息、分析區(qū)域特征、解決區(qū)域問題的關(guān)鍵能力，更有助于提升中學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的核心素質(zhì)[7-9]。

一、“3S”技術(shù)已經(jīng)成為中學地理教學的重要輔助技術(shù)

“3S”技術(shù)不斷進步和成熟，成為培養(yǎng)地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)的現(xiàn)代信息化技術(shù)，隨著“3S”技術(shù)逐步進入中學地理課堂，不斷改進了傳統(tǒng)的地理教學和地理要素展現(xiàn)方式。在2001 年教育部頒發(fā)的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》中著重提出“3S”技術(shù)在未來課堂教學實踐中的重要作用，包括教學內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、教師的教學方式以及學生的學習方式等方面，充分肯定了“3S”技術(shù)與教學過程深度融合的必要性[7-8]。在2003 年頒發(fā)的《普通高中地理課程標準（實驗）》中，首次提出將“3S”技術(shù)納入高中地理課程。特別是在《全日制普通高中地理課程標準》中，更有針對性地強調(diào)了“3S”技術(shù)的應用，尤其是在地理教學實踐中，要重視地理相關(guān)的“3S”技術(shù)與地理內(nèi)容相互融合。

“3S”技術(shù)融入地理教學中已有十余年的時間，在參與中學地理教學研究過程中，主要體現(xiàn)為以下兩個方面。第一，“3S”技術(shù)作為中學地理課程教學的一部分教學內(nèi)容。主要探討內(nèi)容包括“3S”技術(shù)在地理教學和教材中的地位、如何落實“3S”技術(shù)教學內(nèi)容以及具體教學方式和教學策略等。第二，“3S”技術(shù)作為中學地理課程輔助教學內(nèi)容。“3S”技術(shù)可以作為地理教學過程中的重要輔助技術(shù)，通過一系列的專業(yè)軟件和技術(shù)，模擬地理事物的時空分布和演變規(guī)律，對中學生的地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力的培養(yǎng)具有十分重要的意義[10-11]。

二、中學生空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力培養(yǎng)是地理教育的核心工作

以地圖為主要展現(xiàn)方式的可視化工具，被認為是中學地理教學的第二語言。對與地理知識有關(guān)的圖像系統(tǒng)的識別、認知和解釋是空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力的重要體現(xiàn)，也是中學生學習地理科目必須掌握的核心技能[9]。地理視覺素養(yǎng)是從以圖像形式呈現(xiàn)的信息中認識、辨識和表達含義的能力，從某種程度上拓展了素養(yǎng)的含義；空間素養(yǎng)是一種空間思維能力，是當前美國教育界與科學界關(guān)注的熱點問題之一。美國基礎(chǔ)教育地理課程標準核心技能中均包含空間素養(yǎng)成分，同時把形成空間素養(yǎng)作為各年級具體標準的評價主線，并注重探索培育中學生空間素養(yǎng)的教學途徑與方法[6-10]。

培養(yǎng)中學生的地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)主要有兩方面的作用。一方面，提高學生分析、歸納和總結(jié)地理現(xiàn)象以及解決地理問題的能力。培養(yǎng)學生對地理空間和視覺表征的感知和分析能力，不僅可以通過地理圖像系統(tǒng)掌握分析地理事物的空間分布和動態(tài)演變規(guī)律的方法，而且可以采用時空壓縮的方式將復雜的地理現(xiàn)象和地理原理進行抽絲剝繭的概況歸納，提高分析復合地理系統(tǒng)的水平，培養(yǎng)學生綜合多要素分析判斷地理現(xiàn)象的能力。另一方面，培養(yǎng)學生形成地理空間思維和地理價值觀念。對地理環(huán)境的空間認知和視覺識別過程中，學生通過對地理空間中經(jīng)濟、社會、歷史和文化等要素的時空特征分析，產(chǎn)生地理觀念、地理價值觀等精神內(nèi)核。在教師的引導下，分析具有典型意義和重大歷史事件的地理空間要素圖譜，有助于形成地理邏輯思維，利于學生的自我認知和獨立思考，同時在日常生活和學習中規(guī)范自身的空間行為，形成正確的世界觀和價值觀。

三、“3S”技術(shù)與中學地理教學尚未實現(xiàn)深度融合發(fā)展

（一）“3S”技術(shù)與傳統(tǒng)地理教學的深度融合性不足

中學地理教學多將新技術(shù)、新工具引入作為傳統(tǒng)教學的補充，尚未形成地理教學領(lǐng)域中的普遍教學方式。在實踐教學中，“3S”技術(shù)多是以課外知識或?qū)W科內(nèi)容補充的形式，被安排在地理課堂主要教學內(nèi)容結(jié)束后的位置，或是課下讓學生作為一種課外知識進行閱讀和學習。這導致“3S”技術(shù)被看作是與地理知識和課堂相互割裂的存在，在實際的地理教學內(nèi)容中，與空間相關(guān)的重要知識點的講解，“3S”技術(shù)都未充分地參與其中，未充分幫助學生加深理解和認識，與傳統(tǒng)地理教學的融合度尚須提升空間[4]。

（二）對“3S”技術(shù)在培養(yǎng)空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力中的重要性認識不足

地理教學中，學生的空間感知和空間想象能力十分重要。空間性是地理學的核心特征，對空間性具有較好的理解和掌握，是學好地理的關(guān)鍵之一[5]。在地理教學課堂中，教師也會著重強調(diào)地理空間和地理思維的重要性。傳統(tǒng)地理教學中，學生往往難以在腦海中形成具象的、三維的，甚至是時空結(jié)合的空間結(jié)構(gòu)視圖，不利于空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力的培養(yǎng)。而由于對“3S”技術(shù)缺乏或是認可度不高等原因，“3S”技術(shù)在培養(yǎng)空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力中的重要性被忽視。

（三）“3S”技術(shù)在地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力培養(yǎng)全程參與度不足

培養(yǎng)中學生地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力不只在教學課堂上下功夫，還須兼顧地理課程的課前和課后兩個部分，只有將這三個部分的教學和課外準備有機結(jié)合起來，才能最大化地提高教學效率，有效培養(yǎng)空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力，在學前得以了解、在課堂得以加深、在課后得以強化。在當前中學生的地理課程學習中，以及以教師講授為主要方式的中學課堂教學中，“3S”技術(shù)的課堂參與度相較于課前預習和課后回顧來說是最高的。在課前、課后環(huán)節(jié)，參與課程學習的主體是中學生，中學生自身的主觀能動性發(fā)揮最主要的作用，也是中學生預習和消化課堂知識的重要環(huán)節(jié)。“3S”技術(shù)具有較高的技術(shù)門檻和成本，同時尚未形成成熟的規(guī)模化的學生參與平臺和機制，因而在地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力培養(yǎng)全程參與度偏低。

四、“3S”技術(shù)支持下培養(yǎng)中學生空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)的策略

將“3S”技術(shù)與中學地理教學進行深度融合，培養(yǎng)中學生的地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力，是中學地理教育的發(fā)展方向和必然選擇，不僅有利于培育中學生地理認知能力，更有助于提升中學生解決實際問題的能力。

（一）加強“3S”技術(shù)與傳統(tǒng)教學的深度融合

以提高學生的地理空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力等核心素養(yǎng)為目標，在具體的地理教學方式和觀念上，對教師的教學觀念進行積極的干預，跨越傳統(tǒng)教學的“意識鴻溝”，擺脫教學觀念慣性，善于接受新的、優(yōu)秀的教學方式和理念，采用新的信息技術(shù)，提高教學效果，提升學生的綜合素質(zhì)。利用“3S”技術(shù)的開放性，為學生提供盡可能多的學習方式和學習資料，培養(yǎng)學生學習的自主性，鼓勵學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，讓學生在自主探索過程中對地理事物產(chǎn)生空間和視覺的理性認識，從而具有較高水平的空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力。同時，從學生視角來講，“3S”技術(shù)可以作為延伸地理課堂的途徑和方式。通過更多的地理空間表達、分析和可視化的工具，打破了課堂對學生的時空限制，促進了學生學習方式的多樣化。

（二）深入挖掘“3S”技術(shù)在培養(yǎng)空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力中的潛力

“3S”技術(shù)在中學地理課程教學中的應用受到一定限制，以及取得效果不理想的原因很大一部分是對“3S”技術(shù)的原理和相關(guān)軟件不熟悉，以至于未真正了解“3S”技術(shù)在培養(yǎng)空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)能力中的重要作用和意義。首先，加強授課教師對“3S”技術(shù)的了解、認識和應用。只有教師真正重視地理現(xiàn)代化信息技術(shù)的重要作用，才能為學生打開“3S”技術(shù)具體實踐和應用的大門，引導學生通過“3S”技術(shù)進行課前、課堂和課后的探索式學習，培養(yǎng)學生的空間素養(yǎng)和視覺素養(yǎng)。然后，通過“3S”技術(shù)激發(fā)學生對地理知識的興趣。通過設(shè)置不同的地理應用場景，例如，基于遙感技術(shù)的大氣和海水時空運動、基于GPS 技術(shù)的交通規(guī)劃、基于地理信息系統(tǒng)的超市選址問題等，促進學生基于生活常識和知識積累，利用地理知識解決實際問題，將地理學習與現(xiàn)實生活相結(jié)合。最后，完善“3S”技術(shù)必要的配套設(shè)施。“3S”技術(shù)的具體使用主要基于ArcGis、ENVI 等多種軟件和平臺，軟件的購買和使用均具有較高的門檻，且專業(yè)性較強。中學地理教學中，可具有針對性地選擇相對經(jīng)典的案例和軟件操作，并形成與課堂對應的實驗教程。

（三）構(gòu)建“3S”技術(shù)在地理教學中的跨區(qū)域、多主體參與交流的應用平臺

基于地理教學中“3S”技術(shù)與課堂融合程度不同的現(xiàn)狀，區(qū)域上一級教育主管部門可構(gòu)建一個跨區(qū)域的中學地理“3S”技術(shù)交流平臺。一方面，聘請“3S”技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人士定期為中學教師進行技術(shù)培訓和知識普及，形成視頻教學免費共享。另一方面，分享優(yōu)秀的中學地理教學與“3S”技術(shù)結(jié)合的案例視頻，為其他教師提供教學借鑒。此外，設(shè)置問答專區(qū)，就“3S”技術(shù)在教學應用中的經(jīng)驗和問題進行相互交流借鑒。通過促進教學資源、教學經(jīng)驗和教學成果的扁平化傳播和交流，縮小“3S”技術(shù)在教學應用、教學實踐中的技術(shù)和觀念“鴻溝”。

（四）積極籌備建設(shè)“3S”技術(shù)與人工智能創(chuàng)新實驗室

傳統(tǒng)中學地理教育教學形式的簡單改變已不能滿足國際國內(nèi)經(jīng)濟新形勢下地理教育教學的實際需求。隨著中學地理課程改革的深入，中學地理課程應當著力發(fā)展內(nèi)涵建設(shè)，培養(yǎng)中學生建立抽象地理概念與感性地理形象之間的聯(lián)系。中學地理教學應當借助“3S”技術(shù)引導中學生形成地理學科視覺辨識與空間思維能力，用地理視覺素養(yǎng)與空間素養(yǎng)理解新型人地關(guān)系。中學地理學科實驗室建設(shè)無論培養(yǎng)中學生的科學精神和實踐能力還是從地理學科的角度認識和理解世界都具有深遠的意義。“3S”技術(shù)與人工智能創(chuàng)新實驗室主要研究方向為機器人及人工智能的開發(fā)和“3S”技術(shù)的應用。隨著“3S”技術(shù)的進步和地理學科的發(fā)展，地理學的研究已不再局限于傳統(tǒng)的描述式講述，而是集地理信息（GIS）、遙感技術(shù)（RS）、空間定位與分析（GPS）、傳感器監(jiān)測、人工智能與時空大數(shù)據(jù)等新技術(shù)為一體的綜合性學科，以傳感器、定位、導航及圖像智能分析為基礎(chǔ)的多場景智能機器人應用是實現(xiàn)地理學科研育人的一個有效載體，因此有條件的中學應該積極籌備建設(shè)“3S”技術(shù)與人工智能創(chuàng)新實驗室，積極引導學生追隨科技前沿、不斷集成新的科學成果和技術(shù)方法、拓展并深挖行業(yè)技術(shù)應用，激發(fā)中學生對地理信息知識的濃厚興趣，為將來繼續(xù)從事地理學研究打下堅實基礎(chǔ)。