“圖新地球 + Global Mapper + Surfer”組合工具輔助等高線教學的應用實踐

摘 要：等高線地形圖因其抽象性強，學生難以形成畫面感而成為中學地理教學中的難點。為提升教學效果，借助地理信息技術的支持，本文將“圖新地球”和“Global Mapper”“Surfer”相結合，形成一套“等高線形成與平面立體圖形轉換”的組合工具，借助圖新地球軟件的“淹沒模擬”功能，幫助學生理解等高線的形成過程；將獲取的高程數據在Global Mapper中進行格式轉換，再導入Surfer軟件中制作等高線地形圖和立體地形圖，利用“疊置”功能實現平面與立體圖形的轉換，幫助學生建立空間思維，形成畫面感。最后，通過“珠峰測高”和“考察禾下乘涼夢圓地”兩個教學案例簡述了實踐應用過程。此組合工具功能多、操作簡便、實效性強，可廣泛推廣使用。

關鍵詞：地理信息技術組合工具；等高線地形圖；平面與立體圖形轉換；地理教學

中圖分類號：G633.55 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5207（2024）10-0060-07

地形是自然地理環境的重要要素之一，也是地理學習的重要內容之一。《義務教育地理課程標準（2022年版）》明確要求學生需要通過閱讀地形圖等，區別山地、丘陵、高原、平原、盆地的形態特征；要求學生能結合地形觀察，說出等高線地形圖、分層設色地形圖表示地形的方法，在地形圖上識別一些基本地形［1］。《普通高中地理課程標準（2017 年版2020 年修訂）》也要求學生不僅要“認識”各類地形地貌，還要能“描述”其景觀的主要特點，“分析”其成因，進而“說明”人類活動與地表形態的關系［2］。可見，地形圖在認識地形中的重要作用，而等高線地形圖是地形圖的重要載體之一。因此，理解等高線的概念和形成過程且能夠將等高線和實際地形聯系起來的空間想象能力就顯得尤為重要。

一、等高線地形圖教學中存在的問題

1.學生不理解等高線的形成過程

學生在日常生活中感知過很多地形地貌，但日常感知多為立體地形，而等高線地形圖是平面圖。現實中的立體地形與平面圖中眾多的等高線如何聯系，這對多數學生而言比較難以想象，因而難以實現平面圖形和立體地形的自由轉換，嚴重影響該部分的教學效果。

2.傳統教學方式費時費力且效果不理想

在目前的地理教學中，關于“通過等高線地形圖來認識地形地貌”的學習內容，主要通過教師講授、繪圖、模型制作、模擬實驗和野外考察等方式實施［3-5］。教師純講授的方式較為枯燥，想象力差的學生難以形成畫面感；繪圖或制作模型耗時耗力；野外考察則需要考慮教具準備、課程內容、課時、學生安全等多方面因素，不便實施且很難遷移到其他地區。因此，傳統教學模式無疑也影響教學效果。

3.技術組合工具輔助等高線地形圖教學的研究成果缺乏

調研發現，在現有的地理信息技術輔助地理教學的研究成果中，大多都集中于某幾類軟件或網絡平臺在教學中的應用［6-7］，很少有針對等高線教學難點的專題應用成果。在少數等高線主題研究中，多借助GIS軟件繪制等高線地形圖［8-10］，幾乎沒有從地理信息技術角度就等高線主題教學開發配套技術組合工具的成果。究其原因，地理信息技術存在一定技術性，并非大多數教師都掌握其用法，且地理信息技術工具較多，能多方綜合分析后再進行組合開發的可能性較小。

鑒于此，筆者結合課標要求和學情情況，在多次實驗操作的基礎上，精篩軟件，開發出了一套能夠實現“等高線形成—投影—平面立體圖形轉換”的組合工具，希望能夠幫助廣大教師解決以上教學難題。

二、地理信息技術軟件選擇及一般應用過程

1.軟件選擇

基于以上分析，在軟件選擇上要滿足以下要求：①能夠多地區、多角度觀察地形地貌；②能夠觀察并模擬等高線的形成過程；③能夠制作等高線地形圖；④能夠實現地形地貌從立體到平面的投影轉換；⑤操作簡便，易復制。

通過長時間的操作與嘗試，結合課堂實踐，筆者選出了以下軟件和網站：① 圖新地球——觀察地形地貌、模擬等高線地形圖的形成過程；② 地理空間數據云網站——獲取DEM高程數據；③ Global Mapper——進行格式轉換；④ Surfer——用于等值線制作和立體地形圖的生成，實現平面與立體圖形的轉換。

2. 具體操作過程和實施方法

以香山附近為例，展示具體操作過程和實施方法。

（1）地形地貌的觀察——圖新地球

打開圖新地球軟件，在“底圖數據”一欄中加載常用數據，包括“天地圖影像”“天地圖底圖”“天地圖行政區劃”“天地圖水系”“天地圖道路標注”等，也可加載其他網站下載的地圖數據。然后根據課程需要調整圖層順序，保證能夠清晰顯示研究區的地形地貌特征。通過鼠標滾輪調整視野大小和觀察角度（圖1）。

（2）“淹沒模擬”等高線的形成過程——圖新地球

打開“淹沒模擬”工具，沿邊框繪制“淹沒”范圍，設定參數，觀察淹沒到海拔“500 m、800 m、1 000 m”的水域輪廓，并在軟件中從各個角度觀察主要地形部位，如山脊、山谷、鞍部等的水域輪廓特征，理解等高線的形成過程（圖2）。

（3）獲取高程數據

常見的數據來源通常有地理空間數據云網站：http：//www.gscloud.cn/search；國家基礎地理信息中心網站：https：//www.ngcc.cn/ngcc/html/1/391/392/16114.html。下載前需要在網站中進行注冊登錄，國家基礎地理信息中心網站需要申請后下載。

（4）格式轉換——Global Mapper

筆者推薦的等值線繪制軟件為Surfer，可用于等值線、網格化、曲面圖形繪制。但在繪制前，需要在Global Mapper中將下載的DEM數據進行格式轉換，導出海拔網格格式（.grd）文件，隨后才能導入到Surfer中繪制等高線地形圖（圖3、圖4）。

（5）制作等高線地形圖——Surfer

打開Surfer軟件，選擇“新等值線圖”，打開海拔網格格式（.grd）的香山附近地形圖文件，在對象管理器和屬性管理器中編輯等高距和坐標軸。若等值線圖較為破碎，則需在打開軟件后，先在“網格”——“濾波器”中將圖像進行濾波，再編輯圖像。編輯完成之后，導出圖片格式（.jpg）的等高線地形圖（圖5）。

如需制作分層設色地形圖，點擊屬性管理器中的“層次”，在等值線填充著色中選擇“填充等值線”，然后選擇合適的顏色，調整比色刻度尺即可（圖6）。

（6）制作三維地形圖——Surfer

新建文件，選擇“新3D曲線圖”，打開海拔網格格式（.grd）的香山附近地形圖文件。在對象管理器中點擊“圖形”，在屬性管理器中“比例尺”一欄調節“Z比例尺”的長度，使得地勢起伏適中（圖7）。

（7）制作三維曲面與等高線疊置圖，實現平面和立體地形的轉換

在Surfer軟件中，點擊對象管理器中的香山3D曲面圖，右鍵“添加”，選擇“等值線圖層”，在文件中選取之前制作的香山附近等高線地形圖，生成帶有等值線的3D曲面圖。此處可調整觀察角度，分析常見地形部位的等高線特征（圖8、圖9）。

點擊“新等值線圖”，按照步驟5加載香山附近等高線地形圖，將最新加載的等值線圖更名為“圖形2”，點擊屬性管理器中的“視圖”，設置投影為“正交視角”，旋轉角度調整為45度，傾斜度調整為30度（也可按照自己需要設置角度）。可根據個人需要選擇是否填充等值線（圖10）。

同時選中兩幅圖，點擊對象管理器中的“圖形2”，右鍵選擇“排列對象”中的“水平居中”，調整兩幅圖的位置關系。然后選擇“多段線”連接兩幅圖，最終生成等高線地形圖和3D曲面疊置圖（圖11）。

最后導出地圖，并分析地形因素對其他自然要素和人類活動的影響（圖12）。

三、實踐運用案例

1.案例一：珠峰登峰測高的路線選擇

（1）教學活動簡介

本教學活動隸屬于高中地理人教版選擇性必修一第二章的教學范疇。根據課程標準，要求學生結合實例，說明地表形態對人類活動的影響。在該部分的學習中，教材提供了珠穆朗瑪峰這一經典案例。據了解，珠穆朗瑪峰附近有很多常見的地形部位，清晰美觀，是學習等高線和冰川地貌的絕佳案例。加之在2020年5月我國國測隊隊員對珠峰高程進行了第三次測量，他們選擇哪條線路登峰也是人們關注的焦點。因此，本教學活動在經典案例的基礎上，結合社會熱點，借助自制的等高線地形圖，讓學生通過讀圖來判讀珠峰地表形態特征，幫助登山隊員和專家選擇合適的登峰測高路線，既落實了課標要求，又體會了登山隊員不畏艱險、勇于攀登的精神。

（2）地理信息技術組合工具應用過程

①利用圖新地球觀察珠峰地表形態特征（圖13）；②“淹沒”模擬等高線的形成過程（圖14、圖15）；③制作等高線地形圖和三維立體模型（圖16）；④選擇合適的登峰測高路線（圖17、圖18）。

通過分析可知，路線①前期經過低緩的山谷，但在山腳處的坡度較陡，登峰會有困難；路線②在山腳處的坡度較緩，比路線①容易；路線③在山脊上攀爬時間太長，費力且不安全。綜上所述，路線②最為合適（圖19、圖20）。

（3）活動效果與評價

實踐證明，通過在軟件中“淹沒模擬”等高線的形成過程，并將平面圖和立體地形圖相對應，實現平面和立體的轉換，可使學生對等高線的理解更加深刻，能夠更容易識別各類地形特征。多數學生在仔細分析之后，都能選擇出合適的登峰測高路線，體會地表形態對人類活動的影響。

2.案例二：溯安寧河谷——考察禾下乘涼夢圓地

（1）教學活動簡介

本教學活動隸屬于高中地理人教版選擇性必修二第一章的教學范疇。根據課程標準，要求學生結合實例，說明農業區位因素；并能結合實例，說明因地制宜對于區域發展的重要意義。提到農業，袁隆平院士無疑是農業發展領域的重要代表人物之一，其團隊在培育水稻新品種方面對于區位因素的考量值得學生深入學習。2023年10月14日，四川涼山州德昌縣安寧河谷的超高產攻關試驗田實現了超級稻單季畝產1 251.5 kg，刷新了世界紀錄。本教學活動結合時事熱點，借助教師制作的安寧河谷德昌段的分層設色地形圖，讓學生更加直觀地考察禾下乘涼夢圓地——安寧河谷，感受當地自然地理環境（尤其是地表形態）對于農業活動的影響，讓學生體會因地制宜思想的同時致敬偉人。

（2）地理信息技術組合工具應用過程

①利用圖新地球觀察安寧河谷德昌段的地形地貌（圖21）；②制作等高線地形圖和三維地形圖（圖22、圖23）；③結合其他圖文資料，思考禾下乘涼夢在德昌實現的原因，探究四川德昌縣安寧河谷能夠生產超高產水稻的優勢區位（圖24）。

通過分析可知，德昌縣位于青藏高原東南緣，夏秋季水稻生長期雨熱同期、水熱充足；而且其海拔較高、空氣稀薄。因此，大氣的削弱作用和保溫作用弱、晝夜溫差大，有利于有機物的積累；海拔高、日照充足、作物品質好；雖然德昌縣海拔較高，但水稻種植區域位于海拔相對較低的河谷地區，較為溫暖，有利于水稻種植。河谷地帶地勢較為平坦、土壤疏松肥沃，靠近河流，水源充足，利于農耕。在人文因素上，國家設立超高產攻關項目，有政策支持；科學家們選育良種、創新育種方法、全程精細化管理，有技術支持；培養人才隊伍，提供了人才支持；安寧河谷種植水稻歷史悠久，有技術工藝、產業基礎和勞動力支持等。

（3）活動效果與評價

實踐表明，學生通過觀察等高線地形圖和三維地形圖，能夠快速實現平面和立體的轉換，并能快速識別出安寧河谷德昌段的地形地貌特征，繼而能調動所學知識快速分析出地形對其他自然要素的影響。再結合文字資料，學生更加容易分析得出此處能夠生產超高產水稻的原因，說明農業區位因素，并深刻領會如何實現農業的因地制宜。可見，由于地理信息技術的加入，教學變得更加高效。

四、總結與反思

等高線地形圖的形成過程以及如何將等高線地形圖與實際地形聯系起來實現平面地圖和立體地形的自由轉換是等高線教學的難點。筆者經過多次課堂實踐證明，“圖新地球 + Global Mapper + Surfer”的組合工具能夠較快實現等高線的形成、投影與平面立體圖形的轉換；通過該組合工具的使用，學生能夠很快將等高線地形圖與實際地形地貌聯系起來，建立空間思維，突破等高線學習難點；且該組合工具操作簡便，地理教師均可在教學中嘗試使用。

鑒于在等高線地形圖上的有效使用，在地理學科其他方面的教學中，也可考慮利用地理信息技術輔助教學，必要時也可考慮開發地理信息技術組合工具，進一步提升教學效果。地理信息技術可在一定程度上彌補無法外出實踐教學的缺憾，但卻無法完全替代真實環境下的實踐活動。因此，在利用地理信息技術教學時，務必注重協調技術支持的教學與在真實環境中教學的關系。

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