利用GIS技术培养中学生地理空间分析能力
摘要：近几年，GIS产业发展如火如荼，GIS技术在许多领域都得到广泛应用。在中学地理教学
过程中，GIS强大的信息处理功能解决了传统地理教育的不足，在中学地理教育中已然发挥着越来越重要的作用。但目前GIS在中学阶段的基础教育明显晚于其它专业教育。因此，在中学基础教育阶段让更多中学生学习GIS技术，对于培养他们的地理学习兴趣与地理空间分析能力具有重要意义。本文在阐述GIS理论的基础上，分析GIS在培养中学生地理分析能力所发挥的作用，并对如何将GIS技术引入中学地理教学进行了探讨，能够对中学地理的GIS教学提供一定的借鉴意义。
关键词：GIS；地理教学；辅助教学；中学生
引言
随着近几年GIS技术日趋成熟，GIS教育也蓬勃开展起来，GIS技术的快速发展也带动了地理教育的新一轮创新。但绝大部分人接触GIS技术是在大学阶段，而在中学地理教学中GIS技术几乎很少涉及。因此，要充分发挥GIS技术在中学地理教学中的优势，培养学生的地理学习兴趣与地理空间分析能力，为进一步的学习GIS技术打下基础。
一、地理信息系统概述
地理信息系统（Geographic Information System，简称“GIS”）是在计算机硬、软件系统的支持下，对地理空间数据进行采集、储存、管理、显示与分析的综合技术系统。地理信息系统处理、管理的数据种类有许多种，主要是地理空间实体数据，包括空间几何数据、属性数据、遥感图像数据、元数据等，用于分析在某区域内分布的各种地理现象与过程，解决复杂的规划、决策和管理问题[1]。GIS技术具有数据综合、模拟与分析评价的能力，可以得到常规信息系统无法获取的信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测，被广泛应用于测绘、土地资源管理、环境保护、城乡规划、市场决策分析、军事以及气象、自然灾害检测等各个领域。
二、 GIS在中学生地理能力培养中的作用
在GIS技术广泛应用到各个领域的同时，GIS教育应运而生，首先出现在各大高校地理、地质等相关学科。随着GIS技术的普及和发展，教育者意识到GIS融入到中学地理教育中的重要性，不单是让学生了解GIS的有关知识，更重要的是应用GIS启发引导学生学习地理知识、加强学生对空间概念的感知、提高学生分析地理、解决地理问题的能力。
（一）直观性强，有助于辅助地理教学
在中学地理教学中不需要对地理信息系统进行复杂设计与开发，直接利用软件提供的一系列功
能，来进行演示操作，演示过程、效果非常直观，可以达到辅助地理教学的目的[2]。在教学过程中，可以利用GIS软件实现对地图的操作、简单的查询和分析，从而来讲授教学内容。
1.图层
直接利用地图图层，直观的了解地理信息、地理事物所表达的空间分布状态、因果关系等来达到辅助教学的效果。这种方式操作起来简单便捷，可以普遍应用，适用性比较强，是GIS直观辅助教学应用初期比较适用的方式，如图1所示。
2.空间信息查询
空间信息查询是GIS系统的一项基本功能之一。利用GIS所具备的查询功能，直接在图中显示查
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询目标，查询范围、路线等。如查询京津冀环渤海经济圈中地级市的分布，查询结果的直观分布图可以很好的讲授京津冀地区的城市带、城市群的概念；也可以查询两地之间的交通线路及相关信息，可以了解两地的交通状况，线路查询在区域地理教学中对资源分布内容的讲授具有重要意义。
3.空间分析
在讲授河流的流域面积、污染源的有害范围、经济辐射区域等时，可以利用缓冲区进行教学演示，这也体现了GIS辅助教学的直观性，是其他教学方法难以呈现的，由此可见，用GIS缓冲区进行地理教学对于学生掌握地理知识可以达到事半功倍的效果[3]，如图2所示。
图1 亚洲地形图 图2 长江流域图
4.地理专题图
在地理教学过程中，直观性是一个非常重要的特征，而在学生在运用地图册或其他地理信息材料时，大部分是专题地图。GIS相关软件可以很方便的设计制作一些交通图、旅游景点图、地形图、行政区划图、人口分布图等专题图，在教学过程中可以根据需要灵活的添加、删减一些要素或改变显示形式来满足课程要求，如图3所示。
图3 SuperMap软件制作天气预报专题图
5.空间分布
GIS可以很清晰的呈现地理事物在空间和事件上的分布规律和特征。一方面，在讲中国的矿藏分布图时，可以在地图相应位置上加各矿点，从而让学生从整体上把握矿藏分布的空间特征，提高学
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生从宏观上分析地理问题的能力；另一方面，还可以很直观的看到地理事物在不同时期内的空间分布，从而让学生认识地理事物的发展过程和规律，如在讲授城市化过程是，利用GIS直观的显示城市在不同时段内土地利用情况，帮助学生加深城市化演变的过程。
（二）空间性强，有助于培养中学生地理空间能力
地理空间能力的培养对地理学习和地理问题的解决具有非常重要的意义。但是，目前中学学生的地理空间能力比较低下，在地理教学过程中对其地理空间能力的培养也非常困难。然而，利用GIS技术能够帮助学生发展地理空间能力，提高学生的空间推理能力和空间思维水平。
空间能力是人类智能的一个基本维度，也是人类认知能力发展的重要方面。一般认为，地理空间能力是在地理空间认知的基础上，认识自己赖以生存的地理环境的能力。包括分析、理解其中的诸事物和诸现象的相关位置、空间分布、相互关系，以及它们的变化和规律等方面的问题。地理空间能力是地理学科特有的能力，对于帮助学生学习地理知识、解决地理问题等方面具有重要的意义
[4]
。中学地理教学过程中对于地理空间能力的培养针对性不强，学生的地理空间能力较弱，地理空
间能力已经成为学生学习地理知识、解决地理问题的瓶颈。强调空间分析是GIS区别于其他地理教育手段的显著特点，GIS的空间分析特性有助于提高学生的空间分析好推理能力。
（三）可视化功能显著，有助于三维辅助教学
二维GIS存着这自身难以克服的不足，基于抽象符号的二维GIS系统，不能展示给人原本的自然界的感受。随着应用的需要，三维高程信息显得越来越重要。与二维GIS相比，三维GIS更加真实的表达出客观世界给人的感受，不仅能够表达空间对象的平面关系，而且能够表达它们之间的垂直关系。三维让教学更直观，可以很清楚的看到地形图中山脉的走向和沟壑，从而强烈的感受地形，达到记忆的目的，如图4所示。
图4 某研究区的三维地形图
（四）素材丰富，有助于多媒体辅助教学
利用GIS制作和自带的各种多媒体素材，再加上自带的各种地图和地理数据属性，可以制作出形象的多媒体课件[6]。在中学的世界地理中，利用分层技术制作多个图层介绍某一地区的位置、地形、自然带的分布、气候的分布、人口分布、旅游资源的分布图，再利用连接配以图片、文字说明、动画、影像资料等多媒体素材，全方位的向学生展示，从而实现课件的动态显示。利用GIS和多媒体辅助教学能够丰富课堂内容，激发学生的学习兴趣，从而培养和提高学生的空间想象能力和空间思维
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能力[5]。
（五）WebGIS共享性特点突出，有助于培养学生的空间观念
百度地图、谷歌地图的应用使得Web查询的教学非常简单，在搜索关键词中输入要查询的地址，然后点击搜索，就会出现要查询地的地图。可以使用地图窗口的工具来进行放大、缩小或拖动地图等操作。同时，WebGIS提供GIS路径分析功能，可以很方便查询起始地到目的地要乘坐的公交车站点。除了路径分析功能，WebGIS还提供其他空间分析功能，如周边环境分析功能等，在扩大地图的同时，可以很清楚的看到在目的地周围显示的各种信息，如图5所示。
以Google Erath的应用为例，美国谷歌公司推出的此软件具有强大的空间搜索功能，系统覆盖全球，具有二维和三维的地理特征。从Google Erath网站上可以浏览全球各大城市的细节影像，这对促进学生对数字地球概念的理解和掌握有很大的帮助，有利于拓展学生视野，激发学生的学习兴趣，培养学生的空间观念，建立良好的地理信息素养，促进学生的身心发展。另外Google Erath系统采用WGS84坐标系统，具有经纬网划分，可以借此介绍地图投影的有关知识。学生也可以课下自行在网上操作，加深对概念的理解，如图6所示。
图5 WebGIS查询 图6 Google Earth中的中国地图
综上所述，GIS强大的地图制作、处理和显示功能，对于突出重点、突破难点，帮助学生建立空间概念，培养学生空间能力，提高空间思维能力和辩证思维能力，培养学生正确的人口观、资源观、环境观及可持续发展观都是传统地图所无法比拟的，具有独特的地理教育功能。
三、GIS技术引入地理教学的形式
（一）思想观念的引入——“教”与“学”
建构主义是认知结构学习理论在当代的发展，它强调学生的巨大潜能，认为教学要把学生现有的知识经验作为新知识的生长点，引导他们从原有的知识经验中“生长”出新的知识经验[7]。建构主义认为学习过程是学生根据自己的经验知识，使当前的知识在自己大脑中的意义建构，它带有一定的“主观性”，不同学生由于学习体验和经验不同，学习的效果也不一样。因此，教学中学生的“学”比教师的“教”更重要。受传统教育学思维模式的影响，目前，大部分中学地理老师仍停留在课堂讲述为主的教学模式上，学生也只能依照教材，制约了教师与学生双方的思维。在地理教学中，教师应充分认识到GIS不仅是教师授课的工具，更应是学生建构的工具。教师在讲课过程中，应多加强课堂互动，对学生进行充分的启发，加强学生主观思维能力的训练，提高学生提出问题、解决问题的能力。
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认知主义理论认为，学习的基础是学习者内部心理结构的形成和改组，教学就是促进学习者内部心理结构的形成或改组。他们认为学习是内部认知变化的过程，与注重教学结果相比认知主义理论更加注重于学习的课程以及知识的形成。布鲁纳的认知发现说认为，学生是通过发行而主动的形成认知结构的过程。认知发现说强调学生学习的主动性，有利于培养学生独立思考。在我国新课程改革中也突出了对于学生学习主动性的重视。当学生能把新的教学内容与原有的认知结构联系起来的时候，才能成为有意义的学习。所以，在“教”与“学”的关系上，如同建构主义一样，都应注重学生的自主学习。GIS在地理教学中作为一种教学手段，其本身就是学习的过程和方法，符合认知主义的学习理论。GIS在地理教学中能提供培养学生操作和观察技能的有力支持。GIS在展现大量地理信息的同时能让学生进行分析和实践，有利于发现教学等认知教学策略在区域地理教学中展开。同时GIS以不同形式呈现的大量地理信息也能使学生更好地进行有意义的学习[8]。
（二）认知手段的引入——知识呈现的直观性
直观性教学时地理教学的最有效形式，而GIS最主要的功能就是直观性的表达出地理课程重点的知识元素和规律关系。通过直观形象的地图展示，学生可以很轻松的从整体掌握要学的知识。对地理学科来说，多媒体和国际信息网络集成下的GIS，既是地理教学内容的最好表现手段，也是地理能力和地理观念的最好实践途径[9]。
（三）探究思维的引入——利用GIS技术提高学生探究问题的能力
目前，地理教学方面存在以下问题：一是教师向学生提问多，而引导学生主动发问少，轻视甚至抑制学生发现问题、主动提问的思维和热情；二是提出“知识训练”型的问题多，而思维性、启发性问题少，量多质差的“满堂问”几乎成了变相的“满堂灌”。
地理教学的最终目的是培养学生的地理能力和地理观念，提高学生的探究能力。在地理教学过程中，应该借助GIS和多媒体教学结合体现出来的地理信息的多样性，引导学生对地理信息进行灵活的运用，从而加强空间能力，建立起空间现象的关联性。引导学生从已组建的知识中发现问题、利用自己的知识分析问题、解决问题，从而提高学生的自主探究的能力[10]。
探究型教学具有传统讲授无可比拟的优点：能培养学生的科学素质乃至提高全民的科学素养。在教学过程中，教师不要把现成的东西交给学生，而应促使学生动脑发现探索，对于发现的问题和探索的结论应由学生自己做，教师不能包办代替。教师的角色发生了变化，只是作为一个可以提供探究情景的人，而是把所以答案都告诉学生的老师。探究型教学法重视在教师指导下学生自由研究和自我批评，把探究作为对学生进行科学认知过程和科学方法教育的一个重要手段和途径。这种教学方法，目的在于尽量发展学生认知的可能性，发展他们对要掌握知识的探讨和创造精神。
探究型教学法能激发学生的兴趣，对地理教学而言，学生亲自探究地理问题，揭示事物之间的关系和规律，往往会形成一定的兴趣，兴趣是学习的源泉，是重要的心理品质。探究型教学法关注的是学生的学习过程，可以丰富学生的过程体验，增强独立思考能力，加深知识理解，洋葱实事求是的科学态度，对提高国民素质有基础性的意义。
四、GIS技术在现代地理教学中的发展空间
随着社会经济的不断发展，科学技术的不断进步，学校正在加大科技在课堂上的投入比重，多媒体设备也在不断的更新。但是很多中学地理老师只是很简单的运用课件讲授新课，并没有把GIS
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技术带入课堂。因为这是新技术，有的老师对于电脑只限于简单操作，运用GIS教学需要熟练地掌握GIS软件，而且教师教学任务量比较大，制作GIS教学内容时间比较紧张。因此，GIS要广泛的应用于教学，除了教师的GIS基础知识普及外，还需要GIS软件开发类可以有更多的资源可以让只掌握基础知识的人能迅速的完成需要教学的内容。如果在以后因为应用较多，而直接制作成和中学课本配套的GIS资源可以供中学老师交流情况下，GIS技术在地理教学中的应用会更加广泛。
五、结语
把GIS引入中学地理课堂教学，有利于优化课堂教学过程，增进课堂教学容量，提高课堂教学效率，可以帮助教师清晰展现地图空间思维的认知过程，使学生对地理事物的空间关系认识的更加直观、具体，有利于提高学生的认知水平和增强学生学习地理的内在驱动力。
GIS空间定位和空间分析功能、灵活方便的地图缩放，有利于培养学生的空间想象能力和提高学生的空间思维能力，有利于突出教学重点、突破教学难点。利用GIS地图学习，有利于培养学生“探究式”学习能力。学生的自主学习能力将得到发挥，有利于创新教育的实施。GIS技术有利于培养学生地理空间能力，培养学生地理信息素养，有利于端正学生学习地理学科的态度，通过接触现代地理科学的前沿科技动态，与时俱进。
参考文献：
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