運用遙感培養中學生的地理空間認知能力

摘 要:地理空間認知能力的形成和發展是中學生地理學科素養培養的重要方面，對其地理學習和地理問題解決具有重要意義。但是，當前中學地理教學中地理空間認知能力培養比較薄弱，學生地理空間認知能力較低。遙感具有多方面培養地理空間認知能力的優勢。因此，探討如何運用遙感培養中學生地理空間認知能力是非常必要的。本文在劃分地理空間認知能力構成要素的基礎上，分析了運用遙感發展中學生地理空間認知能力的優勢，探討并總結了運用遙感發展中學生地理空間認知能力的策略，以期為中學生地理空間認知能力的發展提供可操作的意見和建議。

關鍵詞:遙感地理教學地理空間認知能力

中圖分類號:G633.5文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(b)-0138-04

國內外學者十多年來的研究發現[1-4]，遙感能夠幫助學習者發展地理空間認知能力，解決相關地理空間問題，提高學習者的空間推理能力和空間思維水平。Kerski通過研究認為[4]，一個有效的地球系統教育方案應當格外關注學生空間認知能力的培養，以使學習者更好的理解空間格局、空間聯系和空間關系等概念。在研究分析使用遙感后學習環境如何影響學生的空間認知能力方面，德國學者Hassenpflug認為遙感可以發展學生的視空間思維能力[1]，包括用全視角、多光譜視角以及多時相視角去觀察我們生存的地理環境。因此，作為發展地理空間認知能力的工具之一，遙感有哪些獨特的優勢？基于地理空間認知能力的要素構成，教師應如何運用遙感發展學生的地理空間認知能力？這些都是值得深入探討的問題。

1 地理空間認知能力及其構成要素

空間認知能力是人類智能的一個基本維度，也是人類認知能力發展的重要方面;對于空間認知能力及其相關概念和思想的研究，是認知心理學研究的重要部分[5]。認知心理學家所研究的空間，僅僅限于小尺度空間，是指圖片或者小物體的空間，關注的是空間認知過程。而地理空間通常指大尺度的空間，關注“是什么”、“在哪里”、“為什么在那里”等現實地理環境下的空間問題，具有鮮明的區域特性。一般認為，地理空間認知能力是在地理空間認知的基礎上，認識自己賴以生存的地理環境的能力，包括分析、理解其中的諸事物和諸現象的相關位置、空間分布、相互關系，以及它們的變化和規律等方面的能力[6]。

地理學不僅研究地理事物的空間分布和空間特征，而且闡明空間差異和空間聯系，并致力于揭示地理事物的空間運動、空間變化規律[7]。因此，從地理學家的角度看，地理學中的空間定位不僅包括由不同視角看同一物體的能力，更重要的是判斷各種地理事物的空間位置及其相互之間的空間關系，以及對地理空間格局中要素排列狀況的理解與解釋。地理空間定位在閱讀地圖、分析地圖、航空照片等過程中起基礎作用，是理解和解決地理問題的起點。地理學中的空間視覺化包括地圖和剖面圖繪制、二維圖形和三維圖形轉換、不同投影方式轉換以及語言描述與視覺表征間的轉化[8]。地理學中的空間關系包括辨識空間分布、空間格局，分析各種空間現象及要素間的關聯，理解和運用空間等級、區域劃分，比較地圖或疊加、拆分地圖等方面的能力。心理學家主要關注空間定位和空間視覺化，而忽視空間關系分析，尤其是與空間活動密切相關的空間分布、空間形態、空間構成以及空間演變等方面，但這卻是地理學的重要方面[9]。

在中學地理學習與解題的過程中，學生要經常地運用到各種地圖、剖面圖、景觀圖、模式圖等，并借助圖形在腦海中建構或操作相關的心理表象。因此，地理空間認知能力的形成和發展會影響中學生地理學習和地理問題解決?？臻g認知能力的提高將有助于學生以空間的方式進行思考和實踐，從而對地理課程獲得更全面、更深刻的理解。由此我們認為，在中學地理教學中運用遙感進行地理空間認知能力培養，能夠體現現代地理學教育的價值。

2 遙感在培養學生地理空間認知能力方面的優勢

空間概念是地理學獨特的概念[10]，地理空間認知能力是地理學科特有的能力，也是中學地理課程的教學目標之一。它對于幫助學生學習地理知識、認識人地關系，解決地理問題等方面具有重要意義。但當前中學地理教學中對地理空間認知能力的培養針對性不強，教學效果不理想，學生的地理空間認知能力較弱，學習中遇到困難較多，已成為制約地理學習的瓶頸。研究證明，遙感具有多方面培養學生地理空間能力的優勢[11-13]。因此，在中學地理課堂教學中，如何運用遙感強大的視覺化、空間化特性發展中學生的地理空間認知能力，成為地理教學中亟待解決的問題。運用遙感發展中學生地理空間認知能力的獨特功能，具體表現在以下兩個方面。

2.1 遙感的地學分析特性有助于提高學生的空間分析和推理能力

遙感地學分析是建立在地學規律基礎上的遙感信息處理和分析模型，是結合物理手段、數學方法和地學分析等的綜合性應用技術和理論。運用遙感地學分析功能進行探究活動，特別是通過對遙感信息的處理和分析，會提高學習者地理空間分析能力，獲得能反映地球區域分異規律和地學發展過程的有效信息等[14]。在遙感圖像解譯和分析中，學習者必須明確不同地物或地貌特征的解析標志或光譜特性，并確定地物之間的空間關系，這一過程會提高學生的空間推理和判斷能力。

遙感地學分析包括了傳統地學分析方法支持下的遙感信息地學分析、GIS支持下以地學輔助信息和遙感信息相結合的遙感綜合地學分析以及人工智能理論和方法支持下的智能化遙感信息處理和分析等。運用遙感可以很容易的對基本空間屬性進行表達，地學相關信息的提取更加容易且準確。因此，運用遙感進行地理教學，可以使學生對地理信息進行辨識、提取、表現和傳輸，分析不同地物的地理空間特性和空間演化過程，理解和解釋地理事象的生成背景，認識其本質，推測其未來發展狀況，提出空間決策，從而促進學生空間分析和空間推理能力的發展，提高學生解決地理空間問題的能力。

2.2 遙感的直觀可視化特性有助于提供學生解決空間問題的多種視角

可視化是重要的認知行為，是人類發展心理表征的能力?？梢暬梢源龠M科學問題的發現，導致問題可以更快、更有效的解決。因此，為了最大限度提高可視化水平，發展學生的視覺思維能力，應該給學習者提供分析、綜合、改變視角和尺度、多角度比較地表地理現象和過程的機會。遙感圖像可真實、客觀的觀察到廣闊的地域空間和地物，了解其分布特征、相互間的聯系和規律;遙感系統具有動態表征、多重顯示、數據變換與虛擬現實等視覺化特征，可以使學生有不同類型的知覺經驗，為學生提供不同的解決問題視角和方式，這使遙感成為發展學生空間思維、提高地理空間問題解決能力的有效工具之一。運用遙感的直觀可視化特性解決問題的視角主要有以下幾個方面:

第一，通過遙感的直觀視覺化可以用不同的視角和方式表征地物空間信息，使學生關注問題的不同方面，提高學生的空間能力;利用遙感圖像處理可以選擇提取與任務相關的特征信息而抑制不相關信息，使得使用者能夠比較地理空間內部格局，使得看似模糊、不相關的信息彼此關聯。

第二，通過遙感的直觀視覺化可以對不同的數據提供不同的表征方式。遙感技術構筑了對地觀測的多層空間、多波段、多時相的探測網絡，并從地理空間、光譜空間和時間等維度提供地球表面的五維信息，使學生可以全面觀察和分析問題[15]。而且，遙感圖像富含多種地理空間信息，各種不同的地物空間表征相組合，讓學習者通過探究不同地物的地學特征可以獲得更高水平的理解。

第三，三維視覺化技術和動畫可以利用遙感影像結合數字高程模型(DEM)模擬現實空間三維地形，使學習者可以更加迅速的認識、理解地球表面不同地理事物之間的空間關系。遙感影像還能夠提供給我們最近時期地球表面某區域變化的數據。如，運用不同時期的遙感影像比較獲得某區山體滑坡、冰川、火災以及城市增長等環境變化的信息，并借助三維動畫技術動態模擬，使學習者在真實的感受中體驗地理事物發生變化。

3 運用遙感培養學生地理空間認知能力的案例分析

本課運用遙感探究安徽省省會合肥市近20年來城市擴展演化過程和土地利用格局時空變化特點，以及其與各種驅動力和影響因素之間的關系，探討遙感運用對學生地理空間認知能力的影響。本教學案例的遙感圖像處理過程參考文獻[16]完成。

教學任務一:運用遙感探討合肥市近20年來城市擴展演化過程，認識該市土地利用格局時空變化特征。

首先，選擇數據源并借助遙感圖像處理軟件進行遙感數據的處理。所用遙感數據是1987年、2000年TM/ETM+和2006年CBERS共3組數據。其它輔助資料為合肥市1∶5萬地形圖、合肥市行政區劃圖等基本圖件，以及合肥市社會經濟調查統計數據、合肥市統計年鑒等資料，并利用這些圖件輔助進行遙感資料的糾正及分類處理。通過數據預處理和圖像增強，結合合肥市的本底基礎數據庫和Google Earth數據，教師可以建立合肥市土地利用分類解譯標志，并對3個時期的遙感圖像進行人機交互解譯，從而生成合肥市1987年、2000年和2006年3個時期土地利用分類結果圖。

在這一過程中，學生運用遙感信息進行主動探究，學生通過觀察可以比較合肥市在不同時期的城市城鎮用地面積和土地利用格局特點，發現城市擴展演化的過程以及土地利用格局的時空變化，這時，要鼓勵學生思考他們所發現的變化特點的成因及結果。

教學任務二:運用遙感探討合肥市近20年來城市擴展演化過程和土地利用格局時空變化的原因。

通過對合肥市1987年、2000年和2006年3期遙感解譯圖的比較，引導學生思考合肥市近20年來城市擴展演化過程和土地利用格局時空變化的原因。讓學生分析這些變化與政策、城市化進程、人口增長以及交通條件之間的關系，探尋其變化的主要驅動影響因子。在這一過程中，學生會發現合肥市近20年土地利用的劇烈變化在數量上主要表現為建設用地的不斷增長和耕地面積的持續減少，這時教師可以使用量測功能(如ERDAS IMAGINE中Measure Areas命令)計算出不同土地利用類型在數量上變化的絕對值，從而可以方便解釋并能夠使學生關注課程的內容和目標。

教學任務三:運用遙感探討合肥市土地利用格局時空變化特點對未來城市空間發展布局的影響。

對合肥市1987年、2000年和2006年3期遙感解譯圖進行數據疊加顯示(如可以使用ERDAS IMAGINE中的Blend混合顯示工具和Swipe卷簾顯示工具)，讓學生透過疊加圖層分析土地利用格局時空變化特點對未來城市空間發展布局的影響。在學生運用遙感進行探究的過程中，引導學生思考合肥市近20年土地利用格局時空變化特點與未來城市空間發展布局之間有何關系，要求學生綜合概括合肥市土地利用格局時空變化特點對未來城市空間發展布局的影響。并進一步讓學生總結和推想合肥市未來的城市空間發展格局，培養空間想象能力和發散思維。

本節課在遙感技術這一空間思維工具的支持下，學生的地理空間認知能力不斷發展。首先，在這一過程中，學生運用遙感圖像處理軟件自己動手探索和分析數據，基于空間思維過程來回答問題，這一過程包括觀察、創造性發現、提出問題、提出假設、獲得答案等幾個方面。這樣，學生獲得了自主探究和得出結論的機會，體驗了學習過程，而不是被動接受和傳述信息，也不是由教師提供“標準答案”，從而促進地理空間思維的發展。其次，運用遙感進行地理教學，更加關注描述和解釋地理空間格局，更加重視地理空間關系的推理和表征，并尋求多方面的解釋，使學生的空間知識和空間認知能力不斷深化和發展。在這一過程中，復雜的空間關系和空間格局變得容易理解，而且在具體的情境下解決特定問題，符合學生的認知發展水平和需要。當然，以上教學任務的完成需要教師幫助下的細心指導和鼓勵。

4 運用遙感培養地理空間認知能力的教學策略

通過上面的案例分析可知，遙感作為解譯和分析工具，在培養學生的地理空間思維能力、空間實踐能力和建立區域地理思想方面具有重要作用。地理教師在教學設計時要充分發揮遙感的這些優勢，為發展學生的地理空間認知能力創造適宜的教學環境。其教學策略主要有如下幾個方面:

(1)注重遙感影像對比，探究地理要素間的關系。遙感影像對比是一種綜合，是一種聯系，體現了一種因果關系規律，通過遙感影像對比可以培養學生分析地理空間關系的能力。地理教學中，應當注重運用不同時期和時相的遙感影像，對比不同空間現象之間的異同，讓學生在視覺上驗證對比過程和效應，從而探尋各種地理要素和現象間的空間關系及其演化，從而可以找出形成差異的原因。如在學習海岸變遷的單元內容時，教師可以展示兩個或多個年代的區域海岸帶遙感影像，通過遙感影像對比來比較海岸變遷的過程和差異。

(2)模擬空間現實，理解地理空間關系。不同地理空間要素之間應該有他們之間的邏輯關系。運用遙感軟件系統(如ERDAS IMAGINE或ENVI)對現實世界的空間關系進行模擬，結合DEM可以建立三維模擬物象圖，并對圖像進行縮放和進行信息查詢，使空間分布的地物屬性信息可視化。這就令學生對地理事物之間的屬性關系有一個空間概念，并可在進一步的學習中，根據問題進行坐標點查詢、面積范圍查詢和線路查詢，從而幫助學生建立空間判斷、推理和想象能力，順利解決地理空間問題。

(3)實現二維與三維圖像轉換，增強表現力。傳統的地圖表征以二維為主，用抽象的符號表示復雜的地理事象，是造成學生感知理解地圖困難的主要原因之一。運用遙感圖像處理系統將平面二維圖像轉換成立體圖像，可以增強地理事象的直觀化與形象化，從而有助于學生對地理問題的理解和應用。如在地形中，可利用數字高程模型(DEM)創建模塊，賦予高程值，再與遙感影像配準校正，并在空間疊置操作的基礎上進行可視化表達處理，便可展示出某座山峰的三維立體影像，可以直觀地觀察山峰、山谷、山脊、鞍部、陡崖等多種地形地貌。由此再結合地圖進行等高線地形圖判讀學習，就會極大地提高教學效率。

(4)培養遙感圖像處理操作和軟件應用能力，發展空間想象能力。在地理教學中，要教會學生運用遙感軟件操作對遙感數據進行簡單處理。通過軟件操作學習，不僅可以增加學生應用計算機的能力，而且可以鍛煉學生整合信息的能力。遙感圖像處理的過程需要對多源地理空間數據進行整合、分析和表達。這一過程中，學生的思維處于積極狀態，學習者要在大腦中視覺化地理事物的空間結構、形狀，從而實現真實地理事象和遙感影像之間的轉換。

(5)注重地物辨別，尋求地物間的空間關聯。在運用遙感進行教學時，通過遙感影像上目標地物的八要素(大小、形狀、陰影、色調、顏色、紋理、圖案、位置)，可以要求學習者比較幾個不同的地物的光譜特征，通過對各個不同地物信息的抽取、結合、比較，認識和分析各地物信息要素之間的空間相互關系，從而認識地理事物的空間分布和空間格局，并解釋分布特征和格局的成因，培養了學生從遙感影像中獲取間接信息的能力。

5 運用遙感培養中學生地理空間認知能力的建議

第一，對地理教師進行遙感運用方面的培訓。有針對性的培訓是成功運用遙感進行空間能力培養的基礎。職前和在職教師都應該進行遙感圖像處理技能培訓，重點進行如何在課堂中有效運用遙感進行教學的培訓，要把遙感運用技能和地理課程內容結合起來。目前，大多數的遙感培訓項目主要是“關于遙感”的教育，如操作菜單、按鈕、工具包，進行平移或拖放、波段組合、輸出結果等。對于如何在課堂教學中運用遙感進行有效教學，如何將遙感與地理課程內容結合等方面，則沒有有效的培訓項目。結果，大多數教師和學生不能很好地運用遙感進行地理空間認知能力的培養。

第二，現行的遙感圖像處理軟件(如ERDAS IMAGINE、ENVI等)版本是為專家設計和使用的，多數軟件不適合中學教師和學生直接使用。故應當對用戶界面進行簡化，二次開發新的適應中小學教育需要的軟件系統。新的系統應當具備簡單易學、靈活和操作便利的特點，能夠提供直接反饋，最好可以根據不同年齡段的中學生設計，使其更加具有吸引力。

第三，開發具有挑戰性、高質量的遙感應用課堂學習模式。運用遙感對中學生進行空間認知能力培養還需要課程支持，因此需要開發具有挑戰性、高質量的遙感應用課堂學習模式。目前，我國中學課程中還沒有這種模式，而且對這種模式的研究也比較少。盡管已有像ERDAS、ENVI等這樣強大的支持空間能力發展的遙感圖像處理軟件和工具存在，但是并沒有對地理課程及其他材料進行設計，以發展學生的地理空間認知能力。因此，還需要系統的開發國家空間認知能力標準，為中學教師和學生提供努力方向和評估標準，以有效指導課程中地理空間認知能力的教學。

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