Google Earth在水文類課程教學中的應用

危潤初 盛豐 諶宏偉 張貴金 彭向訓

摘要：Goolge Earth是基于三維地形和遙感技術的地球模型，其具有三維顯示、多尺度視角、海量影像庫、歷史影像展示等特點。在水文類課程教學中應用Goolge Earth軟件輔助教學能夠實現地形地貌的三維演示、水文演化過程的動態演示、人類活動與水文環境效應展示以及水文循環過程的直觀圖解等。這不僅能夠將“野外現場”帶進課堂，彌補野外實踐教學課時的不足，同時能夠借助Goolge Earth豐富的素材庫向學生展示各類水文素材，從而激發學生的學習興趣，提高教學效果。

關鍵詞：Google Earth;水文;課程教學;輔助應用

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）21-0290-03

水文類課程包括“水文學原理”“地下水文學”“工程水文學”等相關課程，涉及水文與水資源工程、水利水電工程、土木工程等多個專業的專業基礎課。水文類課程主要讓學生學習自然界中水體形成、分布、變化、運動以及水與環境要素相互作用的知識，主要內容包括水文循環、水文地貌、水文測驗、水文計算等，是理論與野外實踐高度結合的課程類，該類課程一般開設于第二學年。雖然大部分專業學生都完成了專業認知實習，但總體來說大部分學生仍然缺乏對野外的直接認知，給水文類課程教學帶來了一定困難。Google Earth是目前世界上最成熟的三維地球仿真軟件。近5年來，筆者所在課程團隊將Google Earth 軟件應用于水文類課程教學，將課堂教學內容與野外實地場景無縫連接，給學生提供了與水文學相關的虛擬現實場景，增加了學生的現場感，取得了很好的教學效果。

一、Google Earth 數據簡介

Google Earth最早由Keyhole公司開發。2004年Google公司收購Keyhole公司，并于2005年推出了Google Earth系列軟件[1]。Google Earth軟件將衛星影像、航空影像、道路信息等數據集成，并融合地形數據，從而形成一個信息豐富的三維地球模型，用戶通過客戶端軟件，能夠全方位、立體瀏覽全球各地的地面影像[2-3]。Google Earth衛星影像部分來自美國DigitalGlobe公司的QuickBird（快鳥）商業衛星與EarthSat公司，航拍部分的來源有BlueSky公司、Sanborn公司、美國IKONOS及法國SPOT5。其中SPOT5可以提供解析度為2.5米的影像，IKONOS可提供1米左右的影像，而快鳥能夠提供最高為0.61米的高精度影像，是全球商用的最高水平[4]。

二、Google Earth在水文類課程教學中分類應用

水文類課程相關專業學生在學習水文類課程之前，地學類知識基礎不一，為此自2014年起本課程組引入Google Earth輔助教學。在講解水文類課程的緒論部分時，我們就向學生展示Google Earth軟件，在課堂上演示使用，要求他們在自己電腦上安裝并完成相關作業，如“利用Google Earth軟件繪制家鄉主要河流水系圖”。通過積極引導，學生對Google Earth產生了濃厚興趣，在后續課程中Google Earth就成了教學的重要輔助工具。根據近五年來的教學經驗，筆者將Google Earth在水文類課程教學中的應用歸納為4大類，下面對各類型進行介紹并附以實例說明。

（一）地形地貌的三維演示

水是大自然的“雕塑師”。在水文類課程的教學過程中，不僅有直接涉及地形地貌的教學內容，如“流域”“河流”“湖泊”等，同時在某些特殊水文過程的講解時，會涉及特定的地貌類型，如“巖溶”“冰川”等。Google Earth是在NASA 生產的SRTM全球數字高程數據的基礎上進行的三維建模，并在此基礎上進行遙感圖像的三維顯示，效果逼真。通過Google Earth，可以調整視角高度從而獲得不同的觀察尺度，也可調整方向為學生提供全方位演示。

【示例】“地下水文學”第一章第四節：巖溶水

巖溶水是一種特殊的地下水類型，如果沒有見過巖溶，很難真正理解巖溶水文過程機制。借助Google Earth引領學生深入巖溶區（圖1），切身感受巖溶地貌及其影響下的水文過程，增加其現場感，從而提高學習興趣和效果。

（二）水文循環過程的直觀圖解

水文循環是通過降水、蒸散發、下滲、地面徑流與地下徑流等環節進行的水量和能量交換，這些過程對于學生來說具有一定的抽象性，尤其是一些特殊的水循環現象，在缺少現場經驗的情況下學生很難理解其內在機制。利用Google Earth輔助教學能夠很好地解決這些問題，它不僅能夠為學生提供全尺度的水循環圖景，讓學生能夠從宏觀上去理解各種水循環模式的內在機理，而且能夠讓學生思考世界不同地區的水文情勢差異，培養其國際視野。

【示例】“地下水文學”第三章：地下水的補給、徑流與排泄

在講解此章時，引入河西走廊這一具有歷史感的實例，為學生展示地下水的特殊魅力（圖2）。通過Google Earth演示，為學生形象地展示河西走廊典型的“雪山—河流—洪積扇—泉群—河流—地下水”循環模式。這不僅能夠讓學生深刻理解地下水補給、徑流及排泄，同時也讓學生對河西走廊水與人類的關系有更深刻的思考。

（三）水文演化過程的動態演示

水文過程從本質上說，就是水在地球系統周而復始的運動過程，深刻理解這種運動過程對學生全面把握水文機理具有重要作用。傳統的教學手段很難從宏觀上給學生直觀展示某條河流或流域宏觀上的時空變化，而Google Earth的“歷史影像”能夠提供不同時期的影像，這為水文類課程教學提供了非常便利的條件。

【示例】“水文學原理”第十一章：河流泥沙

在講解此知識點時，借助Google Earth“歷史影像”功能，給學生展示典型河流不同時期影像（圖3），讓學生深刻理解河流泥沙與降雨的關系、河口三角洲與泥沙淤積關系等知識點，提高了教學效果。

（四）人類活動與水文環境效應

水作為地球上最活躍的環境因子，持續影響人類賴以生存的自然環境。理解水文過程與人類社會的關系是水文類課程的重要教學目的之一，是培養學生運用水文學理論去解決水災害問題能力的重要基礎。運用Google Earth向學生展示各類水文相關環境問題，不僅能夠加深學生印象，促進學生對知識點的理解，同時也能夠引導學生從更宏觀的角度去思考水文相關環境問題的發展及人類活動對環境問題發展的影響。

【示例】“水文學原理”第二章第三節：水量的平衡

在講解此知識點時，引入乍得湖實例（圖4），構建湖泊水均衡方程，這不僅能夠加深學生對“水量的平衡”知識點的理解，體會人與自然之間的互饋關系，同時也能直接提高學生的國際化認知，直面全人類面臨的國際化問題，思考作為國際公民一員的我們應該承擔的國際責任。

圖4 乍得湖面積變化（1984-2018）

三、Google Earth在水文類課程中輔助教學的優勢分析

Google Earth作為現代遙感技術、信息技術的綜合成果，其在教學過程中的應用具有獨特的優勢：（1）提供高度仿真現場模擬，彌補野外實踐教學課時的不足?；?D地形顯示與遙感技術的Google Earth本質上為高度仿真的三維地球模型，能夠從不同尺度給學生展示特定的地理對象，使其有身臨其境的感覺，從而彌補野外實踐教學課時的不足;（2）Google Earth為水文類課程的教學提供了豐富的素材庫。Google Earth的數據庫幾乎囊括了地球各個角落不同歷史時期的影像，這為水文類課程的教學提供了非常豐富的素材庫。從水文類課程的客觀需求來看，在教學過程中可以重點挖掘水文地貌、地質土壤、地形、氣象、環境、土地利用等素材來支持課程教學;（3）有效培養學生的宏觀思維和整體觀念，提高時空邏輯能力。水文學的學習需要有較強時空邏輯能力，能夠用系統的觀點去思考水文過程，而很多學生在這個方面的能力不足。運用Google Earth引導學生分別從全球尺度、洲際尺度、流域尺度去探究水文循環過程及相關水文現象，能夠有效培養其宏觀思維和時空邏輯能力;（4）Google Earth的全球視角，有利于國際化視野的培養。近年來，中國企業積極落實國家“一帶一路”倡議，逐步加大國際化經營。這要求我國高校工程類專業人才的國際化視野培養要有新的高度[5]。運用Google Earth輔助水文類課程教學，能夠從全球視角為學生講解水文學基礎理論，同時教學素材和案例也源自不同國家和地區，這就在無形中培養了學生的國際化視野。

四、結論與建議

Google Earth是高度仿真的地球模型，其具有三維顯示、多尺度視角、海量影像庫、歷史影像展示等獨特優勢。在水文類課程教學中應用Google Earth軟件輔助教學能夠實現地形地貌的三維演示、水文演化過程的動態演示、人類活動與水文環境效應展示以及水文循環過程的直觀圖解等，這不僅能夠在將“野外現場”帶進課堂，彌補野外實踐教學課時的不足，同時能夠借助Google Earth豐富的素材庫向學生展示各類水文素材，從而激發學生的學習興趣，提高教學效果。此外，在運用Google Earth開展教學的過程中，能夠有效培養學生的宏觀思維和整體觀念，提高時空邏輯能力，拓展其國際化視野。水文學是一門綜合性學科，其涉及地理學、地質學、氣象學等多個學科，在運用Google Earth輔助教學時，可以根據不同專業的課程設置情況開展課程聯動，做到循序漸進、層次分明。

參考文獻：

[1]王潤生，熊盛青，聶洪峰，等.遙感地質勘查技術與應用研究[J].地質學報，2011，85（11）：1699-1743.

[2]鄭澤忠，范東明，李玉霞，等.多種對地觀測技術及Google Earth 技術應用于土地利用/ 覆被變化建庫[J].地球物理學進展，2008，（4）：1326-1331.

[3]黃琪，張宗毅.基于Google軟件的農地區高程獲取及精度評價[J].測繪通報，2015，（2）：51-54.

[4]劉曉，鄭家文，張照錄，等.Google Earth 在遙感地質教學中的應用[J].中國地質，2017，26（2）：52-55.

[5]馬臻，張士成，楊新.在通識教育背景下培養具有國際化視野的研究性人才[J].中國大學教育，2015，（06）：18-20.

Abstract： Google Earth is a model of the earth based on three-dimensional terrain and remote sensing technology. The application of Google Earth in Hydrology Teaching can help to display three-dimensional topography and landform， hydrological evolution process and response of hydrological environment to human activities， which not only brings the field into the classroom and makes up for the shortage of field practice， but also shows all kinds of hydrological materials to the students so as to stimulate students' interest in learning and improve the teaching effect.

Key words： Google Earth; Hydrology; teaching; auxiliary application