3S技術在中學地理教學中的應用與展望

龔紹琦

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.036

摘? 要 敘述3S技術發展現狀，闡明3S技術應用在中學地理教學中的重要性，指出存在的問題，對加強3S技術應用進行展望，以期為促進中學地理教學信息化提供理論指導。

關鍵詞 3S技術;中學地理;核心素養;地理實踐力

中圖分類號：G633.55? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）21-0036-04

1 引言

早期3S技術是遙感（RS）、地理信息系統（GIS）和全球定位系統（GPS）的總稱。隨著世界各國衛星導航定位系統（GNSS）的發展，3S主要是指RS、GIS和GNSS，具有對地理空間數據綜合獲取、管理和定位的功能，在國土、海洋、氣象、環保、農業、交通、軍事等領域有廣泛的應用，帶來巨大的社會效益和經濟效益，改變了人們的生活和工作方式，受到世界各國政府的高度重視并被大力發展。

3S技術作為一種現代信息技術，改變了傳統地理學的研究方法和表現形式，成為解決地理空間問題的重要手段和關鍵技術，推動了現代地理學的發展，由此給地理學的教育內容和教學方式帶來一定的變革和影響。隨著信息化進程的不斷推進，3S技術被逐漸應用到中學地理教學中。

2001年6月，教育部頒發《基礎教育課程改革綱要》，提出“在課程的實施過程中，加強信息技術教育，培養學生利用信息技術的意識和能力”的要求，并且要“大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，促進信息技術與學科課程的整合，逐步實現教學內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革，充分發揮信息技術的優勢，為學生的學習和發展提供豐富多彩的教育環境和有力的學習工具”。此外，《全日制普通高中地理課程標準》也指出：“強調信息技術在地理學習中的應用。充分考慮信息技術對地理教學的影響，營造有利于學生形成地理信息意識和能力的教學環境。”因此，將3S技術引入中學地理教學是現代地理教育發展的需要，也是基礎教育課程改革以及教育技術現代化的必然趨勢。

2 3S技術發展現狀

RS技術發展現狀? 自20世紀60年代美國發射太陽同步氣象衛星以來，遙感技術突飛猛進，取得長足進步：遙感圖像由早期的定性分析發展到當前的定量反演;遙感的探測波段從多光譜到具有2000多通道的高光譜，光譜范圍覆蓋了紫外、可見光、近紅外、熱紅外和微波波段;遙感的工作方式從以前的被動遙感發展到主動遙感;遙感平臺也逐漸多樣化，由早期的衛星平臺和航空平臺到航天飛機、無人機以及地面平臺;遙感圖像的性能不斷提高，高空間、時間、光譜和輻射分辨率的遙感數據越來越多;遙感觀測的對象不再局限于地球，對月球的遙感探測、發展“太空經濟”成為世界各國的新一輪熱潮，甚至開始了對火星的遙感探測。

遙感技術的進步，不僅體現在遙感探測能力和水平方面，在遙感數據處理技術方面也發展很快，面對海量的遙感數據，遙感信息處理的智能化、數據獲取的動態化和實時化、遙感應用的網絡化以及遙感工具的實用化已成為遙感技術發展的趨勢。由此也衍生了遙感信息的產業化發展，國內外新型的商業遙感公司不斷誕生，如美國數字地球（Digi-

talGlobe）公司、天空盒子（SKY BOX）公司、行星實驗室（Planet Labs）公司，歐洲的空中客車防務與空間公司[1]，國內的北京二十一世紀空間技術應用股份有限公司、長光衛星技術有限公司、中國四維測繪技術有限公司、珠海歐比特宇航科技股份有限公司等都發射高空間分辨率的小衛星，可向政府和企事業單位出售高分辨率的遙感數據，預計全球遙感數據市場可達到九萬億美元的收益甚至更高[2]。

GIS技術發展現狀? 國際GIS萌發于20世紀60年代，我國GIS建設稍晚，開始于20世紀80年代初。GIS具有地理空間數據采集、空間數據管理、空間數據處理以及空間地理信息服務等功能。GIS已經在城市規劃、國土管理、交通運輸、國防建設、設施管理、環境保護、電力、水利、農業、林業等眾多行業得到成功應用，并逐漸應用到電信、商業、旅游以及大眾信息服務業等領域。GIS無論是技術開發，還是理論建設，都取得長足進步。新型GIS向著WebGIS、

組件GIS、移動GIS、三維GIS、時空GIS、高性能GIS和云GIS方向發展[3]。隨著GIS技術的發展，以地理信息資源開發利用為核心的地理信息產業日益興盛，成為世界各國爭相發展的新興戰略產業。

2014年，《國務院辦公廳關于促進地理信息產業發展的意見》（國辦發〔2014〕2號）印發，國家發改委和國家測繪地理信息局聯合發布《國家地理信息產業發展規劃（2014—2020年）》，我國地理信息產業出現良好的發展機遇。2017年，全國具有測繪地理信息資質單位突破1.8萬家，從業人員數量達到46萬人，產業總產值預計超過6200億元，年均增長速度超過20%。地理信息產業的蓬勃發展也促進了地理信息科學的發展以及高校人才培養的需求[4]。

GNSS技術發展現狀? 自1957年蘇聯發射第一顆人造衛星，人們就開始了利用衛星輔助導航的科學設想。美國于1958年開始研制子午儀衛星導航系統，并于1967年開放民用定位、導航和測量服務。蘇聯于1965年開始建立圣卡達衛星導航系統。美國建立了世界上第一個用于導航定位的全球定位系統GPS，經過幾十年的發展和完善，成為全球星座組網最完善、定位精度最高、用戶數量最多的衛星導航系統[5]。此外，俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo）、我國的北斗衛星導航系統（BDS），以及區域增強系統如日本準天頂衛星導航系統（QZSS）、印度區域衛星導航系統（IRNSS）也在不斷發展和完善。新一代GNSS不僅具有導航、定位和授時功能，還能提供全天候、全球覆蓋、高時間分辨率的L頻段（1～

2 GHz）的微波信號，根據信號在大氣折射和地表反射的延遲，可以遙感反演大氣溫度、濕度、壓強、電離層電子總量等，海洋表面高度、海風、海冰、鹽度等，陸地表面土壤水分、積雪深度、植被高度、地形等參數[6]。GNSS作為一種新型遙感手段，在資源與環境監測中具有重要的應用前景。

3 3S技術應用在中學地理教學中的重要性

激發學生地理學習興趣，培養學生地理信息技術素養? 由于地理學知識、現象和規律很抽象，需要學生充分發揮空間想象力，往往會使得地理學習枯燥乏味。在地理教學過程中引入遙感影像，并在GIS中可視化甚至是虛擬的、三維可視化，將大大增強地理內容的表述性;若加上GPS獲得的地理位置信息，可隨時查詢圖像上的地物屬性。

比如教學“大氣運動、海水運動”，可利用高時間分辨率的靜止氣象衛星圖像來制作動畫特效，反映大氣和海水的運動軌跡、發生強度和范圍，使學生生動、形象、直觀和真實地感受大氣和海水的運動規律和特點。又如，學生在野外地理實習時攜帶遙感影像地圖，不僅可以觀察地形地貌的影像特征，還能實地感受地形地貌分布的真實特點。此外，還可以利用GPS記錄野外考察的路徑。通過這樣的教學活動，培養學生學習地理的興趣，同時讓學生感受到3S技術強大的功能，增進對3S技術的熱愛，確立將來在高等教育學業和職業上選擇地理空間信息技術的意向，為高等學校3S技術人才培養提供優質的生源。

豐富地理教學內容，改變地理教學方式? 中學地理主要介紹地球表層自然、人文和區域環境要素的空間分布、演變格局、人地關系等內容，涉及區域大尺度乃至全球范圍的地理現象。傳統的地理教學主要是文字描述，輔以地圖冊或掛圖展示，教學內容有限又單調，不利于教師深入講解，學生理解不深入，學習變得沒有興趣。3S技術承擔了良好的地理信息載體作用，將3S技術引入地理教學，可以對教學中的每個地理知識點從遙感影像中得到說明和體現，并在GIS中無限縮放、動態顯示，以及地理空間分析演示。比如在介紹“交通運輸布局”時，由于鐵路和公路能在超高空間分辨率遙感影像上顯示出來，因此可在遙感影像上給學生展示交通網絡的分布、城市群落的情況。此外，還可以在GIS中利用GIS的網絡分析功能進行最優路徑分析，利用GIS的緩沖區分析功能對城市火車站和汽車站、鐵路和公路沿線經濟輻射區域進行影響分析。通過這樣的教學，極大地豐富了地理教學內容，增強了學生學習地理的興趣。

傳統地理課堂教學主要是教師講、學生聽的模式，教師注重文字的推理和講解，輔以板書為學生繪制一些簡單的地理示意圖。這種教學方式使學生和教師之間的互動交流很少，很難調動學生參與課堂教學活動的積極性，學習效果不理想。引入3S技術后，可先讓學生在GIS中觀察遙感圖像，從圖像中發現地理現象，然后進行分析和討論，最后由教師系統地講解教學內容。這樣可以激活學生的認知，優化課堂結構，使學生實現從感性認識到理性認識、再上升到理論和規律性知識的認知過程，培養地理核心素養。

增強學生對地理知識的理解，培養學生的探究能力? 在地理教學中，針對教學內容中的知識點，充分利用3S技術的強大功能，制作相應的教學案例和素材，有效地幫助教師降低地理教學的難度，有助于學生深刻地理解地理學知識。比如在介紹“人口的變化”時，可用城市夜間燈光的遙感圖像來說明人口數量和分布情況，因為夜間燈光的強弱間接反映了人口數量的多少。此外，還可以在GIS中直接顯示各個地區人口數量的分布特征。通過這樣的教學案例，激發學生對新事物的好奇心和求知欲，拓展學生的想象力和空間思維，培養學生對地理問題的探究能力。

4 在中學地理教學中應用3S技術存在的問題

中學師生的信息素養不高? 進入21世紀以來，我國信息技術得到普及和廣泛應用，教育信息化程度不斷增強，在中小學開設信息技術課程，但中學師生信息素養的整體水平亟待提高。首先，高性能計算機硬件設備不足、區域差異明顯。由于3S軟件對計算機配置要求比較高，盡管一些經濟較發達地區的計算機硬件設備已初具規模，但經濟欠發達地區的硬件設備仍相對不足，尤其是偏遠農村，可用的計算機數量有限，不利于教師和學生對3S軟件的使用。其次，師生對信息技術認識不足，教學效果不明顯。由于中學生課業重、升學壓力大，開設信息技術課只限課堂理論學習，課外實踐操作少，學生計算機軟件操作能力低，勢必影響3S軟件在中學地理教學實踐中的應用。

中學地理教學中3S的配套設施不完善? 目前，中學地理教學中3S基礎設施不夠完善，主要表現在3S軟件和配套教學數據兩方面。RS主流的商業遙感軟件有ENVI、ERDAS、

PCI等，GIS軟件有ARCGIS、MAPGIS等，GNSS軟件有Ber-nese、GAMIT等。這些軟件功能強大，但操作復雜，大多是英文界面，GNSS軟件還需要在Linux系統下操作，不利于中學教師和學生使用，缺乏適合中學地理教學使用的3S軟件。此外，與中學地理教學相配套的3S數據和素材十分缺乏，盡管現在3S技術帶來海量的地理大數據，出現了信息過剩的問題，但中學地理教師要找到適用于教學案例的經典數據和素材，需要花費很多時間和精力，給他們帶來很大的負擔。由此可見，當前中學地理教學中3S配套設施還不完善，限制了3S技術在中學地理教學中的應用。

中學地理教師3S知識和技能缺乏? 當前很多高校都開設了GIS和RS專業，并且相關專業的教學計劃中都有GNSS的課程，但由于3S技術在我國起步比較晚，在中學一線開展地理教學的教師中真正精通3S技術的人還很少，大部分教師缺乏3S知識和技能。調查表明，中學地理教師僅6.67%的人具備GIS專業知識，而近80%的教師有所了解或基本不懂[7]。因此，當地理課堂上遇到3S教學內容時，教師往往照本宣科，很難對3S的內涵、發展現狀和應用前景展開說明，勢必影響預期的教學效果，更談不上3S技術在地理教學中的應用。潘立新和黃成林曾對安徽省128所中學關于3S在地理教學中的應用情況進行調查，發現很少甚至沒有涉及3S技術。當地理高考中出現有關3S的題目時，就會出現很多教師都回答不出的現象，更不用說學生了[8]。中學地理教師3S知識和技能的缺乏，成為制約3S技術在中學地理教學中應用的主要因素。

5 在中學地理教學中應用3S技術展望

加快中學地理配套設施建設? 針對當前中學地理教學中3S設施不完善的問題，首先，各級教育主管部門和學校領導應重視信息技術在地理教學中的作用，積極改善教師辦公的計算機設備條件，配置有利于3S軟件運行、足夠數量、便于學生實習的計算機機房，提高學生的計算機水平和信息素養。其次，建議教育主管部門牽頭，委托國內知名地理信息產業公司開發面向中學地理教學的3S綜合應用軟件，實現對遙感圖像、地理信息數據、衛星導航數據的基本操作，做到簡單、易學易用，以便于中學地理教師制作課件和學生實習使用。盡管早在2005年人民教育電子音像出版社與北京超圖地理信息技術有限公司就聯合開發了中學地理教育軟件《超級地圖》，給中學地理教學帶來便利和素材，但對3S知識和技能的學習與推廣還很有限。最后，開發與中學地理教材相配套的地理數據和素材。有關部門不僅要組織教育專家編寫好中學地理教材，還應組織從事3S技術教學與科學研究的專家開發相應的案例數據，并以光盤的形式與地理教材配套發行，方便中學地理教學使用，減輕教師制作課件的負擔，提高地理教學質量。

加強中學地理教師3S技術培訓? 基于中學地理教師3S知識和技能缺乏的現狀，教育主管部門可利用學校寒暑假組織中學地理一線教師定期到當地開設有3S技術相關專業的高等學校進行培訓。據最新統計，全國擁有地理信息科學（GIS）本科專業的普通高校有175所，擁有遙感科學與技術（RS）專業的高校有40所，擁有測繪工程專業的高校有153所，擁有導航工程專業的高校有六所，而且RS、GIS和GNSS課程都是這些專業的必修課。高校教師承擔了3S技術的理論教學和科學研究工作，具有豐富的理論和實踐經驗。同時，高等學校也有足夠的師資和硬件設施完成中學地理教師3S技術的培訓工作。因此，利用地方高校對中學地理教師開展3S技術培訓是切實可行的，也是提升中學地理教師3S技術水平的重要途徑。

促進3S技術在中學地理實踐力培養中的應用? 地理實踐力是地理學科四大核心素養之一，受應試教育的影響，地理實踐力素養成為地理教學中最欠缺的能力。將3S技術引入地理實踐教學中，極大地方便了中學地理教師的課堂組織，也促進了學生地理實踐力的提升。比如，人教版高中地理（必修2）介紹了城市、農業地域、工業地域和交通運輸布局等內容，因此可設計一個綜合運用3S技術進行土地利用現狀分類的實踐項目。首先，從網上下載一幅某一地區最新的美國陸地資源衛星Landsat 8陸地成像儀OLI影像，空間分辨率為30米，適合中尺度地區的土地利用分

類;再從影像上找若干個同名地物點，用GPS接收機到影像對應的地物點上采集經緯度坐標;然后利用采集的同名地物點的坐標，對整幅影像進行幾何精校正，使得整幅圖像具有地理坐標;最后在GIS軟件的支持下，選擇合適的波段進行假彩色顯示，使影像中的各類地物最有利于目視解譯。按照《土地利用現狀分類》標準，從影像中解譯出一類地中的12大類來，即耕地、園地、林地、草地、商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地以及其他用地，并在GIS軟件中自動統計出每一地類的面積等屬性。該實習內容可在地理教師的指導下在室內機房完成，通過實習可以很好地鍛煉學生運用地理知識解決實際問題的能力。

又如山岳地形地貌的實地考察，在出發前可讓學生提前觀察遙感影像圖，在影像圖上標記重點考察的地形地貌位置，并沿途用GPS接收機記錄行徑的軌跡，通過設置接收機自動保存的時間間隔，就可以自動記錄行徑中每個位置的經緯度和海拔信息。在考察結束后可將接收機中記錄的信息導入GIS軟件中，利用海拔信息繪制等高線圖。由此可見，無論是地理課程的室內實踐還是野外實踐，3S技術都將發揮重要作用，有效促進學生地理實踐力的培養。

參考文獻

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