例談地理信息技術應用的實驗課堂

王琦 宋陽

摘要：本文根據2020修訂版新課標的要求，設計并開展了一堂運用地理信息技術軟件 ArcGIS 的實驗課。學生通過實踐操作地理信息技術的軟件，完成根據真實情境設計的實驗步驟，切實領悟區域水土流失過程中自然因素和人文因素的不同，學會從定量、定性兩個角度評價分析地理事物的變化發展，增強了對地理信息技術應用的認識和理解，提升了地理實踐力。

關鍵詞：區域水土流失;地理信息技術實驗教學;地理實踐力中圖分類號：G633.55文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2021）29-0070

一、提出問題

新課標要求“在真實環境下，學生能夠運用地理信息技術等地理工具，通過數據采集、實驗等方式獲取地理信息，結合地理基本過程，分析現實世界的一些地理現象、過程及其與人類活動的相互關系，探索和嘗試解決實際問題。”[1]。但是在實際教學中，筆者發現當前地理信息技術應用教學有以下兩個方面的困境：一是部分教師本身對地理信息技術應用的重視度不夠，認為高考考得少，不需要花太多時間和精力，因此教學中往往一言帶過。二是教師對于地理信息技術的實驗操作不熟悉，無法設計出高質量、高水平的教學實例，課堂中只能用圖文形式展示地理信息技術的應用案例，與學生一起驚嘆地理信息技術功能的強大。

因此，“如何開展地理信息技術應用教學”是一線地理教師的一大難題。

筆者參照2020修訂版課標要求“通過探究有關自然地理問題，了解地理信息技術的應用”[1]和“以某生態脆弱區為例，說明該類地區存在的環境與發展問題，以及綜合治理措施”[1] ，設計了一堂實驗教學課。本課以黃土高原孤山川流域為例，運用地理信息技術軟件 ArcGIS ，借助中國土壤流失方程（Chinese Soil Soil E- quation ， CSLE）計算和分析該流域土壤侵蝕強度及其分布。以期在具體的生態和環境問題的研究中，提高學生對地理信息技術的功能的理解，并培養學生的綜合思維能力和地理實踐力。

二、理論基礎

地理環境是一個整體，各組成要素互相影響和聯系，進而發生演化。因此不同的降水條件和人類活動下，土壤侵蝕量必然不同。借助地理信息技術軟件的空間計算分析，運用中國土壤侵蝕模型 CSLE ，計算不同條件組合下的土壤侵蝕模數，然后對比分析自然和人文要素變化對于土壤侵蝕結果的影響。

本實驗采用了中國土壤侵蝕模型 CSLE ，它是我國著名水土保持科學家在土壤侵蝕預報模型基礎上，考慮中國土壤侵蝕的特征， 利用中國實測和調查數據，提出了更適合我國實際情況的土壤侵蝕模型。

A = R×K×LS×B×E×T

式中，A 為土壤侵蝕模數，R 為降雨侵蝕力因子，K 為土壤可蝕性因子，LS 為坡度坡長因子，B 為生物措施因子、E 為工程措施因子、T 為耕作措施因子。該模型所用的 K 因子和 LS 因子，可以認為十年左右變化不大，但是其余幾個因子每年都會有比較大變化。R 因子反映自然環境的變化，B、E 和 T 因子反映人類活動驅動下的變化。

本實驗中的基礎數據（如表1） ，是根據1997年和2006年的 Landsat TM 遙感影像，經專業人員解譯獲取了土地利用、植被覆蓋度數據，并在此基礎上獲取 B 因子和 T 因子專題地圖，利用收集到的治理措施調查表計算 E 因子圖。并通過地理信息技術軟件（例如 ArcGIS ， SuperMap）分析計算得到的專題地圖層，分層存儲，運用空間數據運算功能進行計算，結果得到土壤侵蝕專題地圖和對應的統計表（如圖1）。

1997年（A97= R97×K×LS×B97×E97×T97）和2006年（A06= R06×K×LS×B06×E06×T06）的土壤侵蝕模數（下標97表示1997年的數據，下標06表示2006年的數據） ， 是運用實測基礎數據， 根據 CSLE 計算獲得的孤山川流域土壤侵蝕的真實情況。

模擬土壤侵蝕模數（A97-06= R06× K ×LS × B97×E97×T97 ，R 因子使用2006年數據，BET 因子使用1997年數據） ，是假設自然環境降水條件的變化（R 因子）、人類活動變化，主要是各項水土保持措施的落實（ BET 因子）對于土壤侵蝕的影響。

自然組將模擬土壤侵蝕模數 A97-06 與 A97相減，得到最終結果，結果圖層中柵格大于0 ，即模擬侵蝕模數大于1997年土壤侵蝕模數，說明模擬 A97-06使用的2006年降水因子 R 相比1997年的降水因子 R ，使得柵格內侵蝕模數增大， 即自然因素（主要是降水條件）導致相應區域為土壤侵蝕增強區。反之，結果圖層中柵格小于0 ， 自然因素（主要是降水條件）導致相應區域為土壤侵蝕減弱區。

同理可知，人文組將模擬土壤侵蝕模數 A97-06 與 A06相減， 若結果圖層中柵格大于0 ，即模擬侵蝕模數大于2006年土壤侵蝕模數，說明相同的降水條件下，模擬 A97-06使用的1997年水土保持措施因子 BET 相較2006年的水土保持措施因子 BET 使柵格內侵蝕模數增大，侵蝕加劇，即1997年到2006年間的水土保持措施發揮了積極地影響，導致相應區域為土壤侵蝕減弱區。反之，結果圖層中柵格小于0 ，導致相應區域為土壤侵蝕增強區。

三、實驗步驟設計

第一步，帶領學生熟悉地理信息技術軟件 ArcGIS 的核心應用模塊 ArcMap 的基本功能，如：ArcMap 的窗口組成、數據層的基本操作（加載、保存等）、圖像數據分類設色和專題地圖的編制等。并要求學生添加后續實驗所需的數據，觀察各圖像數據的空間分布和統計特征。

設計意圖：學生通過實際的操作和體驗，初步掌握地理信息技術軟件，激發他們探索地理信息技術軟件的進一步應用。

第二步，指導學生運用 ArcMap 空間分析的柵格計算功能，計算孤山川流域1997年土壤侵蝕模數，根據土壤侵蝕分級標準和侵蝕分析需要（見表2）分類設色，編制1997年孤山川流域土壤侵蝕模數分級圖（見圖2）。

第三步，學生自主操作，合作完成2006年土壤侵蝕模數分級圖（見圖3）和模擬土壤侵蝕模數分級圖的制作（見圖4） ，查看相應的統計圖表（見表3）并思考討論下列問題。

思考問題：

①你能否從圖中找到河流孤山川，指出具體位置，并說出你的判斷依據。

②1997年和2006年相比，哪一年的土壤侵蝕模數更大，說出你判斷的依據。

③根據上一題的答案，提出你的理由。

設計意圖：通過自主學習和合作探究，學生基本掌握地理信息技術軟件的簡單操作，體會了土壤侵蝕的多因素影響分析，并且攻克了地圖三要素、地圖的分類設色、圖層分層存儲等難點知識。通過思考討論問題，深化學生對于圖像和統計數據的分析解讀能力。

第四步，將學生分為自然組和人文組，分別計算模擬土壤侵蝕模數 A97-06與 A97和 A06相減，得到最終結果，編制自然因素（降水）對土壤侵蝕的影響分類圖（見圖5）和人文因素（水土保持措施）對土壤侵蝕的影響分類圖（見圖6） ，并查看相應的統計圖表（見表4）。

思考問題：

①從空間分布看， 自然因素和人文因素對土壤侵蝕的影響有什么不同。

②根據統計數據，說出1997年到2016年， 自然因素和人類活動因素，哪一個對水土流失影響更大，提出你的判斷依據。

③為什么圖5南北差異巨大，沒有像圖6一樣呈現出細微的地方性差異？

設計意圖：引導學生分析柵格大于0和小于0的實踐意義，理解地理信息技術的應用不能脫離實際的地理意義。進一步深化理解分類方式對圖像數據顯示產生的深刻影響，掌握運用圖像描述、統計圖表等方式對比分析實驗結果。

第五步，對比分析實驗結果，總結討論實驗結論。

思考問題：地理信息技術在區域水土保持中的運用，相比于傳統方式優勢在哪？局限性在哪？

設計意圖：掌握總結歸納的學習方法，深入理解地理信息技術應用的優點。

四、結論與展望

本實驗教學綜合了區域生態問題和地理信息技術，使得地理信息技術的教學不再是紙上談兵，學生自己動手參與實驗運算，既能激發學習的興趣，又能加深對地理信息技術應用的理解，深刻認識自然因素和人文因素對土壤侵蝕的不同影響。通過運用地圖和統計數據描述地理現象，總結歸納地理問題。學生能夠深刻理解地理信息技術在區域地理研究中的重要作用，綜合思維能力和技術應用能力得到提高。

隨著公眾環境保護意識增強，地理數據積累和共享能力程度不斷提高，免費獲取本實驗所用的數據是可能的;目前 GIS 軟件界面也十分友好，學生能較為迅速的掌握實驗的操作步驟，并且愿意探索地理信息技術軟件的使用。比如在對專題圖分類設色時， 同學們的選擇各不相同;選擇比例尺的樣式也千差萬別等等。以往的教學難點—分層儲存，也變得十分容易掌握。所以，本實驗課可以在一線教學中推廣。

參考文獻：

1中華人民共和國教育部.普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020年.

2王曉燕.土地利用變化驅動下的土壤侵蝕時空動態分析—以孤山川和延河流域為例[D].西安：西北大學， 2015

（作者單位：安徽省六安第一中學237000）