淺析“3S”技術在中學生空間素養和視覺素養能力培養中的應用

王 葉

（長治市第五中學 山西長治 046000）

地理空間素養和視覺素養的重要內容是培養對地理要素觀察、識別、分析和應用的能力[1-3]。當前，對空間、區域的認知和識別是我國普通高中地理課程標準規定的地理學科培養的核心素養。“3S”技術，通常認為是遙感（RS）、全球定位系統（GPS）和地理信息技術（GIS）的總稱，其中地理信息系統（GIS）是“3S”技術的“大管家”，處于核心位置；遙感技術（RS）是信息采集（提取）的主力；全球定位系統（GPS）是對遙感圖像（像片）及從中提取的信息進行定位，賦予坐標，使其能和“電子地圖”同步使用。從科研層面來看，“3S”技術是目前解決人口、資源、環境及經濟發展等重大地理問題的重要手段和關鍵技術。“3S”技術通過對地表各類事物形成的地理空間數據的采集、整理和分析，表達地表事物的空間屬性，為中學地理教學帶來重大的推進和變革[4-6]。將“3S”技術與地理教學進行深度融合，著力培養中學生的地理空間素養和視覺素養，就是培養中學生獲得區域信息、分析區域特征、解決區域問題的關鍵能力，更有助于提升中學生發現問題、分析問題和解決問題的核心素質[7-9]。

一、“3S”技術已經成為中學地理教學的重要輔助技術

“3S”技術不斷進步和成熟，成為培養地理空間素養和視覺素養的現代信息化技術，隨著“3S”技術逐步進入中學地理課堂，不斷改進了傳統的地理教學和地理要素展現方式。在2001 年教育部頒發的《基礎教育課程改革綱要》中著重提出“3S”技術在未來課堂教學實踐中的重要作用，包括教學內容的呈現方式、教師的教學方式以及學生的學習方式等方面，充分肯定了“3S”技術與教學過程深度融合的必要性[7-8]。在2003 年頒發的《普通高中地理課程標準（實驗）》中，首次提出將“3S”技術納入高中地理課程。特別是在《全日制普通高中地理課程標準》中，更有針對性地強調了“3S”技術的應用，尤其是在地理教學實踐中，要重視地理相關的“3S”技術與地理內容相互融合。

“3S”技術融入地理教學中已有十余年的時間，在參與中學地理教學研究過程中，主要體現為以下兩個方面。第一，“3S”技術作為中學地理課程教學的一部分教學內容。主要探討內容包括“3S”技術在地理教學和教材中的地位、如何落實“3S”技術教學內容以及具體教學方式和教學策略等。第二，“3S”技術作為中學地理課程輔助教學內容。“3S”技術可以作為地理教學過程中的重要輔助技術，通過一系列的專業軟件和技術，模擬地理事物的時空分布和演變規律，對中學生的地理空間素養和視覺素養能力的培養具有十分重要的意義[10-11]。

二、中學生空間素養和視覺素養能力培養是地理教育的核心工作

以地圖為主要展現方式的可視化工具，被認為是中學地理教學的第二語言。對與地理知識有關的圖像系統的識別、認知和解釋是空間素養和視覺素養能力的重要體現，也是中學生學習地理科目必須掌握的核心技能[9]。地理視覺素養是從以圖像形式呈現的信息中認識、辨識和表達含義的能力，從某種程度上拓展了素養的含義；空間素養是一種空間思維能力，是當前美國教育界與科學界關注的熱點問題之一。美國基礎教育地理課程標準核心技能中均包含空間素養成分，同時把形成空間素養作為各年級具體標準的評價主線，并注重探索培育中學生空間素養的教學途徑與方法[6-10]。

培養中學生的地理空間素養和視覺素養主要有兩方面的作用。一方面，提高學生分析、歸納和總結地理現象以及解決地理問題的能力。培養學生對地理空間和視覺表征的感知和分析能力，不僅可以通過地理圖像系統掌握分析地理事物的空間分布和動態演變規律的方法，而且可以采用時空壓縮的方式將復雜的地理現象和地理原理進行抽絲剝繭的概況歸納，提高分析復合地理系統的水平，培養學生綜合多要素分析判斷地理現象的能力。另一方面，培養學生形成地理空間思維和地理價值觀念。對地理環境的空間認知和視覺識別過程中，學生通過對地理空間中經濟、社會、歷史和文化等要素的時空特征分析，產生地理觀念、地理價值觀等精神內核。在教師的引導下，分析具有典型意義和重大歷史事件的地理空間要素圖譜，有助于形成地理邏輯思維，利于學生的自我認知和獨立思考，同時在日常生活和學習中規范自身的空間行為，形成正確的世界觀和價值觀。

三、“3S”技術與中學地理教學尚未實現深度融合發展

（一）“3S”技術與傳統地理教學的深度融合性不足

中學地理教學多將新技術、新工具引入作為傳統教學的補充，尚未形成地理教學領域中的普遍教學方式。在實踐教學中，“3S”技術多是以課外知識或學科內容補充的形式，被安排在地理課堂主要教學內容結束后的位置，或是課下讓學生作為一種課外知識進行閱讀和學習。這導致“3S”技術被看作是與地理知識和課堂相互割裂的存在，在實際的地理教學內容中，與空間相關的重要知識點的講解，“3S”技術都未充分地參與其中，未充分幫助學生加深理解和認識，與傳統地理教學的融合度尚須提升空間[4]。

（二）對“3S”技術在培養空間素養和視覺素養能力中的重要性認識不足

地理教學中，學生的空間感知和空間想象能力十分重要。空間性是地理學的核心特征，對空間性具有較好的理解和掌握，是學好地理的關鍵之一[5]。在地理教學課堂中，教師也會著重強調地理空間和地理思維的重要性。傳統地理教學中，學生往往難以在腦海中形成具象的、三維的，甚至是時空結合的空間結構視圖，不利于空間素養和視覺素養能力的培養。而由于對“3S”技術缺乏或是認可度不高等原因，“3S”技術在培養空間素養和視覺素養能力中的重要性被忽視。

（三）“3S”技術在地理空間素養和視覺素養能力培養全程參與度不足

培養中學生地理空間素養和視覺素養能力不只在教學課堂上下功夫，還須兼顧地理課程的課前和課后兩個部分，只有將這三個部分的教學和課外準備有機結合起來，才能最大化地提高教學效率，有效培養空間素養和視覺素養能力，在學前得以了解、在課堂得以加深、在課后得以強化。在當前中學生的地理課程學習中，以及以教師講授為主要方式的中學課堂教學中，“3S”技術的課堂參與度相較于課前預習和課后回顧來說是最高的。在課前、課后環節，參與課程學習的主體是中學生，中學生自身的主觀能動性發揮最主要的作用，也是中學生預習和消化課堂知識的重要環節。“3S”技術具有較高的技術門檻和成本，同時尚未形成成熟的規模化的學生參與平臺和機制，因而在地理空間素養和視覺素養能力培養全程參與度偏低。

四、“3S”技術支持下培養中學生空間素養和視覺素養的策略

將“3S”技術與中學地理教學進行深度融合，培養中學生的地理空間素養和視覺素養能力，是中學地理教育的發展方向和必然選擇，不僅有利于培育中學生地理認知能力，更有助于提升中學生解決實際問題的能力。

（一）加強“3S”技術與傳統教學的深度融合

以提高學生的地理空間素養和視覺素養能力等核心素養為目標，在具體的地理教學方式和觀念上，對教師的教學觀念進行積極的干預，跨越傳統教學的“意識鴻溝”，擺脫教學觀念慣性，善于接受新的、優秀的教學方式和理念，采用新的信息技術，提高教學效果，提升學生的綜合素質。利用“3S”技術的開放性，為學生提供盡可能多的學習方式和學習資料，培養學生學習的自主性，鼓勵學生發現問題、分析問題和解決問題，讓學生在自主探索過程中對地理事物產生空間和視覺的理性認識，從而具有較高水平的空間素養和視覺素養能力。同時，從學生視角來講，“3S”技術可以作為延伸地理課堂的途徑和方式。通過更多的地理空間表達、分析和可視化的工具，打破了課堂對學生的時空限制，促進了學生學習方式的多樣化。

（二）深入挖掘“3S”技術在培養空間素養和視覺素養能力中的潛力

“3S”技術在中學地理課程教學中的應用受到一定限制，以及取得效果不理想的原因很大一部分是對“3S”技術的原理和相關軟件不熟悉，以至于未真正了解“3S”技術在培養空間素養和視覺素養能力中的重要作用和意義。首先，加強授課教師對“3S”技術的了解、認識和應用。只有教師真正重視地理現代化信息技術的重要作用，才能為學生打開“3S”技術具體實踐和應用的大門，引導學生通過“3S”技術進行課前、課堂和課后的探索式學習，培養學生的空間素養和視覺素養。然后，通過“3S”技術激發學生對地理知識的興趣。通過設置不同的地理應用場景，例如，基于遙感技術的大氣和海水時空運動、基于GPS 技術的交通規劃、基于地理信息系統的超市選址問題等，促進學生基于生活常識和知識積累，利用地理知識解決實際問題，將地理學習與現實生活相結合。最后，完善“3S”技術必要的配套設施。“3S”技術的具體使用主要基于ArcGis、ENVI 等多種軟件和平臺，軟件的購買和使用均具有較高的門檻，且專業性較強。中學地理教學中，可具有針對性地選擇相對經典的案例和軟件操作，并形成與課堂對應的實驗教程。

（三）構建“3S”技術在地理教學中的跨區域、多主體參與交流的應用平臺

基于地理教學中“3S”技術與課堂融合程度不同的現狀，區域上一級教育主管部門可構建一個跨區域的中學地理“3S”技術交流平臺。一方面，聘請“3S”技術領域的專業人士定期為中學教師進行技術培訓和知識普及，形成視頻教學免費共享。另一方面，分享優秀的中學地理教學與“3S”技術結合的案例視頻，為其他教師提供教學借鑒。此外，設置問答專區，就“3S”技術在教學應用中的經驗和問題進行相互交流借鑒。通過促進教學資源、教學經驗和教學成果的扁平化傳播和交流，縮小“3S”技術在教學應用、教學實踐中的技術和觀念“鴻溝”。

（四）積極籌備建設“3S”技術與人工智能創新實驗室

傳統中學地理教育教學形式的簡單改變已不能滿足國際國內經濟新形勢下地理教育教學的實際需求。隨著中學地理課程改革的深入，中學地理課程應當著力發展內涵建設，培養中學生建立抽象地理概念與感性地理形象之間的聯系。中學地理教學應當借助“3S”技術引導中學生形成地理學科視覺辨識與空間思維能力，用地理視覺素養與空間素養理解新型人地關系。中學地理學科實驗室建設無論培養中學生的科學精神和實踐能力還是從地理學科的角度認識和理解世界都具有深遠的意義。“3S”技術與人工智能創新實驗室主要研究方向為機器人及人工智能的開發和“3S”技術的應用。隨著“3S”技術的進步和地理學科的發展，地理學的研究已不再局限于傳統的描述式講述，而是集地理信息（GIS）、遙感技術（RS）、空間定位與分析（GPS）、傳感器監測、人工智能與時空大數據等新技術為一體的綜合性學科，以傳感器、定位、導航及圖像智能分析為基礎的多場景智能機器人應用是實現地理學科研育人的一個有效載體，因此有條件的中學應該積極籌備建設“3S”技術與人工智能創新實驗室，積極引導學生追隨科技前沿、不斷集成新的科學成果和技術方法、拓展并深挖行業技術應用，激發中學生對地理信息知識的濃厚興趣，為將來繼續從事地理學研究打下堅實基礎。