地理信息技術在高中地理教學中的應用研究

孟祥銳,王文娟

(長春師范大學地理科學學院，吉林 長春 130032)

地理信息技術是獲取、管理、分析和應用地理空間信息的現(xiàn)代技術的總稱，主要包括地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(RS)、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)。學科核心素養(yǎng)是學科育人價值的集中體現(xiàn)，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵力。地理學科核心素養(yǎng)主要包括人地協(xié)調觀、綜合思維、區(qū)域認知和地理實踐力，它們是相互聯(lián)系的有機整體。其中人地協(xié)調觀是地理核心素養(yǎng)中的基本價值觀念，綜合思維與區(qū)域認知是地理核心素養(yǎng)中的基本思想和方法，而地理實踐力則是地理核心素養(yǎng)中的基本活動經驗[1]。

本研究以高中地理人口教學為例，充分將地理信息技術應用到中學地理實踐教學中，通過挖掘地理信息技術的淺層應用功能，實現(xiàn)對中學地理的深入教學。

1 教學內容介紹

人口是高中地理必修2的教學內容，是人文地理教學的重要組成部分。學生通過對這部分知識的學習，掌握人口和城市化之間的關系，了解基本社會經濟活動的空間特征，樹立人地協(xié)調觀與人類共同發(fā)展的理念。知識體系的思維導圖如圖1所示。該章節(jié)主要介紹了人口分布、人口遷移和人口容量三個方面的知識，其中人口遷移是本章第二節(jié)的內容。在明確了人口分布情況以后，學習人口遷移的相關知識，根據(jù)人口遷移產生的結果學習人口容量。人口遷移在本章節(jié)中起到承上啟下的關鍵作用，本文主要以人口遷移教學為切入點，應用GIS技術和方法，制作與人口遷移相關的二維和三維專題地圖，并應用于人口遷移教學中[2]。

圖1 人口知識體系結構圖

2 教學中應用到的GIS功能

2.1 數(shù)據(jù)的采集和編輯功能

野外數(shù)據(jù)測量、地圖矢量化、攝影測量和遙感圖像數(shù)據(jù)等是空間數(shù)據(jù)的主要采集方法。數(shù)據(jù)的編輯是修改、更新和建立現(xiàn)有數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的過程，主要包括建立拓撲關系、投影變換數(shù)據(jù)、拉伸、裁剪、拼接、提取和坐標校正等。我們可以借助拓撲關系來編輯要素和測試數(shù)據(jù)質量。

通過數(shù)據(jù)收集和編輯功能可以提高學生的區(qū)域認知能力。在進行野外數(shù)據(jù)測量時，學生應學會全站儀、GPS的使用方法，鍛煉實際操作能力，鍛煉識別野外地形時理論聯(lián)系實際的能力[3]。

2.2 地理數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)功能

地理數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)功能包括定義數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建與維護數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫操作等。數(shù)據(jù)庫操作功能主要應用于高中地理教學中。在地理數(shù)據(jù)庫中輸入SQL查詢語言，用戶可以在已有的數(shù)據(jù)庫中查詢所需的數(shù)據(jù)。例如在全國人口數(shù)據(jù)中查詢某個城市地區(qū)的人口；在對數(shù)據(jù)進行屬性查詢時，可以選擇點、線、面數(shù)據(jù)，右鍵單擊屬性界面，查看位置、長度、面積等數(shù)據(jù)屬性。

2.3 地理教學專題圖制作功能

地圖是地理教學的靈魂。教學中使用的地圖往往是掛圖，缺乏主題性和時效性。“新課標”對教學用地圖提出了更高的要求[4]。地理信息系統(tǒng)的專題制圖以及可視化功能，能夠極大地滿足中學地理教學的制圖需要。教師搜集相應的屬性信息后，通過GIS軟件即可制作各種類型的專題地圖，如行政區(qū)劃圖、土壤利用圖、道路交通圖、等高線圖等，極大地提高了教學針對性和實效性。

2.4 空間查詢與空間分析功能

空間查詢和空間分析功能包括拓撲空間查詢、緩沖區(qū)分析、疊加分析、空間集合分析和地質分析，常用的有拓撲空間查詢、緩沖區(qū)分析和疊加分析等。

空間查詢是指通過幾何對象之間的空間位置關系構造過濾條件，支持設置查詢對象的查詢距離，從已有的數(shù)據(jù)中查詢滿足過濾條件的對象。目前支持點、線和面等幾何對象的空間查詢功能。Google Earth可以直接查詢空間對象的地理位置。

緩沖區(qū)分析是指自動在點、線、面對象周圍一定寬度內創(chuàng)建緩沖區(qū)多邊形圖層，然后將該層覆蓋在目標層上，對其進行空間關系分析，從而解決空間鄰近度問題。鄰近度是指兩個地物在地理空間中接近的程度。緩沖區(qū)分析通常用于城市規(guī)劃、自然災害和預防決策中。在高中地理教學應用中，緩沖區(qū)分析可用于區(qū)域影響因子分析、災害分析、交通線路布局、商業(yè)區(qū)布局等眾多課程內容教學中[5]。例如在城市功能區(qū)劃中，醫(yī)院、學校、公園等都有相應的服務范圍，而這些范圍就是緩沖區(qū)的大小。通過交通、設施、地勢等進行分析，可以得到相應功能區(qū)域的選擇。

疊加分析是用于最佳位置選擇或模擬建模的一種方法。在高中地理教學應用中，疊加分析常用于區(qū)域規(guī)劃、地貌、河流規(guī)劃等，例如房產開發(fā)的選址、野生動物的棲息地選擇、經濟增長的城市基礎特征分析、地質災害的評估等。

2.5 地形分析功能

地形分析功能包括數(shù)字高程模型的建立、地形分析。地圖的呈現(xiàn)方式是二維的，而在地理教學中很多地理事物需要三維方式呈現(xiàn)，如地形地勢、地球自轉公轉等特征。采用傳統(tǒng)的二維地圖進行教學，需要學生具備三維空間的想象能力，這是教學中的重點和難點，也是學生學習地理的主要阻礙。數(shù)字高程模型的建立和地形分析可以有效解決坡向、坡度、地形起伏、等高線等三維地貌問題，還可以解決水系、交通網絡的分布問題。在高中地理地形教學中，通過建立數(shù)字高程模型，可以很好地展示山谷、鞍部、高原、平原、丘陵等地形，使學生直觀地觀察不同的地形地貌的特點。

3 GIS在人口中學的應用及難點分析

3.1 教學內容

3.1.1 人口遷移教學過程設計

GIS制圖軟件中的時態(tài)數(shù)據(jù)分析，以及基于網絡的大數(shù)據(jù)分析，可以清晰地表示人口遷移的路線圖，是研究人口遷移影響因素的有效手段。通過觀察人口遷移圖，學生可以概括影響人口遷移的因素，提高探究學習能力。

教師在教學中可以學生觀察中國改革開放前后人口遷移示意圖和中國邊疆開發(fā)人口示意圖，然后回答以下問題：不同時期影響人口遷移的因素是什么？人口遷移會對遷入地和遷出地分別有什么影響？

教師進行總結，人口遷移的驅動力是由遷出地的推力和遷入地的拉力組成的。自然因素和人文因素共同影響了人口遷移：優(yōu)美宜人的自然環(huán)境和優(yōu)良的資源對人口有巨大的拉動作用；環(huán)境災害和自然災害對人口遷移產生推動作用；人文主義因素對人口遷移有重要影響。在這些因素中，經濟因素占主導地位。此外，人口遷移還受到政治、軍事、文化和其他人為因素的影響，例如大規(guī)模的人口遷移經常發(fā)生在動蕩和戰(zhàn)爭頻繁的地區(qū)。

由于人口的遷移，遷入地和遷出地也會產生不同的變化。對遷入地有加強與外界的經濟、科技思想和文化聯(lián)系，減輕人口壓力，緩解當?shù)氐娜说孛埽龠M經濟發(fā)展，保護生態(tài)環(huán)境等有利影響，但也容易造成人才流失等不良影響。對遷入地有彌補勞動力不足、提供廉價的勞動力、節(jié)約教育培訓成本、便利自然資源開發(fā)、促進經濟的發(fā)展等有利影響；也有不利影響，比如引發(fā)種族矛盾、影響社會治安。給生態(tài)環(huán)境和城市帶來巨大壓力。

3.1.2 人口分布情況變化教學過程設計

利用GIS軟件制作長春市近20年城區(qū)面積和人口變化圖。學生通過學習教材并結合周圍的變化，了解城市化的影響。

城鎮(zhèn)人口占總人口比重是衡量城市化水平的重要指標。學生觀察長春市2000—2020年城區(qū)面積和人口變化圖，回答下列問題：影響城鎮(zhèn)內部空間結構的因素是什么？根據(jù)我們周圍的現(xiàn)實情況，談談城市化給我們的生活帶來的改變。

教師進行總結。城鎮(zhèn)內部空間結構的形成是多種因素共同作用的結果，經濟因素是影響城鎮(zhèn)內部空間結構的主要因素，政策、文化、環(huán)境等因素也會影響城鎮(zhèn)內部空間結構。通過發(fā)展衛(wèi)星城，合理規(guī)劃工業(yè)區(qū)，保留一定規(guī)模的綠地和河湖等生態(tài)保育空間，可以有效改善環(huán)境，建設宜居空間。城鎮(zhèn)化發(fā)展有利于促進區(qū)域經濟增長，提高資源利用效率，改善城鄉(xiāng)人民居住環(huán)境，增強區(qū)域社會和諧。

3.2 運用GIS解決人口教學中的難點

在高中地理城市化問題教學中，學生通過觀察城市不同年份的遙感圖像可以看出城市用地面積的變化，進而觀察該城市的城市化進程，結合教師的講解，把握人口和城市化進程的相關知識；使用GIS相關軟件，對遙感影像數(shù)據(jù)進行提取、拼接和裁剪，獲得方便教學的GIS數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出了GIS的采集和編輯功能。在已有的地理數(shù)據(jù)庫中可以查詢數(shù)據(jù)的相關屬性，如地理位置、面積、坐標等。在教學中，可以使用地理數(shù)據(jù)庫查詢某個地區(qū)的人口數(shù)據(jù)和該地區(qū)的城區(qū)面積變化，通過數(shù)據(jù)變化看出人口變化情況，講授人口遷移和城市化進程相關知識。教學用地圖多為靜態(tài)地圖，使用GIS軟件制作教學用專題圖，一方面可以增強專題地圖和知識點的相關性分析，另一方面可以根據(jù)最新的數(shù)據(jù)制作時效性較高的專題地圖。例如制作人口遷移圖可以明顯看出某個時期人口遷移的方向，結合當時的歷史背景了解人口遷移的原因。空間查詢和空間分析常用功能包括拓撲空間查詢、緩沖區(qū)分析和疊加分析。在高中地理教學應用中，緩沖區(qū)分析可以用在區(qū)域影響因素分析、災害分析、交通線路布局、旅游區(qū)影響因素、商業(yè)區(qū)布局等眾多課程內容教學中。例如在城市功能分區(qū)中，醫(yī)院、學校、公園等都有對應的服務范圍，而這些范圍就是緩沖區(qū)面積的大小，再經過交通、設施、地勢等加以分析，就可以獲得相應功能區(qū)域的選擇。GIS的地形分析功能主要體現(xiàn)為數(shù)字高程模型的建立，通過數(shù)字高程模型的建立和地形分析，可以建立三維地圖。學生通過三維地圖可以有效觀察地形地貌，了解地形地貌對于人口分布的影響。

中學生記憶的特點是形象化記憶勝于文字記憶，以理解記憶為主。通過圖像帶給學生的知識是立體的、生動的、客觀的，使用GIS軟件制作教學專題圖，可以使學生更加直觀地理解和記住相關的知識點。

例如通過觀察中國人口分布、我國地形數(shù)據(jù)、我國河流數(shù)據(jù)以及我國行政區(qū)劃圖疊加分析后制作的專題圖，學生可以總結出影響我國人口分布的因素和我國人口分布特征。觀察人口遷移專題圖可以直接看到人口遷移的方向，并結合當時的背景推斷人口遷移的原因和影響遷移的因素，更好地理解記憶人口遷移對遷入地和遷出地的影響。通過觀察同一地區(qū)不同時間的遙感衛(wèi)星影像，可以看出該地區(qū)城市化進程以及鄉(xiāng)村和城鎮(zhèn)的結構布局，在頭腦中形成對城市化意義和城鎮(zhèn)化進程的理解。

4 總結與展望

本文主要探討GIS在高中地理人口教學中的應用，通過列舉實際教學案例，突出GIS在教學中應用的優(yōu)勢。與自然地理模塊知識可以應用一定的地理信息技術解決教學實踐內容不同，人文地理知識模塊的內容在教學手段上常采用GIS技術、遙感技術以及數(shù)字地球技術相綜合的方式。例如，在分析醫(yī)院的選址時，可以應用數(shù)字地球技術截取相關區(qū)域的影像，并在ArcMap中進行緩沖區(qū)分析，將圖像加載到圖層后很容易分析醫(yī)院的選址問題。此外，在區(qū)域地理學中，環(huán)境保護、自然災害與防治、旅游地理學也可以綜合應用地理信息技術進行教學[6]。

GIS在高中地理教學中仍有很大改進空間。結合“新課標”的要求，本文從內部因素與外部因素兩個方面提出將地理信息技術應用于高中地理教學的改進策略。教師和學生是內部因素，高校、中學、教育部門、社會和政府是外部因素。從內部因素來看，教師應積極提升專業(yè)技能和素養(yǎng)，掌握軟件的使用方法，更好地進行教學。從外部因素看，高校應優(yōu)化地理信息科學課程設置。高校是分流地理教學學生的關鍵，為各大中學提供年輕而富有激情的新地理教師。