基于應用情境導向的環境類課程空間思維培養模式研究

佟志軍,都瓦蓮,劉興朋

(東北師范大學環境學院,吉林 長春 130024)

空間思維是一種獲取知識并利用空間的特性有效地解決問題的技能。空間思維在學生掌握環境類專業知識過程中扮演著重要角色,對學生理解地球上的各種現象和問題至關重要。情境教學法是一種基于實際情境的教學方法,它以情境為導向,讓學生身臨其境地學習[1]。教師在教學中靈活應用情境教學法,可以使學生更好地理解和掌握物質多維空間變化特征。

目前,全球環境問題受到廣泛關注,環境類課程與地學研究視域緊密交融,培養具有地學知識背景、地球尺度視野和綜合素養的人才是環境類專業要解決的時代課題。空間思維培養強調從空間視角出發,根據事物的空間分布、尺度格局和地域聯系,培養學生的觀察、定位、比較、分析及綜合思維能力[2]。本文以環境類課程為例,借助地理信息系統(GIS)探索基于“雙主體+多維度”空間思維的環境類課程培養模式,以應用情境為導向,為環境類專業發展奠定人才基礎。

1 基于應用情境導向的環境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養模式的重要性

環境類課程教學與空間能力的培養密切相關,但仍存在一些問題。一方面,由于人類活動大多發生在微觀層面,學生往往只關注微觀尺度問題,而忽略生態環境中宏觀尺度問題,以及微觀尺度與中宏觀尺度之間的密切聯系。另一方面,目前的教學往往借助GIS解決問題,忽略微觀尺度的變化,缺乏將二者結合的培養模式。為了加強環境類專業學生的多維度空間思維認知能力,本文提出了基于應用情境導向的環境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養模式。其中,“雙主體”指教師和學生,“多維度”指微觀和中宏觀的空間維度。新的培養模式必須服務于環境類專業人才的培養需求,創新學生培養模式,推動課程質量的提升。空間思維能力的培養要求教師引導學生構建物質空間概念,通過物質空間表象和空間要素構成形成空間認識,進而根據物質空間原理和空間規律進行空間表達,并對物質要素進行分析,運用地理語言科學表達空間事物之間的關系、結構以及空間過程等。基于應用情境導向的環境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養模式的重要性如下。

1.1 環境類課程教學的重要方向

環境類課程的特點在于其綜合性,學生通過微觀實驗可以形成直觀感知,對物質反應有初步認識,但缺乏從宏觀現象中探究物質本質的能力,難以建立完整的知識網絡和知識體系,影響學生的學習積極性。學生常在宏觀現象發生后產生興趣和好奇心,然后開始從微觀尺度進行深入探索。因此,采用基于應用情境導向的“雙主體+多維度”空間思維培養模式,可以培養學生的宏觀辨識和微觀探析能力,同時提升其抽象思維能力和空間想象力。

1.2 培養學生空間思維能力的重要途徑

在以GIS為平臺構建的教學場景中,教師有目的地引入色彩鮮明的場景,通過觀察和分析影像圖幫助學生理解所學內容。這種教學方式可以使學生更輕松地學習課本內容,透徹理解并牢固掌握多維度的環境類課程知識。基于空間思維的培養模式旨在將中宏觀和微觀尺度聯系起來,幫助學生跨越微觀和中宏觀之間的界限,快速高效地觀察客觀事物的空間形式。中宏觀尺度的課堂教學可以幫助學生擺脫點、線、面的局限,開闊思維并提升抽象思維能力和空間想象力;從全方位考慮問題,形成具體化、系統化的整體認知;將許多知識點轉化為立體化圖像,實現理論與實踐相結合,從而形成多維度的空間思維。

1.3 滿足人才需求的有效途徑

基于空間思維視角的培養模式可以鍛煉學生的空間構思能力,幫助其理解抽象的概念和微觀知識,同時更好地鍛煉學生解決問題的能力。此外,學生學好本課程,可以為未來從事GIS數據采集、處理、建庫、分析和管理等工作提供必要的支持。

2 基于應用情境導向的環境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養模式的培養目標

2.1 培養學生的空間認識能力

空間是一個沒有明確定義的概念,具有明顯的多維性和尺度效益,并隨著人們對世界認識的不斷發展而不斷變化。為了促進學生空間思維能力的發展,教師首先要引導學生形成空間概念。空間思維的最重要特點是通過空間概念對物質進行判斷、推理、分析和比較,從而得到更深層次的認識。教師可以讓學生從不同的視角看待同一個地理事物,培養學生判斷各種地理事物位置和相互關系的空間認知能力。

2.2 培養學生的空間表達能力

空間表達是培養空間思維能力的重要工具,也是形成空間概念和空間邏輯思維能力的紐帶。通過地圖、圖標、圖例和符號等形式,將抽象的多維空間信息和相互關系直觀地表達出來,可以讓學生通過解讀圖像,并結合微觀尺度的實驗結果,理解中宏觀尺度的生態環境要素空間分布和演變趨勢。通過空間表達,學生可以在頭腦中形成宏觀尺度的空間表象,或者以文字或圖形的形式在頭腦中進行表征,從而連接微觀世界和宏觀現象,形成生態環境多個尺度的新知識鏈。

2.3 培養學生的空間理解能力

要提高學生的空間理解能力,不僅要使學生從微觀尺度識別物理屬性,更要比較多個不同地物的空間特征,在解圖過程中運用各種地圖、剖面圖、模式圖等,提取、結合、比較、理解和提煉出各個地物之間的相關信息,從而提高學生的學習興趣和空間理解能力。

2.4 培養學生的空間分析能力

空間分析指在觀察地表事物要素時對地理表象問題進行分析和歸納,以中宏觀視角審視地表環境和現象。它的核心任務是獲取地理對象的空間位置、分布、形態、形成和演變等空間信息的分析方法和技術。教師指導學生通過二維或三維空間中的點、線、面結構模式,分析環境要素空間位置數據和結構分布規律。

3 基于應用情境導向的環境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養策略

3.1 梳理環境類基礎知識,強化理論基礎

環境類課程涉及地球科學、空間科學、環境科學、信息科學等多學科知識。隨著社會經濟的快速發展,環境問題變得更加復雜,需要采集和處理大量的環境信息,其中很多信息與空間位置密切相關。地理信息系統通過采集、管理、處理、分析、建模和顯示空間數據,可以解決與地理位置相關的問題。因此,此課程可以培養在環境保護、生態建設、防震減災等領域具有進一步深造潛質的學術型人才或從事環境管理、咨詢、宣傳教育等工作的應用型人才。課程教學內容既包括理論教學,也包括實踐教學。通過理論與實踐相結合的方式,學生可以掌握地理信息系統和遙感技術的基本原理和實際應用技能,為未來的學習和工作打下堅實的基礎。

3.2 基于虛擬環境空間,進行地球空間建模

地球的表面是凹凸不平的,教師可以利用多媒體視頻向學生展示地球的真實形狀,幫助他們了解地球表面。也可以利用地球儀向學生講解地球的基本特征。通過經緯網的引導,教師可以幫助學生分析各條緯線、經線上兩點間的距離,觀察地球儀上經緯線的分布特點。在此基礎上,教師可以嘗試利用幾何知識概括經緯度的分布規律,讓學生在腦海中形成空間地理坐標。此外,教師還可以利用GIS建模讓學生了解人類與自然環境之間的聯系是豐富多彩的。

3.3 基于空間分析,強化多尺度空間表達

學生通過認識和理解現實世界中地理空間實體的位置及形態特征,并將這些抽象認知表達到計算機系統中,可以更加方便快捷地進行地圖分析、可視化操作。

3.3.1 微觀尺度表達

在課程教學中,教師應讓學生將三維空間和光譜等數據以圖形或圖像形式進行空間表達,以便更好地理解微觀世界的結構和性質。這種數據的空間表達方式可以將區域物體的位置、速度、方向、能量等物理量以及光譜數據進行智能可視化處理,從而形成一個更加豐富和完整的空間數據模型。具體而言,可以通過一系列數學算法將實際物理空間中的對象轉化為數字,也可以使用頻譜學方法提取物體的光譜信息,為下一步構建三維模型、圖像渲染、物體識別和分類等空間分析打基礎。例如,在“哪些因素影響土壤微生物多樣性”教學中,在微觀尺度上學生會從水分、土壤pH、溫度、植被類型、土壤類型、顆粒大小、耕作制度和施肥措施等方面分析土壤微生物多樣性的變化情況。學生可以根據課程相關理論,以行政區為單位,借助GIS分析土壤時空異質性的潛在影響。此外,教師還應讓學生利用實時、無損、高時空分辨率光譜數據,獲取土壤關鍵理化參數的微尺度變化過程和分布特征,彌補采樣數據集的不足。

3.3.2 中宏觀尺度表達

教師對環境類專業學生的培養不能局限于微觀尺度,應增加中宏觀尺度的多維度空間思維教學。在宏觀尺度上,教師應使學生了解如何利用空間統計工具探究全球環境變化和自然資源利用等問題,如何使用地圖和數據庫集成探究全球氣候變化成因,從而提升學生的空間分析能力。

3.3.3 微觀-中宏觀尺度的轉換

空間思維是微觀和中宏觀尺度結合過程中必不可少的思考方式,有助于跨尺度的數據分析、模型構建和預測。教師需通過理論和實訓教學提高學生的空間分析能力和空間思維能力。一方面,從微觀尺度到中宏觀尺度的轉換培養。教師通過上機操作,指導學生將已知坐標位置和屬性的土壤采樣點的影響因子特征值轉換為空間數據,演示如何使用GIS軟件或編程語言進行空間數據插值,教學生了解土壤多樣性變化情況。另一方面,中宏觀到微觀尺度的轉換。在課程教學中,教師可以通過示例和實踐活動,引導學生理解和應用離散化和抽樣的概念,培養他們在中宏觀與微觀尺度之間進行數據轉換的能力。

4 結語

探索和實踐培養模式的最終目的是讓學生實現高質量學習。將空間思維引入環境類課程,可以很好地研究地理事物,解決環境類專業中遇到的問題,并逐步提升學生的核心素養。教學實踐表明,基于應用情境導向的環境類課程“雙主體+多維度”空間思維培養模式,可以實現環境類專業教學的多學科、多樣性、全方位和空間性融合,有效激發學生對生態環境中微觀和宏觀知識的認識。