基于GIS 的高中地理綜合思維培養(yǎng)路徑探析
——以“浙江省自然災(zāi)害探究”為例

羅高斌 許佳祿

（1.浙江省臨安中學(xué), 浙江 杭州 311300; 2.杭州市余杭高級中學(xué), 浙江 杭州 311100）

中學(xué)教學(xué)主要使用GIS軟件中地理數(shù)據(jù)的輸入與管理、空間分析、可視化表達三大功能。[1]利用GIS軟件可以將紙質(zhì)地圖、野外數(shù)據(jù)、遙感影像、文本等各類地理數(shù)據(jù)通過數(shù)字化或人工錄入的手段轉(zhuǎn)化為GIS軟件可以處理的格式，并存儲在專門的地理數(shù)據(jù)庫，便于運用和迭代整合。中學(xué)教學(xué)主要用到空間分析功能的地形分析、緩沖區(qū)分析、圖層疊加分析、最短路徑分析等功能，并且通過設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，以形象、美觀的方式表達。本文選擇ArcGIS軟件進行研究。

綜合思維具有全面、系統(tǒng)、動態(tài)三大特性。全面是指不遺漏任何一個要素，系統(tǒng)是指要正確認(rèn)識到各要素的屬性和彼此之間的聯(lián)系，動態(tài)強調(diào)的是發(fā)展與演變。綜合思維具體包括要素綜合、時空綜合、地方綜合3個維度。[2]在中學(xué)地理教學(xué)中，要自然地綜合不同地理要素，不同的時間、空間以及不同尺度，并非易事。而GIS軟件對分析地理要素的形成、分布與其綜合影響，有著獨到的優(yōu)勢。

一、ArcGIS軟件與綜合思維的適切性分析

利用ArcGIS軟件中的一些常規(guī)功能，可以高效地存儲、管理各種地理數(shù)據(jù)，綜合各要素進行可視化表達，能高效地培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維。ArcGIS軟件與綜合思維培養(yǎng)的適切性具體體現(xiàn)在以下3個方面（見圖1）。

圖1 ArcGIS軟件與綜合思維的適切性

1.數(shù)據(jù)管理

在高中地理教學(xué)過程中，綜合思維的培養(yǎng)涉及不同屬性、不同尺度、不同區(qū)域的地理數(shù)據(jù)。收集整理海量的地理數(shù)據(jù)是一項龐大的工程。利用ArcGIS軟件建立專業(yè)的地理數(shù)據(jù)庫（Geodatabase），可以便捷、有層次地管理相關(guān)的柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)，可以按地理屬性或者區(qū)域空間進行整理分類，方便今后數(shù)據(jù)的迭代和篩選，可以極大地提高地理數(shù)據(jù)管理的效率。

2.空間分析

ArcGIS軟件的空間分析功能尤為強大，在高中地理教學(xué)實踐的過程中，可以用ArcGIS軟件的各個工具從地理數(shù)據(jù)庫中篩選相應(yīng)的圖層數(shù)據(jù)或者添加屬性數(shù)據(jù)，進行地形、氣溫、降水、商業(yè)中心的輻射范圍、人口密度等諸多主題的空間分析，讓學(xué)生清楚地觀察到各個地理要素的空間分布以及彼此之間的空間聯(lián)系。此外，除了靜態(tài)空間分析外，ArcGIS還可以疊加同一區(qū)域中不同時間段的要素圖層，進行動態(tài)分析，如城市土地利用的變化。

3.可視化表達

在ArcGIS軟件中，除了利用ArcMap進行二維表達，還可利用ArcGlobe、ArcScene進行三維可視化建模，如火山區(qū)的情況。這些可視化表達可以在一定程度上彌補學(xué)生難以外出實地考察的遺憾，還可以在更大的空間范圍、更長的時間尺度下全面地探究地理現(xiàn)象和地理事物。

二、基于ArcGIS軟件培養(yǎng)綜合思維的路徑探析

在探究“浙江省自然災(zāi)害的探究”活動中，筆者嘗試使用ArcGIS輔助教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維，具體過程如下。

1.擬定任務(wù)主題庫（見表1）

表1 任務(wù)主題庫

任務(wù)主題庫將綜合思維各維度的考查方向進行了細化處理，以便引導(dǎo)學(xué)生深入探究相應(yīng)的問題，在整體的框架下促進學(xué)生的深度思考，讓學(xué)生在深度思考之后綜合分析各要素與自然災(zāi)害的關(guān)系。[3]

2.創(chuàng)建探究數(shù)據(jù)庫

地理探究數(shù)據(jù)庫是儲存管理各類與浙江自然災(zāi)害相關(guān)的地理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)空間分析提供必要的數(shù)據(jù)。為提高數(shù)據(jù)庫的實用性，可按照空間尺度與地理屬性二類分類標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)分類入庫。需特別強調(diào)的是，數(shù)據(jù)庫的搭建并非一勞永逸，需要結(jié)合探究問題鏈不斷迭代優(yōu)化地理數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。本教學(xué)的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建如下。

(1)建立數(shù)據(jù)庫目錄

在搜集地理數(shù)據(jù)之前，先初步搭建地理數(shù)據(jù)目錄，具體步驟如下。

①建立名為“浙江省自然災(zāi)害探究”的文件夾。

②打開ArcGIS軟件中的ArcMap，啟動ArcCatalog，連接到“浙江省自然災(zāi)害探究”文件夾，接著直接在ArcCatalog的目錄下，在“浙江省自然災(zāi)害探究”文件夾中建立兩個地理數(shù)據(jù)庫，分別命名為“基礎(chǔ)地理信息”“分析后的地理數(shù)據(jù)”，兩個數(shù)據(jù)庫分別用來存儲原始基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)與空間分析后的地理數(shù)據(jù)（見圖2）。

圖2 地理數(shù)據(jù)庫的目錄

③初步搭建的地理數(shù)據(jù)庫目錄結(jié)構(gòu)不宜過于繁瑣，如有需要可在后續(xù)整理與分析地理數(shù)據(jù)的過程中再靈活調(diào)整。

(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入庫

在搭建好地理數(shù)據(jù)庫目錄后，便要獲取浙江省相關(guān)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，具體包括浙江省的行政區(qū)劃圖、地形圖、水系圖、土地利用圖、人口密度圖等，數(shù)據(jù)類型有矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)可分別從“地理空間數(shù)據(jù)云”“中科院地理資源所資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心”“國家統(tǒng)計年鑒”中獲得。這些數(shù)據(jù)包括柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)，其中部分柵格與矢量數(shù)據(jù)需利用ArcGIS軟件進行裁剪處理再進行后續(xù)分析，建議將柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)直接放入Geodatabase數(shù)據(jù)庫中，此外還有一些Excel數(shù)據(jù)，可直接放入“浙江省自然災(zāi)害探究”文件夾中。

3.基于ArcGIS 的綜合分析

(1)探究問題一——要素綜合

問題1、2要求學(xué)生從氣候與地形的角度，分析浙江各地常見的自然災(zāi)害有哪些，需要用ArcGIS生成浙江省分層設(shè)色地形圖、浙江省地形坡度圖、浙江省年降水量圖（見圖3、圖4、圖5）。

圖3 浙江省分層設(shè)色地形圖

圖4 浙江省地形坡度圖

圖5 浙江省年降水量圖（2022年）

問題3、4要求學(xué)生從河流和地質(zhì)構(gòu)造的角度，分析浙江各地常見的自然災(zāi)害有哪些，需要用ArcGIS生成浙江省河流分布圖、浙江省地質(zhì)構(gòu)造圖（見圖6、圖7）。

圖7 浙江省地質(zhì)構(gòu)造圖

在以上問題的探究過程中，學(xué)生需要在已有的知識基礎(chǔ)上，綜合浙江省地形、坡度、年降水量、河流分布、地質(zhì)構(gòu)造等要素，推斷浙江哪些自然災(zāi)害較為常見，自然災(zāi)害的空間分布有何特點。

問題5、6在問題1、2、3、4的基礎(chǔ)上，需要從ArcGIS數(shù)據(jù)庫中調(diào)取要素，生成浙江省行政區(qū)劃、人口分布與土地利用圖（見圖8、圖9、圖10）。綜合這些地理要素分析受自然災(zāi)害影響，浙江省哪些地區(qū)損失較嚴(yán)重。

圖8 浙江省行政區(qū)劃圖

圖9 浙江省人口密度圖

圖10 浙江省土地利用類型圖

在以上問題探究過程中，先綜合自然地理要素，再綜合行政區(qū)劃、人口密度和土地利用狀況等人文地理要素，層層遞進，讓學(xué)生逐步生成影響浙江自然災(zāi)害時空分布的地理分析框架。

(2)探究問題二——時空綜合

傳統(tǒng)的靜態(tài)地圖往往只能呈現(xiàn)某一時空尺度，不能通過靈活地放大或縮小尺度來分析地理事物。為了能更貼近學(xué)生的生活經(jīng)驗，將空間尺度縮小到杭州，利用ArcGIS分別提取2010年與2020年杭州市的土地利用類型圖（見圖11），并在課堂上用ArcGIS放大兩幅不同時間的土地利用類型圖，讓學(xué)生觀察預(yù)測。

圖11 2010年與2020年杭州市土地利用類型圖

設(shè)計的具體的問題鏈如下。①與2010年相比，2020年杭州土地利用類型發(fā)生了哪些變化？②土地利用類型的變化，會對杭州自然災(zāi)害的分布、造成的損失帶來什么影響？③為了減弱自然災(zāi)害的影響，該如何綜合各地理要素，科學(xué)地實施土地規(guī)劃？

通過問題鏈，待學(xué)生給出相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果后，再拿出杭州自然災(zāi)害的真實案例，進行比較分析，并利用ArcGIS軟件逐步疊加不同要素圖層，靈活調(diào)整空間尺度。學(xué)生普遍可以綜合各地理要素，從自然地理環(huán)境特征與人口密度圖推導(dǎo)出浙江省較為常見的自然災(zāi)害、自然災(zāi)害的空間分布有何特點、各地受災(zāi)程度有何差異。利用ArcGIS軟件呈現(xiàn)杭州市土地利用變化圖，學(xué)生們可以在課堂上比較高效地推出相應(yīng)的結(jié)論。

(3)探究問題三——地方綜合

ArcGIS軟件可對同一區(qū)域中不同時間段的要素圖層進行疊加，或?qū)ν粫r間段不同空間尺度的要素圖層進行疊加，這樣更有利于學(xué)生通過不同時空尺度動態(tài)分析地理事物的變化趨勢。利用ArcGIS分別提取2004～2017年浙江省滑坡分布數(shù)據(jù)和2003年浙江省主要滑坡（隱患）統(tǒng)計數(shù)據(jù)（見圖12、表2），并利用ArcGIS軟件在課堂上展示同一時間不同區(qū)域的滑坡分布情況，找出比較典型的數(shù)據(jù)進行對比分析，分析不同規(guī)模的自然災(zāi)害對不同區(qū)域造成的損失，從而培養(yǎng)學(xué)生綜合思維，使學(xué)生能正確看待自然災(zāi)害所帶來的影響。

圖12 浙江省滑坡分布圖（2004～2017年）表2 浙江省主要滑坡（隱患）統(tǒng)計表（2003年）

表2 浙江省主要滑坡（隱患）統(tǒng)計表（2003年）

設(shè)計的具體的問題鏈如下。①據(jù)圖12和表2，描述浙江省滑坡的空間分布特點，并分析原因。②溫州地區(qū)的滑坡規(guī)模比紹興小得多，但兩區(qū)受威脅人數(shù)相差不大，請分析原因。③麗水地區(qū)的滑坡規(guī)模比紹興小，但受威脅人數(shù)卻比紹興多，請分析原因。

結(jié)合浙江省滑坡空間分布特點，選取溫州、紹興、麗水等典型地區(qū)進行比較分析，并利用ArcGIS軟件展示不同空間的滑坡規(guī)模以及受威脅人數(shù)，讓學(xué)生在對比分析中整合地理要素，再綜合分析得出不同區(qū)域的自然災(zāi)害受自然地理和人文地理要素影響的結(jié)論。

三、基于ArcGIS軟件培養(yǎng)綜合思維的優(yōu)勢分析

本案例中，利用ArcGIS軟件的數(shù)據(jù)管理、空間分析和可視化表達等功能可有效地克服靜態(tài)地圖尺度與要素的單一的缺點，能方便靈活、直觀形象地疊加不同的地理要素，引導(dǎo)學(xué)生綜合分析地形、氣候、地質(zhì)、河流、人口和土地利用類型等要素之間的關(guān)系，強化區(qū)域認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生全面思考問題的能力，提升綜合思維能力。本文參考相關(guān)研究，[4]從以下三方面展開分析。

1.運用ArcGIS 軟件疊加分析功能，培養(yǎng)地理要素綜合思維能力

教師設(shè)計教學(xué)活動時，通過設(shè)置真實問題情境，利用ArcGIS軟件進行演示操作，有效地疊加要素，分析探討不同要素的特征，使學(xué)生直觀地觀察各個地理要素的特征，進而綜合分析地理要素。分析單個要素特征對自然災(zāi)害產(chǎn)生的影響后，可以拓展系統(tǒng)分析和解決問題的方法，延伸到其他要素對自然災(zāi)害的影響，最后構(gòu)建要素與要素、要素與災(zāi)害之間的關(guān)聯(lián)性，從而培養(yǎng)學(xué)生的地理要素綜合思維能力。

2.運用ArcGIS 軟件電子地圖功能，培養(yǎng)地理時空綜合思維能力

ArcGIS空間分析功能可以對相關(guān)地理數(shù)據(jù)進行處理，獲取不同要素、不同時空、不同區(qū)域的地理數(shù)據(jù)，從而更好地輔助分析自然地理環(huán)境在時空分布上的變化及其帶來的影響。本案例利用ArcGIS先后獲取浙江省地形、氣候、地質(zhì)、河流、行政、人口、土地利用類型等要素，彰顯了電子地圖功能的強大，開闊了學(xué)生的視野，讓學(xué)生直接體會了抽象的地理現(xiàn)象。此外，結(jié)合杭州近二十年的土地利用類型變化圖，從動態(tài)和發(fā)展的視角分析地理問題，構(gòu)建時空尺度關(guān)聯(lián)的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的時空綜合思維素養(yǎng)。

3.運用ArcGIS 軟件空間定位功能，培養(yǎng)地理地方綜合思維能力

ArcGIS軟件具有明顯的區(qū)域性特征，借助ArcGIS軟件空間定位功能既可以加深學(xué)生對該區(qū)域的認(rèn)知，還能夠展示不同區(qū)域的地理環(huán)境特征，反映不同區(qū)域的地理要素在時空上的變化特征。本案例利用ArcGIS軟件對各要素進行數(shù)據(jù)管理和空間分析，得出浙江省滑坡空間分布圖，讓學(xué)生通過對比分析不同區(qū)域間的地理環(huán)境特征差異，深入理解區(qū)域間的差異性對滑坡造成的影響，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維素養(yǎng)。