WebGIS輔助尺度思想培養的教學實踐

主惠文 宗瑋 柳云龍 劉蘭

摘 要：尺度思想是地理學的基本思想之一，對培育地理核心素養具有獨特價值。WebGIS是互聯網與GIS融合發展的產物，革新了地理空間信息技術在地理教育中的使用方式，已逐漸成為輔助地理教學的重要技術手段。本文明確了WebGIS輔助尺度思想培養的三大優勢：改變比例尺，指向尺度劃分；可視化、量化地理要素，指向尺度關聯；歸納區域特征、凸顯區域差異、指向尺度轉換。在此基礎上，以“黃土高原的水土流失”為主題，探究滲透尺度轉換、尺度關聯思想的路徑與方法，并結合SOLO分類理論設計教學評價量表。

關鍵詞：WebGIS；尺度轉換；尺度關聯；黃土高原

中圖分類號：G633.55? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-5207（2024）03-0015-06

一、問題的提出

尺度思想，是通過尺度的透鏡觀察和理解地理事象，分析和解決地理問題的地理思想［1］，融入尺度思想的教學對地理核心素養的培養［2］及地理教師教學實踐水平的提升有重要作用。

在參加閱卷工作時，一道材料題引發了筆者思考，原題設問如下：“與其他大江大河相比，黃河的航運條件有其特殊的困難和局限。請從自然條件的角度，分析黃河下游沒有航運價值的原因？”此題難度不大，對學生思維結構要求不高，但考生的答案卻暴露了諸多問題。

問題一：空間尺度對應不準，誤將題目所問的黃河下游擴大為黃河全域。“地勢崎嶇”“上中下游落差大”體現了該考生讀題不認真、尺度對應不清的問題（圖1），或是未注意觀察尺度的改變會導致效應的變化，盲目得出結論。

問題二：不能建立具有尺度思想的黃河下游航運價值低→黃河下游水文條件→區域背景思維邏輯鏈。多數學生未把黃河下游置于大環境下分析，不能以小見大，尺度關聯和尺度轉換思想薄弱，沒有答出“位于季風氣候區，徑流量季節變化大；冬季氣溫低，河流有結冰期，通航時間短”等。也有一部分學生沒有結合正確的區域背景，導致分析結果錯誤，如“下游城市主要涉及長江經濟帶，對黃河的依賴性不大”“黃河下游流經華北平原，其流速快”“黃河水流量大，沖垮大堤”等（圖2）。

如何有效培養高中生的尺度思想？如何在教學實踐中融入尺度思想？本文借助WebGIS技術，尋求兩者契合點并進行案例設計。

二、WebGIS輔助地理尺度思想培養的三大優勢

張家輝將地理教育中的尺度思想概括為六大基本內容：尺度劃分、尺度匹配、尺度關聯、尺度效應、尺度選擇、尺度轉換［1］。對應其內涵，本文認為WebGIS培養尺度思想具有如下三大優勢。

1.改變比例尺，指向尺度劃分

白光潤認為地理學的研究對象是復雜巨系統，是相當宏大的客體，十分重視研究的時空尺度，因而等級層次思想是很重要的指導思想［3］。所以“尺度劃分”，即按照一定標準，將空間尺度較大或時間尺度較長的地理事物和現象劃分為若干大小不同的空間或長短不一的時間的過程［1］，為人們提供了一種認識和分割龐大地球表層的思路方法。

WebGIS技術突破時間、空間限制，具有時空動態耦合功能。WebGIS視圖呈現的空間范圍大至宇宙，小至一條道路，可無級縮放，準確定位。實時獲取、存儲、更新真實數據，與相應的地理環境和地理事物對應匹配，形成跨越時間和空間的地理過程邏輯鏈。教師講解某地理現象時，可在WebGIS平臺中更改空間比例尺，比例尺由小變大，尺度由大變小，定位目標尺度范圍；也可拖動時間軸，以年、月、天、時為單位將其劃分分析，幫助學生構建尺度劃分思想，有序分析地理事物和地理過程。

2.可視化、量化地理要素，指向尺度關聯

地球表層按照給定指標劃分為大小、長短不同的區域和時間范圍，這并不意味著不同尺度或相鄰尺度區域的分裂化、孤立化，反而彼此關聯、互相制約，這便有著尺度關聯的意蘊，即指不同尺度上地理事物和現象之間的關聯互動作用［1］。

WebGIS具有地理要素（包括自然和人文）圖層顯示、圖層疊加、數據下載功能，將“抓不到”、看不到的地理效應專題化、可視化、量化。例如，在進行拉尼娜現象教學時，教師可結合2022拉尼娜年這一真實情境，選擇氣象和水文主題的WebGIS平臺，配合海水溫度、大氣溫度和降水要素等數據，圍繞“赤道附近發生的拉尼娜現象會對全球氣候產生什么樣的影響？”這一問題開展探究式學習。

3.歸納區域特征，凸顯區域差異，指向尺度轉換

區域具有冗雜性和層級性，單純從一個角度解決區域問題很難發現本質和真相，所以關鍵技巧在于轉換尺度，既不困于宏觀層面的整體態勢，也不陷于微觀層面的細枝末節難以脫身，全面又細致地認識目標區域。

WebGIS的優勢在于它能呈現區域整體性，歸納區域特征，也可顯現區域差異性，突出異質性。整體性具體體現在三方面：一是定位區域位置，二是多種地理數據信息歸納區域總體特征，三是時空動態模擬預測區域未來發展趨勢。從這三方面比較不同區域方能展現區域差異性。通過WebGIS觀察不同區域以及各個下級區域的同質點和異質點，避免產生“大包抄”“生搬硬套”或忽視大區域背景、根源性條件［4］等尺度問題，是認識區域、解決區域問題的得力工具。

例1.（2022年高考全國文綜甲卷第7題）圖3示意北美東南部沿海沖積平原某區域1890年以來海岸線的變化。讀圖，完成下列小題。

在圖示區域海岸線變化最快的時段，該區域可能經歷了

A.強烈的地震? ? ? ? ? ? ?B.劇烈的海嘯

C.頻發的颶風? ? ? ? ? ? ?D.洶涌的洪水

【試題解析】題目中“變化最快的時段”為1950—1970年。由圖中穿過的經緯線可知圖示區域范圍較小。利用WebGIS氣象主題平臺，先定位到圖中位置，再進行尺度上推，擴大區域范圍，發現該地位于北大西洋低緯度地區，靠近熱帶海域。隨即調出臺風統計數據，得到“熱帶海域每年颶風頻發”的結論，推測颶風除了導致狂風、暴雨以外，還會形成風暴潮，短時內對海岸線產生強烈的侵蝕破壞作用，答案為C。此題關鍵在于將熱帶海域較大空間尺度上“頻發臺風”的信息轉換到此題目中北美東南部沿海沖積平原較小的空間尺度上。

三、WebGIS輔助“黃土高原的水土流失”主題教學實踐

1.教學目標

本文選擇2020年滬教版高中地理教材選擇性必修二第二單元主題6“生態脆弱區的治理——以黃土高原為例”第1課時為教學課例。課標要求為“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”［5］。教材內容主要設置“黃土高原生態脆弱的主要表現”“黃土高原生態脆弱的影響因素”“黃土高原的綜合治理”三部分，為使教學更具一體性，本文以“黃土高原的水土流失”為主題和脈絡重新串聯教材內容。依據課標、教材、學情，本節課的教學目標為：①通過對比延安市和西安市的土壤侵蝕強度，轉換時空尺度大小，歸納黃土高原區域特征和區域差異，多要素總結黃土高原水土流失的原因（綜合思維、區域認知）；②能夠運用尺度關聯思想，認識到黃土高原水土流失對本地和黃河下游、華北平原的影響，體會水土流失對人類的危害，樹立人地協調發展的意識（人地協調觀）。

2.教學思路

教學思路如圖4所示。

3.教學過程

（1）設疑導入

教師展示黃土高原土壤侵蝕強度圖，讓學生分別讀取延安市、蘭州市的土壤侵蝕強度，拋出疑問：眾所周知，黃土高原是我國水土流失嚴重區域，延安和蘭州同樣位于黃土高原，但為何延安為強度侵蝕，蘭州卻為微度侵蝕？由此激發學生探究興趣，快速進入本課主題。

（2）滲透尺度轉換思想，分析水土流失成因

教師提供延安市和蘭州市2021年逐月降水量、降水強度等級和日最大降水量統計數據，拋出問題鏈（圖5）。一系列問題旨在體現空間尺度的層級擴張，即延安市、蘭州市到溫帶季風氣候區、溫帶大陸性氣候區，再到黃土高原，既解決導入疑問，也引導學生發現黃土高原水土流失嚴重的第一個自然因素——降水。該過程中指導學生注意尺度變化，幫助學生形成關注區域背景的分析思維。

教師再次提供2021年西安市降水量數據，并且讓學生讀取西安市土壤侵蝕強度，重新對比西安市和延安市，創設認知矛盾：延安和西安降水特征相似，但土壤侵蝕強度仍有較大差異，看來除了降水，還需深入兩地尋求答案，由此過渡到其他因素學習。

教師打開“全球森林觀察網站”（https：//www.globalforestwatch.org/），依次點擊“地圖”“土地覆蓋”選項，選擇“森林覆蓋—2010年”圖層，點擊右下角“+”圖標，放大比例尺，將視圖定位為延安市版圖。點擊“延安市”“分析”字樣，左側出現延安市2010年>30%樹木覆蓋率（7.8%），讓學生讀取記錄數據。同樣操作，查詢記錄西安市2010年>30%樹木覆蓋率數據（39%）（圖6）。結合以往所學的植被的環境效應，指導學生發現導致兩地土壤侵蝕強度差異的原因——植被。繼續點擊“-”圖標或轉動鼠標滾輪，縮小比例尺，呈現整個黃土高原區域范圍，讓學生嘗試描述2010年黃土高原整體的森林覆蓋特征，將結論尺度上推，歸納黃土高原水土流失嚴重的第二個自然因素——植被。

教師打開“國家土壤信息服務平臺”（http：//www.soilinfo.cn/map/index.aspx），點擊“數據目錄”，依次選擇“土壤類型圖—發生分類—中國1∶400萬土壤類型圖”，點擊“查詢”，在下方文字框查詢條件里分別輸入“陜西省延安市”“西安市”，調出兩地各縣區土壤相關數據（圖7）。對面積進行排序后發現延安排名前三的縣區土壤類型都為黃綿土，西安則順次為黃棕壤、棕壤、褐土。隨后，播放土壤影響水土流失實驗視頻，教師和學生一起總結黃土的特性：黃土具有顆粒細小、多孔疏松、垂直節理發育、濕陷性強等特點，易于流失。而對比棕壤，黃綿土完美繼承了黃土的本質特征。學生基于真實數據分析，找出了兩地侵蝕強度差異的又一原因——土質。教師繼續在查詢條件框中的“圖形條件”選擇“多邊形”，在行政區底圖中繪制出黃土高原區域范圍，點擊“查詢”，調出黃土高原土壤類型數據（圖8），統計后發現黃土高原地區主要分布黃綿土、褐土、黑壚土等土類，學生結合風成說相關內容，知道這些土類都是基于深厚的黃土層演變而來。由此歸納黃土高原水土流失嚴重的第三個自然因素——土質。

[<E：＼鐘興貴＼240229-＼地理教育2024第3期＼地理教育2024第3期-數據-＼主惠文-7A.tif><E：＼鐘興貴＼240229-＼地理教育2024第3期＼地理教育2024第3期-數據-＼主惠文-7B.tif> 圖7 國家土壤信息服務平臺顯示的延安市土壤數據 ]

教師在國家土壤信息服務平臺中切換成衛星遙感影像，依次點擊“查詢”“行政邊界圖—全國縣界”，分別選擇“陜西省延安市”“西安市”，點擊下方各縣（區）任意一欄，點擊“定位”，顯示此縣（區）位置。教師帶領學生觀察兩地各縣區衛星遙感圖像，真實感受兩地地貌、地形、坡度差異。總結時強調延安多黃土梁峁、溝壑和黃土塬溝壑，總占比達到91%；而西安北部有著大面積的渭河平原，南部是秦嶺山地。提問：哪種地形更容易發生水土流失？（分析西安時讓學生比對西安樹木覆蓋分布圖與地形圖，發現樹木覆蓋區與秦嶺山區重合，點出西安南部雖多山地，但植被覆蓋率高，水土不易流失），由此找到兩地土壤侵蝕強度差異的又一原因——地形。教師重新定位整個黃土高原，指導學生自由選擇移動地點、放大比例尺近距離觀察黃土高原地形地貌，提問：黃土高原大部分地區的地形地貌是怎樣的？坡度是陡還是緩？同樣進行結論尺度上推，歸納黃土高原水土流失嚴重的第四個自然因素——地形。

從全國來看，黃土高原整體的植被覆蓋面積小，夏季暴雨頻發，黃土分布廣泛，溝壑縱橫、坡陡谷深，這是黃土高原水土流失典型的自然原因，由此形成區域背景，歸納區域特征——生態脆弱，培養學生區域性素養。而其內部又存在差異，需具體尺度具體分析，在WebGIS平臺提供的植被、土質等真實數據支持下對比延安市和西安市，幫助學生形成尺度轉換思想，避免大包抄等尺度問題，樹立正確尺度觀。

教師強調黃土高原水土流失是受自然和人為因素的雙重影響，從而過渡到人為因素的學習。提供以下資料，讓學生從古今兩個視角，分析黃土高原森林覆蓋率下降的原因。

材料一：公元前5 000至3 000年，黃土之上發展出的仰韶文化可謂當時華夏大地上的“經濟文化中心”。究其原因，是當時黃土高原的生態環境比今天要宜居得多，山地中分布著廣袤的森林，塬墚峁上則是豐美的草原。

材料二：黃土高原森林覆蓋率歷史變化［6］（表1）。

黃土高原如今的狀況是有歷史背景前提的。從歷史角度看：①農耕文明的興盛、人口的增長，導致大量屯墾土地；②工程建設，如秦代“蒙恬率三十萬眾北筑長城”；唐宋時營建宮室、城市，大規模采伐黃土高原上的木材；明代在黃土高原北部修筑長城等；③政策制度，如清代推行獎勵墾荒制度；由于長期的戰爭，長城內外皆是征戰的焦點，生靈涂炭。20世紀50至70年代也存在“過度樵采、過度放牧及不合理采礦、工程建設”等現象。該部分內容需變換時間尺度解析答案，剖析人類文明發展歷程，進而培養學生歷史眼光。

（3）滲透尺度關聯思想，探究水土流失影響

首先是對當地的影響。教師繼續利用國家土壤信息服務平臺，在數據目錄中找到“土壤專題圖”，打開“中國1公里土壤有機質含量”圖層（圖9），顏色越深代表有機質含量越高。打開“黃河水文網站”（http：//www.hwswj.com.cn/），點擊“水情信息”，時間固定在2022年7月，讓學生觀察7月小浪底水文站記錄的黃河含沙量信息（圖10）。同時提供材料三，提問：圖中黃土高原地區是什么顏色？說明什么？從小浪底水文站記錄的黃河含沙量數據和材料三你可以獲取什么信息？

材料三：黃河多年平均輸沙量16億噸中的89%來自中游地區，其中90%來自汛期，汛期又主要集中來自幾次高含沙量洪水。

其次是對黃河下游及華北平原的影響。以7月為例，教師繼續讓學生觀察黃河水文網中東灣站到利津站之間所有水文站（即位于黃河下游的水文站）的水位要素數據，告知學生黃河下游主要流經華北平原，大部分地區海拔在50米以下，東部沿海平原在10米以下，提問：對比水位和海拔數據，你發現了什么？學生結合已學知識，自主討論。討論后師生共同總結：黃河流經至下游，因地勢變緩，流速變慢，中游攜帶來的泥沙沉積下來，一方面沖積形成今天的華北平原，另一方面也淤積河床，抬升河道，黃河下游多形成“地上河”，河流的綜合利用功能，如航運、蓄洪防旱功能減弱，華北平原旱澇災害頻發、水資源短缺，制約該地區的經濟發展。

黃土高原和黃河下游及華北平原密切關聯，該環節意在培養學生尺度關聯思想，讓學生體會不同空間的互動，形成從多空間角度看待問題的思維習慣。

（4）情感升華，聚焦素養生成

本節課在時空尺度視野下，綜合探究了黃土高原水土流失的原因和影響，認識到了如今黃土高原脆弱的生態環境。但在數千年前，黃土高原環境優美，誕生了先進的文明和獨特的文化。通過對比啟發學生反思，幫助學生理解人地關系協調的重要性，意識到人類社會要想持續發展，就必須尊重自然、保護自然。

4.教學評價

本文擬采用書面測驗法，選取2021年高考河北卷18題第1問為測試題。

例2.閱讀圖文材料，完成下列要求。

陜北延安至榆林間的森林草原區（圖11）黃土丘陵溝壑地貌發育，圖12為該區自溝壑底部到丘陵頂部自然植被分布的典型剖面示意圖。長期的坡面耕作打破了生態平衡。1999年以來，該區域實施了大規模退耕還林還草工程，大范圍坡耕地轉為林草地，在植被覆蓋率提高、水土流失減弱的同時，坡面林地土壤也出現了明顯干燥化趨勢，給林木正常生長帶來潛在威脅。

分析該區自然植被空間分異的原因

該題目符合本課教學內容，要求學生從不同尺度分析森林草原區自然植被空間分異的原因，考查學生運用尺度轉換和尺度關聯思想解決地理問題的能力。結合SOLO分類理論，列出五種結構水平下對應的作答要求和答案示例，評價量表如表2所示。

四、結語

高質量地理核心素養的達成需要關注地理學思想，基于地理思想方法組織教學邏輯有助于教師厘清知識脈絡、學生構建運用尺度思想解決地理問題的思維模式，展現地理學科的獨特價值，營造具有地理味道的地理課堂。本文基于WebGIS培養尺度思想的三大優勢，以“黃土高原的水土流失”課程內容為載體，探討了WebGIS具體應用于尺度思想教學的方式方法，以期為一線教育工作者提供新思路。

參考文獻：

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