基于地理大數(shù)據(jù)的高中地理教學(xué)實(shí)踐探索

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）提出“利用地理信息技術(shù)，營(yíng)造直觀、實(shí)時(shí)、生動(dòng)的地理教學(xué)環(huán)境”的理念^[1]。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)以及人工智能技術(shù)被遷移并應(yīng)用到地理學(xué)領(lǐng)域，給地理學(xué)研究的融合創(chuàng)新帶來新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)^[2]。在高中地理課堂教學(xué)中，利用人工智能技術(shù)將數(shù)據(jù)融入地理信息系統(tǒng)，可以使學(xué)生在真實(shí)的地理學(xué)術(shù)情境或生活情境中探索地理規(guī)律，促進(jìn)他們地理核心素養(yǎng)的形成，對(duì)推動(dòng)高中地理教學(xué)發(fā)展有著重要意義。

城市是一個(gè)高度復(fù)雜的空間系統(tǒng)。隨著人工智能技術(shù)的成熟運(yùn)用，人們對(duì)城市空間認(rèn)知的廣度與深度都有了進(jìn)一步的提高，精度高且覆蓋廣的地理時(shí)空大數(shù)據(jù)為城市空間研究帶來了全新的發(fā)展方向^[3]。城市地理大數(shù)據(jù)是針對(duì)地理實(shí)體及現(xiàn)象在時(shí)間、空間、屬性三個(gè)維度的“超”覆蓋樣本的集合，有粒度細(xì)、密度高、范圍大的特點(diǎn)。城市大數(shù)據(jù)能夠有效覆蓋城市發(fā)展的時(shí)空變化規(guī)律，有利于合理分析城市功能布局和規(guī)劃，與中學(xué)人文地理區(qū)位教學(xué)相契合^[4]。因此，將地理大數(shù)據(jù)融入地理課堂可從更多的角度支撐人文地理區(qū)位教學(xué)，使其教學(xué)模式得到進(jìn)一步優(yōu)化。基于此，本文以北京市二環(huán)內(nèi)的商業(yè)性服務(wù)業(yè)（餐飲業(yè)）與非商業(yè)性服務(wù)業(yè)（公立學(xué)校）為例，探討基于多源城市大數(shù)據(jù)與人文地理服務(wù)業(yè)區(qū)位因素的教學(xué)融合。

一、地理大數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

在人工智能背景下，我們可以獲取多種地理大數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和制圖。城市大數(shù)據(jù)主要包括遙感衛(wèi)星、無人機(jī)、街景圖片等獲得的對(duì)地觀測(cè)大數(shù)據(jù)以及手機(jī)信令數(shù)據(jù)、POI（Point of Interest）數(shù)據(jù)、OSM（Open Street Map）數(shù)據(jù)等人類活動(dòng)大數(shù)據(jù)，可以為城市地理學(xué)與經(jīng)濟(jì)地理學(xué)提供有力的數(shù)據(jù)支持^[5]。本次數(shù)據(jù)分析技術(shù)主要采用GIS（Geographic Information System）制圖軟件和Python編碼，坐標(biāo)系指定為“GCS_WGS_1984”，從較大的空間尺度和較小的空間尺度分別制圖，各個(gè)圖幅中均含有圖例、比例尺與指北針。各類城市大數(shù)據(jù)的獲取來源與數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟不同，如圖1所示。

其中，夜光遙感影像能在夜間探測(cè)到城市燈光、車流與居民地的低強(qiáng)度燈光，從而有效地表現(xiàn)人類活動(dòng)強(qiáng)度，成為城市建成區(qū)提取、城市發(fā)展分析的重要數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以直接從武漢大學(xué)珞珈一號(hào)網(wǎng)站上選取區(qū)域免費(fèi)下載。

POI數(shù)據(jù)一般包含名稱、類別、經(jīng)緯度和地址信息。通過Python編碼，我們可以利用爬蟲工具從目前常用的電子地圖軟件中獲取研究區(qū)域的POI數(shù)據(jù)。在刪除重復(fù)、無效和錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)后，我們便可將這些數(shù)據(jù)疊加到底圖上，進(jìn)行制圖以及核密度分析^[6]。

街景圖片數(shù)據(jù)可以為用戶提供城市、街道或其他環(huán)境的360度全景圖像，用戶可以通過該服務(wù)獲得身臨其境的地圖瀏覽體驗(yàn)。該數(shù)據(jù)可以計(jì)算出所在位置某個(gè)方向上的各類城市景觀占比情況，其中建筑物的占比情況代表了人流量與城市的活躍度。

房?jī)r(jià)數(shù)據(jù)同樣可以利用Python工具從相關(guān)租房信息網(wǎng)站獲取。小區(qū)房?jī)r(jià)數(shù)據(jù)在一定程度上表征了該地區(qū)的地租信息和土地價(jià)格信息。獲取這類數(shù)據(jù)后，我們需要?jiǎng)h除其中的冗余信息并匹配對(duì)應(yīng)的小區(qū)。

手機(jī)信令數(shù)據(jù)能夠通過城市內(nèi)部建立的基站塔記錄用戶的活動(dòng)信息。作為一個(gè)固定的傳感器，每一個(gè)基站塔不斷捕捉用戶的日常行為信息。這些信息表征了該地區(qū)手機(jī)用戶的活躍情況。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括北京市二環(huán)內(nèi)的水域、綠地、道路、地塊等數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)中，道路數(shù)據(jù)能夠反映該區(qū)域的交通通達(dá)性。通過應(yīng)用空間句法算法，我們可以計(jì)算出各道路的步行指數(shù)。該指數(shù)值越高，表明交通越便捷。

二、基于地理大數(shù)據(jù)輔助教學(xué)實(shí)踐案例

在傳統(tǒng)的人文地理教學(xué)中，產(chǎn)業(yè)區(qū)位的教學(xué)往往以實(shí)際的案例為背景，教師依據(jù)具體的圖文資料，指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)歸納區(qū)位因素，并進(jìn)行知識(shí)講解。但是在此教學(xué)模式下，區(qū)位因素分析對(duì)象的情境案例往往僅用于課堂導(dǎo)入或者知識(shí)舉例環(huán)節(jié)，并沒有貫穿整節(jié)課堂。這不僅削弱了課堂的邏輯推理性，而且由此得出的結(jié)論較宏觀，與解決實(shí)際問題為導(dǎo)向的素養(yǎng)教育理念不符。因此，本文結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)與多源城市大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將地理課堂教學(xué)劃分為三個(gè)環(huán)節(jié)，并針對(duì)實(shí)際的硬件軟件操作條件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)：課前，學(xué)生分組搜集各類城市大數(shù)據(jù)，了解大數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，并在教師指導(dǎo)下進(jìn)行專題地圖制作；課中，學(xué)生基于真實(shí)的專題地圖，從不同空間尺度分析商業(yè)性和非商業(yè)性服務(wù)業(yè)布局的區(qū)位因素，了解服務(wù)業(yè)區(qū)位因素的變化；課后，學(xué)生實(shí)地考察店鋪，并完成調(diào)研報(bào)告。

（一）教學(xué)分析

【課程標(biāo)準(zhǔn)】所依據(jù)的課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容要求是“結(jié)合實(shí)例，說明服務(wù)業(yè)的區(qū)位因素”和“通過探究有關(guān)人文地理問題，了解地理信息技術(shù)的應(yīng)用”。

【教學(xué)目標(biāo)】學(xué)生在課前地理實(shí)踐操作中，分組收集夜光遙感數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)、街景圖片數(shù)據(jù)、房?jī)r(jià)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，處理學(xué)習(xí)和掌握地理信息技術(shù)相關(guān)能力（地理實(shí)踐力）。學(xué)生通過多源城市大數(shù)據(jù)可視化地圖，探究北京市餐飲業(yè)和學(xué)校的分布格局，總結(jié)商業(yè)性服務(wù)業(yè)和非商業(yè)性服務(wù)業(yè)的空間格局特征，說明其影響因素（綜合思維、區(qū)域認(rèn)知）。學(xué)生通過讀圖探究服務(wù)業(yè)區(qū)位因素的變化，感受這種變化與人類活動(dòng)的關(guān)系（人地協(xié)調(diào)觀）。

【教學(xué)重點(diǎn)】說明商業(yè)性服務(wù)業(yè)與非商業(yè)性服務(wù)業(yè)的區(qū)位因素。

【教學(xué)難點(diǎn)】基于地理信息技術(shù)總結(jié)服務(wù)業(yè)的區(qū)位因素。

【教學(xué)工具】Python工具、GIS制圖軟件、幻燈片等。

（二）教學(xué)過程

1.課前：了解地理信息技術(shù)的應(yīng)用

教師根據(jù)數(shù)據(jù)類型將學(xué)生分為六個(gè)小組，分別為夜光遙感數(shù)據(jù)組、POI數(shù)據(jù)組、房?jī)r(jià)數(shù)據(jù)組、街景圖片數(shù)據(jù)組、手機(jī)信令數(shù)據(jù)組和OSM數(shù)據(jù)組，以開展課前活動(dòng)。此舉旨在培養(yǎng)學(xué)生的地理實(shí)踐能力，使他們了解地理大數(shù)據(jù)在地理學(xué)學(xué)術(shù)前沿的應(yīng)用，并拓寬其視野。首先，教師講解并演示各類城市大數(shù)據(jù)的收集過程，降低學(xué)生的操作難度。接著，全班學(xué)生分組完成各類數(shù)據(jù)的收集工作，并通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相關(guān)數(shù)據(jù)的原理及其應(yīng)用價(jià)值。隨后，教師會(huì)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并制作各類空間分布圖與核密度圖，為課堂教學(xué)提供案例資料。該環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如表1所示。

2.課中：新授“服務(wù)業(yè)區(qū)位因素及其變化”

任務(wù)一：描述商業(yè)性與非商業(yè)性服務(wù)業(yè)的空間分布特征

學(xué)生首先了解北京市二環(huán)區(qū)域的基本輪廓及基本地理位置，接著閱讀教師提供的該區(qū)域餐飲點(diǎn)分布圖（如圖2）和學(xué)校分布圖（如圖3）。通過對(duì)比該區(qū)域餐飲點(diǎn)核密度圖和學(xué)校核密度圖，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下思考商業(yè)性和非商業(yè)性服務(wù)業(yè)在北京市的分布特征差異，并提出自己的研究假設(shè)。教師隨后總結(jié)。

【設(shè)計(jì)意圖】通過學(xué)習(xí)利用地理信息技術(shù)處理數(shù)據(jù)的過程，學(xué)生可以了解制圖的相關(guān)步驟，感受學(xué)術(shù)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，以此提高興趣和專注度。通過構(gòu)建與學(xué)生生活密切相關(guān)的真實(shí)情境，教師可以使學(xué)生對(duì)北京市二環(huán)內(nèi)服務(wù)業(yè)的區(qū)位分布及其發(fā)展態(tài)勢(shì)有所認(rèn)識(shí)。

【技術(shù)助力】利用POI數(shù)據(jù)，學(xué)生可以探究服務(wù)業(yè)的分布格局，總結(jié)其空間特征，并探討影響因素，從而體會(huì)服務(wù)業(yè)發(fā)展變化與人類活動(dòng)之間的聯(lián)系。利用POI數(shù)據(jù)生成的專題地圖和核密度分布圖，有助于學(xué)生理解“地理事物分布—密度大—事物集聚”的思維邏輯，讓學(xué)生在描述地理事物分布格局的過程中，獲取和解讀地理信息的能力得到培養(yǎng)。

任務(wù)二：通過疊圖分析探究商業(yè)性服務(wù)業(yè)布局的區(qū)位因素

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和地圖分析出影響餐飲點(diǎn)分布格局的因素。在總結(jié)歸納學(xué)生列舉的市場(chǎng)、交通、集聚等服務(wù)業(yè)區(qū)位因素后，教師將學(xué)生分為對(duì)應(yīng)的三個(gè)小組，并為各小組分發(fā)基于多源地理大數(shù)據(jù)生成的各類專題地圖。市場(chǎng)組獲得的是基于居民軌跡數(shù)據(jù)制作的城市活力核密度地圖（如圖4）和基于街景圖片數(shù)據(jù)制作的高層建筑占比圖。交通組獲得的是北京市二環(huán)內(nèi)道路圖和道路步行指數(shù)分布圖。集聚組獲得的是商場(chǎng)核密度圖和夜光遙感影像地圖（如圖5）。各小組學(xué)生將各類專題地圖與餐飲業(yè)密度圖進(jìn)行圖層疊加，進(jìn)一步驗(yàn)證各類區(qū)位因素與餐飲業(yè)分布特征的關(guān)系。

【設(shè)計(jì)意圖】空間性是地理學(xué)科區(qū)別于其他學(xué)科的重要特征。教師分組提供多樣的地理數(shù)據(jù)和地圖，能讓學(xué)生通過疊圖分析感受地理學(xué)科的空間性，理解餐飲業(yè)分布的格局與各個(gè)地理要素的關(guān)系，進(jìn)而培養(yǎng)其綜合思維，展現(xiàn)其地理實(shí)踐力。同時(shí)，不同的小組設(shè)置能使學(xué)生在小組討論和展示過程中，從多個(gè)角度了解區(qū)位因素之間的相互作用及對(duì)餐飲業(yè)分布格局的影響。

【技術(shù)助力】多源的地理大數(shù)據(jù)能夠保障情境創(chuàng)設(shè)所需素材的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性。通過在真實(shí)情境中獲取和解讀真實(shí)信息，學(xué)生能夠從定性分析到定量分析再到新的定性分析，螺旋上升地解決地理問題。在實(shí)踐任務(wù)中，教師利用專題地圖有助于驗(yàn)證市場(chǎng)（人流量大、建筑密集）、交通（通達(dá)度較高）、集聚（如西單商圈和王府井商圈）等區(qū)位要素，使課堂教學(xué)效果更直觀與生動(dòng)，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

任務(wù)三：通過尺度變化探究非商業(yè)性服務(wù)業(yè)布局的區(qū)位因素

教師展示北京市各街道分布情況及常住人口專題圖、各居住小區(qū)房?jī)r(jià)專題圖，帶領(lǐng)學(xué)生利用較大的空間尺度分析公立學(xué)校的分布情況，總結(jié)非商業(yè)性服務(wù)業(yè)區(qū)位的差異。隨后，通過展示小空間尺度局部區(qū)域的中小學(xué)分布與周邊小區(qū)、公共交通、道路的關(guān)系圖（如圖6），教師引導(dǎo)學(xué)生歸納出非商業(yè)性服務(wù)業(yè)布局主要考慮被服務(wù)對(duì)象的需求與分布，從而驗(yàn)證非商業(yè)性服務(wù)業(yè)區(qū)位因素的結(jié)論。

【設(shè)計(jì)意圖】地理學(xué)科是關(guān)于空間的學(xué)科，空間尺度變化是地理學(xué)科研究的特殊視角。基于地理大數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同空間尺度的專題地圖，小空間尺度的專題地圖更貼近學(xué)生生活，有助于他們?cè)诘乩韺?shí)踐中探究非商業(yè)性服務(wù)業(yè)分布與周邊小區(qū)、公共交通、道路的位置關(guān)系，從生活經(jīng)驗(yàn)概括總結(jié)結(jié)論。

【技術(shù)助力】隨著GIS制圖軟件和信息化平臺(tái)的普及，教師可以將地理大數(shù)據(jù)從不同的時(shí)間空間尺度進(jìn)行教學(xué)用圖的制作，并融入地理課堂教學(xué)。大空間尺度的專題地圖往往展示宏觀的基本規(guī)律，而小空間尺度的專題地圖能詳細(xì)展示更具細(xì)節(jié)的地理信息或者特例，使課堂教學(xué)更直觀與生動(dòng)，提高課堂教學(xué)效率。

3.課后：實(shí)地考察，完成報(bào)告

教師要求學(xué)生選擇合適的服務(wù)業(yè)類型，走訪學(xué)校周邊的店鋪進(jìn)行實(shí)地考察，了解不同等級(jí)、不同規(guī)模的服務(wù)業(yè)的服務(wù)范圍、服務(wù)人群、人流量以及影響其布局的區(qū)位因素，得出不同店鋪影響其布局的共性和個(gè)性因素。另外，學(xué)生需要結(jié)合課程內(nèi)容，針對(duì)其中一種類型進(jìn)行區(qū)位理論分析并提交調(diào)研報(bào)告。最后，教師根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)和作業(yè)完成情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。

三、總結(jié)與反思

課程標(biāo)準(zhǔn)要求在課堂中要體現(xiàn)地理信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，而日益豐富的城市大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析方法可以用于不同空間尺度的地理制圖。這些數(shù)據(jù)覆蓋面廣，與生活息息相關(guān)，成為解決地理問題的有力工具^[7]。將多源城市大數(shù)據(jù)運(yùn)用于課堂探究，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們從信息化的視角解決地理問題，在讀圖和探究中提高他們的綜合思維與區(qū)域認(rèn)知核心素養(yǎng)，在制圖與疊圖中提高他們的地理實(shí)踐力。

該教學(xué)案例選取的素材既來源于學(xué)生生活，又來源于地理學(xué)科前沿，既具備趣味性，又具備科學(xué)性，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)區(qū)位知識(shí)。此外，基于人工智能獲取的地理大數(shù)據(jù)來源多樣，能夠彌補(bǔ)單一數(shù)據(jù)涵蓋內(nèi)容不全面的缺陷，使學(xué)生從更全面、更綜合的角度思考商鋪選址問題，并從不同的空間尺度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的空間意識(shí)和區(qū)域認(rèn)知素養(yǎng)，也順應(yīng)了地理學(xué)科小切口、小區(qū)域的考察方向。

由于多源地理大數(shù)據(jù)及其相關(guān)軟件操作的學(xué)習(xí)門檻較高，其應(yīng)用受到學(xué)校的信息化水平、教師觀念以及信息素養(yǎng)、學(xué)生認(rèn)知能力的影響，需要教師花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行課前準(zhǔn)備與制圖學(xué)習(xí)，對(duì)教學(xué)進(jìn)度有一定影響。因此，如何更便捷地將多源地理大數(shù)據(jù)融入地理教學(xué)，是今后地理教學(xué)工作者的研究方向之一。

注：本文系廣東省中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0專項(xiàng)科研課題“多源地理大數(shù)據(jù)輔助高中地理必修2教學(xué)實(shí)踐探索”（課題批準(zhǔn)號(hào)：TSGCKT2023073）的階段性研究結(jié)果。

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（作者系深圳大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：李媛