龔紹琦

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.036

摘? 要 敘述3S技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，闡明3S技術(shù)應(yīng)用在中學地理教學中的重要性，指出存在的問題，對加強3S技術(shù)應(yīng)用進行展望，以期為促進中學地理教學信息化提供理論指導。

關(guān)鍵詞 3S技術(shù);中學地理;核心素養(yǎng);地理實踐力

中圖分類號：G633.55? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）21-0036-04

1 引言

早期3S技術(shù)是遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的總稱。隨著世界各國衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（GNSS）的發(fā)展，3S主要是指RS、GIS和GNSS，具有對地理空間數(shù)據(jù)綜合獲取、管理和定位的功能，在國土、海洋、氣象、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、交通、軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，改變了人們的生活和工作方式，受到世界各國政府的高度重視并被大力發(fā)展。

3S技術(shù)作為一種現(xiàn)代信息技術(shù)，改變了傳統(tǒng)地理學的研究方法和表現(xiàn)形式，成為解決地理空間問題的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)，推動了現(xiàn)代地理學的發(fā)展，由此給地理學的教育內(nèi)容和教學方式帶來一定的變革和影響。隨著信息化進程的不斷推進，3S技術(shù)被逐漸應(yīng)用到中學地理教學中。

2001年6月，教育部頒發(fā)《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》，提出“在課程的實施過程中，加強信息技術(shù)教育，培養(yǎng)學生利用信息技術(shù)的意識和能力”的要求，并且要“大力推進信息技術(shù)在教學過程中的普遍應(yīng)用，促進信息技術(shù)與學科課程的整合，逐步實現(xiàn)教學內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，為學生的學習和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學習工具”。此外，《全日制普通高中地理課程標準》也指出：“強調(diào)信息技術(shù)在地理學習中的應(yīng)用。充分考慮信息技術(shù)對地理教學的影響，營造有利于學生形成地理信息意識和能力的教學環(huán)境?！币虼?，將3S技術(shù)引入中學地理教學是現(xiàn)代地理教育發(fā)展的需要，也是基礎(chǔ)教育課程改革以及教育技術(shù)現(xiàn)代化的必然趨勢。

2 3S技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

RS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀? 自20世紀60年代美國發(fā)射太陽同步氣象衛(wèi)星以來，遙感技術(shù)突飛猛進，取得長足進步：遙感圖像由早期的定性分析發(fā)展到當前的定量反演;遙感的探測波段從多光譜到具有2000多通道的高光譜，光譜范圍覆蓋了紫外、可見光、近紅外、熱紅外和微波波段;遙感的工作方式從以前的被動遙感發(fā)展到主動遙感;遙感平臺也逐漸多樣化，由早期的衛(wèi)星平臺和航空平臺到航天飛機、無人機以及地面平臺;遙感圖像的性能不斷提高，高空間、時間、光譜和輻射分辨率的遙感數(shù)據(jù)越來越多;遙感觀測的對象不再局限于地球，對月球的遙感探測、發(fā)展“太空經(jīng)濟”成為世界各國的新一輪熱潮，甚至開始了對火星的遙感探測。

遙感技術(shù)的進步，不僅體現(xiàn)在遙感探測能力和水平方面，在遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面也發(fā)展很快，面對海量的遙感數(shù)據(jù)，遙感信息處理的智能化、數(shù)據(jù)獲取的動態(tài)化和實時化、遙感應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化以及遙感工具的實用化已成為遙感技術(shù)發(fā)展的趨勢。由此也衍生了遙感信息的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，國內(nèi)外新型的商業(yè)遙感公司不斷誕生，如美國數(shù)字地球（Digi-

talGlobe）公司、天空盒子（SKY BOX）公司、行星實驗室（Planet Labs）公司，歐洲的空中客車防務(wù)與空間公司[1]，國內(nèi)的北京二十一世紀空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司、長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司、中國四維測繪技術(shù)有限公司、珠海歐比特宇航科技股份有限公司等都發(fā)射高空間分辨率的小衛(wèi)星，可向政府和企事業(yè)單位出售高分辨率的遙感數(shù)據(jù)，預計全球遙感數(shù)據(jù)市場可達到九萬億美元的收益甚至更高[2]。

GIS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀? 國際GIS萌發(fā)于20世紀60年代，我國GIS建設(shè)稍晚，開始于20世紀80年代初。GIS具有地理空間數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)處理以及空間地理信息服務(wù)等功能。GIS已經(jīng)在城市規(guī)劃、國土管理、交通運輸、國防建設(shè)、設(shè)施管理、環(huán)境保護、電力、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等眾多行業(yè)得到成功應(yīng)用，并逐漸應(yīng)用到電信、商業(yè)、旅游以及大眾信息服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域。GIS無論是技術(shù)開發(fā)，還是理論建設(shè)，都取得長足進步。新型GIS向著WebGIS、

組件GIS、移動GIS、三維GIS、時空GIS、高性能GIS和云GIS方向發(fā)展[3]。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，以地理信息資源開發(fā)利用為核心的地理信息產(chǎn)業(yè)日益興盛，成為世界各國爭相發(fā)展的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

2014年，《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》（國辦發(fā)〔2014〕2號）印發(fā)，國家發(fā)改委和國家測繪地理信息局聯(lián)合發(fā)布《國家地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2014—2020年）》，我國地理信息產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)良好的發(fā)展機遇。2017年，全國具有測繪地理信息資質(zhì)單位突破1.8萬家，從業(yè)人員數(shù)量達到46萬人，產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值預計超過6200億元，年均增長速度超過20%。地理信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也促進了地理信息科學的發(fā)展以及高校人才培養(yǎng)的需求[4]。

GNSS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀? 自1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，人們就開始了利用衛(wèi)星輔助導航的科學設(shè)想。美國于1958年開始研制子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)，并于1967年開放民用定位、導航和測量服務(wù)。蘇聯(lián)于1965年開始建立圣卡達衛(wèi)星導航系統(tǒng)。美國建立了世界上第一個用于導航定位的全球定位系統(tǒng)GPS，經(jīng)過幾十年的發(fā)展和完善，成為全球星座組網(wǎng)最完善、定位精度最高、用戶數(shù)量最多的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[5]。此外，俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo）、我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS），以及區(qū)域增強系統(tǒng)如日本準天頂衛(wèi)星導航系統(tǒng)（QZSS）、印度區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)（IRNSS）也在不斷發(fā)展和完善。新一代GNSS不僅具有導航、定位和授時功能，還能提供全天候、全球覆蓋、高時間分辨率的L頻段（1～

2 GHz）的微波信號，根據(jù)信號在大氣折射和地表反射的延遲，可以遙感反演大氣溫度、濕度、壓強、電離層電子總量等，海洋表面高度、海風、海冰、鹽度等，陸地表面土壤水分、積雪深度、植被高度、地形等參數(shù)[6]。GNSS作為一種新型遙感手段，在資源與環(huán)境監(jiān)測中具有重要的應(yīng)用前景。

3 3S技術(shù)應(yīng)用在中學地理教學中的重要性

激發(fā)學生地理學習興趣，培養(yǎng)學生地理信息技術(shù)素養(yǎng)? 由于地理學知識、現(xiàn)象和規(guī)律很抽象，需要學生充分發(fā)揮空間想象力，往往會使得地理學習枯燥乏味。在地理教學過程中引入遙感影像，并在GIS中可視化甚至是虛擬的、三維可視化，將大大增強地理內(nèi)容的表述性;若加上GPS獲得的地理位置信息，可隨時查詢圖像上的地物屬性。

比如教學“大氣運動、海水運動”，可利用高時間分辨率的靜止氣象衛(wèi)星圖像來制作動畫特效，反映大氣和海水的運動軌跡、發(fā)生強度和范圍，使學生生動、形象、直觀和真實地感受大氣和海水的運動規(guī)律和特點。又如，學生在野外地理實習時攜帶遙感影像地圖，不僅可以觀察地形地貌的影像特征，還能實地感受地形地貌分布的真實特點。此外，還可以利用GPS記錄野外考察的路徑。通過這樣的教學活動，培養(yǎng)學生學習地理的興趣，同時讓學生感受到3S技術(shù)強大的功能，增進對3S技術(shù)的熱愛，確立將來在高等教育學業(yè)和職業(yè)上選擇地理空間信息技術(shù)的意向，為高等學校3S技術(shù)人才培養(yǎng)提供優(yōu)質(zhì)的生源。

豐富地理教學內(nèi)容，改變地理教學方式? 中學地理主要介紹地球表層自然、人文和區(qū)域環(huán)境要素的空間分布、演變格局、人地關(guān)系等內(nèi)容，涉及區(qū)域大尺度乃至全球范圍的地理現(xiàn)象。傳統(tǒng)的地理教學主要是文字描述，輔以地圖冊或掛圖展示，教學內(nèi)容有限又單調(diào)，不利于教師深入講解，學生理解不深入，學習變得沒有興趣。3S技術(shù)承擔了良好的地理信息載體作用，將3S技術(shù)引入地理教學，可以對教學中的每個地理知識點從遙感影像中得到說明和體現(xiàn)，并在GIS中無限縮放、動態(tài)顯示，以及地理空間分析演示。比如在介紹“交通運輸布局”時，由于鐵路和公路能在超高空間分辨率遙感影像上顯示出來，因此可在遙感影像上給學生展示交通網(wǎng)絡(luò)的分布、城市群落的情況。此外，還可以在GIS中利用GIS的網(wǎng)絡(luò)分析功能進行最優(yōu)路徑分析，利用GIS的緩沖區(qū)分析功能對城市火車站和汽車站、鐵路和公路沿線經(jīng)濟輻射區(qū)域進行影響分析。通過這樣的教學，極大地豐富了地理教學內(nèi)容，增強了學生學習地理的興趣。

傳統(tǒng)地理課堂教學主要是教師講、學生聽的模式，教師注重文字的推理和講解，輔以板書為學生繪制一些簡單的地理示意圖。這種教學方式使學生和教師之間的互動交流很少，很難調(diào)動學生參與課堂教學活動的積極性，學習效果不理想。引入3S技術(shù)后，可先讓學生在GIS中觀察遙感圖像，從圖像中發(fā)現(xiàn)地理現(xiàn)象，然后進行分析和討論，最后由教師系統(tǒng)地講解教學內(nèi)容。這樣可以激活學生的認知，優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)，使學生實現(xiàn)從感性認識到理性認識、再上升到理論和規(guī)律性知識的認知過程，培養(yǎng)地理核心素養(yǎng)。

增強學生對地理知識的理解，培養(yǎng)學生的探究能力? 在地理教學中，針對教學內(nèi)容中的知識點，充分利用3S技術(shù)的強大功能，制作相應(yīng)的教學案例和素材，有效地幫助教師降低地理教學的難度，有助于學生深刻地理解地理學知識。比如在介紹“人口的變化”時，可用城市夜間燈光的遙感圖像來說明人口數(shù)量和分布情況，因為夜間燈光的強弱間接反映了人口數(shù)量的多少。此外，還可以在GIS中直接顯示各個地區(qū)人口數(shù)量的分布特征。通過這樣的教學案例，激發(fā)學生對新事物的好奇心和求知欲，拓展學生的想象力和空間思維，培養(yǎng)學生對地理問題的探究能力。

4 在中學地理教學中應(yīng)用3S技術(shù)存在的問題

中學師生的信息素養(yǎng)不高? 進入21世紀以來，我國信息技術(shù)得到普及和廣泛應(yīng)用，教育信息化程度不斷增強，在中小學開設(shè)信息技術(shù)課程，但中學師生信息素養(yǎng)的整體水平亟待提高。首先，高性能計算機硬件設(shè)備不足、區(qū)域差異明顯。由于3S軟件對計算機配置要求比較高，盡管一些經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)的計算機硬件設(shè)備已初具規(guī)模，但經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的硬件設(shè)備仍相對不足，尤其是偏遠農(nóng)村，可用的計算機數(shù)量有限，不利于教師和學生對3S軟件的使用。其次，師生對信息技術(shù)認識不足，教學效果不明顯。由于中學生課業(yè)重、升學壓力大，開設(shè)信息技術(shù)課只限課堂理論學習，課外實踐操作少，學生計算機軟件操作能力低，勢必影響3S軟件在中學地理教學實踐中的應(yīng)用。

中學地理教學中3S的配套設(shè)施不完善? 目前，中學地理教學中3S基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善，主要表現(xiàn)在3S軟件和配套教學數(shù)據(jù)兩方面。RS主流的商業(yè)遙感軟件有ENVI、ERDAS、

PCI等，GIS軟件有ARCGIS、MAPGIS等，GNSS軟件有Ber-nese、GAMIT等。這些軟件功能強大，但操作復雜，大多是英文界面，GNSS軟件還需要在Linux系統(tǒng)下操作，不利于中學教師和學生使用，缺乏適合中學地理教學使用的3S軟件。此外，與中學地理教學相配套的3S數(shù)據(jù)和素材十分缺乏，盡管現(xiàn)在3S技術(shù)帶來海量的地理大數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了信息過剩的問題，但中學地理教師要找到適用于教學案例的經(jīng)典數(shù)據(jù)和素材，需要花費很多時間和精力，給他們帶來很大的負擔。由此可見，當前中學地理教學中3S配套設(shè)施還不完善，限制了3S技術(shù)在中學地理教學中的應(yīng)用。

中學地理教師3S知識和技能缺乏? 當前很多高校都開設(shè)了GIS和RS專業(yè)，并且相關(guān)專業(yè)的教學計劃中都有GNSS的課程，但由于3S技術(shù)在我國起步比較晚，在中學一線開展地理教學的教師中真正精通3S技術(shù)的人還很少，大部分教師缺乏3S知識和技能。調(diào)查表明，中學地理教師僅6.67%的人具備GIS專業(yè)知識，而近80%的教師有所了解或基本不懂[7]。因此，當?shù)乩碚n堂上遇到3S教學內(nèi)容時，教師往往照本宣科，很難對3S的內(nèi)涵、發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景展開說明，勢必影響預期的教學效果，更談不上3S技術(shù)在地理教學中的應(yīng)用。潘立新和黃成林曾對安徽省128所中學關(guān)于3S在地理教學中的應(yīng)用情況進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)很少甚至沒有涉及3S技術(shù)。當?shù)乩砀呖贾谐霈F(xiàn)有關(guān)3S的題目時，就會出現(xiàn)很多教師都回答不出的現(xiàn)象，更不用說學生了[8]。中學地理教師3S知識和技能的缺乏，成為制約3S技術(shù)在中學地理教學中應(yīng)用的主要因素。

5 在中學地理教學中應(yīng)用3S技術(shù)展望

加快中學地理配套設(shè)施建設(shè)? 針對當前中學地理教學中3S設(shè)施不完善的問題，首先，各級教育主管部門和學校領(lǐng)導應(yīng)重視信息技術(shù)在地理教學中的作用，積極改善教師辦公的計算機設(shè)備條件，配置有利于3S軟件運行、足夠數(shù)量、便于學生實習的計算機機房，提高學生的計算機水平和信息素養(yǎng)。其次，建議教育主管部門牽頭，委托國內(nèi)知名地理信息產(chǎn)業(yè)公司開發(fā)面向中學地理教學的3S綜合應(yīng)用軟件，實現(xiàn)對遙感圖像、地理信息數(shù)據(jù)、衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)的基本操作，做到簡單、易學易用，以便于中學地理教師制作課件和學生實習使用。盡管早在2005年人民教育電子音像出版社與北京超圖地理信息技術(shù)有限公司就聯(lián)合開發(fā)了中學地理教育軟件《超級地圖》，給中學地理教學帶來便利和素材，但對3S知識和技能的學習與推廣還很有限。最后，開發(fā)與中學地理教材相配套的地理數(shù)據(jù)和素材。有關(guān)部門不僅要組織教育專家編寫好中學地理教材，還應(yīng)組織從事3S技術(shù)教學與科學研究的專家開發(fā)相應(yīng)的案例數(shù)據(jù)，并以光盤的形式與地理教材配套發(fā)行，方便中學地理教學使用，減輕教師制作課件的負擔，提高地理教學質(zhì)量。

加強中學地理教師3S技術(shù)培訓? 基于中學地理教師3S知識和技能缺乏的現(xiàn)狀，教育主管部門可利用學校寒暑假組織中學地理一線教師定期到當?shù)亻_設(shè)有3S技術(shù)相關(guān)專業(yè)的高等學校進行培訓。據(jù)最新統(tǒng)計，全國擁有地理信息科學（GIS）本科專業(yè)的普通高校有175所，擁有遙感科學與技術(shù)（RS）專業(yè)的高校有40所，擁有測繪工程專業(yè)的高校有153所，擁有導航工程專業(yè)的高校有六所，而且RS、GIS和GNSS課程都是這些專業(yè)的必修課。高校教師承擔了3S技術(shù)的理論教學和科學研究工作，具有豐富的理論和實踐經(jīng)驗。同時，高等學校也有足夠的師資和硬件設(shè)施完成中學地理教師3S技術(shù)的培訓工作。因此，利用地方高校對中學地理教師開展3S技術(shù)培訓是切實可行的，也是提升中學地理教師3S技術(shù)水平的重要途徑。

促進3S技術(shù)在中學地理實踐力培養(yǎng)中的應(yīng)用? 地理實踐力是地理學科四大核心素養(yǎng)之一，受應(yīng)試教育的影響，地理實踐力素養(yǎng)成為地理教學中最欠缺的能力。將3S技術(shù)引入地理實踐教學中，極大地方便了中學地理教師的課堂組織，也促進了學生地理實踐力的提升。比如，人教版高中地理（必修2）介紹了城市、農(nóng)業(yè)地域、工業(yè)地域和交通運輸布局等內(nèi)容，因此可設(shè)計一個綜合運用3S技術(shù)進行土地利用現(xiàn)狀分類的實踐項目。首先，從網(wǎng)上下載一幅某一地區(qū)最新的美國陸地資源衛(wèi)星Landsat 8陸地成像儀OLI影像，空間分辨率為30米，適合中尺度地區(qū)的土地利用分

類;再從影像上找若干個同名地物點，用GPS接收機到影像對應(yīng)的地物點上采集經(jīng)緯度坐標;然后利用采集的同名地物點的坐標，對整幅影像進行幾何精校正，使得整幅圖像具有地理坐標;最后在GIS軟件的支持下，選擇合適的波段進行假彩色顯示，使影像中的各類地物最有利于目視解譯。按照《土地利用現(xiàn)狀分類》標準，從影像中解譯出一類地中的12大類來，即耕地、園地、林地、草地、商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地以及其他用地，并在GIS軟件中自動統(tǒng)計出每一地類的面積等屬性。該實習內(nèi)容可在地理教師的指導下在室內(nèi)機房完成，通過實習可以很好地鍛煉學生運用地理知識解決實際問題的能力。

又如山岳地形地貌的實地考察，在出發(fā)前可讓學生提前觀察遙感影像圖，在影像圖上標記重點考察的地形地貌位置，并沿途用GPS接收機記錄行徑的軌跡，通過設(shè)置接收機自動保存的時間間隔，就可以自動記錄行徑中每個位置的經(jīng)緯度和海拔信息。在考察結(jié)束后可將接收機中記錄的信息導入GIS軟件中，利用海拔信息繪制等高線圖。由此可見，無論是地理課程的室內(nèi)實踐還是野外實踐，3S技術(shù)都將發(fā)揮重要作用，有效促進學生地理實踐力的培養(yǎng)。

參考文獻

[1]劉韜.國外商業(yè)遙感的新進展[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2014（12）：

34-37.

[2]羅格，衛(wèi)征.航天遙感與中國空間信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].航天返回與遙感，2018（4）：10-17.

[3]龔健雅.當代地理信息系統(tǒng)進展綜述[J].測繪與空間地理信息，2004（1）：5-11.

[4]閔宜仁，石勇，牛凌峰.中國地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式及其實現(xiàn)路徑研究[J].中國軟科學，2016（3）：184-192.

[5]紀龍蟄，單慶曉.GNSS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展概況及最新進展[J].全球定位系統(tǒng)，2012（5）：56-62，75.

[6]金雙根，張勤耘，錢曉東.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射測量（GNSS+R）最新進展與應(yīng)用前景[J].測繪學報，2017（10）：

1389-1398.

[7]岳秀云.GIS技術(shù)在中學地理教學中的應(yīng)用研究[J].太原大學教育學院學報，2012（4）：115-117.

[8]潘立新，黃成林.3S與中學地理教育探討[J].滁州學院學報，2007（6）：116-119.