彭國強(qiáng)

（陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，陜西 西安 710119）

引言

地理信息科學(xué)（Geographic Information Science,GIS）是地理學(xué)一級(jí)學(xué)科的重要分支學(xué)科之一，目前國內(nèi)大約有190所大學(xué)開設(shè)了地理信息科學(xué)相關(guān)專業(yè)［1］。在技術(shù)和工具層面GIS被定義為一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)，它是在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)，進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)［2］。在科學(xué)層面，GIS更加強(qiáng)調(diào)與綜合運(yùn)用信息技術(shù)、計(jì)量地理學(xué)、空間科學(xué)等相關(guān)學(xué)科所提供的技術(shù)和方法支撐，探索和揭示地理現(xiàn)象和要素的分布形態(tài)、時(shí)空演化規(guī)律、相互作用和影響機(jī)制，從而服務(wù)于地理決策支持［3］。

傳統(tǒng)的中學(xué)地理教學(xué)以地理知識(shí)傳遞為主，存在著明顯的死記硬背現(xiàn)象，這也讓中學(xué)地理教學(xué)具備了較為明顯的文科特征。但在實(shí)際學(xué)習(xí)過程中，地理知識(shí)的內(nèi)容又包含了實(shí)驗(yàn)分析、推理、野外考察、空間化抽象等諸多邏輯思維和實(shí)證特性。因此，在中學(xué)地理實(shí)踐教學(xué)、邏輯論證十分缺乏的當(dāng)今，急需一種直觀、可視的分析實(shí)驗(yàn)方法，幫助中學(xué)生以實(shí)踐和邏輯論證的方式進(jìn)行地理知識(shí)發(fā)現(xiàn)與規(guī)律探索。

一、地理信息科學(xué)研究?jī)?nèi)容及當(dāng)前研究熱點(diǎn)

地理信息科學(xué)研究?jī)?nèi)容的具體表現(xiàn)形式包括：地理數(shù)據(jù)的采集與獲取、地理數(shù)據(jù)組織與管理、地理數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用、地理可視化理論與方法以及地理信息技術(shù)在當(dāng)代地理學(xué)研究中的綜合應(yīng)用［2］。

（一）地理數(shù)據(jù)的采集與獲取

地理數(shù)據(jù)采集與獲取是利用數(shù)字化、信息化方法對(duì)描述現(xiàn)實(shí)世界地理實(shí)體及其特征的數(shù)據(jù)生產(chǎn)步驟［2］。近年來，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，以高精度雷達(dá)傳感器為代表的數(shù)據(jù)采集方式越來越廣泛，其主要采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：基于傾斜射影數(shù)據(jù)的實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集、基于點(diǎn)云的高精度測(cè)量及形變數(shù)據(jù)采集等。此外，隨著智能手機(jī)、平板電腦等普通用戶終端設(shè)備的普及，文字和照片圖像也非常容易地被賦予地理坐標(biāo)信息或打上空間位置標(biāo)記，這些文字或圖像信息，也被認(rèn)為是廣義上的地理數(shù)據(jù)。

（二）地理數(shù)據(jù)的組織與管理

在信息化和數(shù)字化時(shí)代，地理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是指不同儀器和設(shè)備采集的地理信息在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)和組織方式［2］。近年來，隨著數(shù)據(jù)采集和來源的類型越來越多，地理數(shù)據(jù)越來越呈現(xiàn)出多源異構(gòu)的特征，如：常用的測(cè)繪儀器和傳感器采集的數(shù)據(jù)主要是上文提到的以矢量及柵格數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而普通用戶終端所產(chǎn)生的具有空間位置信息的文字、圖像、音視頻數(shù)據(jù)，常具有明顯的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)特征。因此，目前地理數(shù)據(jù)庫的研究熱點(diǎn)也聚焦在對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ)和對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理方面。

（三）地理數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

地理數(shù)據(jù)分析是對(duì)于地理要素及實(shí)體對(duì)象的特征、空間現(xiàn)象、時(shí)空分布和演化規(guī)律的定量化研究技術(shù)和方法，其基本內(nèi)涵是通過對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的計(jì)算和變換使之具有不同的形式和維度，并且提取其潛在的信息［2］。近年來，地理空間大數(shù)據(jù)分析的研究范式的不斷完善，人工智能分析識(shí)別方法、虛擬仿真等技術(shù)快速進(jìn)步，地理大數(shù)據(jù)分析、基于AI的地理時(shí)空大數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算、三維空間分析等方法得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，成為當(dāng)前空間分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿［5］。

（四）地理可視化的理論與方法

地理可視化是地理信息的核心研究技術(shù)和方法之一，傳統(tǒng)的地圖學(xué)及地圖制圖是地理可視化研究和應(yīng)用的經(jīng)典代表［4］。近年來，地理數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)主要聚焦于通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、渲染技術(shù)將眾源地理數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)，如：人口交通流熱力圖、人口遷徙圖等，強(qiáng)調(diào)對(duì)不同地理數(shù)據(jù)的時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行揭示與表達(dá)。地理數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)可視化技術(shù)，主要來自于眾源大數(shù)據(jù)。實(shí)景三維場(chǎng)景因其具有更為逼真的表達(dá)能力，一直是地理可視化的重要的發(fā)展方向，其廣泛應(yīng)用于三維實(shí)景導(dǎo)航、智慧城市等領(lǐng)域。總體來看，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字孿生、虛擬地理環(huán)境等技術(shù)成為了地理可視化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，尤其是數(shù)字孿生技術(shù)，已經(jīng)成為最接近于實(shí)現(xiàn)全真互聯(lián)網(wǎng)元宇宙的技術(shù)手段。

（五）地理信息技術(shù)在當(dāng)代地理學(xué)研究中的綜合應(yīng)用

除上述地理信息技術(shù)主要研究方向之外，地理信息技術(shù)在新興研究方向還包括：地理建模與模擬、地理空間人工智能、基于GIS的地理綜合研究等［6］。

在地理建模與模擬方面，近年來，基于不同領(lǐng)域數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行的地理建模與模擬得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，如：水流過程、經(jīng)濟(jì)演化、傳染病擴(kuò)散等，這些行業(yè)模型大多依賴于地理信息技術(shù)提供的數(shù)據(jù)支撐作為模型模擬的初始條件，借助于地理可視化等技術(shù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)表達(dá)。人工智能技術(shù)正逐漸影響和改變著各行各業(yè)的研究范式，地理學(xué)亦不例外。近年來，地理空間人工智能也是地理信息科學(xué)新的研究范式之一，人工智能在知識(shí)發(fā)現(xiàn)與知識(shí)自動(dòng)提取方面的優(yōu)勢(shì)和能力，與地理學(xué)揭示一般性規(guī)律的目標(biāo)不謀而合。隨著研究數(shù)據(jù)越來越豐富，為基于深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)的地理人工智能研究提供了足夠多的訓(xùn)練樣本。

在基于GIS的地理綜合研究方面，地理信息科學(xué)與技術(shù)在當(dāng)代地理學(xué)綜合研究的支撐作用，主要體現(xiàn)在以下方面：（1）地理數(shù)據(jù)對(duì)地理空間異質(zhì)性特征的綜合表達(dá)能力。（2）地理綜合研究的一大主題是，能重現(xiàn)地理環(huán)境過往、反演地理環(huán)境的現(xiàn)狀、模擬地理環(huán)境的未來演化規(guī)律、揭示要素之間的相互作用規(guī)律與響應(yīng)機(jī)制，并將地理綜合研究中的內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化表與輸出。（3）地理綜合研究涉及諸多的交互、模擬、信息輸出，這些交互、模擬與信息輸出是依賴于現(xiàn)代信息技術(shù)手段來完成的，基于地理信息技術(shù)的綜合應(yīng)用系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)地理綜合研究的重要平臺(tái)與載體。

二、中學(xué)階段GIS教學(xué)的意義及教學(xué)實(shí)施案例

（一）GIS支撐中學(xué)地理教學(xué)的意義

地理信息技術(shù)不僅已經(jīng)深入到人們生活的方方面面，還服務(wù)于國家的重大發(fā)展戰(zhàn)略，其逐漸成了人們應(yīng)該掌握和具備的基本知識(shí)和技能，也是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)創(chuàng)新的重要?jiǎng)恿υ慈＝陙恚S著以個(gè)人電腦、智能終端等為代表的信息技術(shù)普及度的大大提高，人們掌握和使用信息技術(shù)的門檻逐漸降低，全民信息素養(yǎng)大幅提高，以及中學(xué)階段信息技術(shù)教育進(jìn)一步加強(qiáng)，這些社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步都為GIS技術(shù)走進(jìn)中學(xué)課堂提供了良好的基本支撐條件。目前，在我國發(fā)達(dá)城市的部分重點(diǎn)中學(xué)，如上海、北京等地區(qū)的部分中學(xué)，已經(jīng)在高中階段的地理教學(xué)中初步加入了GIS技能訓(xùn)練的教學(xué)內(nèi)容。相關(guān)教學(xué)內(nèi)容可讓學(xué)生掌握主流GIS軟件的基本用法，如：基本的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、地理分析、制圖展示等。在學(xué)生掌握主流GIS軟件的基本使用方法后，進(jìn)一步將地理教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)所包含的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工處理、地理分析、分析結(jié)果的可視化輸出與共享，這些重要的環(huán)節(jié)均通過GIS軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該種教學(xué)方法可以一定程度上避免學(xué)生死記硬背的情況，讓學(xué)生能夠更好地綜合運(yùn)用地理知識(shí)去分析地理規(guī)律和探索地理問題。

此外，地理信息技術(shù)在培養(yǎng)中學(xué)生地理核心素養(yǎng)方面也有著諸多的天然優(yōu)勢(shì)。如：通過對(duì)地理環(huán)境演化規(guī)律的建模與模擬，對(duì)空間分析算法或數(shù)值計(jì)算模型采取不同的輸入邊界條件，可得到不同的模擬分析結(jié)果，以揭示人地關(guān)系的相互作用，依托地理信息技術(shù)的直觀可視化的因果分析結(jié)果展示可以更好地幫助學(xué)生建立起良好的人地協(xié)調(diào)觀。不同尺度和方法的地理分析方技術(shù)，還可以揭示地理要素和實(shí)體對(duì)象之間的時(shí)空演化及相互作用機(jī)制，可以幫助學(xué)生更好地分析和認(rèn)識(shí)要素之間的動(dòng)態(tài)互饋過程，幫助學(xué)生建立起良好的綜合性思維。不同區(qū)域、不同層次的地理數(shù)據(jù)的綜合表達(dá)與統(tǒng)計(jì)分析，以及數(shù)據(jù)之間的對(duì)比分析，是增加區(qū)域認(rèn)知的良好支持條件，傳統(tǒng)GIS的制圖技術(shù)可幫助學(xué)生直觀地認(rèn)知區(qū)域之間的差異性及協(xié)調(diào)性。中學(xué)地理教學(xué)中野外實(shí)踐條件是有限的，GIS的數(shù)字化表達(dá)和虛擬仿真可視化能力，可以彌補(bǔ)真實(shí)環(huán)境中地理實(shí)踐條件的不足，此外，信息技術(shù)時(shí)代背景下，數(shù)字化實(shí)踐能力本身也是地理實(shí)踐能力的重要組成部分。

（二）運(yùn)用GIS技術(shù)開展中學(xué)GIS教學(xué)實(shí)施案例

1.運(yùn)用GIS進(jìn)行海拔高度與等高線知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)。海拔高度與等高線是中學(xué)地理教學(xué)中的基本知識(shí)點(diǎn)。傳統(tǒng)的中學(xué)地理教學(xué)中，往往只是以圖片和文字的方式進(jìn)行講解，而運(yùn)用GIS技術(shù)進(jìn)行教學(xué)可以讓學(xué)生更為直觀和沉浸式地進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)理解。在海拔高度方面，可以結(jié)合在線網(wǎng)站天地圖、PC端軟件谷歌地球、移動(dòng)端虛擬地球等平臺(tái)和軟件進(jìn)行講解。教師可以動(dòng)態(tài)地將地圖切換到我國的黃海海平面以介紹海拔高度知識(shí)點(diǎn)中的基準(zhǔn)高程概念，通過讓學(xué)生提問查詢世界任意位置的海拔，構(gòu)建起互動(dòng)式的教學(xué)模式，以活躍課堂氣氛。在完成基準(zhǔn)高程和任意位置海拔高度認(rèn)知后，進(jìn)一步通過不同區(qū)域的平均海拔分析方法，引入我國的三級(jí)階梯的概念；通過查詢世界上海拔最高的山峰區(qū)位和海拔高度值、世界上海拔最低的海溝區(qū)位及海拔高度值，進(jìn)一步基于海拔高度的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行世界地理認(rèn)知方面的教學(xué)，將海拔高度知識(shí)實(shí)際用于地理認(rèn)知中。

在運(yùn)用GIS技術(shù)進(jìn)行等高線知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方面，教師可以結(jié)合ArcGIS，SuperMap等GIS軟件，展示等高線地圖的生產(chǎn)過程，使得學(xué)生不僅具備判讀等高線的能力，還了解其具體的制作過程。主要制作流程為：（1）導(dǎo)入由測(cè)繪部門采集生產(chǎn)的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)；（2）運(yùn)用空間插值工具將離散的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)插值為連續(xù)的數(shù)字高程模型；（3）運(yùn)用等高線提取工具（如：ArcGIS的contour）生成不同間距的等高線；（4）對(duì)等高線數(shù)據(jù)添加標(biāo)注、比例尺、圖例等地圖要素，進(jìn)行等高線制圖并輸出。在教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)，可簡(jiǎn)要介紹高程點(diǎn)的基本采集方法，還可通過生成不同間距的等高線進(jìn)行對(duì)比教學(xué)。通過上述豐富的教學(xué)內(nèi)容，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握能力。

2.運(yùn)用GIS 進(jìn)行世界降雨量分布知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)。本案例需要的教學(xué)數(shù)據(jù)主要包括：（1）基于Excel 存儲(chǔ)的單一站點(diǎn)多時(shí)間序列降雨量數(shù)據(jù)；（2）基于Excel的某區(qū)域多個(gè)雨量站點(diǎn)多時(shí)間序列降雨量數(shù)據(jù)；（3）基于柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的全球不同季度的降雨量分布數(shù)據(jù)。教學(xué)實(shí)施過程中，教師可基于數(shù)據(jù)（1）詳細(xì)講解降雨量數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)方式，基于數(shù)據(jù)（2）講解不同區(qū)域、不同時(shí)刻降雨量的空間和時(shí)間上的差異性，數(shù)據(jù)（2）的內(nèi)容可以用Excel統(tǒng)計(jì)圖表的方式進(jìn)行講解，也可轉(zhuǎn)換成GIS中的柵格地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示。在完成降雨量數(shù)據(jù)采集原理、區(qū)域降雨量的差異性認(rèn)知的基礎(chǔ)上，基于數(shù)據(jù)（3）對(duì)全球降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和對(duì)比分析，對(duì)比分析包括時(shí)間維度和空間維度兩個(gè)方面，再將中學(xué)降雨量知識(shí)點(diǎn)的其他主要內(nèi)容結(jié)合全球降雨量分布數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式講解。教師講解過程中通過查詢不同區(qū)域、不同時(shí)刻的平均降雨量，向?qū)W生提問，例如：你們覺得不同季節(jié)降雨量最多的區(qū)域是哪里？老師可通過GIS軟件實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和顯示任意區(qū)域的降雨量，基于數(shù)據(jù)實(shí)證的方式回答學(xué)生所提出各種關(guān)于全球降雨量分布的問題，可在拓展教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步活躍課堂的氣氛。

結(jié)語

基于GIS的地理建模與分析計(jì)算具有嚴(yán)格的邏輯推理和實(shí)證性特征，基于GIS的地理分析結(jié)果也能夠得到直觀可視化的表達(dá)，GIS的這些典型特征與優(yōu)勢(shì)正好彌補(bǔ)中學(xué)地理教學(xué)的不足，從而有效提升中學(xué)地理教學(xué)中理科特性的教學(xué)能力。在信息技術(shù)和智能化應(yīng)用高度發(fā)展的時(shí)代大背景下，全民信息化素養(yǎng)的大大提高和中學(xué)階段信息技術(shù)教育的加強(qiáng)，使地理信息技術(shù)教育在中學(xué)階段開展具備了切實(shí)可行的基礎(chǔ)條件。