地理信息技术在高中教学中的应用

地理信息技术在高中教学中的应用随着信息时代的到来，科技进步给地理学带来了深远的影响和勃勃生机。由遥感（RS）技术、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）及信息网络与虚拟现实等组成的地理信息技术日益成熟，广泛应用于社会经济各领域，并正在走进人们日常的工作、学习和生活中。作为基础教育的中学地理学习内容，也将发生巨大变化，《高中地理课程标准(实验稿)》已经把地理信息技术纳入必修的地理课程内容范围，并把它列为七大地理选修模块课程之一。地理信息技术不仅作为学习内容引入中学地理课程，还可与其他计算机技术一起作为教学技术手段应用于中学地理教学，其中以GIS的应用最为广泛，在几乎所有与空间分布有关的学习中，都可以使用现有的基于GIS技术的电子地图。将GIS应用于中学地理教育，将会对地理教育的目标、教材、教法、学法、学生素质和能力的培养等方面带来深刻的变革，下面侧重介绍GIS技术在高中地理教学中的应用。一、GIS基本功能GIS是以地理空间数据为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、存储、管理、操作、分析、模拟和显示，并利用地理模拟分析方法，适时提供多种空间和地理分布相关的动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。基本功能：1．数据输入、存贮、编辑功能：数据输入即在数据处理系统中，将外部多种来源、多种形式的原始数据（包括空间数据和属性数据）传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程；数据存储是将输入的数据以某种格式记录在计算机内部或磁盘、磁带等存储介质上；数据编辑指系统可以提供修改、增加、删除、更新数据等。2．数据的操作与处理：主要操作包括坐标变换、投影变换、空间数据压缩、空间数据内插、空间数据类型的转换、图幅边缘匹配、多边型叠加、数据的提取等。3．数据显示和结果输出：图形数据的数字化、编辑和操作分析过程、用户查询检索结果等都可以显示在屏幕上。输出结果可以是数据、表格、报告、统计图、专题图等多种形式。4．制图功能：GIS最重要的一种功能，其中专题地图制作可以根据用户需要分层输出各种专题地图，以显示不同要素和活动的位置，或有关属性内容。5．地理数据库的组织与管理：数据库集成和更新的重要工具，包括数据库定义、数据库建立与维护、数据库操作、通讯等功能。6．空间查询与空间分析功能：空间查询和空间分析是从GIS目标之间的空间关系中获取派生的信息和新的知识，用以回答有关空间关系的查询和应用分析。不仅能提供一些静态的查询、检索数据，更可以根据需要建立一个应用分析的模式，通过动态的分析，从而为评价、管理和决策服务。包括拓扑空间查询、缓冲区分析、拓扑叠加分析、距离分析及相邻相接分析等。7．地形分析功能：通过数字地形模型DTM，以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形，再从中内插提取各种地形分析数据。包括：等高线分析、透视图分析、坡度坡向分析、剖面图分析、地形表面面积和填挖方体积计算等。二、GIS技术用于地理教学的独特功能和作用在学生信息技术的掌握、地理研究技术的了解与应用、地理区域系统思想的建立和地理空间思维能力的培养，以及地理问题的分析与处理等多方面，GIS的应用具有独特的教育功能。1．优化课堂教学结构随着现代电教手段（多媒体、幻灯片、投影、电视、VCD等）的广泛应用，教学手段已出现较大的变化。在中学教学中，越来越多地运用电教媒体和计算机来辅助教学，取得了很好的效果。但地理科学是一门表达空间现象关系的科学，具有不同于其他学科的特点。因此，中学地理教学应用多煤体（如Authorware、Toolbook）和电教手段外，还应重视应用地理信息系统。地理信息系统的出现，可以帮助教师清晰地展现这一思维飞跃的认知过程，让学生自己去观察如何对课堂上学到的东西进行再加工，实现理论与实践的结合与转变，这极大地优化了课堂教学结构，使学生认知水平的再提高成为可能。例如：我国糖料作物的种植具有明显的“南蔗北菜”的特点，而这种分布受多种地理因素如温度、降水、光照的制约。教师只要借助地理信息系统提供的图层控制，将绘有水平等温线分布和年降水量分布的两个专题地图打开，并与地形图进行叠置分析。根据甘蔗和甜菜的不同的生活适应要求，通过分析，可以直观地得出：甘蔗在我国南方中亚热带、南亚热带和热带水热条件较好的河谷平原、三角洲分布；甜菜在我国的黑龙江、吉林、内蒙古和新疆的部分地区分布，学生一目了然，还可以在今后的学习中举一反三，这样在潜移默化中即优化了地理课堂教学结构，又提高了学生的认知能力。2．培养学生的空间想象能力和建立区域空间概念GIS的空间可视化是对现实世界空间关系的模拟，无论是在屏幕上展示一幅可以无级缩放和信息查询的地图，还是展现一幅三维的地形模型，都使我们对现实世界空间关系的认识更为直观、具体。地理信息系统的空间可视化功能还包括对空间分布的地物的属性信息的图形可视化，例如利用一张中国的行政区划图，我们可以从地理信息系统数据库中提取各省、直辖市、自治区近年的人口统计数据，计算人口密度，并按人口密度的分级指标指定不同的色彩和填充方式显示行政区所对应的图斑，这样空间地物的专题属性特征就可以通过地理信息系统工具实现具有空间参照信息的可视化。利用地理信息系统，我们不仅可以纵览研究区域的全域，还可以利用缩放和漫游等GIS所提供的基本功能深入到我们更感兴趣的区域去研究。我们可以小比例尺查看全局，以中比例尺查看局部，以大比例尺查看细部。在比例尺不断增大的同时，展现给用户的空间信息内容会不断更新。例如在浏览一个行政省全局时，只需要显示大的河流、省级公路、铁路以及市县级行政分区图斑等全局信息，而随着比例尺的不断增大，就需要显示街道、建筑物、公园等具体的空间地物。地理信息系统的空间导向功能还可以从空间查询功能中得到体现，利用一张省级土地利用图，我们可以通过空间查询找到“城市中的公园”，并即时特地图的显示范围缩放到所有“公园”空间分布的范围内。3．培养学生“探究式”学习能力“探究式”学习过程，主要包括提交问题，决定探究方向，为探究而自主学习、查明或收集资料、分类和资料处理，最终得出结论。这是一种学生主体式学习方式，其目的是充分发挥学生学习的主动性，体现学生在学习过程中的主体地位，同时发挥老师主导作用的一种新的课堂教学方式。运用地理信息系统来管理空间数据，让学生利用空间数据库中的信息，自由组合，从而使有限的学习素材，通过地理信息系统和学生的思维，成为无限的学习天地，学生的自主学习能力在这种环境下将得到充分发挥。例如：提供学生台湾等高线图和地形平面影像图，学生利用地理信息系统工具进行三维建模，生成三维可视地图，学生可以从各个角度观察地形，也可以将三维地形图和等值线叠加，通过老师的说明，学生可以更深刻地理解等值线概念及地形的各种概念。在这一过程中，学生是主体，享有充分的学习自主权，教材和地理信息系统构成学习的客体，而教师在整个学习过程中充分尊重学生，考虑学生们的选择与意见，并与他们进行平等的合作与探索，帮助和引导学生取得最佳的学习效果。4．培养学生地理信息素养地理信息素养指利用地图、计算机等工具获取、分析、处理地理信息，以及主动参与信息活动，传递地理信息的能力。信息时代的地理知识日新月异，是永远学不完的，重要的是要让学生形成获取地理知识的信息素养，这对于他们的终身学习是受益无穷的。运用GIS特别是WebGIS辅助地理学习，为不同的学生提供了多样化的学习环境，化消极被动为地获取地理知识、掌握地理技能、学会地理学习和研究的方法。这种让学生自己动手搜集资料、动手操作、自己解决问题的学习方式，将有助于培养学生分析复杂事务的综合能力。利用GIS培养学生的地理信息素养，提高学生的综合素质，已经成为中学地理教学的一项新任务。三、GIS用于高中地理教学的一般方法和途径1．GIS作为多媒体辅助教学软件平台通过GIS工具软件的直观操作，能实现地理信息的可视化，地图缩放、漫游、查询、空间分析等，专题地图制作，热链接（Hotlink）文档、图片、声音、视频、动画等多媒体。2．GIS与其它教学软件的结合应用GIS地图可以在许多软件，包括在多种多媒体教学集成软件中应用，简单例举几种：1）在PowerPiont、Flash等软件中应用GIS导出地图GIS导出的地图如果选择保存类型为WMF格式等，那么地图矢量文件在PowerPiont、Flash等软件中仍然可以进行编辑，而且在Flash中以任何比例显示都非常清晰，打散后可以将图元文件根据教学需要进行编辑处理。2）Office软件中Microsoft地图的应用Microsoft地图是微软公司与Mapinfo公司合作，在MicrosoftExcel中捆绑的简易GIS地图，能添加外部Mapinfo地图数据，可实现地图缩放、漫游、图层叠置、文字标注、与MicrosoftExcel表结合制作专题地图，还可插入到Word、PowerPiont等其它Office软件中使用（说明：采用Office2000默认的安装方式没有安装Microsoft地图，应重运行Office2000安装程序，在安装向导中选择“添加或删除功能”，根据提示将“MicrosoftExcelforwindows”中的“Microsoft数据地图”安装好）。3．GIS输出产品――电子地图的应用电子地图是数字地图与GIS软件工具结合后的产物，它是一种处于运动状态的数字地图，这种运动状态或是输入、输出，或是显示、检索分析。它使用几乎一切GIS技术工具，并且可以提供传统GIS的大范围、多要素的综合分析技术手段。目前市场上的电子地图以大众化用于旅游、交通等的为多，例如中国地图出版社出版的《全世界电子地图》、《全中国电子地图》、《北京市电子地图》等；而专门作为教学用途的还较少，例如国外的Amiglobe2002、国产的《清华同方电子教学地图编辑系统》等（图3、图4）。清华同方电子教学地图编辑系统具有GIS软件的许多直观操作功能，是讲授GIS和普通地理知识的辅助平台。功能包括：用矢量图绘制技术绘制了大量的地理底图、地形图和专题图270多幅，以及近200个地图符号，可以满足地理教师在地图知识、中国地理、世界地理和高中地理整合课件时对地图的需求。具有教学地图的编辑功能：如在地图上绘图、文字处理、地图之间的叠加和融合；地图符号、注记的拖动、闪动；在地图上做动画以表现地理事物的空间发展变化过程；在地图上链接图片等多媒体信息等。放映时，具有在普通地图上量算、放大等功能，在分层设色地形图上，自动量算任意两点间的距离、局部放大、自动绘制两点间地形剖面图。4．WebGIS辅助地理教学的应用WebGIS是当前GIS发展的一个重要方向，由于万维网具备了资源共享的特点，教师或学生可以利用网络上的地理教学资源，如相关的文字、图片资源等，将其编辑成适当的单元补充教材，并整合GIS相关技术，形成GIS辅助教学课程，开展WebGIS辅助地理教学。WebGIS与地理教学相结合形成的WebGIS辅助地理教学(网络地理教学)将成为今后地理教学发展的一个重要的趋势5．VGIS与3DGIS辅助地理学的应用VGIS是虚拟现实（VR）与GIS的结合，它具有虚拟的空间效果，增强了VR的表现形式。在自然界中有许多过程和现象是人们难以看到的，如地球运动、青藏高原形成、黄土高原环境演变、大气中的水循环、火山爆发的地下过程等，若借助VGIS即可将这些过程模拟出来，为学生提供了一个虚拟环境，必对地理教学带来很大的方便。3DGIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是3DGIS特有的功能。