GIS在地理探究學(xué)習(xí)中的應(yīng)用價(jià)值與路徑

摘要：在新課標(biāo)和教育信息化背景下，如何促進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)深度融合是亟需研究的重要教學(xué)實(shí)踐課題。本文以GIS在地理探究學(xué)習(xí)活動(dòng)中的教學(xué)價(jià)值分析為基礎(chǔ)，以“維護(hù)國家海洋權(quán)益”為例，從輔助教學(xué)主題選取著力核心素養(yǎng)、驅(qū)動(dòng)核心問題探究等方面探索GIS賦能地理探究學(xué)習(xí)的教學(xué)路徑。實(shí)踐表明，融合GIS的地理探究學(xué)習(xí)可有效培育學(xué)生地理核心素養(yǎng)和信息素養(yǎng)并充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，有利于促進(jìn)教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；探究學(xué)習(xí)；GIS；海洋權(quán)益《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出信息技術(shù)為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)的開放空間，促進(jìn)地理學(xué)習(xí)的拓展和深入。地理信息系統(tǒng)（GIS）是地理學(xué)最重要的技術(shù)手段之一，其強(qiáng)大的分析和處理功能為學(xué)生開展探究學(xué)習(xí)提供真實(shí)情境創(chuàng)設(shè)、信息獲取、定量定性分析、可視化呈現(xiàn)等教學(xué)支持。如何在以“自主、探究、合作”的教學(xué)形式中發(fā)揮GIS的教學(xué)價(jià)值并培育學(xué)生核心素養(yǎng)，是信息技術(shù)與地理教學(xué)深度融合的重要課題之一。本文基于GIS在地理探究學(xué)習(xí)活動(dòng)中的教學(xué)價(jià)值，結(jié)合“維護(hù)國家海洋權(quán)益”課例說明GIS助力地理探究學(xué)習(xí)的教學(xué)路徑，以期為一線教師應(yīng)用地理技術(shù)手段提供實(shí)踐參考。一、GIS在地理探究學(xué)習(xí)中的價(jià)值1.多途徑獲取教學(xué)素材，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境日常教學(xué)中，教師通常使用教材、雜志、地圖冊等紙質(zhì)素材，或是借助網(wǎng)絡(luò)搜索各種地圖。但紙質(zhì)素材通常具有滯后性，而網(wǎng)絡(luò)上的地圖又難以完全契合教學(xué)需要。借助GIS將專業(yè)地理網(wǎng)站獲取的地理數(shù)據(jù)制作成課堂教學(xué)所需的各種地圖，可保障情境創(chuàng)設(shè)所需素材的真實(shí)性、實(shí)時(shí)性。例如，下載30m分辨率的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，利用GIS提取出建設(shè)用地并制作某城市不同時(shí)期建設(shè)用地分布圖，認(rèn)識(shí)城市化過程。此外，在戶外調(diào)查、訪談等實(shí)踐活動(dòng)中，GIS可將調(diào)查獲取的信息賦予空間屬性，形成一手教學(xué)素材。又如，在開展校園植被調(diào)查活動(dòng)中，學(xué)生用手機(jī)獲取每棵植被的坐標(biāo)，利用GIS將每個(gè)坐標(biāo)賦予植被名稱、類型等屬性，從而獲得校園植被的空間分布數(shù)據(jù)，為學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)提供教學(xué)資源。2.定性和定量分析結(jié)合，提升探究深度解決地理問題應(yīng)是由定性分析到定量分析，再由定量分析到新的定性分析螺旋式上升的思維過程。利用GIS的圖層疊加，輔助學(xué)生定性分析地理要素之間的關(guān)聯(lián)。GIS的緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、空間插值、分區(qū)統(tǒng)計(jì)等空間分析工具可對地理問題進(jìn)行定量分析。如學(xué)習(xí)“人口分布”時(shí)，首先在GIS軟件中將人口密度圖層疊加在地形、河流分布、氣候分布等圖層之上并逐一顯示，定性分析人口分布與自然地理環(huán)境要素的關(guān)聯(lián)，逐步實(shí)現(xiàn)單要素綜合到多要素綜合的思維進(jìn)階。然后，將某區(qū)域高程數(shù)據(jù)和人口密度柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS，利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算出不同海拔、坡度、坡向的人口比重，定量分析人口分布與地形的關(guān)系［1］。讓學(xué)生更加全面地認(rèn)識(shí)地理規(guī)律，以提升探究學(xué)習(xí)深度。3.可視化呈現(xiàn)探究結(jié)果，增強(qiáng)展示效果展示交流探究學(xué)習(xí)的成果是對學(xué)生語言、文字、創(chuàng)造和實(shí)踐能力進(jìn)行表現(xiàn)性評價(jià)的重要方式，也有利于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的獲得感。利用GIS將地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為專題地圖、3D地形圖，用地圖語言表達(dá)地理事象的空間位置、空間關(guān)系和空間演變，既凸顯了地理學(xué)科特點(diǎn)，也使得復(fù)雜的數(shù)據(jù)變得直觀和易于理解。此外，利用GIS將探究學(xué)習(xí)的成果形成地理數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，瀏覽者可通過縮放、平移、查詢等操作與地圖進(jìn)行互動(dòng)，讓更多人深入了解研究內(nèi)容，并提出反饋意見。二、GIS輔助地理探究學(xué)習(xí)的教學(xué)路徑1.選取主題：契合GIS技術(shù)輔助優(yōu)勢高中階段融合GIS開展地理探究學(xué)習(xí)，選取的主題除了應(yīng)能夠激發(fā)學(xué)生探究欲望，培育地理核心素養(yǎng)，具有時(shí)代和科學(xué)價(jià)值之外，還應(yīng)該考慮探究主題與GIS技術(shù)的契合度。其一，GIS主要關(guān)注地理空間的分析和模擬，所選主題應(yīng)具有一定的空間特征和空間關(guān)聯(lián)性。如本次選取“維護(hù)國家海洋權(quán)益”作為主題，可利用GIS收集領(lǐng)海基點(diǎn)數(shù)據(jù)、海底地形數(shù)據(jù)等，繪制領(lǐng)海、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)分布示意圖和大陸架剖面圖，辨識(shí)海洋權(quán)益的空間范圍。進(jìn)一步疊加春曉油田位置和日本提出的所謂“中間線”圖層，借助GIS的地圖查看、縮放、測量等功能認(rèn)識(shí)空間關(guān)聯(lián)。其二，GIS依賴地理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化，因此，需要確保所選主題有較豐富的相關(guān)數(shù)據(jù)并容易獲取。其三，很多GIS軟件操作難度大，確保開展主題探究活動(dòng)所涉及的軟件操作難度較低或經(jīng)過簡單培訓(xùn)學(xué)生便能上手操作。如本次活動(dòng)中涉及的“數(shù)據(jù)導(dǎo)入、圖層疊加、距離測量、地圖縮放”等操作，在QGIS軟件中均可直接上手，所涉及的“緩沖區(qū)分析”也是經(jīng)過簡單培訓(xùn)即可。2.預(yù)設(shè)目標(biāo)：融合地理核心素養(yǎng)和信息素養(yǎng)預(yù)設(shè)目標(biāo)有助于引導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)范圍和深度的界定，也是對學(xué)生進(jìn)行表現(xiàn)性評價(jià)的依據(jù)。課程標(biāo)準(zhǔn)對地理學(xué)習(xí)的每個(gè)模塊內(nèi)容在必備知識(shí)、關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)方面都有具體要求，這是教師確定學(xué)習(xí)目標(biāo)的基本依據(jù)。本節(jié)課對應(yīng)的課標(biāo)有“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；結(jié)合實(shí)例，說明國家海洋權(quán)益；運(yùn)用資料，說明釣魚島及其附屬島嶼是中國固有領(lǐng)土，中國對其擁有無可爭辯的主權(quán)”。信息素養(yǎng)是指學(xué)生在信息時(shí)代中獲取、評估、使用和傳達(dá)信息的能力和意識(shí)，是學(xué)生應(yīng)對未來信息化環(huán)境下的生活、學(xué)習(xí)、工作的必備素養(yǎng)之一。融合GIS開展地理探究可培育學(xué)生地理數(shù)據(jù)獲取、評價(jià)、空間分析、制圖表達(dá)等信息素養(yǎng)。因此，GIS融合下的學(xué)習(xí)目標(biāo)應(yīng)該體現(xiàn)出對學(xué)生信息素養(yǎng)培育的要求?；谡n程標(biāo)準(zhǔn)和信息素養(yǎng)的要求，預(yù)設(shè)了本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如下：①能夠收集春曉油田的坐標(biāo)并制作區(qū)位圖，認(rèn)識(shí)其地理位置的特殊性。②能夠利用GIS軟件制作海洋權(quán)益示意圖，理解海洋權(quán)益相關(guān)概念。③能夠利用GIS軟件的測量工具，定量分析海洋權(quán)益爭端事件并說明維護(hù)國家海洋權(quán)益的意義。3.開展活動(dòng)：借助GIS探究核心問題（1）創(chuàng)設(shè)核心問題研究地理問題的視角通常包括“它在哪里？它是什么樣的？它為什么在那里？它是什么時(shí)候發(fā)生的？它產(chǎn)生了什么作用？怎樣使它有利于人類和自然環(huán)境”［2］。首先，認(rèn)識(shí)研究對象的位置是理解海洋權(quán)益相互依存關(guān)系的前提，也是本次探究學(xué)習(xí)的開始。其次，學(xué)生借助GIS軟件通過不同尺度切換和不同類型區(qū)域疊加對比，明確海洋權(quán)益的范圍、界線和權(quán)益主張是探究學(xué)習(xí)的認(rèn)知基礎(chǔ)。最后，面對真實(shí)問題情境，利用GIS輔助表達(dá)觀點(diǎn)辯護(hù)國家主權(quán)是探究學(xué)習(xí)的落腳點(diǎn)。基于“認(rèn)識(shí)爭議位置、知曉海洋權(quán)益、辯護(hù)國家主權(quán)”的教學(xué)主線，引導(dǎo)學(xué)生思維和能力不斷發(fā)展，創(chuàng)設(shè)核心問題如下：①春曉油田所處海域?yàn)槭裁慈菀滓馉幎?，借助QGIS繪制區(qū)位示意圖說明；②春曉油田是否處于我國海洋權(quán)益的范圍，請借助QGIS繪制海洋權(quán)益示意圖說明；③學(xué)生借助QGIS，闡述日本提出的所謂“中間線”侵犯了我國哪些海洋權(quán)益？（2）圍繞核心問題驅(qū)動(dòng)探究【探究活動(dòng)一】知“春曉”之爭端情境激疑：教師播放春曉油田開發(fā)爭端事件的相關(guān)視頻，并配文說明：近20年以來，我國在東海海域開發(fā)春曉油田，日本以該海域?yàn)闋幾h海域?yàn)橛深l頻提出抗議，并強(qiáng)烈要求中方停止開發(fā)。核心問題：春曉油田所處海域?yàn)槭裁慈菀滓馉幎?，借助QGIS繪制區(qū)位示意圖說明。GIS輔助探究：學(xué)生通過查閱資料得到春曉油田地理坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)保存為CSV文件，依次點(diǎn)擊QGIS菜單欄“圖層”→“添加圖層”→“添加分割文本圖層”將坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖層，疊加在“中日海岸線”圖層上。觀察地圖了解春曉油田距周邊海岸的相對位置，利用QGIS“要素之間最短線”工具計(jì)算出油田距我國赤尾嶼約142.6海里，距漁山島約174.1海里，距離日本琉球群島的久米島約151.7海里。最后，在QGIS“新建打印布局”窗口中依次點(diǎn)擊右側(cè)菜單欄中“添加地圖”和“添加比例尺”，繪制出“春曉油田區(qū)位圖”（圖1）。展示匯報(bào)：通過QGIS定量分析了油田與中國和日本海岸線距離，表明春曉油田居于中日之間，且距離均小于200海里專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的最大范圍，從而導(dǎo)致兩國主張權(quán)益范圍存在重疊區(qū)（日本主張釣魚島主權(quán)歸日本為劃界基點(diǎn)）?！咎骄炕顒?dòng)二】明海域之權(quán)利概念學(xué)習(xí)：學(xué)生閱讀湘教版教材必修第二冊P102“各類海域分布示意”和關(guān)于海洋權(quán)益的描述，說出圖中相關(guān)區(qū)域的含義及其空間范圍并討論我國在海洋中享有的各種權(quán)利和利益。核心問題：春曉油田是否處于我國海洋權(quán)益的范圍，請借助QGIS繪制海洋權(quán)益示意圖說明。GIS輔助探究：學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)查找1996年5月15日和2012年9月10日我國政府先后發(fā)表的聲明以及公布的部分領(lǐng)?；c(diǎn)，整理出春曉油田周邊海域的基點(diǎn)。利用QGIS“點(diǎn)轉(zhuǎn)線”工具將基點(diǎn)連成線，生成領(lǐng)?；€。利用QGIS“緩沖區(qū)”工具在領(lǐng)?；€圖層的基礎(chǔ)上生成領(lǐng)海和大陸架范圍，制作“領(lǐng)海、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)示意圖（圖2）；利用“Terrainprofile”插件工具在“海底地形”柵格數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上生成地形剖面圖，制作“大陸架示意圖（圖3）”。學(xué)生分組合作完成，每組由課前受過培訓(xùn)的學(xué)生負(fù)責(zé)主要操作，其他學(xué)生可參與體驗(yàn)和協(xié)助完成任務(wù)。展示匯報(bào)：學(xué)生在QGIS的輔助下制作了示意圖，學(xué)生代表結(jié)合示意圖闡述如下觀點(diǎn)：①春曉油田位于我國專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)范圍，根據(jù)《聯(lián)合國海洋法公約》，我國對該海域有無可爭辯的主權(quán)權(quán)利和管轄權(quán)。②春曉油田位于我國東海大陸架上，我國享有勘探、開發(fā)包括海床、底土的自然資源的主權(quán)權(quán)利?！咎骄炕顒?dòng)三】護(hù)海洋之主權(quán)情境創(chuàng)設(shè)：日本認(rèn)為兩國在劃定距離不足400海里的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)分界線時(shí)，要以雙方等距離的中心線進(jìn)行劃分，提出所謂的“中間線”，利用QGIS將日本所謂“中間線”導(dǎo)入圖層。核心問題：學(xué)生借助QGIS，闡述日本提出的所謂“中間線”侵犯了我國哪些海洋權(quán)益？GIS輔助研究：學(xué)生滾動(dòng)鼠標(biāo)滑輪在QGIS中縮放地圖，觀察大比例尺地圖，發(fā)現(xiàn)所謂“中間線”把中國釣魚島和赤尾嶼劃到了日本一側(cè)。利用QGIS“測量”工具測量所謂“中間線”距東海大陸架邊緣的距離約82海里至114海里。最后，在QGIS的“打印布局”視圖下制作出“中間線”與我國島嶼和大陸架的空間關(guān)系示意圖（圖4）。展示匯報(bào)：學(xué)生借助QGIS觀察和測量發(fā)現(xiàn)，日本提出所謂的“中間線”侵犯了我國領(lǐng)土主權(quán)和大陸架的海洋權(quán)益，并結(jié)合示意圖闡述如下：①日本所謂“中間線”是以釣魚島主權(quán)屬于日本且釣魚島作為劃界基點(diǎn)為前提，這侵犯了我國釣魚島及其附屬島嶼的領(lǐng)土主權(quán)。②“中間線”根本否定了中國依據(jù)《公約》享有本國領(lǐng)土全部自然延伸的大陸架的權(quán)利。4.總結(jié)評價(jià)：關(guān)注探究學(xué)習(xí)過程和成果表現(xiàn)性評價(jià)是對學(xué)生在真實(shí)情境中解決問題時(shí)所表現(xiàn)的語言溝通、圖文表達(dá)和利用GIS分析解決問題的能力評定［3］，也是對實(shí)踐過程中表現(xiàn)出的信息收集、整理、評估等信息素養(yǎng)的評定。評價(jià)要關(guān)注全過程，評價(jià)主體要多元，包含自己、同伴和教師。筆者對本次探究活動(dòng)制定了如表1所示的表現(xiàn)性評價(jià)量規(guī)。三、總結(jié)與反思通過本次課例的實(shí)踐，關(guān)于GIS在學(xué)生素養(yǎng)培育方面有以下感悟。其一，學(xué)生在核心問題的驅(qū)動(dòng)下開展探究活動(dòng)，體驗(yàn)了GIS在數(shù)據(jù)獲取、分析、可視化等方面的應(yīng)用，提高了地理實(shí)踐力。其二，借助QGIS繪制示意圖表達(dá)觀點(diǎn)，學(xué)會(huì)運(yùn)用“空間—區(qū)域”的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)地理環(huán)境，培育了區(qū)域認(rèn)知素養(yǎng)，實(shí)踐中也鍛煉了信息收集、整理、評價(jià)、分析等能力，培育了信息素養(yǎng)。其三，利用QGIS測量工具認(rèn)識(shí)到赤尾嶼面積雖?。y算出約0.1km2）但海洋權(quán)益大（測算出領(lǐng)海范圍約1600km2），并在不同尺度地圖的切換下有了更加直觀的視覺沖擊，形成強(qiáng)烈的主權(quán)意識(shí)：哪怕是地圖上的一小點(diǎn)，都是國家不可分割的主權(quán)領(lǐng)土。增強(qiáng)了學(xué)生的主權(quán)意識(shí)和家國情懷，落實(shí)立德樹人的教育根本任務(wù)。筆者關(guān)于GIS融合地理探究學(xué)習(xí)需要注意