地理信息技術(shù)輔助培育學(xué)生核心素養(yǎng)實踐研究

地理課程要培育的核心素養(yǎng)主要包括人地協(xié)調(diào)觀、綜合思維、區(qū)域認(rèn)知和地理實踐力。如何更好地落實素養(yǎng)培育，是教師長期研究的問題。《義務(wù)教育地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求學(xué)生掌握適應(yīng)現(xiàn)代社會生活的基本數(shù)字化生存技能，教師在教學(xué)中將現(xiàn)代信息技術(shù)與地理教學(xué)充分融合，借助地理信息技術(shù)手段營造出仿真的地理場景或?qū)嶒瀳鼍?，從而在課堂上拓展教學(xué)時空，突破教學(xué)難點，輔助開展實踐活動。圖新地球（LocaSpaceViewer，LSV）是一款三維數(shù)字地球桌面軟件，可模擬顯示數(shù)字地球，助力教師實現(xiàn)可視化教學(xué)。該軟件支持各種模型和矢量數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，能夠讓師生快速地瀏覽、標(biāo)繪、分析和測量各類二維、三維地理信息數(shù)據(jù)，創(chuàng)設(shè)增強(qiáng)學(xué)生空間思維的教學(xué)情境，培育學(xué)生核心素養(yǎng)。本文以“等高線地形圖的判讀”為例，介紹如何借助圖新地球助力學(xué)生核心素養(yǎng)的培育。一、圖新地球為教師在地理課程中培育學(xué)生的核心素養(yǎng)提供了重要工具圖新地球是一款強(qiáng)大的數(shù)字地球軟件，具備便捷的影像、高程數(shù)據(jù)下載功能；支持多種在線地圖加載，可以添加多種圖層、格式的數(shù)據(jù)；具有頁面簡單、功能較多、易于操作的優(yōu)勢，界面主要由菜單欄、圖層面板、搜索面板和三維數(shù)字地球等部分組成。其中，三維數(shù)字地球部分占據(jù)界面最大，位于界面的主要位置，也是軟件的渲染界面。教師開發(fā)地理課程時，要考慮圖新地球軟件能否支撐課程所需教學(xué)資源，進(jìn)而選擇對應(yīng)功能。（一）幫助學(xué)生實現(xiàn)空間思維進(jìn)階轉(zhuǎn)化中學(xué)地理課程涉及大量地理空間內(nèi)容，需要學(xué)生具有較強(qiáng)的地理空間思維能力才能透徹理解。等高線地形圖作為學(xué)生地理學(xué)習(xí)的重要工具，它將現(xiàn)實生活中的地形通過一定方法轉(zhuǎn)化為平面。理解該工具，需要學(xué)生有較強(qiáng)的空間思維。課標(biāo)對該內(nèi)容的要求是，結(jié)合地形觀察，說出等高線地形圖、分層設(shè)色地形圖表示地形的方法，在地形圖上識別一些基本地形。生活中，學(xué)生可以感知到地形的高低起伏，即現(xiàn)實中的“3D”景觀。但由于空間思維能力不足，學(xué)生建立地形與等高線地形圖的對應(yīng)關(guān)系有一定困難。圖新地球為教師突破這一教學(xué)難點提供了很好的智能環(huán)境。課前，要求學(xué)生拍攝身邊熟悉的山體景觀照片，初步感知地形的高低起伏。課堂上，教師利用圖新地球找到該山體的虛擬模型并制作等高線，實現(xiàn)等高線和山體虛擬模型的疊加顯示，讓學(xué)生直觀地感受到地形與等高線地形圖的對應(yīng)關(guān)系，幫助學(xué)生實現(xiàn)思維的轉(zhuǎn)化。隨后，教師不斷將等高線地形圖和虛擬山體模型循環(huán)使用、驗證，潛移默化中使學(xué)生看到平面等高線地形圖，在腦海中能映射出與其對應(yīng)的立體山體，實現(xiàn)空間思維轉(zhuǎn)化進(jìn)階。（二）讓教學(xué)實現(xiàn)“軟件演示→師生共探索→學(xué)生自主探索”的互動進(jìn)階以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望，是初中地理課堂教學(xué)成功的關(guān)鍵。圖新地球作為一款師生易獲取的、輕巧的、易操作的地理信息技術(shù)軟件，不僅可以成為教師課堂教學(xué)的地理工具，也可以成為學(xué)生探索地理世界的智能工具，在教師演示、師生共探索、學(xué)生自主探索等環(huán)節(jié)，逐步滲透認(rèn)知區(qū)域的方法，培養(yǎng)學(xué)生的地理空間思維。學(xué)生通過自主探索，在虛擬地形的基礎(chǔ)上疊加其他地理事物分布，分析地形與其他地理要素的關(guān)系，從而培養(yǎng)綜合思維能力，形成一定的人地關(guān)系觀念，樹立人地協(xié)調(diào)觀。二、基于圖新地球的等高線地形圖判讀教學(xué)實施（一）教學(xué)設(shè)計思路本課教學(xué)活動主要圍繞圖新地球提供的可視化立體虛擬地形功能進(jìn)行設(shè)計（如圖1）。課前，教師結(jié)合教材和學(xué)情分析確定使用圖新地球的必要性。教學(xué)過程包括課堂學(xué)習(xí)和課后自主探究兩部分。課堂學(xué)習(xí)部分，主要是教師以圖新地球為教學(xué)工具，將其適合的功能與教學(xué)活動融合，通過教師演示、師生互動等方式，幫助學(xué)生突破時空局限，建立空間思維，突破教學(xué)重難點，實現(xiàn)思維的進(jìn)階轉(zhuǎn)化，落實核心素養(yǎng)培育要求。課后自主探究部分，教師為學(xué)生提供了更多開放的學(xué)習(xí)空間。學(xué)生以圖新地球為學(xué)習(xí)工具，通過自主操作探究地形與其他地理要素的關(guān)系，全面提升核心素養(yǎng)。（二）教學(xué)策略及實踐1.靈活變換空間范圍，初步建立尺度思想為了更好地引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識人類的地球家園，地理課程設(shè)計了“全球”和“區(qū)域”兩大部分，并用空間尺度線索加以組織，體現(xiàn)一種認(rèn)識路徑[1]。根據(jù)區(qū)域認(rèn)知素養(yǎng)概念闡述，將地理環(huán)境劃分成不同空間尺度是認(rèn)識區(qū)域的方法之一。由此可見，空間尺度思想是中學(xué)地理教學(xué)的重要思想，不同的空間尺度為我們提供了看問題的不同視角。改變分析的空間尺度，能提高我們深入了解地理過程和現(xiàn)象的洞察力[2]。對于空間尺度思想，學(xué)生不易理解，需要教師在平時教學(xué)中逐步滲透。生活中，學(xué)生觀察局部地形景觀很容易，但觀察地形全貌則很難，不容易感知空間尺度的變化。圖新地球能展現(xiàn)從全球到地方不同范圍的模擬地形景觀。教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生從不同空間尺度認(rèn)識地球表層、世界和中國，感知空間尺度變化。打開圖新地球軟件后，教師在左側(cè)的圖層面板中勾選天地圖地形圖層，右側(cè)的三維數(shù)字地球界面即可模擬顯示全球地形；點擊鼠標(biāo)左鍵，可以任意拖曳三維數(shù)字地球，配合滾輪縮放三維數(shù)字地球。將以上兩種操作結(jié)合使用，教師可將三維地球顯示范圍從全球縮小到學(xué)生熟悉的某區(qū)域，也可直接在圖新地球界面左下方搜索面板輸入?yún)^(qū)域名稱，點擊回車鍵即可瞬間感受從全球到地方的空間尺度變化過程。上述操作演示讓學(xué)生在等高線地形圖的判讀教學(xué)活動中，直接感知了空間尺度變化，初步建立了空間尺度思想，培育了區(qū)域認(rèn)知素養(yǎng)。2.為地理實踐活動做鋪墊，突破學(xué)習(xí)難點地理實踐是地理學(xué)的重要內(nèi)容。在實踐活動中運用綜合思維和區(qū)域認(rèn)知，是學(xué)生感悟、體驗現(xiàn)實世界中人地關(guān)系的重要途徑[3]。課標(biāo)要求學(xué)生能夠說出等高線地形圖的繪制方法，這是教學(xué)的難點所在。為突破此教學(xué)難點，教師設(shè)計了課堂地理實驗探究活動（如圖2），讓學(xué)生利用塑料透明盒子、尺子、馬克筆，以小組合作的方式將課前制作好的各種超輕黏土山體模型繪制成等高線地形圖。用“做中學(xué)”的方式可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升思維能力，培育地理實踐力素養(yǎng)。實踐活動有序開展的前提是學(xué)生要對等高線地形圖有初步的感性認(rèn)識。如果讓學(xué)生直接觀察某個等高線地形圖，學(xué)生會覺得很陌生，不容易接受。圖新地球可以實現(xiàn)山體虛擬模型與對應(yīng)等高線地形圖的可視化顯示，給予學(xué)生一定的視覺沖擊，更貼近生活實際，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律。具體操作是，打開圖新地球，在左下方搜索學(xué)校所在的北京市昌平區(qū)，利用鼠標(biāo)滾輪鎖定昌平區(qū)某山地區(qū)域，點擊菜單欄中的測量/分析，選擇等高線分析選項中的局部等高線選項，用鼠標(biāo)劃定一個矩形區(qū)域，將等高距設(shè)置為100米，在地圖繪制軟件中打開即可得到如圖3所示的該區(qū)域等高線地形圖。為幫助學(xué)生形成對等高線地形圖的初步認(rèn)識，課堂教學(xué)中，教師讓學(xué)生觀察此圖并回答5個問題：（1）等高線地形圖是平面圖還是立體圖？（2）圖中等高線是直線還是曲線？（3）等高線地形圖中，等高線有一條還是多條？（4）同一等高線上，各點海拔是否相等？（5）相鄰兩條等高線之間的差值是否都相等？通過上述問題鏈的引導(dǎo)，學(xué)生對等高線地形圖有了初步感知，地理實踐活動就可以順利開展了。由此可見，圖新地球雖然沒有直接用于地理實踐活動，但其模擬出的真實情境為實踐活動的開展提供了必要的知識鋪墊，幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)難點，間接助力地理實踐力素養(yǎng)的培育。3.師生課堂互動，強(qiáng)化知識，激發(fā)興趣通過上述活動，學(xué)生了解了等高線地形圖的概念和性質(zhì)。下面活動的重點是讓學(xué)生能夠在不同的等高線地形圖中準(zhǔn)確識別五種地形部位。教師先讓學(xué)生觀察實體模型及對應(yīng)的等高線地形圖，分析不同地形部位的等高線特征。此時學(xué)生剛獲得新知識，有的還停留在對照模型機(jī)械分析的能力水平上。為使學(xué)生能夠在不同區(qū)域的等高線地形圖中準(zhǔn)確識別地形部位，師生可以利用圖新地球相關(guān)功能進(jìn)行課堂互動，以強(qiáng)化知識，加深理解。等高線地形圖實質(zhì)上是一幅地形俯視圖。在三維地球界面中，師生可以找到某山體虛擬模型并開啟等高線地形圖。三維數(shù)字地球渲染界面的默認(rèn)角度為俯視圖，因此，學(xué)生可通過觀察俯視圖中的等高線特征識別出不同的地形部位。為印證學(xué)生答案是否正確，教師可以按住鼠標(biāo)滾輪并拖動，將三維數(shù)字地球由俯視圖轉(zhuǎn)為側(cè)視圖，驗證學(xué)生所得結(jié)論（如圖4）?；又校處熯x擇學(xué)生熟悉的、感興趣的區(qū)域進(jìn)行識別。這不但有利于學(xué)生進(jìn)一步理解和內(nèi)化知識，還可以感受到不同區(qū)域、不同視角的地形特征，培養(yǎng)從不同視角認(rèn)識地理現(xiàn)象的意識和習(xí)慣。另外，課堂上，教師使用圖新地球給學(xué)生帶來了新的體驗，通過變換三維數(shù)字地球的角度，驗證學(xué)生結(jié)論，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高課堂參與度。4.課后學(xué)生利用圖新地球自主探究，全面提升核心素養(yǎng)課堂上，主要是教師進(jìn)行圖新地球軟件的實際操作，感興趣的學(xué)生可在課后利用軟件功能進(jìn)行自主探究?！镀胀ǜ咧械乩碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確指出，借助大數(shù)據(jù)、人工智能、“互聯(lián)網(wǎng)+”等信息技術(shù)的學(xué)習(xí)，是面向未來的學(xué)習(xí)方式之一。教學(xué)中，教師應(yīng)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。義務(wù)教育和普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)對于地理課程要培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)在定義、內(nèi)涵表述上是一致的。為進(jìn)一步提高學(xué)生素養(yǎng)水平，教師在課后布置了讓學(xué)生利用圖新地球軟件自主探究等高線地形圖應(yīng)用的拓展活動。具體要求是，學(xué)生提交一張自己感興趣的地理事物（如河流、道路、聚落、長城等）的實景照片，按照教師編寫的操作方法制作出該地理事物所在區(qū)域的等高線地形圖，簡要說明該地理事物的分布與等高線之間的關(guān)系。圖5為部分學(xué)生作業(yè)展示。圖5（a）顯示，某河流附近等高線向高值凸出，為山谷。從等高線數(shù)值看，該區(qū)域西北高東南低，該段河流流向為自西北向東南。圖5（b）展示的是某盤山公路沿著等高線修建。學(xué)生以圖新地球為地理工具進(jìn)行自主探究活動，核心素養(yǎng)得到有效提升?！读x務(wù)教育地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在地理實踐部分特別提出設(shè)計簡單的實驗方案，利用模擬、虛擬等方式開展地理實驗的要求。其中，模擬方式指借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)營造出仿真的地理場景或?qū)嶒瀳鼍?，可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境?？梢?，學(xué)生利用圖新地球自主探究是地理實踐的一種方式。操作中，學(xué)生主要使用了圖新地球的圖層疊加功能。圖5（a）所示的學(xué)生作業(yè)是在圖新地球地形圖層的基礎(chǔ)上添加了水系圖層，探究地形與河流兩要素的相互關(guān)系。圖5（b）所示的學(xué)生作業(yè)是在圖新地球地形圖層的基礎(chǔ)上添加了道路標(biāo)注圖層，探究地形與交通兩要素的相互關(guān)系。圖層疊加功能體現(xiàn)了綜合思維素養(yǎng)中的要素綜合，讓學(xué)生在分析中形成從地理綜合視角看待和分析問題的意識與能力。同時，學(xué)生作業(yè)體現(xiàn)出不同區(qū)域有不同特征，潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生從區(qū)域視角看地理事物特征的思維方式。另外，地形與交通要素分別屬于自然要素和人文要素，學(xué)生可從中體會到人地關(guān)系是客觀存在的：修建盤山公路說明人類依賴自然生存，必須通過實踐認(rèn)識自然環(huán)境，或通過勞動改變環(huán)境，使環(huán)境適合人類生存。盤山公路沿等高線修建體現(xiàn)了人類活動尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然的人地關(guān)系思想。人地協(xié)調(diào)觀是人類活動與地理環(huán)境之間應(yīng)秉持的正確價值觀。培育人地協(xié)調(diào)觀有助于學(xué)生形成尊重和保護(hù)自然、綠色發(fā)展等觀念，滋養(yǎng)人文情懷，增強(qiáng)社會責(zé)任感[4]。三、基于地理信息技術(shù)培育核心素養(yǎng)的關(guān)鍵點（一）以教學(xué)重難點為核心，讓地理信息技術(shù)成為輔助教學(xué)的利器信息技術(shù)融入教學(xué)是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的必然要求。教師在教學(xué)中應(yīng)用地理信息技術(shù)可以為課堂注入新鮮感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但更重要的是提高課堂學(xué)習(xí)效果，突破教學(xué)重難點。地理學(xué)研究對象的區(qū)域尺度很大，難以直接觀察；部分內(nèi)容所跨越的時間尺度長，學(xué)生生活積累不夠。地理信息技術(shù)的應(yīng)用，有助于教師對重難點問題的闡釋、演示和理解。然而，教學(xué)中，教師不能為技術(shù)而用技術(shù)，而是要不斷思考如何恰到好處地讓信息技術(shù)輔助教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。（二）以學(xué)生為中心，為學(xué)生的深度學(xué)習(xí)提供智能教學(xué)環(huán)境信息技術(shù)不僅能在教師演示或教學(xué)中使用，也要在師生互動、學(xué)生主動探索中運用。在課時和教師精力有限的情況下，如何引導(dǎo)學(xué)生更好地利用地理信息技術(shù)主動探索現(xiàn)實世界，解決生活中遇到的地理問題，是非常重要的。信息技術(shù)為教師設(shè)計真實、生動的地理教學(xué)情境提供可能，使學(xué)生能夠深度參與學(xué)習(xí)活動，實現(xiàn)層進(jìn)式學(xué)習(xí)和沉浸式學(xué)習(xí)。（三）堅持使用地理信息技術(shù)解決地理問題，潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)一方面，教師要在教學(xué)及與學(xué)生的相處中，堅持使用地理信息技術(shù)軟件，讓學(xué)生感受到地理信息技術(shù)在學(xué)習(xí)地理知識和探索真實世界中的重要作用；另一方面，還要引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)、生活中使用地理信息技術(shù)觀察地球。如去某區(qū)域旅游前，可先用圖新地球熟知所選區(qū)域的位置、地形等自然