地理信息系统在地理教学中的应用

1、地理信息系统在地理教学中的应用摘要本文介绍了地理信息系统产生的历史背景，阐述了地理信息系统的基本概念，及其功能作用，论述了地理信息系统与中学地理教学之间的关系，引进的必要性，同时介绍了地理信息系统在中学地理教学中应用的一个比较典型的教学实例，并在此基础上探讨了如何在地理教学中引入地理信息系统，最后指出其发展前景。关键词地理信息系统基本概念地理教学引入一、地理信息系统产生的历史背景地理学的发展与人类生产活动中的技术进步有密切的关系，如果说世界范围的地理大发现和地理制图技术的革新，促进了近代地理学的诞生，那么，现代科学方法一一系统论、信息论、控制论的形成与现代高新技术一一计算机技术、空间技术和自动

2、化技术的应用，为面临信息时代地理学的发展，展示出更加广阔的前景。信息时代以前以信息资源的科学管理和充分利用为特征。它必将要求地理学的高度现代化，既要求为国土整治、流域开发、区域规划等提供宏观的辅助决策信息，又要为地学工程提供微观辅助设计的具体数据，因此，对地理信息的采集、管理和分析，提出了更高的要求，可以说，地理决策的科学性，取决于对地理信息获取和分析的技术水平。二、地理信息系统的基本概念及其功能地理信息系统简称GIS(GeographicalInformationSystem),是六十年代开始迅速发展起来的地理学研究新技术，是多种学科交叉的产物。地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机

3、软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息。即采集编辑、存储管理、处理分析、传输地理数据，以多种形式输出数据和图形产品，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。因此，地理信息系统具有以下三方面特征：具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性；以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测能力；产生高层次的地理信息。由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成

4、人类难以完成的任务；计算机系统的支持是GIS的的重要特征，使GIS得以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。地理信息系统从外部看，表现为计算机软硬件系统；而其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统，信息的流动以及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真，地理学家可以在GIS的支持下提取地理系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征信息，也可以快速地模拟自然过程的演变和思维过程，取得地理预测和“实验”的结果，选择优化方案，避免错误的决策。这种信息模拟是几乎没有什么代价的，可以避免错误的决策带来的损失。当

5、具有一定地理学知识的用户使用地理信息系统时，他面对的就不再是毫无意义的数据，而是由空间数据组成的客观世界的一个抽象模型，它比地图所表达的自然世界模型更为丰富和灵活，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各方面的内容，也可以提取这个模型所表达现象的各种空间尺度指标。更为重要的是，它可以将自然发生或人为规划的过程加在这个数据模型之上，取得对自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的深刻内涵。概括地说，在地理教学方面，地理信息系统有如下功能：1 、微观变宏观神秘莫测、变化多端的微观世界，如太阳能量的来源一-核聚变反应，云滴的生成、增大，酸雨的形成，光化学烟雾的成因，沼气的生

6、成，矿物的结晶、重结晶，微生物的分解作用，生物对DDT的富集作用等，用传统手段很难表现，但若利用计算机模拟，则可将其形态扩大宏观呈现，使变化过程外显化，此时学生就可以通过观察，形象地了解它们的形成过程，建立科学的概念。2 、超宏观变宏观距离遥远、空间巨大的“超宏观世界”，如地球的结构，太阳的构造，地月系的运动，太阳系的组成，银河系的形状，河外星系的形态与分布，总星系的范围等，用肉眼只能窥其一斑，无法看到它们系统的整体，利用地理信息系统模拟可以将其浓缩在小小的屏幕上，不仅可以使学生看到它的全貌，而且还能让学生从不同角度观察它们的内部结构、外部形态、相对位置及运动变化规律。3 、抽象变形象地理学科

7、很多内容十分抽象，如黄赤交角的形成、水平运动物体方向的偏转、正午太阳高度的季节变化、昼夜长短的变化、四季的形成、太阳日与朔望月和回归年的形成、月相的成因、日月食的形成、经纬度的度量、自转方向的定义、地图的投影原理、等高线原理、温室效应、生态系统的能量流动、地幔物质的对流等，这些难以理解的知识点，通过课件的模拟演示，可以变成形象直观、生动活泼的视觉信息，使抽象思维具有形象的外部支撑点，使学生的思维活动得以顺利进行。4 、静止变运动许多地理事物看上去好象是静止的，实际上在不断地运动着，只是运动的速度极其缓慢，人眼甚至人一生中都难以觉察，如冰川的运动、星空的变化、大陆的漂移、海底的扩张、板块的运动、

8、地壳物质的循环等，这类地理事物通过课件模拟就可以变平面静止图式为立体运动状态，加深学生的印象，使学生能较为牢固地掌握所学知识。5、运动变静止月球、地球、太阳每时每刻都在高速运动着，地球上的空气和水亦是如此，诸如热力环流、三圈环流、季风、气旋、反气旋、气团、锋面、水循环、大洋环流等等。为了研究的方便，我们可以利用课件根据所需将运动变化着的地理事物截取其中的一瞬间定格，供学生仔细观察与探究。6 、漫长变短暂地壳运动、海陆变迁、地表形态的变化、地质构造的形成、北斗七星形状的变化、生物的进化适应、银河系的形成、矿产资源的生成等，都要经历几万年、几十万年直至几十亿年的漫长岁月，利用地理信息系统可以将其浓

9、缩，用几分钟的时间就可以演示出来，给学生留下明晰的印象。7 、短暂变漫长地震的发生、断层的形成、火山的爆发、泥石流、山崩、雪崩、滑坡、火流星、陨星撞击地球等都是在很短的时间内发生的，但它们造成的危害很大。利用地理信息系统进行模拟演示可以将其速度放慢，进行状态分解，使学生看清每一个环节，帮助学生全面地掌握和理解。三、地理信息系统与中学地理教学的关系及其引入的必要性GIS具有数据多来源、空间多层次、更新速度快、信息深加工、信息多时态、产品多形式、多精度需求的应用特点。当前，中学地理教学强调对学生全面素质教育，在对各种地理知识（信息）的掌握基础上，重视学生能力的培养及地理思维方式的培养，即要求学生既

10、具备地理知识素质，又要具备地理能力素质和地理品德素质。所谓地理能力是要求学生能运用地理知识去处理和解决所碰到的地理问题，如小到看地图、辨方向，大到城市规划、国土整治和区域开发等。这种能力的培养显然要求学生要能动地吸收、掌握各种地理信息，并能将信息深入分析、重组，甚至做二次处理后再分析，常规的教学手段或一般的CAI软件、电教手法只能解决直观教学、模拟演示、强化识记等问题，是难以在这一思维、认识层次上实现素质教育目的的。而GIS在此方面恰恰是牛I长。因此，GIS引入中学地理教学的切入点应在于学生地理能力素质教育上。目前，中国的中学地理教学正面临着几方面的严峻问题，这些问题的存在使整个中学地理教育处

11、于危机之中。地理教学中存在着如下几个问题：1、教材内容问题主要的问题是：现行地理教材内容过于浓缩，流于从概念到概念，没有大量的事实作基础；自然地理和人文地理的结合不够，理论和实践的联系不够；现行教材结论过多，启疑太少；封闭式问题多，开放式问题少；代替学生思维的现象严重；缺乏学生实际操作的内容，基本技能的训练也很不充分。2、教学手段问题对于地理教学来说，教学手段的主要问题在于表现地理内容时无力。地理教学内容有直观性强，综合性强，信息量大，信息源种类繁多，研究尺度范围变化大等特点，这就要求教学手段的表达力强，运用灵活。3、学生的接受问题学生是教学过程中的重要一环，他在很大程度上直接决定教学效果。目

12、前的问题是：学生对地理学习缺乏兴趣。目前的课堂教学造成的心理氛围不利于学生接受知识；传统的教学过程不利于学生及时了解学习结果，提高学习兴趣；现有教学学生参与程度低，没有充分体现学生的学习主体地位。针对上述问题，虽有不同的解决方案，但引入地理信息系统对上述问题的解决有几下几方面独特的优越性：1、有利于学生认知发展过程的实现美国著名教育家布鲁姆将教育目标中的认知领域分为：识记、理解、应用、分析、综合、评价六个层次。地理教学引进地理信息系统有利于实现上述六个层次的教学目标。地理教学利用直观教具可以把学生所学知识具体形象、生动活泼、新颖而有趣地表现出来，为学生感知、理解、记忆创造条件。同时，在一定程度

13、上又适应了学生的好奇心和求知欲，激起学生的学习兴趣，激发学习热情，诱发学习动机，调动学习积极性。具体做法是：教师根据教材内容，借助计算机媒体向学生提出一些具有启发性、探索性和趣味性的重要问题，让学生集中观察、积极思维、相互探讨、作出反馈。这样有利于发展学生的注意力、观察力、想象力和思维力，帮助识记、理解。学生的反馈有正确的和不正确的，正确的给予肯定，不正确的加以纠正，这样对学生主动获取知识、提高能力大有帮助。在此基础上，为了进一步处理好教材内容、突出重点、解决难点、把握关键，教师又可以借助录像或投影深入一步提出问题，指导学生自己进行分析概括、归纳综合、得出结论。教师还可通过当堂测试的办法进行检

14、验。一方面检查学生对所学知识的理解、迁移、应用、评价的能力，另一方面也是为了贯彻教学中的设疑、解疑、综合、反馈、矫正、深化的过程。这样既体现了教学过程中教师的主导作用和学生的主体作用相统一的原则，又突出了教学中的直观性原则和启发性原则。2、有利于充分发挥地理教学中的地图作用，达到图文相统一的效果地理教学一刻也离不开地图，地图是地理学科特有的形象材料，是地理学科的骨架，其中蕴藏着丰富的地理现象、地理知识、地理技能和地理智慧。因此，充分发挥地图的作用是地理教学成功之母。就高中课本来讲，大小图形就有288幅，另外还有高中地图册和与之配套的一些图形。换句话说，如何掌握好这些图的内容、发挥它的作用，是学

15、好高中地理知识的关键。如果用一般教学手段展示图的内容，有一定局限性。而采用地理信息系统这种教学手段，就可以充分发挥了它的作用。例如利用地图的叠加，根据需要可以使地图层次由多到少、由少到多进行叠加，使图形由小变大、由虚变实，从无到有、从简到繁，由远到近，提高图的清晰度、透明度和区分度，有利学生读图、填图、图文转换，提高认识，发展思维，少花时间，多学知识。特别是对一些看上去无图而又枯燥无味，需要死记硬背的东西，如果能够采用一定的图像来帮助理解，能达到事半功倍的效果。3 .有利于培养智能型、开拓型人才教学的过程是学生获取知识的过程，也是培养人才的过程。中学地理教学如何来完成这一使命，首先我们来分析一

16、下中学生的学习心态：一是求知欲望大，凡事喜溯本求源，二是注意力不集中，情绪不稳定，给培养地理人才带来更大困难。但我认为教学中运用地理信息系统手段，可以充分调动学生的非智力因素，促进智力因素的发展，提高注意力，增强求知欲，使学生产生学习的兴趣。有了兴趣才会去思考、去探索、去想象、去创造、去开拓。如在复习高中地理第一章第四节有关“地球公转及其地理意义”时，教师可以通过投影，把黄赤交角变大或缩小，然后向学生提出问题：地球上新的正午太阳高度的变化、昼夜长短的变化、四季的更替、五带的划分、气候的变迁、生物的迁移，农业生产的变化等等，让学生深入思考，发挥想象。有想象才有创造，有创造才有开拓。正如爱因斯坦说

17、过的“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉”。4 .有利于地理教学中德育功能的落实教学中对学生进行德育教育，是我们教育工作者的首要任务，也是工作的重点。特别是对中学地理教学来说，国情教育和爱国主义思想教育完成得好坏，是检查教学工作的重要依据。1991年国家颁布中小学地理学科国情教育纲要，目的就是要加强地理教学中德育功能的落实。要使德育教育融入地理知识的教学中，采用地理信息系统手段有独到之处。例如在讲到高中地理第九章第四节“我国工业生产和工业布局”时，利用图象对比建国前后工业生产的状况，学生很容易通过自己的观察得出结论：旧中国工业生产

18、存在依赖性、片面性和落后性；而新中国的工业生产，仅仅走过四十几个春秋，却取得了丰硕成果。学生通过实际材料的对比，自然产生了热爱祖国、热爱党的强烈感情。特别是讲到我国治理江河、兴修水利、防风固沙、植树造林、抗震减灾、齐心协力、造福于民的事迹时，选用一组动人的画面展现在学生面前，更能产生一种震撼，使学生强烈地感受到我们祖国的伟大，山河的壮丽，中华民族确实是一个了不起的民族，我们应该感到自豪。同样在谈到我国人口、资源、粮食、环境等问题时，也应该选用一组合适的画面，指导学生用辩证唯物论的观点去思考，去分析，使学生明确我国在搞社会主义现代化建设，改革开放，存在问题、有困难是难免的，但我们有能力、有办法来

19、解决这些问题。建国后，我国在各行各业中所取得的丰功伟绩就是最好的见证。学习中展示一些具体真实的画面，更能让学生了解国情，深知目前国家还并不富裕，还要提倡艰苦奋斗、勤俭节约的精神。同时又要让学生明确科学就是生产力，是社会前进的动力，今后还要更加努力学习，早日为祖国的现代化建设多作贡献。四、地理信息系统引入中学地理教学的方式从某种意义上讲，GIS实际上是一种技术，以MopinfoGIS开发工具软件为例，它更象一个功能强大的工具。这样一个“工具”拿到中学去，怎么用呢？应该考虑以下两方面：（一）教学方法上引入GIS技术，着重培养学生地理能力素质，优化教学信息环境。1 .教师运用GIS对教材内容的重组和

20、再完善，对课堂教学结构的再优化，对学生认知结构的再开发。传统教材和教学方式注重文字的推理和记忆，至多是对课本提供的图幅的分析；电化教学和一般CAI的引用使得感性化的信息大量增加，活化了学生认知，优化了课堂结构，但“从感性到理性，再从理性升华到理论、规律性认识”，这一深化过程往往还需老师用过多的语言去描述和讲解，学生在这一认知段也只能凭思维想象去构筑“理性-规律性的感性”。GIS的出现，可以帮助教师用简捷的手法形象地展现这一思维重组、理性升华的认知过程，这无疑会使课堂结构的优化上升到一个新层次，也使教师对教材结构的开发重组进入一个新境界，从而使学生认知水平的再提高成为可能。例如：在高中地理新教材

21、第三章，讲到世界陆地自然带分布图时，往往从世界气候类型的分布入手，通过投影、板图、挂图或计算机动画演示，标示出气压带、风带的分布和季节移动，讲明气候类型的成因，得出相对应的陆地自然带。但这一过程老师讲述过多，反而累赘，学生思考仍会感到困难。如果借助Mopinfo提供的图层控制和数据合成、专题图制作功能，教师可以利用数据库，绘出一张世界气候类型分布图，再覆合世界陆地自然带分布图，学生对气候和自然带的关系就会一目了然。2 .开发学生“探究式”学习方式，培养学生更高层次的地理素质。“探究式”学习是当前正在尝试的一种学生主体式学习方式，其目的是充分发挥学生的主动性，体现其在学习过程中的主体地位，同时充

22、分体现老师的主导作用的一种新的课堂教学方式。传统的信息资源提供方式早已不能适用于这种学习过程，运用多媒体开发软件，将图、文、声、像集成，以高质量、高密度的特点，通过计算机与学生人机对话提供给学生，使“探究式”学习的课堂信息流通量大增。但这种信息的提供方式局限性在于，它仅是一种高质、高量的信息查询，类似于电子课本、电子地图、电子资料素材库，学生只能读出内容，然后仍需在纸上做简单的手工记录和信息加工。虽然体现学习进度的主动性，但在学习深度上，受信息提供方式以及处理、加工手段的限制，主体性实际上并未充分发挥，怎样才能使学生达到真正意义上的自由主动的学习呢？运用GIS来提供学习信息、学习素材，甚至可以

23、提供一些老师已开发好的图件，起引导作用，让学生利用信息库中的空间、属性数据库内容，自主开发，自由驰聘，从而使有限的学习素材，通过GIS和学生的大脑，成为无限的学习天地，学生的智力在这种学习环境下将得到充分发挥。形成如下结构：即学生与教材和GIS构成学习过程的主体和客体，而教师在整个学习过程中对主客体之间的信息交流加以指导和帮助。学生在这一结构中享有充分自主权。（二）教学内容上适时适度引入GIS知识，体现信息时代地理学的最新面貌，培养学生学习地理的热情，端正对地理学的认识。中学地理教材虽几经修订、新编，仍未能充分体现现代地理学关于地理系统空间和过程的定量综合分析这一最重要特征。地理空间是地理学永

24、恒的主题，地理信息与其他信息的根本区别就在于其强烈的空间特征。现代地理学将空间分布与时间过程相结合，探求地理实体的空间分布格局及其成因和发展规律。这一系统思想在中学地理教学内容中应更多地体现，特别是在人文地理的某些章节之中。如高中地理下册，有关工业、农业、城市等内容，学生在分析这些地理事物的空间分布特征、时间变化规律时，可以适当接受现代地理信息系统知识中的有关知识，认识到地理信息、地理数据的特殊性，以及人们对这些信息、数据进行各种综合处理、仿真模拟的意义等。五、地理信息系统引入中学地理教学的教学设计实例从MopinfoGIS工具软件为例，运用大屏幕投影显示。如课题：高中地理“因地制宜，适当集中，发挥地区优势”这一节，北京二中李奕老师曾经引进过地理信息系统进行教学。我们看他是怎么来设计的，其教学过程设计如下：A、运用Mopinfo,顺序调用中国地形、中国气温、中国降水三个图层，使学生认识到我国自然条件南北、东西差异大，所以各地必须因地制宜发展农业。以建立区域性专业化生产基地。调用各省近年粮产数据制成直方或饼图，展现、实出粮产大省。再打开地形图层复合、分析产粮自然条件。C关闭前两图层，打开商品粮基地图，分别标注名称，并调用每个基地近十年粮产以专题图形式，展现，分析各基地增产潜力发展趋势。D调用相应的人口资料，计算各基地人均产量。从专题图层显示，得出哪区粮食商品率高。E、总结我国几