GIS在地理探究学习中的应用价值与路径

摘要：在新课标和教育信息化背景下，如何促进信息技术与教学深度融合是亟需研究的重要教学实践课题。本文以GIS在地理探究学习活动中的教学价值分析为基础，以“维护国家海洋权益”为例，从辅助教学主题选取着力核心素养、驱动核心问题探究等方面探索GIS赋能地理探究学习的教学路径。实践表明，融合GIS的地理探究学习可有效培育学生地理核心素养和信息素养并充分发挥学生主体作用，有利于促进教学方式的转变。关键词：地理信息系统；探究学习；GIS；海洋权益《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》提出信息技术为学生提供自主学习、探究学习和合作学习的开放空间，促进地理学习的拓展和深入。地理信息系统（GIS）是地理学最重要的技术手段之一，其强大的分析和处理功能为学生开展探究学习提供真实情境创设、信息获取、定量定性分析、可视化呈现等教学支持。如何在以“自主、探究、合作”的教学形式中发挥GIS的教学价值并培育学生核心素养，是信息技术与地理教学深度融合的重要课题之一。本文基于GIS在地理探究学习活动中的教学价值，结合“维护国家海洋权益”课例说明GIS助力地理探究学习的教学路径，以期为一线教师应用地理技术手段提供实践参考。一、GIS在地理探究学习中的价值1.多途径获取教学素材，创设真实情境日常教学中，教师通常使用教材、杂志、地图册等纸质素材，或是借助网络搜索各种地图。但纸质素材通常具有滞后性，而网络上的地图又难以完全契合教学需要。借助GIS将专业地理网站获取的地理数据制作成课堂教学所需的各种地图，可保障情境创设所需素材的真实性、实时性。例如，下载30m分辨率的全球地表覆盖数据，利用GIS提取出建设用地并制作某城市不同时期建设用地分布图，认识城市化过程。此外，在户外调查、访谈等实践活动中，GIS可将调查获取的信息赋予空间属性，形成一手教学素材。又如，在开展校园植被调查活动中，学生用手机获取每棵植被的坐标，利用GIS将每个坐标赋予植被名称、类型等属性，从而获得校园植被的空间分布数据，为学习情境创设提供教学资源。2.定性和定量分析结合，提升探究深度解决地理问题应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维过程。利用GIS的图层叠加，辅助学生定性分析地理要素之间的关联。GIS的缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间插值、分区统计等空间分析工具可对地理问题进行定量分析。如学习“人口分布”时，首先在GIS软件中将人口密度图层叠加在地形、河流分布、气候分布等图层之上并逐一显示，定性分析人口分布与自然地理环境要素的关联，逐步实现单要素综合到多要素综合的思维进阶。然后，将某区域高程数据和人口密度栅格数据导入GIS，利用分区统计工具计算出不同海拔、坡度、坡向的人口比重，定量分析人口分布与地形的关系［1］。让学生更加全面地认识地理规律，以提升探究学习深度。3.可视化呈现探究结果，增强展示效果展示交流探究学习的成果是对学生语言、文字、创造和实践能力进行表现性评价的重要方式，也有利于增强学生学习活动的获得感。利用GIS将地理数据转化为专题地图、3D地形图，用地图语言表达地理事象的空间位置、空间关系和空间演变，既凸显了地理学科特点，也使得复杂的数据变得直观和易于理解。此外，利用GIS将探究学习的成果形成地理数据上传到网络平台，浏览者可通过缩放、平移、查询等操作与地图进行互动，让更多人深入了解研究内容，并提出反馈意见。二、GIS辅助地理探究学习的教学路径1.选取主题：契合GIS技术辅助优势高中阶段融合GIS开展地理探究学习，选取的主题除了应能够激发学生探究欲望，培育地理核心素养，具有时代和科学价值之外，还应该考虑探究主题与GIS技术的契合度。其一，GIS主要关注地理空间的分析和模拟，所选主题应具有一定的空间特征和空间关联性。如本次选取“维护国家海洋权益”作为主题，可利用GIS收集领海基点数据、海底地形数据等，绘制领海、专属经济区分布示意图和大陆架剖面图，辨识海洋权益的空间范围。进一步叠加春晓油田位置和日本提出的所谓“中间线”圖层，借助GIS的地图查看、缩放、测量等功能认识空间关联。其二，GIS依赖地理数据进行分析和可视化，因此，需要确保所选主题有较丰富的相关数据并容易获取。其三，很多GIS软件操作难度大，确保开展主题探究活动所涉及的软件操作难度较低或经过简单培训学生便能上手操作。如本次活动中涉及的“数据导入、图层叠加、距离测量、地图缩放”等操作，在QGIS软件中均可直接上手，所涉及的“缓冲区分析”也是经过简单培训即可。2.预设目标：融合地理核心素养和信息素养预设目标有助于引导教学内容的选择、教学范围和深度的界定，也是对学生进行表现性评价的依据。课程标准对地理学习的每个模块内容在必备知识、关键能力和核心素养方面都有具体要求，这是教师确定学习目标的基本依据。本节课对应的课标有“通过探究有关人文地理问题，了解地理信息技术的应用；结合实例，说明国家海洋权益；运用资料，说明钓鱼岛及其附属岛屿是中国固有领土，中国对其拥有无可争辩的主权”。信息素养是指学生在信息时代中获取、评估、使用和传达信息的能力和意识，是学生应对未来信息化环境下的生活、学习、工作的必备素养之一。融合GIS开展地理探究可培育学生地理数据获取、评价、空间分析、制图表达等信息素养。因此，GIS融合下的学习目标应该体现出对学生信息素养培育的要求。基于课程标准和信息素养的要求，预设了本节课的教学目标如下：①能够收集春晓油田的坐标并制作区位图，认识其地理位置的特殊性。②能够利用GIS软件制作海洋权益示意图，理解海洋权益相关概念。③能够利用GIS软件的测量工具，定量分析海洋权益争端事件并说明维护国家海洋权益的意义。3.开展活动：借助GIS探究核心问题（1）创设核心问题研究地理问题的视角通常包括“它在哪里？它是什么样的？它为什么在那里？它是什么时候发生的？它产生了什么作用？怎样使它有利于人类和自然环境”［2］。首先，认识研究对象的位置是理解海洋权益相互依存关系的前提，也是本次探究学习的开始。其次，学生借助GIS软件通过不同尺度切换和不同类型区域叠加对比，明确海洋权益的范围、界线和权益主张是探究学习的认知基础。最后，面对真实问题情境，利用GIS辅助表达观点辩护国家主权是探究学习的落脚点。基于“认识争议位置、知曉海洋权益、辩护国家主权”的教学主线，引导学生思维和能力不断发展，创设核心问题如下：①春晓油田所处海域为什么容易引起争端，借助QGIS绘制区位示意图说明；②春晓油田是否处于我国海洋权益的范围，请借助QGIS绘制海洋权益示意图说明；③学生借助QGIS，阐述日本提出的所谓“中间线”侵犯了我国哪些海洋权益？（2）围绕核心问题驱动探究【探究活动一】知“春晓”之争端情境激疑：教师播放春晓油田开发争端事件的相关视频，并配文说明：近20年以来，我国在东海海域开发春晓油田，日本以该海域为争议海域为由频频提出抗议，并强烈要求中方停止开发。核心问题：春晓油田所处海域为什么容易引起争端，借助QGIS绘制区位示意图说明。GIS辅助探究：学生通过查阅资料得到春晓油田地理坐标，将数据保存为CSV文件，依次点击QGIS菜单栏“图层”→“添加图层”→“添加分割文本图层”将坐标数据导入图层，叠加在“中日海岸线”图层上。观察地图了解春晓油田距周边海岸的相对位置，利用QGIS“要素之间最短线”工具计算出油田距我国赤尾屿约142.6海里，距渔山岛约174.1海里，距离日本琉球群岛的久米岛约151.7海里。最后，在QGIS“新建打印布局”窗口中依次点击右侧菜单栏中“添加地图”和“添加比例尺”，绘制出“春晓油田区位图”（图1）。展示汇报：通过QGIS定量分析了油田与中国和日本海岸线距离，表明春晓油田居于中日之间，且距离均小于200海里专属经济区的最大范围，从而导致两国主张权益范围存在重叠区（日本主张钓鱼岛主权归日本为划界基点）。【探究活动二】明海域之权利概念学习：学生阅读湘教版教材必修第二册P102“各类海域分布示意”和关于海洋权益的描述，说出图中相关区域的含义及其空间范围并讨论我国在海洋中享有的各种权利和利益。核心问题：春晓油田是否处于我国海洋权益的范围，请借助QGIS绘制海洋权益示意图说明。GIS辅助探究：学生利用网络查找1996年5月15日和2012年9月10日我国政府先后发表的声明以及公布的部分领海基点，整理出春晓油田周边海域的基点。利用QGIS“点转线”工具将基点连成线，生成领海基线。利用QGIS“缓冲区”工具在领海基线图层的基础上生成领海和大陆架范围，制作“领海、专属经济区示意图（图2）；利用“Terrainprofile”插件工具在“海底地形”栅格数据基础上生成地形剖面图，制作“大陆架示意图（图3）”。学生分组合作完成，每组由课前受过培训的学生负责主要操作，其他学生可参与体验和协助完成任务。展示汇报：学生在QGIS的辅助下制作了示意图，学生代表结合示意图阐述如下观点：①春晓油田位于我国专属经济区范围，根据《联合国海洋法公约》，我国对该海域有无可争辩的主权权利和管辖权。②春晓油田位于我国东海大陆架上，我国享有勘探、开发包括海床、底土的自然资源的主权权利。【探究活动三】护海洋之主权情境创设：日本认为两国在划定距离不足400海里的专属经济区分界线时，要以双方等距离的中心线进行划分，提出所谓的“中间线”，利用QGIS将日本所谓“中间线”导入图层。核心问题：学生借助QGIS，阐述日本提出的所谓“中间线”侵犯了我国哪些海洋权益？GIS辅助研究：学生滚动鼠标滑轮在QGIS中缩放地图，观察大比例尺地图，发现所谓“中间线”把中国钓鱼岛和赤尾屿划到了日本一侧。利用QGIS“测量”工具测量所谓“中间线”距东海大陆架边缘的距离约82海里至114海里。最后，在QGIS的“打印布局”视图下制作出“中间线”与我国岛屿和大陆架的空间关系示意图（图4）。展示汇报：学生借助QGIS观察和测量发现，日本提出所谓的“中间线”侵犯了我国领土主权和大陆架的海洋权益，并结合示意图阐述如下：①日本所谓“中间线”是以钓鱼岛主权属于日本且钓鱼岛作为划界基点为前提，这侵犯了我国钓鱼岛及其附属岛屿的领土主权。②“中间线”根本否定了中国依据《公约》享有本国领土全部自然延伸的大陆架的权利。4.总结评价：关注探究学习过程和成果表现性评价是对学生在真实情境中解决问题时所表现的语言沟通、图文表达和利用GIS分析解决问题的能力评定［3］，也是对实践过程中表现出的信息收集、整理、评估等信息素养的评定。评价要关注全过程，评价主体要多元，包含自己、同伴和教师。笔者对本次探究活动制定了如表1所示的表现性评价量规。三、总结与反思通过本次课例的实践，关于GIS在学生素养培育方面有以下感悟。其一，学生在核心问题的驱动下开展探究活动，体验了GIS在数据获取、分析、可视化等方面的应用，提高了地理实践力。其二，借助QGIS绘制示意图表达观点，学会运用“空间—区域”的观点认识地理环境，培育了区域认知素养，实践中也锻炼了信息收集、整理、评价、分析等能力，培育了信息素养。其三，利用QGIS测量工具认识到赤尾屿面积虽小（测算出约0.1km²）但海洋权益大（测算出领海范围约1600km²），并在不同尺度地图的切换下有了更加直观的视觉冲击，形成强烈的主权意识：哪怕是地图上的一小点，都是国家不可分割的主权领土。增强了学生的主权意识和家国情怀，落实立德树人的教育根本任务。笔者关于GIS融合地理探究学习需要注意