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1、GIS在地理教学中的应用 摘 要：本文简单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地理教学之间的关系，应用的必要性，同时结合教学实际论述了如何在地理教学中应用地理信息系统，而后就其现状浅析了GIS的发展前景。关键词：地理信息系统；地理教学；应用Application of GIS in the teaching of GeographyAbstract: This article briefly discusses the basic concepts of geographic information system and its functional role, d
2、iscusses the relationship between GIS and geography teaching, the necessity of application, combined with the actual teaching discusses how the application of GIS in geography teaching, analysis of the status quo after the prospects for the development of the GIS.Keywords： Geographic information sys
3、tem; Geography Teaching; Application引言当今社会GIS技术已经在社会各个领域发挥了重要的作用。其广泛应用于社会生活的诸多部门，对地理教学的应用也日益突出。 其次对地理教学而言，学习对象是地理环境、地理事物及其之间的规律，具有时空范围的广泛性、多样性、差异性、各要素间的联系、综合和可变性比较大。学习对象的特性和学习者的时空局限、认知局限之间存在较大差异，教师仅凭传统教学方式已远远不能满足需求。最后，在现代教学中，计算机技术的运用越来越受到重视，其直观、形象、生动等优势，最大程度的激发了学生的求知欲，诱发学生的学习动机，调动学习积极性。所以，GIS技术作为地理学
4、的第三代语言，在地理教学中有非常巨大的重要性与价值。1 地理信息系统基本概念和功能地理信息系统简称GIS（Geographical Information System），是二十世纪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的一种系统。具有采集编辑、存储管理、处理分析、传输地理数据的基本功能，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1。1.1在地理教学方面，地
5、理信息系统有如下功能1.1.1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-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，沼气的生成，矿物的结晶、重结晶，微生物的分解作用等，用传统手段很难表现，但若利用GIS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。 1.1.2抽象变形象地理学科很多内容十分抽象，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
6、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GIS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。1.1.3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、地壳物质的循环等，这类地理事物通过GIS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。1.1.4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，
7、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GIS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。1.1.5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。1.1.6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
8、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2。2 在地理教学中应用GIS的必要性分析2.1信息时代的要求 信息时代要求人们的知识和智力高度发展，否则将很难适应和推动社会的进步。同时信息时代对地理教学提出了新的要求:不能只停留在书本知识的对学生的传授上，还要教会学生独立的学习方法，教会学生自己获取地理相关知识的能力和方法。因此，在掌握各种地理知识的基础上，还应重视学生的能力培养及地理思维方式的培养。应用地理信息系统技术分析地理事物将充实理论，为理论提供依据并增强理论的科学性。因此，地理信息系统应用于教学并不是单纯的介绍地理信
9、息系统知识，而是让学生通过接触地理信息系统开辟一条学习地理知识以及其它学科知识的新途径。素质教育纵深发展的要求在人类跨入国际经济和科技激烈竞争的新世纪，国际竞争归根结底是国民整体素质的竞争，现在的中学生将是21世纪生产建设的主力军。因此，全面提高中学生的整体素质是当前基础教育的重点。地理教育要“面向现代化、面向世界、面向未来”，要体现“以学生为本”的精神，坚持以培养创新精神和实践能力为重点的素质教育方向，应该是大家取得共识的。而地理信息系统在地理教育中的应用，确实能体现“以学生为本”的创新精神和素质能力的培养。GIS的应用，还可以帮助我们从信息社会、知识经济的角度，对地理教育内容重新审视、重新
10、整合。传统的教育观认为教育是客观的。所有事物皆有一固定的意义，教师的责任就是解释客观事物，引导学生去了解这个世界，而学生的目标是学习教师传授的知识。建构主义(Constructivism)则是一种新的教学理念，主张知识并非直接传授而得，而是由学生自己建构而成的。而正因为每个人的经验不同，对外在世界的认知也会各有不同。由此可见，学习应该以事实为基础，经各种机会建构出自己对事物的了解。GIS可让学生经过建立数据库及地图来建构自己的知识。在制图和GIS的空间分析中发现事物的相关性，认识真实世界的事物、地点，并在运用GIS工具的过程中学习3。2.2学科发展的需要目前地理教学使用的相关参考书部分内容有些
11、陈旧，再加上受到客观因素的制约，不可能做到及时更新，影响了地理教学的深度和广度。使用GIS进行地理教学，可以实现地理资料与世界的同步更新，让我们可以在最短的时间内掌握其他国家的学科发展情况。我国教育部2003年颁布的全日制高中地理课程标准(实验)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，并明确指出：“强调信息技术在地理学习中的应用，充分考虑信息技术对地理教学的影响，营造有利于学生形成地理信息意识和能力的教学环境。”2.3学生个体发展的需要新课标指出，教学一切为了学生的发展。作为教学主体，学生的情况存在很大差异。传统的教学方式很难关注全体学生的需要。GIS
12、可以为学生提供互动的教学情境，他们可以根据自己的实际情况进行相关地理内容的学习，使每个学生都有所得。3 GIS技术应用于地理教学中的现状及应用实例现今在很多地区和学校，GIS技术已被应用于大中小学地理教学中。针对新的教学理念所强调的对学生动手能力的培养，学生应尝试进行资料的收集。GIS不仅是资料来源也是汇集、整理、储存资料的工具,随着地理信息系统的普及和新一轮课程改革的需要，地理信息系统逐渐应用于大、中、小学地理教学中。3.1在中学地理中引入GIS主要体现的方面GIS作为一种思想、知识出现在教材中在现行教材中，部分高中地理教材中安排了“遥感技术与地理信息系统在地理学研究中的应用”的内容，介绍了
13、遥感的概念，遥感技术的特点、应用、遥感影像的判读以及地理信息系统等，体现了信息时代地理发展的基本特征和地理学技术的发展，注重了地理信息系统的应用对学生创新能力与素质的培养具有重要的意义。人教版全日制普通高级中学地理选修第二册的第二单元“中国的国土整治与区域发展”中的第二节“现代化技术在国土整治中的应用”中介绍3S技术，遥感技术、地理信息系统技术及其应用和全球定位技术。但这些内容属于选学内容，没有和实际联系起来，尤其在高中阶段从知识经济、信息社会的角度来看，这些要求还远远不够。在2003年4月教育部制定颁布的普通地理课程标准(实验)中，已经把“地理信息技术应用”确定为高中地理选修课程之一。而GI
14、S本身不仅是一门学科，而且是一项渗透性很强的信息系统应用技术4。3.2 GIS技术作为一种教学工具引入地理教学中的作用3.2.1实现地理信息系统的基本功能充分发挥地图作用，让地图发挥它的可视化功能。将教学地图的背景资料作为原始数据输入.进行数据存储和管理，最后将数据输出，输出的结果可作为地理信息展示。而在教学及科研中，地理信息系统的应用系统分析功能，显示地理研究成果，这是一般的软件所不能代替的。3.2.2数据的查询及空间分析功能地理学包括多项地理要素，每项地理要素又包括大量的地理信息，这些地理信息构成的地理数据是海量的。如何从大量的地理数据中搜索所需要的信息，是地理教学中常见的问题。地理信息系
15、统提供多种有效的交叉关联与搜索，提供了强有力的查询工具，如人口大于100万的特大城市、工业产值、人口增长率等的查询，显示这些城市的特征对比分析，从中可掌握地理规律性认识。地理信息系统是一个有效的地图分析工具，可以进行快速的面积量算、图形叠加等。作为数据分析工具，地理信息系统具有很大的潜力。如数据局部更新、特征提取、特征合并、图幅拼接、特征属性合并、缓冲区建立等。空间分析劝能应用于地理教学，能帮助学生理解一些抽象的地理概念以及地理事物的分布规律及演化过程5。3.3 GIS技术在地理教学中的应用实例我国著名的地图与信息系统专家陈述彭院士认为：“定性描述是地理学的第一代语言，地图是地理学的第二代言，
16、地理信息系统是地理学的第三代语言。”这句话充分体现出GIS技术应用到计算机辅助地理教学中的必要性及价值所在6。所以为更好的把握课堂，以及学生的实际接受情况，在实际教学中应用了一些GIS辅助地理教学的课堂教学。3.3.1案例一地形分析在地形分析中，等高线地图对山峰、山谷、山脊、鞍部与陡崖等概念是通过等高线值的高低、疏密程度和弯曲方向来表达的，表达形式抽象，教师讲解难度大，学生不易理解。所以利用Arcview32软件的数字高程模型创建模块，将等高线图矢量化处理，制作出相应的数字高程模型，并进行可视化表达处理，便可展示出一幅立体的地形图，可直观地观察山峰、山谷、山脊、鞍部、陡崖等多种地形。从Arcv
17、iew3.3软件制作出的DEM图上很容易得出：何处为山顶，对应等高线值中间高四周低；何处在两个山顶之间，高程比前后的山顶低，但比两侧的山谷高，为鞍部；何处为山脊，对应等高线明显向低处弯曲；何处为山谷，对应等高线明显向高处弯曲；何处为陡坡，等高线密集；何处为缓坡，等高线稀疏；何处为谷地，等高线四周高中间低。用以上方法，还可处理地理教学中的其它等值线图，形成直观的趋势面图，如等温线图、等压线图7。3.3.2案例二天体的运动在天体的运动这一章节的教学中，一般教学挂图三维效果不突出且缺乏动感，不易掌握其运动规律。通过GIS技术的三维动画辅助制作教学，建立场景、制作太阳、地球与月亮的彩色三维表现及地球与
18、月球的运动轨迹，指定月球轨迹和地球的链接，进而完成天体的运动制作与飞行漫游，从而具体地模拟出抽象的天体运动。在此基础上，进行了讲解，调动学生观察思考的积极性，使学生产生强烈的求知欲望，更好的掌握天体的运动规律。3.3.3案例三地壳运动与地表形态地表形态和地壳运动这节教学是中学地理教学的基础内容。在这节中，关于褶皱和断裂的形成是较抽象的内容，传统的平面、静态的教学方法难以达到很好的教学效果。使用GIS技术的三维显示与动态模拟功能，模拟岩石受力分布及相关地貌的形成过程与结果。如岩石受到强大压力和张力时会发生断裂，并沿断裂面有错动或位移的现象，相对上升一侧地貌表现为断裂山或高地，相对下沉的岩石地貌表
19、现为裂谷或低地。如受内力作用岩石在水平方向上受挤压导致褶皱：受外力作用背斜中心岩石易被侵蚀形成谷地，向斜中心岩石坚固不易被侵蚀形成山，形象地展示了“背斜成谷，向斜成山”的过程。GIS技术把漫长的地貌历史演变过程在瞬间完成，活跃了课堂气氛，并且使学生对所学知识有较形象，透彻的理解。通过这次具体的课堂教学实践，可以看出，学生对GIS辅助地理教学的应用兴趣广泛，而且有助于激发学生的学习兴趣，有助于学生建立空间概念，有利于提高学生解决问题的能力，更有助于实现学生的个性发展。4 GIS在地理教学中的应用问题及方式拓展4.1 GIS实际应用中存在的问题在进行具体的课堂实践后，为更好的把握学生对GIS的了解
20、度，对部分学生进行了调查问卷，根据学生填写的情况得出了如下内容：4.1.1师资不够大部分学生在之前的地理课上并没有老师应用过这一技术，由此可见，GIS发展至今，虽然有很多成熟的软件供教师使用，但这些软件大多功能庞杂且操作复杂，熟悉和掌握这些软件需要一定的时间和相关的计算机基础。这对于一般的地理专职教师来说有些困难。GIS需要学校花费资金购买，地理教师学习和掌握又存在困难，这无疑会对GIS在地理教学的应用制造障碍。因此，亟待操作相对简单的软件出现，来摆脱目前的困境。4.1.2教学需要的适度性大部分学生对于GIS辅助地理教学有一定的陌生感，因为它区别于以往的教学模式。所以GIS教学要根据实际教学环
21、境比较复杂，需要区别对待。可以分为基础教学、拓展性教学、研究性教学等几个层次进行。在教学方式上，要注意直观，加强传统教学方式与多媒体教学、参观、实习等教学模式的结合；在拓展性和研究性层次上，要加强学生的实践能力、基本操作技能、系统设计能力的培养。4.1.3 硬件设施落后不论是技术设备或是教材的适用度，与GIS技术的推广使用都存在很大的差距，就教材来说，应该编制适合我国国情与学生特点的GIS教材，在教材中提供配套的练习，并建设相关网站。才能使学生使用起来既实用又方便。4.2 GIS应用推广的方式拓展实际调查显示，大部分同学已经接触计算机技术的应用，但是对于GIS的应用则普遍比较陌生，所以这就需要
22、老师的积极引导，激发学生的学习兴趣，老师自身应加强对GIS软件的应用熟练程度，与学生互动。而推广GIS技术，由于其本身的技术条件限制，不应该仅仅局限于一种教学方式，应该把GIS与多媒体技术结合起来，运用音频，视频，动画等多种形式，能更好的实现教学效果，激发学生的学习兴趣。GIS更应该与RS和GPS结合运用。GPS进行实时定位，RS进行数据采集更新，GIS进行空间分析和综合处理等。其实三者既相对独立，又密切关联。对于三者结合应用于地理教学有很大的发展前景，对GIS技术的应用也将会迎来心新的挑战8。结语在目前的地理教学中，许多地方地理教师仍然是地理学习的单主体，学生没有切实地参与到评价中来，地理信
23、息系统教学在某些领域已逐步走向成熟，但还有许多值得改进和完善的地方，这既需要理论工作者的理论思索，更需要教师的亲身实践和研究探讨。GIS应用于地理教学有很长的道路，但同时也对地理教师提出了新的挑战，如何熟练掌握GIS技术，基于GIS技术的教学模式，GIS技术对学生会产生怎样的影响？这些问题都值得教师去探究。相信随着信息技术教育的普及与深入，地理信息技术必将在信息技术与地理教学中占有重要的地位，并且拥有广阔的发展前景。参考文献：1 黄杏元，马劲松，汤勤.地理信息系统概论（修订版）M .北京：高等教育出版社，2001.2 孙利平，徐晓寰，王子君.以地理教学为例谈现代教育技术与课堂教学内容的整合J.辽宁教育研究，2002.3 赵军,武江民,赵生龙.我国地理信息技术普及教育现状与对策刍议J.地理信息世界,2005,3(1)39-41.4 中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准（实验）M北京：人民教育出版社，2003：12-45.5 邬伦，刘瑜，张晶等.地理信息系统原理、方法和应用M .北京：科学出版社，2001.6 陈述彭地理信息系统导论M北京：科学出版社，2000.7 李佩武，周江，荆平平.中国地理信息网.GIS技术及其在地理教学中的应用分析DB/OL.8 张新国，苏蕻，谭贵发，等.“3S”技术及其在林业的应用现状与展望J吉林林业科技，2008(6).10