运用GIS培养中学生地理空间能力，本文主要内容关键词为：中学生论文,地理论文,能力论文,空间论文,GIS论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
研究发现，GIS 能够帮助学习者发展空间能力，解决地理空间问题， 提高学习者的空间推理能力和空间思维水平。Kerski 的研究表明，运用GIS 组高中生空间分析能力测验成绩显著高于运用传统方法学习组的学生。而且GIS 组学生辨认、描述自然和空间格局的能力也优于其他学生[1]。在研究分析使用GIS后学习环境如何影响学生的空间能力方面，Hagevik认为GIS 可以发展学生的视空间思维能力[2]。那么，地理空间能力由哪些要素构成？ 作为发展空间能力的工具，GIS 有哪些独特的优势？ 如何运用GIS 发展学生的空间能力？ 这都是值得深入探讨的问题。
一、地理空间能力及其构成要素
空间能力是人类智能的一个基本维度， 也是人类认知能力发展的重要方面。对于空间能力及其相关概念和思想的研究， 是认知心理学研究的重要部分。Gardner 认为空间能力是在头脑中想象事物，包含想象、折叠和旋转物体的能力，由描绘二维空间的物体视觉化三维空间的物体， 以及分辨由不同角度观看同一物体的能力。MCGee 认为空间能力包括空间视觉化和空间定位两个要素。也有一些认知心理学家如Catling、Kail 等，认为空间能力还有第三个要素，即空间关系。空间视觉化是指对呈现的视觉化刺激在心理上进行操作、旋转、变形的心智能力。空间定位由不同角度想象物体或图形在空间的旋转变化，且对改变方向之物体或图形保持清晰，而能迅速和精确想象。空间关系是指能够想象在空间将不同的物体面互相关联起来，并想像操作物体折合、展开或旋转组合与分解能力。
认知心理学家所研究的空间， 仅仅限于小尺度（桌面）空间，是指图片或者小物体的空间，关注的是空间认知过程。而地理空间通常指大尺度的空间，又被称为环境空间。地理学家所研究的大尺度空间，关注“是什么”“在哪里”“为什么在那里”等现实环境下的空间问题，具有鲜明的区域特性。一般认为，地理空间能力是在地理空间认知的基础上， 认识自己赖以生存的地理环境的能力，包括分析、理解其中的诸事物和诸现象的相关位置、空间分布、相互关系以及它们的变化和规律等方面的能力。
地理学家认为， 地理空间能力也应该包括空间定位、空间视觉化、空间关系等几个不同又相互联系的要素。地理学中的空间定位不仅包括由不同角度观看同一物体的能力， 更重要的是个体判断地理事物空间位置、各种地理事物之间的方位关系、以及对地理空间格局中要素排列状况的理解。地理空间定位在阅读地图、分析地图、航空照片等过程中起基础作用，是理解和解决地理问题的起点。地理学中的空间视觉化包括绘制地图和剖面图、二维图形和三维图形转换、不同投影方式转换以及语言描述与视觉表征间的转化。地理学中的空间关系包括辨识空间分布、空间格局， 分析各种空间现象及要素间的关联，理解和运用空间等级、区域划分，比较地图或叠加、拆分地图等方面的能力。地理学家认为心理学家更加关注空间定位和空间视觉化， 忽视空间关系维度，尤其是与空间活动密切相关的空间分布、空间格局、空间过程和空间组织等方面，而这却是地理学的重要方面。
地理学不仅研究地理事物的空间分布和空间特征，而且阐明空间差异和空间联系，并致力于揭示地理事物的空间运动、空间变化规律[3]。地理学习与解题的过程中，要经常地运用到各种地图、剖面图、景观图、模式图等，学习者经常要借助图形在脑海中建构或操作相关的心理表象。因此，空间能力的形成和发展会影响地理学习和地理问题解决。空间能力的提高，有助于学习者以空间的方式进行思考和行动，从而对地理课程获得更全面、更深刻的理解。由此我们认为， 在中学地理教学中运用GIS 进行空间能力培养，能够体现现代地理学科教育的价值。
二、GIS 在培养学生地理空间能力方面的优势
地理空间能力是地理学科特有的能力， 也是中学地理的教学目标之一。通过地理空间能力可以视觉化感知世界，转换、操作空间数据，重新建立新的个体视觉经验等。因此，地理空间能力对于帮助学生学习地理知识、认识人与环境关系、解决地理问题等方面具有重要意义。但当前中学地理教学中对地理空间能力的培养针对性不强，教学效果不理想，学生的地理空间能力较弱，地理学习困难重重，地理空间能力已成为制约地理学习的瓶颈。研究证明，GIS 具有多方面培养学生地理空间能力的优势。因此，在中学地理课堂教学中， 如何运用GIS 强大的分析功能和视觉化、空间化特性发展中学生的地理空间能力，成为地理教学中亟待解决的问题。运用GIS 发展地理空间能力的独特功能，具体表现在以下两个方面：
（一）GIS 的空间分析特性有助于提高学生的空间分析与推理能力
强调空间分析是GIS 区别于其他信息技术手段的显著特点。其中， 空间数据分析是GIS 的核心功能。Hall-wallace and McAuliffe 认为，运用GIS 空间分析功能进行探究活动， 会提高学习者地理空间分析能力，包括数据分类、数据库的搜索和建立、简单的计算等[4]。一些研究者指出，在空间统计分析中，学习者必须明确有哪些图层，以确定空间关系，这一过程会提高学生的空间推理能力。
GIS 的空间分析包括测量、空间查询和空间统计。首先，运用GIS 可以很容易地对基本空间属性，如距离、面积、坡度等进行测量，而且与在纸质地图上的手工测量相比， 相关信息的提取更加容易且准确。第二，运用GIS 空间查询操作可以实现空间转换和空间优化功能。空间转换操作可以变化数据集，通过对数据的组合或比较来获得新数据集和新观点。同时， 通过空间优化功能可以实现理想区位的选择和最佳路线的确定等功能。第三，运用GIS 可以实现数据描述和统计分析两种空间统计功能。运用数据描述可以用直方图、饼状图、散点图等方式显示地理数据的频率和分布； 运用统计分析则可以模拟空间数据的变化，评价、预测时空现象。因此，运用GIS 进行地理教学， 可以使学生对地理信息（特别是隐性信息）进行提取、表现和传输，分析地理空间特性和空间演化过程，理解和解释地理事象的生成背景，认识其本质，推测其未来发展状况，提出空间决策，从而促进学生空间分析和空间推理能力的发展， 提高学生解决地理空间问题的能力（见表1）。
（二）GIS 的可视化特性有助于提供给学生解决空间问题的多种视角
可视化是重要的认知行为， 是人类发展心理表征的能力。研究者认为可视化可以促进科学问题的发现，导致更快、更有效的问题解决。因此，为了最大限度地提高可视化水平，发展学生的视觉思维能力，应该给学习者提供分析、综合、改变视角和尺度、多角度比较现象的机会。GIS 具有动态表征、多重表征、三维转换与虚拟现实等视觉化特征，可以使学生有不同类型的知觉经验， 为学生提供不同的看问题的方式，使得GIS 成为发展学生空间思维、提高空间问题解决能力的有效工具（见下页表2）。运用GIS 可视化解决问题的视角主要有以下几个方面：
第一，通过GIS 视觉化可以不同的视角和方式表征空间数据，使学生关注问题的不同方面，提高学生的空间分析能力；GIS 选择与任务相关的特征信息而抑制不相关信息的能力， 使得使用者能够比较内部格局，使得看似模糊、不相关的数据彼此关联。
第二，通过GIS 视觉化可以在同一区域打开多个专题图层， 可以帮助学习者确定各种不同图层要素间的空间关系， 分析地理要素间的相互影响。例如，在植被类型图上叠加该区域野生动物图层，能够揭示野生动物类型和植被类型的关系。
第三，通过GIS 视觉化可以对不同的数据提供不同的表征方式，如二维与三维地图、图表、图形、表格、图像以及动画等。而且，GIS 可以同时展示多种空间表征，使各种不同的空间表征相组合，让学习者通过探究不同地图、表格、图形等的排列组合获得更高水平的理解。
第四，三维视觉化技术和动画可以模拟现实空间，使学习者可以更加迅速地认识、理解空间关系。如，运用GIS 动画技术模拟山体滑坡、冰川、火灾以及城市增长等， 使学习者在真实的感受中体验事物发生发展变化。
三、运用GIS 培养学生地理空间能力的典型案例分析
本课运用GIS 探究南亚季风气候的降水特点，以及该区域降水与地形、农业类型及人口密度之间的关系，探讨GIS 运用对学生地理空间能力的影响。
教学任务一： 运用GIS 探讨南亚各月降水量和年降水量特征， 认识南亚地区降水的季节变化特征和南亚各地降水的不同。
首先打开一幅南亚政区图（标注有主要城市），当选择其中任何一个城市时，该城市的月降水和年降水图就会在视图上显示。可以运用shift 键同时选择两个或多个城市，则所选城市的月降水和年降水图会在多个窗口同时显示，学习者通过观察可以比较不同城市的降水特点，并注意分析其空间变化规律。
在学生运用GIS 进行探究时， 要求学生思考以下问题：
当你拖动鼠标从南亚次大陆的西海岸向北运动时，降水特点有何变化？
虽然各地的各月降水有所不同， 但是你能看出所选三个城市的降水有什么共同特点吗？
当你从西向东横穿南亚次大陆时， 各地年降水特征会有何变化？
在这一过程中， 学生运用GIS 进行主动探究，发现南亚季风降水特征及其空间变化特征。这时，要鼓励学生思考他们所发现的这些特点的成因及其结果。
教学任务二： 运用GIS 探讨南亚降水时间变化和空间变化原因。
打开南亚1月、7月风向图和南亚各月降水柱状图，引导学生思考南亚盛行风向是如何影响降水季节分配的。打开南亚地形图、南亚年降水量分布图，让学生分析南亚降水的空间变化与地形之间的关系，探寻地形对南亚降水空间分布的影响。在这一过程中，每个主题图被定制以方便解释以及与其他的主题进行比较，并能够使学生关注课的内容和目标。
教学任务三： 运用GIS 探讨南亚降水特点对该区域生活方式有何影响？
打开南亚年降水量图、农业生产类型图、人口密度图等几个专题图层，并对这些图层进行叠加操作，让学生透过叠加图层分析南亚降水与农业生产类型、人口密度的关系。在学生运用GIS 进行探究的过程中， 引导学生思考南亚降水和农业生产活动之间有何关系、为什么阿富汗的人口密度如此低、如何解释巴基斯坦的农业生产活动和该国高密度人口等问题， 并要求学生综合概括南亚季风对于农业生产活动和人口密度的影响。
本节课，在GIS 这一空间思维工具的支持下，学生的地理空间能力不断发展。首先，在这一过程中，学生运用GIS 自己动手探索和分析数据， 基于空间思维过程来回答问题，这一过程包括观察、创造性地发现、提出问题、提出假设、获得答案等几个方面。这样，学生获得自主探究和自己得出结论的机会，体验学习过程，而不是被动地接受和重述信息，也不是由教师提供“正确答案”，从而促进地理空间思维的发展。其次，运用GIS 进行地理教学，更加关注描述和解释地理空间格局， 更加重视地理空间关系的推理和表征，并寻求多方面的解释，使学生的空间知识和空间能力不断深化和发展。如通过对南亚地形图和南亚年降水量分布图对比， 可以分析南亚地形和降水之间的关系， 探寻南亚地形对南亚降水空间分布的影响。学生通过对南亚年降水量图、农业生产类型图、人口密度图等几个专题图层的叠加操作，可以理解气候、农业生产活动和人口密度之间的关系。在这一过程中， 复杂的空间关系和空间格局变得容易理解，而且在具体的情境下解决特定问题符合学生的认知发展水平和需要。
四、运用GIS 培养地理空间能力的教学策略
通过上面的案例分析可知，GIS 作为转换、操作和分析工具，在培养学生的地理空间思维能力、空间实践能力和建立区域地理思想方面具有重要作用。地理教师在教学设计时要充分发挥GIS 的这些优势， 为发展学生的地理空间能力创造适宜的教学环境。其教学策略主要有如下几个方面：
（一）注重图层叠加，探究地理要素间的关系
图层叠加是一种综合，是一种联系，体现了一种因果关系规律， 通过图形叠加可以培养学生分析地理空间关系的能力。地理教学中，应当注重运用GIS将具有不同要素特征的多个图层进行叠加， 让学生在视觉上验证叠加过程和叠加效应， 从而探寻各种地理要素和现象间的空间关系。如在学习海岸变迁的单元内容时， 教师可以展示两个或多个年代的图层，透过叠加图层来比较海岸变迁的过程和差异。
（二）进行空间数据分析，确定最优区位
空间分析是地理信息系统的核心功能之一，它可以把复杂困难的高级空间分析任务变得简单易行。在地理课堂教学中，要让学生运用GIS 的查询功能和数据分析功能获取地理数据， 并对数据进行分析，形成决策。如要求学生在一个假定的社区内为一家快餐店选择最佳区位， 学生可以通过空间数据的查询，获得交通流量、现有的快餐店点、学校位置、居民的年收入和消费水平等数据， 再运用GIS 分析功能， 根据各要素对快餐店区位选择贡献的大小对数据进行排序，从而确定快餐店的最佳区位。
（三）模拟空间现实，理解地理空间关系
运用GIS 对现实世界的空间关系进行模拟，可以建立三维模拟物象图， 可以对地图进行无级缩放和进行信息查询， 使空间分布的地物属性信息图形可视化。这就令学生对地理事物之间的属性关系有一个空间概念，并可在进一步的学习中，根据问题进行地图的定点查询、范围查询和线路查询，从而帮助学生建立空间的判断、推理和想象能力，顺利解决地理空间问题[5]。
（四）实现二维与三维图形转换，增强表现力
传统的地图表征以二维为主， 用抽象的符号表示复杂的地理事象， 是造成学生感知理解地图困难的主要原因之一。运用GIS 将平面二维图像转换成三维立体图像， 可以增强地理事象的直观化、形象化，有助于学生对地理问题的理解和应用。如在地形分析中，可利用数字高程模型创建模块，先绘制二维等高线并赋予高程值，再创建三角网，进而建立数字高程模型，并进行可视化表达处理，便可展示出一座山体，可以直观地观察山峰、山谷、山脊、鞍部、陡崖等多种地形。然后再结合地图进行等高线地形图判读的学习，就会极大地提高教学效率。
（五）绘制地图和剖面图，发展空间想象
在地理教学中， 要教会学生运用GIS 绘制各种地图和剖面图。地理图形的绘制需要对地理空间事象进行分析和表达，在对地理事象分析、综合、抽象、概括基础上，通过空间想象建构地理空间表象。这一过程中，学生的思维处于积极状态，学习者要在大脑中视觉化地理事物的空间结构、形状，并对其进行旋转、转换，在头脑中形成清晰的地图表象，从而实现地理事象和地理图形之间的转换。
（六）根据语言描述想象地图，选择符合条件的特征点
在运用GIS 进行教学时， 要经常要求学生根据语言描述来想象地图，发展学生的形象思维能力。这一活动过程要求学习者在对语言描述进行分析的基础上，在栅格图上找到特定的符合条件的点。为了完成这一问题，学生需要作批判性的分析、综合不同类型的视觉信息（栅格图和所选区域的地形概况），并与语言描述进行对比，以选择符合点。如在等高线图上选择符合“深山藏古寺”的特征点时，学生要在心理上视觉化“深山藏古寺”的地形特征，并分析地形图上各区域的地形特征， 并与心理视觉相比对才能正确选择符合要求的点。
（七）注重地图辨别，寻求地图间的空间关联
在运用GIS 进行教学时， 通常要求学习者比较几个不同的专题图层，通过对各个图层信息的抽取、结合、比较，认识和分析各图层信息要素之间的相互关系，从而认识空间分布和空间格局，并解释分布特征和格局的成因。
五、运用GIS 培养中学生地理空间能力的建议
（一）对地理教师进行GIS 运用方面的培训
有针对性的培训是成功运用GIS 进行空间能力培养的基础。职前和在职教师都应该进行GIS 技能培训，重点进行如何在课堂中有效运用GIS 进行教学的培训，要把GIS 运用技能和地理课程内容结合起来。现在，大多数的GIS 培训项目主要是“关于GIS”的教育，如，如何操作菜单、按钮、工具，如何进行平移或缩放、逻辑查询、输出结果等。对于如何在课堂教学中运用GIS 进行教学， 如何将GIS 与地理课程内容相结合等方面，则没有有效的培训项目。结果，大多数老师和学生不能够很好地运用GIS 进行空间能力的培养。
（二）现行的GIS 版本是为专家设计和使用的，多数软件不适合中学生直接使用， 应当对用户界面进行简化，开发新的适应中小学教育需要的系统
新的系统应当简单、灵活、易学、易操作，要根据不同年龄段的学生设计。同时，新的系统应该更加直观、生动，能够提供直接反馈，使其更加具有吸引力。
（三）开发高质量、具有挑战性的GIS 课堂学习模式
运用地理信息系统对学习者进行空间能力培养还需要课程支持，因此需要开发高质量、具有挑战性的GIS 课堂学习模式。目前，我国中学课程中还没有这种模式，而且对这种模式的研究也比较少。尽管有像GIS 这样的强大的支持空间能力发展的工具存在，但是，并没有对课程及其他材料进行设计，以发展学习者的空间能力。需要系统地开发国家空间能力标准，为教师和学生提供努力方向和评估标准，以有效指导各课空间能力教学。
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