让GIS技术走进高中地理课程

陈志慧

摘 要： 随着我国信息产业的发展和国民经济信息化进程的推进，遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）等现代信息技术的应用越来越广泛，成为许多领域的技术支撑。地理课程对地理学的这些新发展给予了较多关注，在必修模块引入“地理信息技术”内容，将“3S技术应用”专列为一个选修模块，强调了地理信息技术的应用价值，引导学生直观地、感性地认识“3S”技术的基本知识及其应用原理。此外，信息技术在地理学习中的应用与整合，还可为学生的地理学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具，为发展学生自主学习意识和能力创造适宜的环境。但目前，在我国大部分地区开设地理信息系统课程还存在一定的困难。文章就引领GIS技术走进高中地理课堂展开论述。

关键词： 地理信息系统 高中地理课堂教学 案例 困难

1.GIS的概论

1.1 GIS的内涵

针对不同的部门和不同的应用目的，地理信息系统的定义也不尽相同。美国学者Parker认为“GIS是一种存储、分析和显示空间与非空间数据的信息技术”。加拿大的Roger Tomlinson认为“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统”。俄罗斯学者把GIS定义为“一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合”。这些定义，有的侧重于GIS的技术内涵，有的则强调GIS的应用功能。美国联邦数字地图协调委员会（FIC-CDC）关于GIS的定义较为全面具体。该定义认为“GIS”是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。[1]

1.2 GIS的功能

由计算机技术与空间数据相结合而产生的GIS这一高新技术，它包含了处理地理信息的各种高级功能。GIS具有四项基本功能：

1.2.1输入功能

利用数字化仪或扫描仪把地图、图像（如航空照片）和规划图输入计算机中，然后进行编辑处理（修改、增补等）。

1.2.2输出功能

把经过分析而得出的图形、图表或文字报告显示在荧光屏上，也可以通过绘图仪或打印机打印出来。

1.2.3查询、分析功能

通过空间查询和空间分析而得出决策结论是GIS的出发点和归宿。这是一个复杂的处理过程，需要应用目标之间的内在空间联系并结合各自的数学模型和理论制订规划和决策。典型的空间分析包括最佳路径分析、叠加分析、邻域分析、网络分析、通视分析及填挖方计算和表面积计算等，可用在污染源流分析、农业布局合理性分析、城市布局合理性分析、道路选线分析等工作中。

1.2.4空间数据库管理功能

地理对象是庞大的地理数据集，对此需要利用数据库管理系统来进行管理[2]。

GIS依托这些基本功能，通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据库和数据集成技术等，演绎出丰富多彩的系统应用功能，满足社会和用户的广泛需求。

2. GIS走进高中地理课程

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语言，地理信息系统是地理学的第三代语言。这也是广大地理教师的共识，充分体现出GIS技术的重要性与价值所在[3]。《普通高中地理课程标准》提出了地理课程的基本理念，其中之一是强调信息技术在地理学习中的应用。在新一轮的地理课程改革中，地理信息系统成为地理选修模块之一，作为新的重要的教学内容。

2.1 GIS技术进入高中地理的必要性

2.1.1 “GIS技术”是地理科学发展与社会信息化的重要内容

当今时代，信息技术飞速发展，地理信息技术对资源与环境可持续发展、国家经济建设与社会进步的巨大作用日益显著。地理信息技术应用的具体形式，大到地球村、数字国家，小到数字居民区、数字家庭。随着工业化和信息化水平的进一步发展，世界城市化成为文明进步的标志。城市带来了富足、繁荣，也带来人口拥挤、交通紧张、资源短缺、用地紧张等一系列城市问题，这为地理信息技术提供了大显身手的机会。世界各国的城市，尤其在经济发达和发展水平较高的城市，数字城市研究日益成熟，信息化管理成为热门研究领域，利用地理信息技术进行社会、经济、文化、基础设施、交通通讯、城市规划等数字管理，成为构筑新世纪人类生存环境的新模式。

地理信息技术是“数字化地球”、“信息化地球”的基础，信息化发展需要大量的具有地理信息技术基本素养的人才。从国家战略的高度来讲，基础教育阶段的地理信息技术素养教育很必要也很迫切。

地理信息技术作为地理科学发展的重要内容，加之其在社会生产、生活中的广泛应用和价值，在高中阶段，将其纳入地理课程体系，意义重大。

2.1.2设置“地理信息技术应用”模块有利于培养学生的信息素养

信息科技时代，教育目的不应仅是教给学生知识，更应以学生的发展为根本，全面提高学生的素质，使学生身心得到发展，发掘学生的外在和内在潜力，促使他们得到全面发展。地理信息技术在信息社会有着举足轻重的地位和作用，设置地理信息技术课程是普及地理信息技术基础知识的有效途径。对学生进行地理信息技术教育，可以培养学生的思考能力和分析能力，提高学生的信息素养，符合《高中地理课程标准》的设计理念，也是提高学生综合素质的基本途径。

当前，基础教育强调全面的素质教育，地理教育也应如此。在对各种地理知识（信息）掌握的基础上，地理教育重视学生能力的提高及地理思维方式的培养，要求学生既具备地理知识素质，又具备地理能力素质。要求学生运用地理知识处理和解决地里问题。要求学生主动地吸收、掌握各种地理信息，并将信息分析、重组、应用。

2.1.3“地理信息技术”是一种重要的教学技术手段

地理信息技术作为教学技术手段应用于地理教学中也是《地理信息技术应用》模块重要的价值取向之一。地理信息技术教育对学生信息技术的掌握、地理研究技术的了解与应用、地理区域系统思想的建立和地理空间思维能力的培养，以及地理问题的分析与处理能力的培养等具有不可替代的独特功能[4]。

一方面，以GIS为例，GIS具有对地图处理与操作的强大功能，地图是地理教育的重要媒介，利用GIS的地图叠加、地图漫游、地图缩放和地图要素的增减等进行辅助教学，效果是一般教学手段不可比拟的。另一方面，GIS技术是一种解决实际问题，提供地理数据处理功能的技术和方法。GIS的数据输入、处理与分析功能，能很好地完成地理课程在能力培养方面的要求。例如，利用GIS实现对地理事物的分布特征、分布规律的辅助教学，教师可以应用GIS在空间上显示符合某一条件的地理要素的特征，帮助学生认识地理空间概念；利用GIS实现地理事物环境分析辅助教学，GIS技术可以确定某地理要素在一定范围内对于其他地理要素的分布；利用GIS实现地理事物变化趋势的辅助教学，GIS能显示地理事物在不同时段的地理信息的空间分布，能展示其各阶段的特征，有助于学生认识地理事物的发展过程；利用GIS实现数据统计分析与地理直观的辅助教学，GIS可以进行数据排列显示、专题地图制作图、地形图、行政区划图、旅游规划图等；利用网络GIS、多媒体GIS的辅助教学等[5]。

2.2高中地理信息系统课程教学案例

地理信息技术是一门新兴的课程，开设这门课程的主要目标是培养学生的地理信息素养。

下面以GIS在道路选线中的应用作为教学内容进行分析。

传统的道路选线方法是选线人员通过收集和分析线路区域内有关设计资料，在大比例尺地形图上选出几个可能的路线方案。然后在纸上定线的基础上，选线人员到实地勘测，经过反复比较确定一个较为经济、合理的路线方案。它在很大程度上取决于选线人员的实际经验和技术水平，而且费时费力，因此已不能满足现代公路设计的需要。随着地理信息系统技术的发展及空间信息软件平台的不断开发，设计人员不但能考虑传统的选线因素，对于地质、水文等空间属性也能纳入考虑范围，这不管是从质量上还是从效率上都得到了较大提高。目前常用的空间软件有ArcInfo、MapInfo、Geo系列软件、TITANGIS等。

2.2.1地理数据的采集和处理

根据道路的设计功能和设计要求，需要收集道路沿线所有的基础资料，包括沿线各类比例尺地形图、地质图、水文、气象、交通流量等。具备了这些基本资料之后，利用GIS功能对各种资料进行分类处理。

数字化资料包括地形图、地质图、规划设计图、文字说明等多种信息资源。图形数字化过程中需要进行投影转换、坐标转换，经过扫描、纠正、跟踪、附属性、建立拓扑关系等步骤，最终形成各类数据文件。目前，常用的数据格式有：Tiff、Arc/InfoE00、Arc/InfoCoverage、MapInfo、DXF等。在地形图进行数字化的过程中，需对各类影响线路的空间要素进行分层空间数据管理，为以后的空间分析做好准备。沿线主要的空间数据层有：地形层、地质图层、城市层、乡村层、植被层、沿线水系层、水利设施层、铁路层等。对空间数据层的分类应尽可能详细，避免遗漏。同时，使用的资料应为最新资料，保证空间数据的时效性及其准确性。

2.2.2地理数据的空间分析

根据道路的设计标准和使用要求，利用GeoStar软件对各类数据文件进行分析是采用地理信息系统进行道路选线的核心。GeoStar软件的空间分析功能主要有地形分析、缓冲分析、叠置分析、网络分析等，这能帮助设计人员宏观地认识设计区域。在数据处理过程中，应尽可能准确规范，这对于以后建立数字地面模型DEM、地面正射影像图DOM等数据具有重要作用。

2.2.3建立数字地面模型DEM

数字地面模型可为道路选线提供直观图形并可以与GIS的空间分析结果进行叠加分析。同时可为今后的道路最佳路径分析、纵横断面设计、填挖方量的计算提供快捷成果。

2.2.4叠加分析

利用GeoStar软件，将矢量数据库、影像数据库和DEM数据库三库叠加，生成三维景观再现。在计算机叠加分析的结果里，确定道路控制点的桩号及线路的大致走向，接着根据设计规范和要求，在三维景观里进行路线设计，确定道路变坡点位置、交点位置、坡度、曲线半径等要素，这样设计人员能随时根据地形来进行设计，非常方便。

2.2.5线路的比选

根据要求一般设计两到三条线路，然后利用GeoStar的空间分析功能进行比选，考虑的因素主要有土地、水文、路线长度、地质条件、政治因素、经济状况、气象等。如，在设计中，道路应尽量避免穿过农田、森林，并且线路通过地段的地质水文状况应满足工程设计要求，以此作为选线条件。此时可以从空间数据层中分别提取乡村层、植被层、地质层、沿线水系层的相应数据，将它们的数据绘以不同颜色的图形，根据选线人员给定的选线条件和范围分别与地形图形拓扑叠加，此时在计算机上就可以分别显示出满足要求的范围。根据这些范围，选线人员再进行综合修改，重新制定设计条件，在计算机上反复进行叠加拓扑分析获取最终结果。这种选线过程非常直观明了，结果也可随时以图形、表格、数字的形式打印输出[6]。

2.3高中开设地理信息系统课程存在的困难

在当今的高中地理教学中，开设地理信息系统课程遇到了比较大的困难，学生的地理信息素养也普遍比较薄弱。

2.3.1教育观念滞后

由于教育观念滞后，即使是在教育较为先进的地区，地理信息系统课程开设仍困难重重。学校固守旧观念，认为培养信息素养对于学生高考分数提高目前还没有实质性作用，往往以各种理由拒绝开设地理信息类课程。

2.3.2经济支持不足

地理信息系统课程开设需要一定物质基础作为保证，例如计算机、网络设施、配套的课程软件等。经济落后地区的一些学校硬件、软件设施都不齐全，尤其像GPS这种仪器市场价一般在2000元左右，作为教具几乎是不可能购买的，3S技术的培养成为“纸上谈兵”。

2.3.3教师素质有待提高

地理信息系统是一门新兴的技术，因此，当今高中里能够熟练掌握信息技术的地理教师比较匮乏。此外，目前高师所开设的地理信息系统课程，多数只是简单地移植综合性大学地理信息系统专业课程的基本内容，而真正适合师范生实际操作应用技能训练较少，并没有培养出真正适应高中地理教学的合格的地理教师。

因此，高校在培养地理教师的过程中应重视师范生的地理信息技术学习，在学习基础知识的同时，提高动手操作能力。同时，各地教育部门应完善教师的职后培训，为在职地理教师提供更多的进修机会和渠道。各地教研部门要为地理教师提供学术和业务的支持，例如通过举办培训班，组织教学经验交流，推动校本教研，开发课程资源等方式帮助地理教师开展地理信息技术教学，培养学生的地理信息素养。

3.结语

鉴于我国经济的快速发展及GIS技术强大的功能，GIS将在国民经济中发挥越来越重要的作用。高中地理课程应紧跟时代潮流，反映时代需求。GIS进入高中地理课程是培养现代公民必备地理素养的必要举措。尽管现在地理信息技术课程在高中的开设仍遇到一些困难，但困难是暂时的，地理信息技术最终将顺利进入高中校园，成为一门培养学生基本地理信息素养的必要课程。

参考文献：

[1]黄杏元等.地理信息系统概论.北京：高等教育出版社，2003.

[2]李智等.地理信息系统概述.甘肃科技，2004年11月.

[3]李佩武等.GIS技术及其在地理教学中的应用分析.天津教育，2005年第六期.

[4]陈澄等.普通高中地理课程标准（实验）解读.南京：江苏教育出版社，2004.3.

[5]段玉山.地理信息技术辅助教学功能初探.中小学教材教学，2005年第三期.

[6]曹健等.GIS技术在道路选线中的应用.测绘与空间地理信息，2005.12.