GIS在高中环境教育跨学科模式下的作用初探

江苏省常州市北郊高级中学（213031） 戴文斌

江苏省教育科学研究院环境教育研究所（210013） 史 威

南京大学地理信息科学系（210093） 马劲松

环境素养是现代公民素养的重要体现，在对其培养中，高中环境教育的重要性不言而喻。《中国环境保护21世纪议程》中明确指出应加强高中环境教育[1]，同时透过“中学地理新课程标准(实验)及标准解读”[2-5]和“中小学环境教育实施指南(试行)”[6]的目标细则以及“国家中长期教育改革和发展规划纲要”[7]中有关素质教育的实质精神，不难看出高中环境教育的使命在于培养具备现代环境素养的合格公民。

引入GIS作为跨学科模式下高中环境教育的一种优选途径，利于环境教育过程趋于优质高效。同时将GIS纳入普通高中教育内容，也是国家新课改的要求所在。但GIS本身属于高科技、高要求的地理信息科学的前沿学科，基础教育引入GIS尚属探索、研究的萌芽阶段，并未有多少现成的经验和成果可供借鉴，故有必要探讨GIS在高中环境教育中的作用这一前人鲜有言及的内容。

一、GIS引入高中环境教育的必然性

1. 跨学科模式是高中环境教育的优选模式

回顾近年来我国高中环境教育的发展现状，其总体成效并不显著。

究其原因，除各种主客观限制因素外，问题主要集中于：①认知教育比重过大；②过程教育是薄弱环节；③目标达成不充分。[8]

究其模式，目前公认的环境教育课程模式主要分为多学科模式与跨学科模式。

前者将环境教育内容渗透到各门学科之中，通过各门学科课程化整为零实施教育。此类模式的现实依据在于，环境教育的课程内容在高中阶段不同学科教学中均有所体现，便于学生在各学科的学习中获得相应的知识、技能与情感，无需专门的时间投入，教育成本较低。因而，在日常教育实践中的运用最为广泛。但不可否认，由于教育组织分散，加之各学科所涉内容首要满足于应试的要求，因此学生对于环境教育往往停留于认知阶段，缺少过程环节的自主探究性感知，教育效果和目标达成也自然不甚理想。

跨学科模式，又称单一学科课程模式，即从各学科中选取有关环境科学的概念、内容进行统整，形成一门独立课程。如此可于一定程度上弥补多学科课程模式中内容零散、缺乏系统的不足，使教育更富针对性与系统性。但重要前提在于，课程的整合与实施务必做到形式与内容的统一。

2. 地理学科构建了高中环境教育的基础平台

依据已有的教育研究分析[9]，在高中课程体系中，地理是唯一相对全面而系统地与环境教育发生联系的课程，因而地理学科构筑了基本平台，着力点在于思维广度和事实判断，以横向交叉式渗透见长；而政治学科居于核心地位，着力点在于思维深度和价值判断，以纵向渗透式交叉为主。历史、文学、美术和音乐等人文学科处于辅助性地位，其共同的价值取向是人文关怀，具有考察、评判、反思、审美及情感转化等功能；物理、化学和生物等自然学科同样处于辅助性地位，但其共同的价值取向在于科学理性（见图1）。

图1 不同学科在高中环境教育中的功能与地位

3. GIS是跨学科模式高中环境教育的优选途径

由于环境教育体系自身涉及多学科知识的渗透，地理学科的平台作用通过横向交叉，发挥其跨学科知识的基础纽带作用。所有信息终将以数据为载体汇总，并对学生形成一定的教育感知。对于跨学科模式下的环境教育课程，首先应对庞大的数据信息进行采集、分类、存储，从而对不同学科知识体系下已有的环境内容进行整合。但若在环境教育过程中产生的数据并未得到跨学科的信息共享，数据意义就可能呈现出一定的局限。例如对各地采集所获水样进行化学实验，最后获得的数据可进行地理空间上的再分析，可通过水样采集的空间定位从而判断污染源的可能分布进而分析其危害的时空范围。若仅停留于水样分析实验，那么学生获取的信息类似于多学科模式下的化学实验结果，对于环境教育的主观认知也仅在于对水体污染物的认知。因此，跨学科模式下的环境教育课程内容的整合过程，优先寻求一种基于地理学科作为基础平台作用下的信息系统。

地理学语言是人类理解、研究、表达与传播地理信息的重要工具，它随着人类科学技术的进步与认识水平的提高而不断演进。[10]已故的“中国地理信息科学之父”陈述彭院士认为其已经历了三次具有重大意义的变革。“第一代语言”是对地理事物及现象的定性描述，“第二代语言”则是地图的产生，地理学的“第三代语言”自然非地理信息系统莫属。

GIS与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，以空间数据作为处理和操作的主要对象。地理位置及与该位置有关的地物属性信息是信息检索的重要部分。GIS的强大功能是空间分析，这也是GIS区别于其他类型信息系统的根本标志。在GIS中，现实世界通常被表达成一系列的地理要素，这些地理事物的属性至少可由空间位置参考信息与非空间位置信息两部分构成。由于侧重不同，可建立专题地理信息系统或区域地理信息系统。

GIS本身是集地理科学、环境科学、计算机科学等诸多学科综合的边缘学科，国内高校的GIS专业多在地理系、环境工程系、环境与规划系等院系下开设，故GIS与环境教育联系十分密切。因此，地理信息系统作为地理这一基础平台学科下最前沿的技术分支学科，对于整个环境教育课程资源的建设必然产生重要的作用。

二、GIS引入高中环境教育的作用

当前主流的观点认为，地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是以计算机技术为依托，以地理空间数据库为基础，使地理数据转化为地理信息，通过采集、存储、处理、分析、显示、输出地理信息的计算机技术系统，最终为规划、管理和决策提供信息来源和技术支持。[11-14]

GIS的发展已经历半个世纪，日益受到重视，并由最初的技术工具发展成为了一门独立的技术科学。因此作为一门新兴技术科学，GIS在高中环境教育中的作用，有其作为技术本身的作用，亦有作为跨学科体系下的学科作用。

1. GIS在高中环境教育中的技术作用

GIS的出现相对传统地图而言在庞大的数据容量、多尺度和多类型数据集成处理及灵活多样的可视化机制等方面具有明显的优势。[15]GIS在高中环境教育中的技术支撑作用主要体现于以下几个方面。

（1）优越的信息综合能力

环境数据是进行环境教育课程内容整合的基础，GIS作为跨学科模式下环境教育的优选途径，最大特征在于信息量巨大。环境系统的复杂性需要对其描述和表达的复杂性。环境系统是由不同部分、不同层次组成的，作为一个系统，不同部分和不同层次间存有耦合，甚至于同层次、同部分内部亦存有关联。这种关联有些表现较为直接明显，有些则通过第三者间接隐含地表现出来。因此，对于环境系统的数据描述常随着精细程度趋于海量化。

GIS与环境教育课程内容都依托于地理实体与地理现象，故均可借助地理科学的基础平台作用与其他学科进行数据交流和共享，最后形成信息整合，从而达成高中环境教育的最终目标。在环境教育中应虑及人类-生态系统中同一层次的各子系统之间的关系及不同层次各子系统之间的关系，课程资源整合同时应注重建立在高中阶段环境教育所涉及的学科知识交叉体系中学生的实践与理解之上。

为更好地管理环境数据，须利用GIS建立环境教育课程数据库，可涉及大气、土壤、地貌、生物、水文、资源等地理环境实体，而每种实体又包含空间坐标、地理分类、面积统计等基本数据。首先，应进行环境数据的采集。数据的来源是全方位多样化的，可源于校内外实地测量、理化生实验数据、环境事件文字描述、地图、遥感影像数据等（见图2），可通过GPS、键盘、扫描仪等外部设备，将地图、遥感影像数据、统计数据、监测数据输入并进行基本的数据处理，从而对繁复的环境信息进行整合。

图2 GIS环境数据采集流程图

在环境教育课程数据采集、编辑、存储、管理的过程中，既避免了环境数据资源的冗余，又对环境教育课程内容进行了筛选。同时可充分利用GIS的检索查询功能，快捷地在海量数据中提取所需信息。这些无疑都得益于依托GIS建立的环境教育课程数据库优势。

（2）强大的时空分析能力

空间分析是GIS的独特领域，主要特点在于帮助确定地理要素间新的空间关系。它不但是区别于其他信息系统的一个重要标志，而且成为了弥补传统环境教育过程薄弱的有效手段之一。

常用的空间分析有：①叠合分析，通过对同一地区若干不同数据层叠合，不仅建立新的空间数据，且能将输入的属性数据予以合并，易于进行多条件的查询检索、地图更新和统计分析等；②缓冲区分析，缓冲区分析是在点、线或面等不同实体周围建立一定宽度的缓冲多边形，以确定不同地理要素的空间邻近性或其影响范围；③数字地形分析，是GIS中地形起伏的数字化表达和存储形式，其中数字高程模型是常见的一种数字地形，GIS提供了构造数字地形及有关地形分析的功能，包括分析地形的坡度、坡向（水流方向）、日照强度、库容量、表面积、剖面图和通视分析等。

时间与空间是客观事物存在的形式，两者是紧密联系的。环境数据的时间性反映了环境数据的空间特性和属性随时间变化的动态特征。我们对现实世界中环境现象加以描述，对环境资源进行整合，则此类数据也必然随时间而变化。

例如，探求某旅游景点主要客源分布与空间距离的关系，可先将某一时间客源信息输入并通过建立缓冲区分析，遂得到两者间的关系。同样，计算重大环境事件如森林火灾随时间影响分布区域等情况借助于GIS的空间分析将事半功倍。

（3）显著的直观展示能力

GIS的产品输出能力是其一大优势。其中地图图形输出是GIS产品的主要表现形式，包括各种类型的点符号图、点值图、晕线图、动线图、等值线图和立体图等。环境教育的结果信息可被描绘以二维或三维的形式呈现，甚至利用虚拟现实技术对环境进行再现，比传统的数据展示要直观明显的多，这也是环境数据可视化的重要体现。

2. GIS在高中环境教育中的学科作用

GIS对学生信息技术的掌握、跨学科知识的采集整合、环境研究技术的了解与应用、区域系统思想的建立和空间思维能力的培养，以及环境问题的分析与处理等多方面具有不可替代的独特功能。

（1）GIS的空间特征利于培养学生的空间思维能力

空间性是环境数据的基本特征，反映了环境实体的地理位置、几何特征以及实体间的拓扑关系，从而形成了空间实体的位置、形态及由此产生的一系列特征。空间性不但令环境实体的位置、形态的分析成为可能，而且还是环境实体相互关系处理分析的基础。所以GIS环境教育的过程可提高学生的空间思维能力。

构建的环境数据库在存储环境实体空间描述信息的同时，还存储了实体间的空间关系，此为空间分析奠定了基础。GIS的空间思维培养利用环境数据库中业已存储的信息，通过自身的空间分析工具（如叠合分析、缓冲区分析），生成新的空间数据并存储。在进行空间分析的过程时，学生将各种分析工具按所探究领域的要求形成流程交由GIS完成，最后提供空间可视化的分析结果。

（2）GIS的实践特征利于培养学生实践探索能力

当前的环境教育模式之所以成效不明显很大程度在于过程教育实践的薄弱。虽存在理化生的实验，但实验本身是依循教师设定的模式进行，学生对于信息的获取是认知性的。

GIS是一种处理空间数据的工具，因而注重实践性。环境教育课程中的GIS应用可改善当前环境教育过程薄弱的现状，让学生在实践中体会环境教育课程内容，理解跨学科的环境知识。在GIS教学中加强学生动手能力的培养，也是新课程对于高中GIS课程的基本要求。学生实践探索能力的培养，首先在环境教育课程数据库构建的过程中，需要师生一起对所关注的问题进行数据的采集、编辑、整理。其次，在数据库构建完成之后，依托GIS自身的空间分析功能模块尝试探究性实践。最终，对于过程中产生的结论信息还需要进行整理，若以三维的形式输出，则还需要对学生进一步提出空间建模的能力要求。

（3）GIS的可视化特征利于培养学生的空间想象能力

通过GIS的空间可视化特征可培养学生的空间想象能力。信息系统是对现实世界的计算机模拟，而GIS则突出其对现实世界空间关系的模拟，甚至可通过虚拟现实技术，使学生实现对环境各实体有一直观感受。无论是在屏幕上展示一幅可以多级缩放和信息查询的地图，还是展现一幅三维的地形模型，都使学生对现实世界空间关系的认识更为具体、直观。GIS的可视化功能还在于它可将环境实体普通属性信息的图形可视化，这是由于GIS实现了空间信息和属性信息的集成管理，并能够完善地建立两者之间的联系。

例如，利用中国行政区划图，可从环境数据库中提取各省、直辖市、自治区某年份的人口统计数据以及某环境污染情况分布数据，并计算人口密度，之后按人口密度以及环境污染的分级指标以不同的色彩和填充方式显示行政区所对应的信息，最后通过叠合分析，即可寻求不同区域环境污染与人口分布的相关分析。这样空间实体的专题属性特征就可通过GIS工具实现具有空间参照信息的可视化。

（4）GIS对人地关系与可持续发展、环境意识的教育功能

人地关系和可持续发展是环境教育的一个主线。通过应用GIS，解决环境问题、经济发展问题、人口迅速增长的问题以及资源合理开发等问题是社会发展与GIS科学发展的必然，同样GIS解决方案对了解环境问题和培养高中生环境意识、人地关系思想和可持续发展思想具有重要的教育功能（见图3）。

图3 GIS的教育功能

GIS有利于学生加深对环境的了解，制定可持续发展规划。对关心的环境问题，学生通过获取相关信息，应用空间分析与虚拟现实技术，模拟人类活动对生产和环境的影响，即可制定可持续发展对策。

三、结语

综上所述，在跨学科模式下进行高中环境教育，欲提高课程建设中资源的整合力度，寻求高质量的教育实效，GIS是必然优选途径。借助GIS的技术作用能培养学生的实践探究环境问题的基础能力，有效弥补当下环境教育过程薄弱的现状，从而促使高中生正确环境价值观的养成。同时，依托其学科作用，为促进环境教育的开展，为学生走上社会、解决实际问题、拥有高素质的问题分析和解决能力打下坚实的基础。

[1] 国家环境保护局. 中国环境保护21世纪议程[M].北京: 中国环境科学出版社, 1995.

[2] 中华人民共和国教育部. 全日制义务教育地理课程标准(实验)[M]. 北京: 北京师范大学出版社, 2001.

[3] 地理课程标准研制组. 全日制义务教育地理课程标准(实验)解读[M]. 武汉: 湖北教育出版社, 2002.

[4] 中华人民共和国教育部. 全日制普通高中地理课程标准(实验)[M]. 北京: 人民教育出版社, 2003.

[5] 地理课程标准研制组. 普通高中地理课程标准(实验)解读[M]. 南京: 江苏教育出版社, 2003.

[6] 中华人民共和国教育部. 中小学环境教育实施指南(试行)[M]. 北京: 北京师范大学出版社, 2003.

[7] 顾明远. 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)解读[M]. 北京: 北京师范大学出版社, 2010.

[8] 史威, 陆静, 张静. 中学地理教学中环境教育的核心问题[J]. 中学地理教学参考, 2012, 06: 9-12.

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[10] 胡最, 汤国安, 闾国年. GIS作为新一代地理学语言的特征[J]. 地理学报, 2012, 07: 867-877.

[11] 黄杏元, 马劲松. 地理信息系统概论[M]. 北京:高等教育出版社, 2008.

[12] 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.

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[14] Kang-tsung Chang. Introduction to Geographic Information Systems[M]. 北京: 科学出版社, 2003.

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