数字地球在自然地理教学中的应用实践与探讨

朱长明

摘 要：针对自然地理教学过程中与球体相关的很多抽象概念不好表达与呈现，要求学生有很强的空间想象能力和对课堂知识点的难以接受问题。提出了数字地球支持下的地理教学应用实践探讨研究。介绍了数字地球的由来和功能，指出了通过数字地球注重学生地理技能培养，有利于帮助学生构建心中三维球体，最后以晨昏线和地方时等具体内容为案例，在数字地球上实现光照图的真实呈现与动态演示，说明如何在课堂教学实践中，为学生营造地理教学研究过程仿真情境，加深学生对球体上抽象概念的认识和理解，提高整体课堂教学效果。

关键词：地理教学 虚拟地球 教学模式 晨昏线

中图分类号：G642；P90-4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0118-02

在自然地理实践教学中发现，有很多和球体有关的抽象概念，单靠教师的讲解，学生一下子难以理解和接受。尤其是三维球体加上地球运动这一部分内容一直是教学过程中难点，最大的难处不是教师难教，而是学生必须要有很强的空间思维想象能力才能达到对抽象知识点的理解。随着科技的进步，空间信息技术取得了飞速发展，数字地球走进了千家万户，改变了我们传统的生活和出行方式，提高了我们对于客观世界的认识水平。其中最具有代表性的就是由美国Google公司开发的一款数字地球软件（Google Earth）[1]。实现了对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识，最大限度地利用全球卫星遥感影像数据资源，完成对地球三维多分辨率表示，使普通百姓能够方便地获得他们所想了解的有关地球的信息。数字地球凭借其三维立体的地球模拟功能，表达了大量无法用语言直接传递的空间信息，帮助每位学生构建自己心中的地球和地图，有效地提高教与学双方的课堂兴趣[2]。已经成为美国基础地理教育中新兴的信息技术工作，并发挥了积极的作用[3]，国内的中小学地理教学中也展开了积极探索[4-7]。

1 数字地球从构想到现实

数字地球最早是美国副总统戈尔于1998年1月在加利福尼亚科学中心的题为“数字地球：认识21世纪我们所居住的星球”演说时提出的。他将数字地球看成是对地球的三维多分辨率表示，能够放入大量的地理数据——“我们需要一个‘数字地球，即一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维的地球的表示，可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的数据”[8]。直到2004年，Google公司宣布收购了Keyhole公司，并于2005年推出了Google Earth软件，提供在线地图检索服务[9]。Google Earth以三维地球的形式把大量的不同分辨率的卫星影像，航拍影像和3D街景图像组织在一起。使用该软件，使用户可从一个全新的角度来观看地球。通过鼠标控制可以看到世界各地不同类型的地物景观，大到鸟瞰海陆山川地貌的分布，小到走进城市树木三维街道都可以一览无余，同时还提供了与地理相关的大量的信息，全球第一款商业数字地球模型的成功问世。

随着Google earth的不断升级，其功能越来越丰富，已经建立了从陆地到海洋，从地球到太空的空间信息结构，例如：Google Moon，Google Mar，内容涵盖了天文、气象、地质、水文、地貌、环境等地理知识。主要功能包括：（1）多视角浏览全球地理信息：结合卫星图片与地图，以及强大的Google搜索技术，多视角浏览全球地理信息；（2）强大的地点搜索功能：通过目的地输入，直接放大；（3）显示三维地形和建筑物：浏览视角支持倾斜或旋转；（4）显示经纬网（Grid）：本初子午线、南北回归线、北南极圈都是以加粗加亮的方式突出显示的；（5）定制飞行路线，模拟飞行场景，可以从一个地点飞往另一个地点；（6）浏览星空图，观看月相变化及各个星座；（7）搜索公共服务设施：学校，餐馆，酒店等便民服务；（8）辅助功能：添加注释、量距、兼容GPS、驾车导航等。这些功能在自然地理教学中均有重要的应用价值，有效地客服了地理教育中应用GIS软件的弱点。

2 数字地球对地理教育的意义

美国《国家地理课程标准》明确提出了重点培养学生的五项技能，即：提出地理问题，收集地理信息，整理地理信息，分析地理信息和回答地理问题[10]。这五项技能涉及到了空间现象、空间数据、空间分析、空间信息和空间知识，确立了完整的地理空间教育基础，强调的是学生动手能力和技能的培养。数字地球通过三维球体模型，采用并将本地搜索功能和卫星图像综合管理起来。用户可以调整视角、随意地翻转这个球体，通过放大、缩小、漫游操作，学生从任意角度去观察地球。可以是太空60000多公里的高度，也可以身临其境的三维街景图，从山脉河流到街道建筑物，这种无极缩放，真正实现了从太空漫游到邻家一瞥。通过“飞越”到地球上任意地点，大大提高了学生的学习热情，把很多难以描述的自然现象展现在学生的面前，建立地理空间概念，树立地理思维，可全面培养学生的读图能力，空间想象能力，观察与分析能力，形成地理核心技能。这些是数字地球在地理教育过程的独特而普世的价值。

3 数字地球辅助构建三维球体

跟地球球体有关的概念之所以抽象和难以理解，究其根本原因是学生心中没有这个三维球体，也不明白到底如何运动。所以球体加运动，一看到就类似的知识点就觉得难，不可理解。因此，通过改进地理教学，帮助学生构建心中的地球模型是解决这些问题的关键。数字地球为我们在地理教学中提供了巨大的便利，帮助学生建立心中球体模型的重要途径。启动Google Earth，添加经纬网，回归线，北极圈，子午线等三位球体上抽象而虚拟的格网（见图1），在三维数字球体上可以清楚地看到这些纵横交错的弧线。转动球体，让学生去观察这些线条，并通过具体的案例进行启发式教学，帮助每位学生构建自己心中的三维地球体（意象地图）。

转动虚拟地球，让学生自己去观看其转动规律。打开Google Earth，将地球调整到合适的大小，并且将赤道置于中间位置，使Google Earth大致以地轴为中心转动起来，用键盘上的方向键来控制转动，其中右方向键控制地球自西向东转动。引导学生观察地球的自转方向。对于经常遇到的问题俯视北极或者仰视南极地球的转动问题，我们可以进一步调整地球观看角度，将数字地球的北极或者南极调整为中心，然后通过Google Earth的左右方向控制按钮，演示地球从北极或者南极上空观察的自转状况。这个效果远比去告诉学生，从北极看地球呈现顺时针旋转，从南极看地球呈现逆时针旋转效果好得多。

4 应用案例分析

经常遇到的问题是，一架飞机从A地飞往B地，航程是X小时，请问到达B地的地方时间？很多学生难以理解。其实本质上这就是一个地方时问题。要彻底弄清楚这个问题，必须将地球自转，晨昏线和地方时一起联系起来思考。虚拟地球（Google earth）通过晨昏线的动态模拟，恰到好处地为学生展示了这一抽象的自然现象。打开Google earth，点击工具栏中显示阳光在地面的移动轨迹功能（图2）。通过设置时间滑块，可以显示不同日期内不同时间点阳光在地面的移动轨迹，也就是可以看到昼半球、夜半球和晨昏线。拖动地球使之自转，则可以看到同一时刻地球不同地区的昼夜状况，增加学生对昼夜之分和昼夜交替的认识。同时，使用时间滑块，设置向左自动播放，可以看到晨昏线自东向西移动（动态模拟）。

图3显示了12月22日晨昏线在地面的移动轨迹。图3a为早晨北京时间6：52晨昏线的位置，图3b北京时间7：52晨昏线的位置，图3c北京时间8：52晨昏线的位置，图3d北京时间9：52晨昏线的位置，图3e北京时间10：52晨昏线的位置，图3f北京时间11：52晨昏线的位置。通过这样的一个动态过程演示，学生对晨昏线必然有了更加清楚的认识。

有了对晨昏线的清楚认识，理解地方时以及对地方时的推算，将有很大的帮助。地方时以太阳作为参照物确定，某地的太阳高度角达到一天中的最大值时，当地的地方时为12点，与12点相对的地方时为0点。将连续两个正午12时之间等分为24个小时，所成的时间系统，称为地方时。这样，同一条经线上的地方时相同，不同经线的地方时不同，越往东时刻越早，即东早西晚，每隔15度，相差1 h。通过数字地球的光照系统，同样可以将太阳上中天情形展现出来，让学生有着更为直观的认识。

5 结论

实践教学模式创新是教师提高教学质量，激发学生学习兴趣的重要途径。数字地球最大的特点是基于位置服务（LBS：Locating Based Service），具有显著的地理特色；它第一次将地球以三维球体形式真实地展现在用户面前，带给了人们对自己生活的地球空间更为感性的认识，有利于学生建立地理空间概念，培养地理思维。并可以将一些抽象的地理理论知识表达并呈现出来，带给学生更多的视觉感知，在地理教学中具有重要的应用价值。文中仅仅以课堂教学中与球体相关的几个抽象概念，在三维球体上的呈现与展示进行了简单的探索研究。随着Google Earth本身的进一步完善，数字地球将来必将成为辅助自然地理教学的一件利器，需要我们教师不断地改进实践教学模式，挖掘其在地理教学中的应用价值，整合地理教学，激发学生兴趣，提高教学质量。

参考文献

[1] Google Earth and XML：Advanced Visualization and Publishing of Geographic Information[M].er Berlin Heidelberg，2008（2）：143-153.

[2] 范文娟.身未动心已远—— Google Earth在地理教学中大显身手[J].地理教育，2008（1）.

[3] 韩金荣，袁孝亭.Google Earth在美国地理教育中的应用及启示[J].中国电化教育，2009（3）：78-80.

[4] 胡久龙.信息技术环境下的地理教学改革实践—— Google Earth在初中地理教学中的应用为例[J].教育导刊，2011（7）：79-81

[5] 曾君艳.发挥Google Earth在中学地理教学中的独特作用[J].中国教育信息化，2007（10）：39-40.

[6] 荣先海，雷体南.Google Earth在中学地理教学中的应用[J].中国教育信息化，2007（18）：9-11.

[7] 林海萍.Google Earth在中学地理教学中的应用[J].网络财富，2008（13）：59-60.

[8] 承继成，郭华东，薛勇.数字地球导论[M].北京：科学出版社，2000.

[9] 郭洁，银屏，范超群.Google Earth在中学地理教学中的应用探讨[J].教育改革，2012（1）：28-29

[10] 聂影，张超.美国地理国家标准—— 《生活化的地理学》评介[J].中学地理教学参考，2000（Z2）：7-8.