Google Earth在水文类课程教学中的应用

危润初 盛丰 谌宏伟 张贵金 彭向训

摘要：Goolge Earth是基于三维地形和遥感技术的地球模型，其具有三维显示、多尺度视角、海量影像库、历史影像展示等特点。在水文类课程教学中应用Goolge Earth软件辅助教学能够实现地形地貌的三维演示、水文演化过程的动态演示、人类活动与水文环境效应展示以及水文循环过程的直观图解等。这不仅能够将“野外现场”带进课堂，弥补野外实践教学课时的不足，同时能够借助Goolge Earth丰富的素材库向学生展示各类水文素材，从而激发学生的学习兴趣，提高教学效果。

关键词：Google Earth;水文;课程教学;辅助应用

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）21-0290-03

水文类课程包括“水文学原理”“地下水文学”“工程水文学”等相关课程，涉及水文与水资源工程、水利水电工程、土木工程等多个专业的专业基础课。水文类课程主要让学生学习自然界中水体形成、分布、变化、运动以及水与环境要素相互作用的知识，主要内容包括水文循环、水文地貌、水文测验、水文计算等，是理论与野外实践高度结合的课程类，该类课程一般开设于第二学年。虽然大部分专业学生都完成了专业认知实习，但总体来说大部分学生仍然缺乏对野外的直接认知，给水文类课程教学带来了一定困难。Google Earth是目前世界上最成熟的三维地球仿真软件。近5年来，笔者所在课程团队将Google Earth 软件应用于水文类课程教学，将课堂教学内容与野外实地场景无缝连接，给学生提供了与水文学相关的虚拟现实场景，增加了学生的现场感，取得了很好的教学效果。

一、Google Earth 数据简介

Google Earth最早由Keyhole公司开发。2004年Google公司收购Keyhole公司，并于2005年推出了Google Earth系列软件[1]。Google Earth软件将卫星影像、航空影像、道路信息等数据集成，并融合地形数据，从而形成一个信息丰富的三维地球模型，用户通过客户端软件，能够全方位、立体浏览全球各地的地面影像[2-3]。Google Earth卫星影像部分来自美国DigitalGlobe公司的QuickBird（快鸟）商业卫星与EarthSat公司，航拍部分的来源有BlueSky公司、Sanborn公司、美國IKONOS及法国SPOT5。其中SPOT5可以提供解析度为2.5米的影像，IKONOS可提供1米左右的影像，而快鸟能够提供最高为0.61米的高精度影像，是全球商用的最高水平[4]。

二、Google Earth在水文类课程教学中分类应用

水文类课程相关专业学生在学习水文类课程之前，地学类知识基础不一，为此自2014年起本课程组引入Google Earth辅助教学。在讲解水文类课程的绪论部分时，我们就向学生展示Google Earth软件，在课堂上演示使用，要求他们在自己电脑上安装并完成相关作业，如“利用Google Earth软件绘制家乡主要河流水系图”。通过积极引导，学生对Google Earth产生了浓厚兴趣，在后续课程中Google Earth就成了教学的重要辅助工具。根据近五年来的教学经验，笔者将Google Earth在水文类课程教学中的应用归纳为4大类，下面对各类型进行介绍并附以实例说明。

（一）地形地貌的三维演示

水是大自然的“雕塑师”。在水文类课程的教学过程中，不仅有直接涉及地形地貌的教学内容，如“流域”“河流”“湖泊”等，同时在某些特殊水文过程的讲解时，会涉及特定的地貌类型，如“岩溶”“冰川”等。Google Earth是在NASA 生产的SRTM全球数字高程数据的基础上进行的三维建模，并在此基础上进行遥感图像的三维显示，效果逼真。通过Google Earth，可以调整视角高度从而获得不同的观察尺度，也可调整方向为学生提供全方位演示。

【示例】“地下水文学”第一章第四节：岩溶水

岩溶水是一种特殊的地下水类型，如果没有见过岩溶，很难真正理解岩溶水文过程机制。借助Google Earth引领学生深入岩溶区（图1），切身感受岩溶地貌及其影响下的水文过程，增加其现场感，从而提高学习兴趣和效果。

（二）水文循环过程的直观图解

水文循环是通过降水、蒸散发、下渗、地面径流与地下径流等环节进行的水量和能量交换，这些过程对于学生来说具有一定的抽象性，尤其是一些特殊的水循环现象，在缺少现场经验的情况下学生很难理解其内在机制。利用Google Earth辅助教学能够很好地解决这些问题，它不仅能够为学生提供全尺度的水循环图景，让学生能够从宏观上去理解各种水循环模式的内在机理，而且能够让学生思考世界不同地区的水文情势差异，培养其国际视野。

【示例】“地下水文学”第三章：地下水的补给、径流与排泄

在讲解此章时，引入河西走廊这一具有历史感的实例，为学生展示地下水的特殊魅力（图2）。通过Google Earth演示，为学生形象地展示河西走廊典型的“雪山—河流—洪积扇—泉群—河流—地下水”循环模式。这不仅能够让学生深刻理解地下水补给、径流及排泄，同时也让学生对河西走廊水与人类的关系有更深刻的思考。

（三）水文演化过程的动态演示

水文过程从本质上说，就是水在地球系统周而复始的运动过程，深刻理解这种运动过程对学生全面把握水文机理具有重要作用。传统的教学手段很难从宏观上给学生直观展示某条河流或流域宏观上的时空变化，而Google Earth的“历史影像”能够提供不同时期的影像，这为水文类课程教学提供了非常便利的条件。

【示例】“水文学原理”第十一章：河流泥沙

在讲解此知识点时，借助Google Earth“历史影像”功能，给学生展示典型河流不同时期影像（图3），让学生深刻理解河流泥沙与降雨的关系、河口三角洲与泥沙淤积关系等知识点，提高了教学效果。

（四）人类活动与水文环境效应

水作为地球上最活跃的环境因子，持续影响人类赖以生存的自然环境。理解水文过程与人类社会的关系是水文类课程的重要教学目的之一，是培养学生运用水文学理论去解决水灾害问题能力的重要基础。运用Google Earth向学生展示各类水文相关环境问题，不仅能够加深学生印象，促进学生对知识点的理解，同时也能够引导学生从更宏观的角度去思考水文相关环境问题的发展及人类活动对环境问题发展的影响。

【示例】“水文学原理”第二章第三节：水量的平衡

在讲解此知识点时，引入乍得湖实例（图4），构建湖泊水均衡方程，这不仅能够加深学生对“水量的平衡”知识点的理解，体会人与自然之间的互馈关系，同时也能直接提高学生的国际化认知，直面全人类面临的国际化问题，思考作为国际公民一员的我们应该承担的国际责任。

图4 乍得湖面积变化（1984-2018）

三、Google Earth在水文类课程中辅助教学的优势分析

Google Earth作为现代遥感技术、信息技术的综合成果，其在教学过程中的应用具有独特的优势：（1）提供高度仿真現场模拟，弥补野外实践教学课时的不足。基于3D地形显示与遥感技术的Google Earth本质上为高度仿真的三维地球模型，能够从不同尺度给学生展示特定的地理对象，使其有身临其境的感觉，从而弥补野外实践教学课时的不足;（2）Google Earth为水文类课程的教学提供了丰富的素材库。Google Earth的数据库几乎囊括了地球各个角落不同历史时期的影像，这为水文类课程的教学提供了非常丰富的素材库。从水文类课程的客观需求来看，在教学过程中可以重点挖掘水文地貌、地质土壤、地形、气象、环境、土地利用等素材来支持课程教学;（3）有效培养学生的宏观思维和整体观念，提高时空逻辑能力。水文学的学习需要有较强时空逻辑能力，能够用系统的观点去思考水文过程，而很多学生在这个方面的能力不足。运用Google Earth引导学生分别从全球尺度、洲际尺度、流域尺度去探究水文循环过程及相关水文现象，能够有效培养其宏观思维和时空逻辑能力;（4）Google Earth的全球视角，有利于国际化视野的培养。近年来，中国企业积极落实国家“一带一路”倡议，逐步加大国际化经营。这要求我国高校工程类专业人才的国际化视野培养要有新的高度[5]。运用Google Earth辅助水文类课程教学，能够从全球视角为学生讲解水文学基础理论，同时教学素材和案例也源自不同国家和地区，这就在无形中培养了学生的国际化视野。

四、结论与建议

Google Earth是高度仿真的地球模型，其具有三维显示、多尺度视角、海量影像库、历史影像展示等独特优势。在水文类课程教学中应用Google Earth软件辅助教学能够实现地形地貌的三维演示、水文演化过程的动态演示、人类活动与水文环境效应展示以及水文循环过程的直观图解等，这不仅能够在将“野外现场”带进课堂，弥补野外实践教学课时的不足，同时能够借助Google Earth丰富的素材库向学生展示各类水文素材，从而激发学生的学习兴趣，提高教学效果。此外，在运用Google Earth开展教学的过程中，能够有效培养学生的宏观思维和整体观念，提高时空逻辑能力，拓展其国际化视野。水文学是一门综合性学科，其涉及地理学、地质学、气象学等多个学科，在运用Google Earth辅助教学时，可以根据不同专业的课程设置情况开展课程联动，做到循序渐进、层次分明。

参考文献：

[1]王润生，熊盛青，聂洪峰，等.遥感地质勘查技术与应用研究[J].地质学报，2011，85（11）：1699-1743.

[2]郑泽忠，范东明，李玉霞，等.多种对地观测技术及Google Earth 技术应用于土地利用/ 覆被变化建库[J].地球物理学进展，2008，（4）：1326-1331.

[3]黄琪，张宗毅.基于Google软件的农地区高程获取及精度评价[J].测绘通报，2015，（2）：51-54.

[4]刘晓，郑家文，张照录，等.Google Earth 在遥感地质教学中的应用[J].中国地质，2017，26（2）：52-55.

[5]马臻，张士成，杨新.在通识教育背景下培养具有国际化视野的研究性人才[J].中国大学教育，2015，（06）：18-20.

Abstract： Google Earth is a model of the earth based on three-dimensional terrain and remote sensing technology. The application of Google Earth in Hydrology Teaching can help to display three-dimensional topography and landform， hydrological evolution process and response of hydrological environment to human activities， which not only brings the field into the classroom and makes up for the shortage of field practice， but also shows all kinds of hydrological materials to the students so as to stimulate students' interest in learning and improve the teaching effect.

Key words： Google Earth; Hydrology; teaching; auxiliary application