例谈地理信息技术应用的实验课堂

王琦 宋阳

摘要：本文根据2020修订版新课标的要求，设计并开展了一堂运用地理信息技术软件 ArcGIS 的实验课。学生通过实践操作地理信息技术的软件，完成根据真实情境设计的实验步骤，切实领悟区域水土流失过程中自然因素和人文因素的不同，学会从定量、定性两个角度评价分析地理事物的变化发展，增强了对地理信息技术应用的认识和理解，提升了地理实践力。

关键词：区域水土流失;地理信息技术实验教学;地理实践力中图分类号：G633.55文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2021）29-0070

一、提出问题

新课标要求“在真实环境下，学生能够运用地理信息技术等地理工具，通过数据采集、实验等方式获取地理信息，结合地理基本过程，分析现实世界的一些地理现象、过程及其与人类活动的相互关系，探索和尝试解决实际问题。”[1]。但是在实际教学中，笔者发现当前地理信息技术应用教学有以下两个方面的困境：一是部分教师本身对地理信息技术应用的重视度不夠，认为高考考得少，不需要花太多时间和精力，因此教学中往往一言带过。二是教师对于地理信息技术的实验操作不熟悉，无法设计出高质量、高水平的教学实例，课堂中只能用图文形式展示地理信息技术的应用案例，与学生一起惊叹地理信息技术功能的强大。

因此，“如何开展地理信息技术应用教学”是一线地理教师的一大难题。

笔者参照2020修订版课标要求“通过探究有关自然地理问题，了解地理信息技术的应用”[1]和“以某生态脆弱区为例，说明该类地区存在的环境与发展问题，以及综合治理措施”[1] ，设计了一堂实验教学课。本课以黄土高原孤山川流域为例，运用地理信息技术软件 ArcGIS ，借助中国土壤流失方程（Chinese Soil Soil E- quation ， CSLE）计算和分析该流域土壤侵蚀强度及其分布。以期在具体的生态和环境问题的研究中，提高学生对地理信息技术的功能的理解，并培养学生的综合思维能力和地理实践力。

二、理论基础

地理环境是一个整体，各组成要素互相影响和联系，进而发生演化。因此不同的降水条件和人类活动下，土壤侵蚀量必然不同。借助地理信息技术软件的空间计算分析，运用中国土壤侵蚀模型 CSLE ，计算不同条件组合下的土壤侵蚀模数，然后对比分析自然和人文要素变化对于土壤侵蚀结果的影响。

本实验采用了中国土壤侵蚀模型 CSLE ，它是我国著名水土保持科学家在土壤侵蚀预报模型基础上，考虑中国土壤侵蚀的特征， 利用中国实测和调查数据，提出了更适合我国实际情况的土壤侵蚀模型。

A = R×K×LS×B×E×T

式中，A 为土壤侵蚀模数，R 为降雨侵蚀力因子，K 为土壤可蚀性因子，LS 为坡度坡长因子，B 为生物措施因子、E 为工程措施因子、T 为耕作措施因子。该模型所用的 K 因子和 LS 因子，可以认为十年左右变化不大，但是其余几个因子每年都会有比较大变化。R 因子反映自然环境的变化，B、E 和 T 因子反映人类活动驱动下的变化。

本实验中的基础数据（如表1） ，是根据1997年和2006年的 Landsat TM 遥感影像，经专业人员解译获取了土地利用、植被覆盖度数据，并在此基础上获取 B 因子和 T 因子专题地图，利用收集到的治理措施调查表计算 E 因子图。并通过地理信息技术软件（例如 ArcGIS ， SuperMap）分析计算得到的专题地图层，分层存储，运用空间数据运算功能进行计算，结果得到土壤侵蚀专题地图和对应的统计表（如图1）。

1997年（A97= R97×K×LS×B97×E97×T97）和2006年（A06= R06×K×LS×B06×E06×T06）的土壤侵蚀模数（下标97表示1997年的数据，下标06表示2006年的数据） ， 是运用实测基础数据， 根据 CSLE 计算获得的孤山川流域土壤侵蚀的真实情况。

模拟土壤侵蚀模数（A97-06= R06× K ×LS × B97×E97×T97 ，R 因子使用2006年数据，BET 因子使用1997年数据） ，是假设自然环境降水条件的变化（R 因子）、人类活动变化，主要是各项水土保持措施的落实（ BET 因子）对于土壤侵蚀的影响。

自然组将模拟土壤侵蚀模数 A97-06 与 A97相减，得到最终结果，结果图层中栅格大于0 ，即模拟侵蚀模数大于1997年土壤侵蚀模数，说明模拟 A97-06使用的2006年降水因子 R 相比1997年的降水因子 R ，使得栅格内侵蚀模数增大， 即自然因素（主要是降水条件）导致相应区域为土壤侵蚀增强区。反之，结果图层中栅格小于0 ， 自然因素（主要是降水条件）导致相应区域为土壤侵蚀减弱区。

同理可知，人文组将模拟土壤侵蚀模数 A97-06 与 A06相减， 若结果图层中栅格大于0 ，即模拟侵蚀模数大于2006年土壤侵蚀模数，说明相同的降水条件下，模拟 A97-06使用的1997年水土保持措施因子 BET 相较2006年的水土保持措施因子 BET 使栅格内侵蚀模数增大，侵蚀加剧，即1997年到2006年间的水土保持措施发挥了积极地影响，导致相应区域为土壤侵蚀减弱区。反之，结果图层中栅格小于0 ，导致相应区域为土壤侵蚀增强区。

三、实验步骤设计

第一步，带领学生熟悉地理信息技术软件 ArcGIS 的核心应用模块 ArcMap 的基本功能，如：ArcMap 的窗口组成、数据层的基本操作（加载、保存等）、图像数据分类设色和专题地图的编制等。并要求学生添加后续实验所需的数据，观察各图像数据的空间分布和统计特征。

设计意图：学生通过实际的操作和体验，初步掌握地理信息技术软件，激发他们探索地理信息技术软件的进一步应用。

第二步，指导学生运用 ArcMap 空间分析的栅格计算功能，计算孤山川流域1997年土壤侵蚀模数，根据土壤侵蚀分级标准和侵蚀分析需要（见表2）分类设色，编制1997年孤山川流域土壤侵蚀模数分级图（见图2）。

第三步，学生自主操作，合作完成2006年土壤侵蚀模数分级图（见图3）和模拟土壤侵蚀模数分级图的制作（见图4） ，查看相应的统计图表（见表3）并思考讨论下列问题。

思考问题：

①你能否从图中找到河流孤山川，指出具体位置，并说出你的判断依据。

②1997年和2006年相比，哪一年的土壤侵蚀模数更大，说出你判断的依据。

③根据上一题的答案，提出你的理由。

设计意图：通过自主学习和合作探究，学生基本掌握地理信息技术软件的简单操作，体会了土壤侵蚀的多因素影响分析，并且攻克了地图三要素、地图的分类设色、图层分层存储等难点知识。通过思考讨论问题，深化学生对于图像和统计数据的分析解读能力。

第四步，将学生分为自然组和人文组，分别计算模拟土壤侵蚀模数 A97-06与 A97和 A06相减，得到最终结果，编制自然因素（降水）对土壤侵蚀的影响分类图（见图5）和人文因素（水土保持措施）对土壤侵蚀的影响分类图（见图6） ，并查看相应的统计图表（见表4）。

思考問题：

①从空间分布看， 自然因素和人文因素对土壤侵蚀的影响有什么不同。

②根据统计数据，说出1997年到2016年， 自然因素和人类活动因素，哪一个对水土流失影响更大，提出你的判断依据。

③为什么图5南北差异巨大，没有像图6一样呈现出细微的地方性差异？

设计意图：引导学生分析栅格大于0和小于0的实践意义，理解地理信息技术的应用不能脱离实际的地理意义。进一步深化理解分类方式对图像数据显示产生的深刻影响，掌握运用图像描述、统计图表等方式对比分析实验结果。

第五步，对比分析实验结果，总结讨论实验结论。

思考问题：地理信息技术在区域水土保持中的运用，相比于传统方式优势在哪？局限性在哪？

设计意图：掌握总结归纳的学习方法，深入理解地理信息技术应用的优点。

四、结论与展望

本实验教学综合了区域生态问题和地理信息技术，使得地理信息技术的教学不再是纸上谈兵，学生自己动手参与实验运算，既能激发学习的兴趣，又能加深对地理信息技术应用的理解，深刻认识自然因素和人文因素对土壤侵蚀的不同影响。通过运用地图和统计数据描述地理现象，总结归纳地理问题。学生能够深刻理解地理信息技术在区域地理研究中的重要作用，综合思维能力和技术应用能力得到提高。

随着公众环境保护意识增强，地理数据积累和共享能力程度不断提高，免费获取本实验所用的数据是可能的;目前 GIS 软件界面也十分友好，学生能较为迅速的掌握实验的操作步骤，并且愿意探索地理信息技术软件的使用。比如在对专题图分类设色时， 同学们的选择各不相同;选择比例尺的样式也千差万别等等。以往的教学难点—分层储存，也变得十分容易掌握。所以，本实验课可以在一线教学中推广。

参考文献：

1中华人民共和国教育部.普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020年.

2王晓燕.土地利用变化驱动下的土壤侵蚀时空动态分析—以孤山川和延河流域为例[D].西安：西北大学， 2015

（作者单位：安徽省六安第一中学237000）