浅析“3S”技术在中学生空间素养和视觉素养能力培养中的应用

王 叶

（长治市第五中学 山西长治 046000）

地理空间素养和视觉素养的重要内容是培养对地理要素观察、识别、分析和应用的能力[1-3]。当前，对空间、区域的认知和识别是我国普通高中地理课程标准规定的地理学科培养的核心素养。“3S”技术，通常认为是遥感（RS）、全球定位系统（GPS）和地理信息技术（GIS）的总称，其中地理信息系统（GIS）是“3S”技术的“大管家”，处于核心位置；遥感技术（RS）是信息采集（提取）的主力；全球定位系统（GPS）是对遥感图像（像片）及从中提取的信息进行定位，赋予坐标，使其能和“电子地图”同步使用。从科研层面来看，“3S”技术是目前解决人口、资源、环境及经济发展等重大地理问题的重要手段和关键技术。“3S”技术通过对地表各类事物形成的地理空间数据的采集、整理和分析，表达地表事物的空间属性，为中学地理教学带来重大的推进和变革[4-6]。将“3S”技术与地理教学进行深度融合，着力培养中学生的地理空间素养和视觉素养，就是培养中学生获得区域信息、分析区域特征、解决区域问题的关键能力，更有助于提升中学生发现问题、分析问题和解决问题的核心素质[7-9]。

一、“3S”技术已经成为中学地理教学的重要辅助技术

“3S”技术不断进步和成熟，成为培养地理空间素养和视觉素养的现代信息化技术，随着“3S”技术逐步进入中学地理课堂，不断改进了传统的地理教学和地理要素展现方式。在2001 年教育部颁发的《基础教育课程改革纲要》中着重提出“3S”技术在未来课堂教学实践中的重要作用，包括教学内容的呈现方式、教师的教学方式以及学生的学习方式等方面，充分肯定了“3S”技术与教学过程深度融合的必要性[7-8]。在2003 年颁发的《普通高中地理课程标准（实验）》中，首次提出将“3S”技术纳入高中地理课程。特别是在《全日制普通高中地理课程标准》中，更有针对性地强调了“3S”技术的应用，尤其是在地理教学实践中，要重视地理相关的“3S”技术与地理内容相互融合。

“3S”技术融入地理教学中已有十余年的时间，在参与中学地理教学研究过程中，主要体现为以下两个方面。第一，“3S”技术作为中学地理课程教学的一部分教学内容。主要探讨内容包括“3S”技术在地理教学和教材中的地位、如何落实“3S”技术教学内容以及具体教学方式和教学策略等。第二，“3S”技术作为中学地理课程辅助教学内容。“3S”技术可以作为地理教学过程中的重要辅助技术，通过一系列的专业软件和技术，模拟地理事物的时空分布和演变规律，对中学生的地理空间素养和视觉素养能力的培养具有十分重要的意义[10-11]。

二、中学生空间素养和视觉素养能力培养是地理教育的核心工作

以地图为主要展现方式的可视化工具，被认为是中学地理教学的第二语言。对与地理知识有关的图像系统的识别、认知和解释是空间素养和视觉素养能力的重要体现，也是中学生学习地理科目必须掌握的核心技能[9]。地理视觉素养是从以图像形式呈现的信息中认识、辨识和表达含义的能力，从某种程度上拓展了素养的含义；空间素养是一种空间思维能力，是当前美国教育界与科学界关注的热点问题之一。美国基础教育地理课程标准核心技能中均包含空间素养成分，同时把形成空间素养作为各年级具体标准的评价主线，并注重探索培育中学生空间素养的教学途径与方法[6-10]。

培养中学生的地理空间素养和视觉素养主要有两方面的作用。一方面，提高学生分析、归纳和总结地理现象以及解决地理问题的能力。培养学生对地理空间和视觉表征的感知和分析能力，不仅可以通过地理图像系统掌握分析地理事物的空间分布和动态演变规律的方法，而且可以采用时空压缩的方式将复杂的地理现象和地理原理进行抽丝剥茧的概况归纳，提高分析复合地理系统的水平，培养学生综合多要素分析判断地理现象的能力。另一方面，培养学生形成地理空间思维和地理价值观念。对地理环境的空间认知和视觉识别过程中，学生通过对地理空间中经济、社会、历史和文化等要素的时空特征分析，产生地理观念、地理价值观等精神内核。在教师的引导下，分析具有典型意义和重大历史事件的地理空间要素图谱，有助于形成地理逻辑思维，利于学生的自我认知和独立思考，同时在日常生活和学习中规范自身的空间行为，形成正确的世界观和价值观。

三、“3S”技术与中学地理教学尚未实现深度融合发展

（一）“3S”技术与传统地理教学的深度融合性不足

中学地理教学多将新技术、新工具引入作为传统教学的补充，尚未形成地理教学领域中的普遍教学方式。在实践教学中，“3S”技术多是以课外知识或学科内容补充的形式，被安排在地理课堂主要教学内容结束后的位置，或是课下让学生作为一种课外知识进行阅读和学习。这导致“3S”技术被看作是与地理知识和课堂相互割裂的存在，在实际的地理教学内容中，与空间相关的重要知识点的讲解，“3S”技术都未充分地参与其中，未充分帮助学生加深理解和认识，与传统地理教学的融合度尚须提升空间[4]。

（二）对“3S”技术在培养空间素养和视觉素养能力中的重要性认识不足

地理教学中，学生的空间感知和空间想象能力十分重要。空间性是地理学的核心特征，对空间性具有较好的理解和掌握，是学好地理的关键之一[5]。在地理教学课堂中，教师也会着重强调地理空间和地理思维的重要性。传统地理教学中，学生往往难以在脑海中形成具象的、三维的，甚至是时空结合的空间结构视图，不利于空间素养和视觉素养能力的培养。而由于对“3S”技术缺乏或是认可度不高等原因，“3S”技术在培养空间素养和视觉素养能力中的重要性被忽视。

（三）“3S”技术在地理空间素养和视觉素养能力培养全程参与度不足

培养中学生地理空间素养和视觉素养能力不只在教学课堂上下功夫，还须兼顾地理课程的课前和课后两个部分，只有将这三个部分的教学和课外准备有机结合起来，才能最大化地提高教学效率，有效培养空间素养和视觉素养能力，在学前得以了解、在课堂得以加深、在课后得以强化。在当前中学生的地理课程学习中，以及以教师讲授为主要方式的中学课堂教学中，“3S”技术的课堂参与度相较于课前预习和课后回顾来说是最高的。在课前、课后环节，参与课程学习的主体是中学生，中学生自身的主观能动性发挥最主要的作用，也是中学生预习和消化课堂知识的重要环节。“3S”技术具有较高的技术门槛和成本，同时尚未形成成熟的规模化的学生参与平台和机制，因而在地理空间素养和视觉素养能力培养全程参与度偏低。

四、“3S”技术支持下培养中学生空间素养和视觉素养的策略

将“3S”技术与中学地理教学进行深度融合，培养中学生的地理空间素养和视觉素养能力，是中学地理教育的发展方向和必然选择，不仅有利于培育中学生地理认知能力，更有助于提升中学生解决实际问题的能力。

（一）加强“3S”技术与传统教学的深度融合

以提高学生的地理空间素养和视觉素养能力等核心素养为目标，在具体的地理教学方式和观念上，对教师的教学观念进行积极的干预，跨越传统教学的“意识鸿沟”，摆脱教学观念惯性，善于接受新的、优秀的教学方式和理念，采用新的信息技术，提高教学效果，提升学生的综合素质。利用“3S”技术的开放性，为学生提供尽可能多的学习方式和学习资料，培养学生学习的自主性，鼓励学生发现问题、分析问题和解决问题，让学生在自主探索过程中对地理事物产生空间和视觉的理性认识，从而具有较高水平的空间素养和视觉素养能力。同时，从学生视角来讲，“3S”技术可以作为延伸地理课堂的途径和方式。通过更多的地理空间表达、分析和可视化的工具，打破了课堂对学生的时空限制，促进了学生学习方式的多样化。

（二）深入挖掘“3S”技术在培养空间素养和视觉素养能力中的潜力

“3S”技术在中学地理课程教学中的应用受到一定限制，以及取得效果不理想的原因很大一部分是对“3S”技术的原理和相关软件不熟悉，以至于未真正了解“3S”技术在培养空间素养和视觉素养能力中的重要作用和意义。首先，加强授课教师对“3S”技术的了解、认识和应用。只有教师真正重视地理现代化信息技术的重要作用，才能为学生打开“3S”技术具体实践和应用的大门，引导学生通过“3S”技术进行课前、课堂和课后的探索式学习，培养学生的空间素养和视觉素养。然后，通过“3S”技术激发学生对地理知识的兴趣。通过设置不同的地理应用场景，例如，基于遥感技术的大气和海水时空运动、基于GPS 技术的交通规划、基于地理信息系统的超市选址问题等，促进学生基于生活常识和知识积累，利用地理知识解决实际问题，将地理学习与现实生活相结合。最后，完善“3S”技术必要的配套设施。“3S”技术的具体使用主要基于ArcGis、ENVI 等多种软件和平台，软件的购买和使用均具有较高的门槛，且专业性较强。中学地理教学中，可具有针对性地选择相对经典的案例和软件操作，并形成与课堂对应的实验教程。

（三）构建“3S”技术在地理教学中的跨区域、多主体参与交流的应用平台

基于地理教学中“3S”技术与课堂融合程度不同的现状，区域上一级教育主管部门可构建一个跨区域的中学地理“3S”技术交流平台。一方面，聘请“3S”技术领域的专业人士定期为中学教师进行技术培训和知识普及，形成视频教学免费共享。另一方面，分享优秀的中学地理教学与“3S”技术结合的案例视频，为其他教师提供教学借鉴。此外，设置问答专区，就“3S”技术在教学应用中的经验和问题进行相互交流借鉴。通过促进教学资源、教学经验和教学成果的扁平化传播和交流，缩小“3S”技术在教学应用、教学实践中的技术和观念“鸿沟”。

（四）积极筹备建设“3S”技术与人工智能创新实验室

传统中学地理教育教学形式的简单改变已不能满足国际国内经济新形势下地理教育教学的实际需求。随着中学地理课程改革的深入，中学地理课程应当着力发展内涵建设，培养中学生建立抽象地理概念与感性地理形象之间的联系。中学地理教学应当借助“3S”技术引导中学生形成地理学科视觉辨识与空间思维能力，用地理视觉素养与空间素养理解新型人地关系。中学地理学科实验室建设无论培养中学生的科学精神和实践能力还是从地理学科的角度认识和理解世界都具有深远的意义。“3S”技术与人工智能创新实验室主要研究方向为机器人及人工智能的开发和“3S”技术的应用。随着“3S”技术的进步和地理学科的发展，地理学的研究已不再局限于传统的描述式讲述，而是集地理信息（GIS）、遥感技术（RS）、空间定位与分析（GPS）、传感器监测、人工智能与时空大数据等新技术为一体的综合性学科，以传感器、定位、导航及图像智能分析为基础的多场景智能机器人应用是实现地理学科研育人的一个有效载体，因此有条件的中学应该积极筹备建设“3S”技术与人工智能创新实验室，积极引导学生追随科技前沿、不断集成新的科学成果和技术方法、拓展并深挖行业技术应用，激发中学生对地理信息知识的浓厚兴趣，为将来继续从事地理学研究打下坚实基础。