地理信息技术在高中地理教学中的应用研究

孟祥锐,王文娟

(长春师范大学地理科学学院，吉林 长春 130032)

地理信息技术是获取、管理、分析和应用地理空间信息的现代技术的总称，主要包括地理信息系统(GIS)、遥感技术(RS)、全球卫星导航系统(GNSS)。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键力。地理学科核心素养主要包括人地协调观、综合思维、区域认知和地理实践力，它们是相互联系的有机整体。其中人地协调观是地理核心素养中的基本价值观念，综合思维与区域认知是地理核心素养中的基本思想和方法，而地理实践力则是地理核心素养中的基本活动经验[1]。

本研究以高中地理人口教学为例，充分将地理信息技术应用到中学地理实践教学中，通过挖掘地理信息技术的浅层应用功能，实现对中学地理的深入教学。

1 教学内容介绍

人口是高中地理必修2的教学内容，是人文地理教学的重要组成部分。学生通过对这部分知识的学习，掌握人口和城市化之间的关系，了解基本社会经济活动的空间特征，树立人地协调观与人类共同发展的理念。知识体系的思维导图如图1所示。该章节主要介绍了人口分布、人口迁移和人口容量三个方面的知识，其中人口迁移是本章第二节的内容。在明确了人口分布情况以后，学习人口迁移的相关知识，根据人口迁移产生的结果学习人口容量。人口迁移在本章节中起到承上启下的关键作用，本文主要以人口迁移教学为切入点，应用GIS技术和方法，制作与人口迁移相关的二维和三维专题地图，并应用于人口迁移教学中[2]。

图1 人口知识体系结构图

2 教学中应用到的GIS功能

2.1 数据的采集和编辑功能

野外数据测量、地图矢量化、摄影测量和遥感图像数据等是空间数据的主要采集方法。数据的编辑是修改、更新和建立现有数据之间联系的过程，主要包括建立拓扑关系、投影变换数据、拉伸、裁剪、拼接、提取和坐标校正等。我们可以借助拓扑关系来编辑要素和测试数据质量。

通过数据收集和编辑功能可以提高学生的区域认知能力。在进行野外数据测量时，学生应学会全站仪、GPS的使用方法，锻炼实际操作能力，锻炼识别野外地形时理论联系实际的能力[3]。

2.2 地理数据库查询数据功能

地理数据库查询数据功能包括定义数据库、创建与维护数据库、数据库操作等。数据库操作功能主要应用于高中地理教学中。在地理数据库中输入SQL查询语言，用户可以在已有的数据库中查询所需的数据。例如在全国人口数据中查询某个城市地区的人口；在对数据进行属性查询时，可以选择点、线、面数据，右键单击属性界面，查看位置、长度、面积等数据属性。

2.3 地理教学专题图制作功能

地图是地理教学的灵魂。教学中使用的地图往往是挂图，缺乏主题性和时效性。“新课标”对教学用地图提出了更高的要求[4]。地理信息系统的专题制图以及可视化功能，能够极大地满足中学地理教学的制图需要。教师搜集相应的属性信息后，通过GIS软件即可制作各种类型的专题地图，如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高线图等，极大地提高了教学针对性和实效性。

2.4 空间查询与空间分析功能

空间查询和空间分析功能包括拓扑空间查询、缓冲区分析、叠加分析、空间集合分析和地质分析，常用的有拓扑空间查询、缓冲区分析和叠加分析等。

空间查询是指通过几何对象之间的空间位置关系构造过滤条件，支持设置查询对象的查询距离，从已有的数据中查询满足过滤条件的对象。目前支持点、线和面等几何对象的空间查询功能。Google Earth可以直接查询空间对象的地理位置。

缓冲区分析是指自动在点、线、面对象周围一定宽度内创建缓冲区多边形图层，然后将该层覆盖在目标层上，对其进行空间关系分析，从而解决空间邻近度问题。邻近度是指两个地物在地理空间中接近的程度。缓冲区分析通常用于城市规划、自然灾害和预防决策中。在高中地理教学应用中，缓冲区分析可用于区域影响因子分析、灾害分析、交通线路布局、商业区布局等众多课程内容教学中[5]。例如在城市功能区划中，医院、学校、公园等都有相应的服务范围，而这些范围就是缓冲区的大小。通过交通、设施、地势等进行分析，可以得到相应功能区域的选择。

叠加分析是用于最佳位置选择或模拟建模的一种方法。在高中地理教学应用中，叠加分析常用于区域规划、地貌、河流规划等，例如房产开发的选址、野生动物的栖息地选择、经济增长的城市基础特征分析、地质灾害的评估等。

2.5 地形分析功能

地形分析功能包括数字高程模型的建立、地形分析。地图的呈现方式是二维的，而在地理教学中很多地理事物需要三维方式呈现，如地形地势、地球自转公转等特征。采用传统的二维地图进行教学，需要学生具备三维空间的想象能力，这是教学中的重点和难点，也是学生学习地理的主要阻碍。数字高程模型的建立和地形分析可以有效解决坡向、坡度、地形起伏、等高线等三维地貌问题，还可以解决水系、交通网络的分布问题。在高中地理地形教学中，通过建立数字高程模型，可以很好地展示山谷、鞍部、高原、平原、丘陵等地形，使学生直观地观察不同的地形地貌的特点。

3 GIS在人口中学的应用及难点分析

3.1 教学内容

3.1.1 人口迁移教学过程设计

GIS制图软件中的时态数据分析，以及基于网络的大数据分析，可以清晰地表示人口迁移的路线图，是研究人口迁移影响因素的有效手段。通过观察人口迁移图，学生可以概括影响人口迁移的因素，提高探究学习能力。

教师在教学中可以学生观察中国改革开放前后人口迁移示意图和中国边疆开发人口示意图，然后回答以下问题：不同时期影响人口迁移的因素是什么？人口迁移会对迁入地和迁出地分别有什么影响？

教师进行总结，人口迁移的驱动力是由迁出地的推力和迁入地的拉力组成的。自然因素和人文因素共同影响了人口迁移：优美宜人的自然环境和优良的资源对人口有巨大的拉动作用；环境灾害和自然灾害对人口迁移产生推动作用；人文主义因素对人口迁移有重要影响。在这些因素中，经济因素占主导地位。此外，人口迁移还受到政治、军事、文化和其他人为因素的影响，例如大规模的人口迁移经常发生在动荡和战争频繁的地区。

由于人口的迁移，迁入地和迁出地也会产生不同的变化。对迁入地有加强与外界的经济、科技思想和文化联系，减轻人口压力，缓解当地的人地矛盾，促进经济发展，保护生态环境等有利影响，但也容易造成人才流失等不良影响。对迁入地有弥补劳动力不足、提供廉价的劳动力、节约教育培训成本、便利自然资源开发、促进经济的发展等有利影响；也有不利影响，比如引发种族矛盾、影响社会治安。给生态环境和城市带来巨大压力。

3.1.2 人口分布情况变化教学过程设计

利用GIS软件制作长春市近20年城区面积和人口变化图。学生通过学习教材并结合周围的变化，了解城市化的影响。

城镇人口占总人口比重是衡量城市化水平的重要指标。学生观察长春市2000—2020年城区面积和人口变化图，回答下列问题：影响城镇内部空间结构的因素是什么？根据我们周围的现实情况，谈谈城市化给我们的生活带来的改变。

教师进行总结。城镇内部空间结构的形成是多种因素共同作用的结果，经济因素是影响城镇内部空间结构的主要因素，政策、文化、环境等因素也会影响城镇内部空间结构。通过发展卫星城，合理规划工业区，保留一定规模的绿地和河湖等生态保育空间，可以有效改善环境，建设宜居空间。城镇化发展有利于促进区域经济增长，提高资源利用效率，改善城乡人民居住环境，增强区域社会和谐。

3.2 运用GIS解决人口教学中的难点

在高中地理城市化问题教学中，学生通过观察城市不同年份的遥感图像可以看出城市用地面积的变化，进而观察该城市的城市化进程，结合教师的讲解，把握人口和城市化进程的相关知识；使用GIS相关软件，对遥感影像数据进行提取、拼接和裁剪，获得方便教学的GIS数据，体现出了GIS的采集和编辑功能。在已有的地理数据库中可以查询数据的相关属性，如地理位置、面积、坐标等。在教学中，可以使用地理数据库查询某个地区的人口数据和该地区的城区面积变化，通过数据变化看出人口变化情况，讲授人口迁移和城市化进程相关知识。教学用地图多为静态地图，使用GIS软件制作教学用专题图，一方面可以增强专题地图和知识点的相关性分析，另一方面可以根据最新的数据制作时效性较高的专题地图。例如制作人口迁移图可以明显看出某个时期人口迁移的方向，结合当时的历史背景了解人口迁移的原因。空间查询和空间分析常用功能包括拓扑空间查询、缓冲区分析和叠加分析。在高中地理教学应用中，缓冲区分析可以用在区域影响因素分析、灾害分析、交通线路布局、旅游区影响因素、商业区布局等众多课程内容教学中。例如在城市功能分区中，医院、学校、公园等都有对应的服务范围，而这些范围就是缓冲区面积的大小，再经过交通、设施、地势等加以分析，就可以获得相应功能区域的选择。GIS的地形分析功能主要体现为数字高程模型的建立，通过数字高程模型的建立和地形分析，可以建立三维地图。学生通过三维地图可以有效观察地形地貌，了解地形地貌对于人口分布的影响。

中学生记忆的特点是形象化记忆胜于文字记忆，以理解记忆为主。通过图像带给学生的知识是立体的、生动的、客观的，使用GIS软件制作教学专题图，可以使学生更加直观地理解和记住相关的知识点。

例如通过观察中国人口分布、我国地形数据、我国河流数据以及我国行政区划图叠加分析后制作的专题图，学生可以总结出影响我国人口分布的因素和我国人口分布特征。观察人口迁移专题图可以直接看到人口迁移的方向，并结合当时的背景推断人口迁移的原因和影响迁移的因素，更好地理解记忆人口迁移对迁入地和迁出地的影响。通过观察同一地区不同时间的遥感卫星影像，可以看出该地区城市化进程以及乡村和城镇的结构布局，在头脑中形成对城市化意义和城镇化进程的理解。

4 总结与展望

本文主要探讨GIS在高中地理人口教学中的应用，通过列举实际教学案例，突出GIS在教学中应用的优势。与自然地理模块知识可以应用一定的地理信息技术解决教学实践内容不同，人文地理知识模块的内容在教学手段上常采用GIS技术、遥感技术以及数字地球技术相综合的方式。例如，在分析医院的选址时，可以应用数字地球技术截取相关区域的影像，并在ArcMap中进行缓冲区分析，将图像加载到图层后很容易分析医院的选址问题。此外，在区域地理学中，环境保护、自然灾害与防治、旅游地理学也可以综合应用地理信息技术进行教学[6]。

GIS在高中地理教学中仍有很大改进空间。结合“新课标”的要求，本文从内部因素与外部因素两个方面提出将地理信息技术应用于高中地理教学的改进策略。教师和学生是内部因素，高校、中学、教育部门、社会和政府是外部因素。从内部因素来看，教师应积极提升专业技能和素养，掌握软件的使用方法，更好地进行教学。从外部因素看，高校应优化地理信息科学课程设置。高校是分流地理教学学生的关键，为各大中学提供年轻而富有激情的新地理教师。