基于应用情境导向的环境类课程空间思维培养模式研究

佟志军,都瓦莲,刘兴朋

(东北师范大学环境学院,吉林 长春 130024)

空间思维是一种获取知识并利用空间的特性有效地解决问题的技能。空间思维在学生掌握环境类专业知识过程中扮演着重要角色,对学生理解地球上的各种现象和问题至关重要。情境教学法是一种基于实际情境的教学方法,它以情境为导向,让学生身临其境地学习[1]。教师在教学中灵活应用情境教学法,可以使学生更好地理解和掌握物质多维空间变化特征。

目前,全球环境问题受到广泛关注,环境类课程与地学研究视域紧密交融,培养具有地学知识背景、地球尺度视野和综合素养的人才是环境类专业要解决的时代课题。空间思维培养强调从空间视角出发,根据事物的空间分布、尺度格局和地域联系,培养学生的观察、定位、比较、分析及综合思维能力[2]。本文以环境类课程为例,借助地理信息系统(GIS)探索基于“双主体+多维度”空间思维的环境类课程培养模式,以应用情境为导向,为环境类专业发展奠定人才基础。

1 基于应用情境导向的环境类课程“双主体+多维度”空间思维培养模式的重要性

环境类课程教学与空间能力的培养密切相关,但仍存在一些问题。一方面,由于人类活动大多发生在微观层面,学生往往只关注微观尺度问题,而忽略生态环境中宏观尺度问题,以及微观尺度与中宏观尺度之间的密切联系。另一方面,目前的教学往往借助GIS解决问题,忽略微观尺度的变化,缺乏将二者结合的培养模式。为了加强环境类专业学生的多维度空间思维认知能力,本文提出了基于应用情境导向的环境类课程“双主体+多维度”空间思维培养模式。其中,“双主体”指教师和学生,“多维度”指微观和中宏观的空间维度。新的培养模式必须服务于环境类专业人才的培养需求,创新学生培养模式,推动课程质量的提升。空间思维能力的培养要求教师引导学生构建物质空间概念,通过物质空间表象和空间要素构成形成空间认识,进而根据物质空间原理和空间规律进行空间表达,并对物质要素进行分析,运用地理语言科学表达空间事物之间的关系、结构以及空间过程等。基于应用情境导向的环境类课程“双主体+多维度”空间思维培养模式的重要性如下。

1.1 环境类课程教学的重要方向

环境类课程的特点在于其综合性,学生通过微观实验可以形成直观感知,对物质反应有初步认识,但缺乏从宏观现象中探究物质本质的能力,难以建立完整的知识网络和知识体系,影响学生的学习积极性。学生常在宏观现象发生后产生兴趣和好奇心,然后开始从微观尺度进行深入探索。因此,采用基于应用情境导向的“双主体+多维度”空间思维培养模式,可以培养学生的宏观辨识和微观探析能力,同时提升其抽象思维能力和空间想象力。

1.2 培养学生空间思维能力的重要途径

在以GIS为平台构建的教学场景中,教师有目的地引入色彩鲜明的场景,通过观察和分析影像图帮助学生理解所学内容。这种教学方式可以使学生更轻松地学习课本内容,透彻理解并牢固掌握多维度的环境类课程知识。基于空间思维的培养模式旨在将中宏观和微观尺度联系起来,帮助学生跨越微观和中宏观之间的界限,快速高效地观察客观事物的空间形式。中宏观尺度的课堂教学可以帮助学生摆脱点、线、面的局限,开阔思维并提升抽象思维能力和空间想象力;从全方位考虑问题,形成具体化、系统化的整体认知;将许多知识点转化为立体化图像,实现理论与实践相结合,从而形成多维度的空间思维。

1.3 满足人才需求的有效途径

基于空间思维视角的培养模式可以锻炼学生的空间构思能力,帮助其理解抽象的概念和微观知识,同时更好地锻炼学生解决问题的能力。此外,学生学好本课程,可以为未来从事GIS数据采集、处理、建库、分析和管理等工作提供必要的支持。

2 基于应用情境导向的环境类课程“双主体+多维度”空间思维培养模式的培养目标

2.1 培养学生的空间认识能力

空间是一个没有明确定义的概念,具有明显的多维性和尺度效益,并随着人们对世界认识的不断发展而不断变化。为了促进学生空间思维能力的发展,教师首先要引导学生形成空间概念。空间思维的最重要特点是通过空间概念对物质进行判断、推理、分析和比较,从而得到更深层次的认识。教师可以让学生从不同的视角看待同一个地理事物,培养学生判断各种地理事物位置和相互关系的空间认知能力。

2.2 培养学生的空间表达能力

空间表达是培养空间思维能力的重要工具,也是形成空间概念和空间逻辑思维能力的纽带。通过地图、图标、图例和符号等形式,将抽象的多维空间信息和相互关系直观地表达出来,可以让学生通过解读图像,并结合微观尺度的实验结果,理解中宏观尺度的生态环境要素空间分布和演变趋势。通过空间表达,学生可以在头脑中形成宏观尺度的空间表象,或者以文字或图形的形式在头脑中进行表征,从而连接微观世界和宏观现象,形成生态环境多个尺度的新知识链。

2.3 培养学生的空间理解能力

要提高学生的空间理解能力,不仅要使学生从微观尺度识别物理属性,更要比较多个不同地物的空间特征,在解图过程中运用各种地图、剖面图、模式图等,提取、结合、比较、理解和提炼出各个地物之间的相关信息,从而提高学生的学习兴趣和空间理解能力。

2.4 培养学生的空间分析能力

空间分析指在观察地表事物要素时对地理表象问题进行分析和归纳,以中宏观视角审视地表环境和现象。它的核心任务是获取地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等空间信息的分析方法和技术。教师指导学生通过二维或三维空间中的点、线、面结构模式,分析环境要素空间位置数据和结构分布规律。

3 基于应用情境导向的环境类课程“双主体+多维度”空间思维培养策略

3.1 梳理环境类基础知识,强化理论基础

环境类课程涉及地球科学、空间科学、环境科学、信息科学等多学科知识。随着社会经济的快速发展,环境问题变得更加复杂,需要采集和处理大量的环境信息,其中很多信息与空间位置密切相关。地理信息系统通过采集、管理、处理、分析、建模和显示空间数据,可以解决与地理位置相关的问题。因此,此课程可以培养在环境保护、生态建设、防震减灾等领域具有进一步深造潜质的学术型人才或从事环境管理、咨询、宣传教育等工作的应用型人才。课程教学内容既包括理论教学,也包括实践教学。通过理论与实践相结合的方式,学生可以掌握地理信息系统和遥感技术的基本原理和实际应用技能,为未来的学习和工作打下坚实的基础。

3.2 基于虚拟环境空间,进行地球空间建模

地球的表面是凹凸不平的,教师可以利用多媒体视频向学生展示地球的真实形状,帮助他们了解地球表面。也可以利用地球仪向学生讲解地球的基本特征。通过经纬网的引导,教师可以帮助学生分析各条纬线、经线上两点间的距离,观察地球仪上经纬线的分布特点。在此基础上,教师可以尝试利用几何知识概括经纬度的分布规律,让学生在脑海中形成空间地理坐标。此外,教师还可以利用GIS建模让学生了解人类与自然环境之间的联系是丰富多彩的。

3.3 基于空间分析,强化多尺度空间表达

学生通过认识和理解现实世界中地理空间实体的位置及形态特征,并将这些抽象认知表达到计算机系统中,可以更加方便快捷地进行地图分析、可视化操作。

3.3.1 微观尺度表达

在课程教学中,教师应让学生将三维空间和光谱等数据以图形或图像形式进行空间表达,以便更好地理解微观世界的结构和性质。这种数据的空间表达方式可以将区域物体的位置、速度、方向、能量等物理量以及光谱数据进行智能可视化处理,从而形成一个更加丰富和完整的空间数据模型。具体而言,可以通过一系列数学算法将实际物理空间中的对象转化为数字,也可以使用频谱学方法提取物体的光谱信息,为下一步构建三维模型、图像渲染、物体识别和分类等空间分析打基础。例如,在“哪些因素影响土壤微生物多样性”教学中,在微观尺度上学生会从水分、土壤pH、温度、植被类型、土壤类型、颗粒大小、耕作制度和施肥措施等方面分析土壤微生物多样性的变化情况。学生可以根据课程相关理论,以行政区为单位,借助GIS分析土壤时空异质性的潜在影响。此外,教师还应让学生利用实时、无损、高时空分辨率光谱数据,获取土壤关键理化参数的微尺度变化过程和分布特征,弥补采样数据集的不足。

3.3.2 中宏观尺度表达

教师对环境类专业学生的培养不能局限于微观尺度,应增加中宏观尺度的多维度空间思维教学。在宏观尺度上,教师应使学生了解如何利用空间统计工具探究全球环境变化和自然资源利用等问题,如何使用地图和数据库集成探究全球气候变化成因,从而提升学生的空间分析能力。

3.3.3 微观-中宏观尺度的转换

空间思维是微观和中宏观尺度结合过程中必不可少的思考方式,有助于跨尺度的数据分析、模型构建和预测。教师需通过理论和实训教学提高学生的空间分析能力和空间思维能力。一方面,从微观尺度到中宏观尺度的转换培养。教师通过上机操作,指导学生将已知坐标位置和属性的土壤采样点的影响因子特征值转换为空间数据,演示如何使用GIS软件或编程语言进行空间数据插值,教学生了解土壤多样性变化情况。另一方面,中宏观到微观尺度的转换。在课程教学中,教师可以通过示例和实践活动,引导学生理解和应用离散化和抽样的概念,培养他们在中宏观与微观尺度之间进行数据转换的能力。

4 结语

探索和实践培养模式的最终目的是让学生实现高质量学习。将空间思维引入环境类课程,可以很好地研究地理事物,解决环境类专业中遇到的问题,并逐步提升学生的核心素养。教学实践表明,基于应用情境导向的环境类课程“双主体+多维度”空间思维培养模式,可以实现环境类专业教学的多学科、多样性、全方位和空间性融合,有效激发学生对生态环境中微观和宏观知识的认识。