江蘇省常州市北郊高級中學(xué)（213031） 戴文斌

江蘇省教育科學(xué)研究院環(huán)境教育研究所（210013） 史 威

南京大學(xué)地理信息科學(xué)系（210093） 馬勁松

環(huán)境素養(yǎng)是現(xiàn)代公民素養(yǎng)的重要體現(xiàn)，在對其培養(yǎng)中，高中環(huán)境教育的重要性不言而喻?！吨袊h(huán)境保護21世紀(jì)議程》中明確指出應(yīng)加強高中環(huán)境教育[1]，同時透過“中學(xué)地理新課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗)及標(biāo)準(zhǔn)解讀”[2-5]和“中小學(xué)環(huán)境教育實施指南(試行)”[6]的目標(biāo)細(xì)則以及“國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要”[7]中有關(guān)素質(zhì)教育的實質(zhì)精神，不難看出高中環(huán)境教育的使命在于培養(yǎng)具備現(xiàn)代環(huán)境素養(yǎng)的合格公民。

引入GIS作為跨學(xué)科模式下高中環(huán)境教育的一種優(yōu)選途徑，利于環(huán)境教育過程趨于優(yōu)質(zhì)高效。同時將GIS納入普通高中教育內(nèi)容，也是國家新課改的要求所在。但GIS本身屬于高科技、高要求的地理信息科學(xué)的前沿學(xué)科，基礎(chǔ)教育引入GIS尚屬探索、研究的萌芽階段，并未有多少現(xiàn)成的經(jīng)驗和成果可供借鑒，故有必要探討GIS在高中環(huán)境教育中的作用這一前人鮮有言及的內(nèi)容。

一、GIS引入高中環(huán)境教育的必然性

1. 跨學(xué)科模式是高中環(huán)境教育的優(yōu)選模式

回顧近年來我國高中環(huán)境教育的發(fā)展現(xiàn)狀，其總體成效并不顯著。

究其原因，除各種主客觀限制因素外，問題主要集中于：①認(rèn)知教育比重過大；②過程教育是薄弱環(huán)節(jié)；③目標(biāo)達(dá)成不充分。[8]

究其模式，目前公認(rèn)的環(huán)境教育課程模式主要分為多學(xué)科模式與跨學(xué)科模式。

前者將環(huán)境教育內(nèi)容滲透到各門學(xué)科之中，通過各門學(xué)科課程化整為零實施教育。此類模式的現(xiàn)實依據(jù)在于，環(huán)境教育的課程內(nèi)容在高中階段不同學(xué)科教學(xué)中均有所體現(xiàn)，便于學(xué)生在各學(xué)科的學(xué)習(xí)中獲得相應(yīng)的知識、技能與情感，無需專門的時間投入，教育成本較低。因而，在日常教育實踐中的運用最為廣泛。但不可否認(rèn)，由于教育組織分散，加之各學(xué)科所涉內(nèi)容首要滿足于應(yīng)試的要求，因此學(xué)生對于環(huán)境教育往往停留于認(rèn)知階段，缺少過程環(huán)節(jié)的自主探究性感知，教育效果和目標(biāo)達(dá)成也自然不甚理想。

跨學(xué)科模式，又稱單一學(xué)科課程模式，即從各學(xué)科中選取有關(guān)環(huán)境科學(xué)的概念、內(nèi)容進行統(tǒng)整，形成一門獨立課程。如此可于一定程度上彌補多學(xué)科課程模式中內(nèi)容零散、缺乏系統(tǒng)的不足，使教育更富針對性與系統(tǒng)性。但重要前提在于，課程的整合與實施務(wù)必做到形式與內(nèi)容的統(tǒng)一。

2. 地理學(xué)科構(gòu)建了高中環(huán)境教育的基礎(chǔ)平臺

依據(jù)已有的教育研究分析[9]，在高中課程體系中，地理是唯一相對全面而系統(tǒng)地與環(huán)境教育發(fā)生聯(lián)系的課程，因而地理學(xué)科構(gòu)筑了基本平臺，著力點在于思維廣度和事實判斷，以橫向交叉式滲透見長；而政治學(xué)科居于核心地位，著力點在于思維深度和價值判斷，以縱向滲透式交叉為主。歷史、文學(xué)、美術(shù)和音樂等人文學(xué)科處于輔助性地位，其共同的價值取向是人文關(guān)懷，具有考察、評判、反思、審美及情感轉(zhuǎn)化等功能；物理、化學(xué)和生物等自然學(xué)科同樣處于輔助性地位，但其共同的價值取向在于科學(xué)理性（見圖1）。

圖1 不同學(xué)科在高中環(huán)境教育中的功能與地位

3. GIS是跨學(xué)科模式高中環(huán)境教育的優(yōu)選途徑

由于環(huán)境教育體系自身涉及多學(xué)科知識的滲透，地理學(xué)科的平臺作用通過橫向交叉，發(fā)揮其跨學(xué)科知識的基礎(chǔ)紐帶作用。所有信息終將以數(shù)據(jù)為載體匯總，并對學(xué)生形成一定的教育感知。對于跨學(xué)科模式下的環(huán)境教育課程，首先應(yīng)對龐大的數(shù)據(jù)信息進行采集、分類、存儲，從而對不同學(xué)科知識體系下已有的環(huán)境內(nèi)容進行整合。但若在環(huán)境教育過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并未得到跨學(xué)科的信息共享，數(shù)據(jù)意義就可能呈現(xiàn)出一定的局限。例如對各地采集所獲水樣進行化學(xué)實驗，最后獲得的數(shù)據(jù)可進行地理空間上的再分析，可通過水樣采集的空間定位從而判斷污染源的可能分布進而分析其危害的時空范圍。若僅停留于水樣分析實驗，那么學(xué)生獲取的信息類似于多學(xué)科模式下的化學(xué)實驗結(jié)果，對于環(huán)境教育的主觀認(rèn)知也僅在于對水體污染物的認(rèn)知。因此，跨學(xué)科模式下的環(huán)境教育課程內(nèi)容的整合過程，優(yōu)先尋求一種基于地理學(xué)科作為基礎(chǔ)平臺作用下的信息系統(tǒng)。

地理學(xué)語言是人類理解、研究、表達(dá)與傳播地理信息的重要工具，它隨著人類科學(xué)技術(shù)的進步與認(rèn)識水平的提高而不斷演進。[10]已故的“中國地理信息科學(xué)之父”陳述彭院士認(rèn)為其已經(jīng)歷了三次具有重大意義的變革?！暗谝淮Z言”是對地理事物及現(xiàn)象的定性描述，“第二代語言”則是地圖的產(chǎn)生，地理學(xué)的“第三代語言”自然非地理信息系統(tǒng)莫屬。

GIS與其他信息系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其存儲和處理的信息是經(jīng)過地理編碼的，以空間數(shù)據(jù)作為處理和操作的主要對象。地理位置及與該位置有關(guān)的地物屬性信息是信息檢索的重要部分。GIS的強大功能是空間分析，這也是GIS區(qū)別于其他類型信息系統(tǒng)的根本標(biāo)志。在GIS中，現(xiàn)實世界通常被表達(dá)成一系列的地理要素，這些地理事物的屬性至少可由空間位置參考信息與非空間位置信息兩部分構(gòu)成。由于側(cè)重不同，可建立專題地理信息系統(tǒng)或區(qū)域地理信息系統(tǒng)。

GIS本身是集地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、計算機科學(xué)等諸多學(xué)科綜合的邊緣學(xué)科，國內(nèi)高校的GIS專業(yè)多在地理系、環(huán)境工程系、環(huán)境與規(guī)劃系等院系下開設(shè)，故GIS與環(huán)境教育聯(lián)系十分密切。因此，地理信息系統(tǒng)作為地理這一基礎(chǔ)平臺學(xué)科下最前沿的技術(shù)分支學(xué)科，對于整個環(huán)境教育課程資源的建設(shè)必然產(chǎn)生重要的作用。

二、GIS引入高中環(huán)境教育的作用

當(dāng)前主流的觀點認(rèn)為，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）是以計算機技術(shù)為依托，以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，使地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地理信息，通過采集、存儲、處理、分析、顯示、輸出地理信息的計算機技術(shù)系統(tǒng)，最終為規(guī)劃、管理和決策提供信息來源和技術(shù)支持。[11-14]

GIS的發(fā)展已經(jīng)歷半個世紀(jì)，日益受到重視，并由最初的技術(shù)工具發(fā)展成為了一門獨立的技術(shù)科學(xué)。因此作為一門新興技術(shù)科學(xué)，GIS在高中環(huán)境教育中的作用，有其作為技術(shù)本身的作用，亦有作為跨學(xué)科體系下的學(xué)科作用。

1. GIS在高中環(huán)境教育中的技術(shù)作用

GIS的出現(xiàn)相對傳統(tǒng)地圖而言在龐大的數(shù)據(jù)容量、多尺度和多類型數(shù)據(jù)集成處理及靈活多樣的可視化機制等方面具有明顯的優(yōu)勢。[15]GIS在高中環(huán)境教育中的技術(shù)支撐作用主要體現(xiàn)于以下幾個方面。

（1）優(yōu)越的信息綜合能力

環(huán)境數(shù)據(jù)是進行環(huán)境教育課程內(nèi)容整合的基礎(chǔ)，GIS作為跨學(xué)科模式下環(huán)境教育的優(yōu)選途徑，最大特征在于信息量巨大。環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性需要對其描述和表達(dá)的復(fù)雜性。環(huán)境系統(tǒng)是由不同部分、不同層次組成的，作為一個系統(tǒng)，不同部分和不同層次間存有耦合，甚至于同層次、同部分內(nèi)部亦存有關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)有些表現(xiàn)較為直接明顯，有些則通過第三者間接隱含地表現(xiàn)出來。因此，對于環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)據(jù)描述常隨著精細(xì)程度趨于海量化。

GIS與環(huán)境教育課程內(nèi)容都依托于地理實體與地理現(xiàn)象，故均可借助地理科學(xué)的基礎(chǔ)平臺作用與其他學(xué)科進行數(shù)據(jù)交流和共享，最后形成信息整合，從而達(dá)成高中環(huán)境教育的最終目標(biāo)。在環(huán)境教育中應(yīng)慮及人類-生態(tài)系統(tǒng)中同一層次的各子系統(tǒng)之間的關(guān)系及不同層次各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，課程資源整合同時應(yīng)注重建立在高中階段環(huán)境教育所涉及的學(xué)科知識交叉體系中學(xué)生的實踐與理解之上。

為更好地管理環(huán)境數(shù)據(jù)，須利用GIS建立環(huán)境教育課程數(shù)據(jù)庫，可涉及大氣、土壤、地貌、生物、水文、資源等地理環(huán)境實體，而每種實體又包含空間坐標(biāo)、地理分類、面積統(tǒng)計等基本數(shù)據(jù)。首先，應(yīng)進行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)的來源是全方位多樣化的，可源于校內(nèi)外實地測量、理化生實驗數(shù)據(jù)、環(huán)境事件文字描述、地圖、遙感影像數(shù)據(jù)等（見圖2），可通過GPS、鍵盤、掃描儀等外部設(shè)備，將地圖、遙感影像數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入并進行基本的數(shù)據(jù)處理，從而對繁復(fù)的環(huán)境信息進行整合。

圖2 GIS環(huán)境數(shù)據(jù)采集流程圖

在環(huán)境教育課程數(shù)據(jù)采集、編輯、存儲、管理的過程中，既避免了環(huán)境數(shù)據(jù)資源的冗余，又對環(huán)境教育課程內(nèi)容進行了篩選。同時可充分利用GIS的檢索查詢功能，快捷地在海量數(shù)據(jù)中提取所需信息。這些無疑都得益于依托GIS建立的環(huán)境教育課程數(shù)據(jù)庫優(yōu)勢。

（2）強大的時空分析能力

空間分析是GIS的獨特領(lǐng)域，主要特點在于幫助確定地理要素間新的空間關(guān)系。它不但是區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的一個重要標(biāo)志，而且成為了彌補傳統(tǒng)環(huán)境教育過程薄弱的有效手段之一。

常用的空間分析有：①疊合分析，通過對同一地區(qū)若干不同數(shù)據(jù)層疊合，不僅建立新的空間數(shù)據(jù)，且能將輸入的屬性數(shù)據(jù)予以合并，易于進行多條件的查詢檢索、地圖更新和統(tǒng)計分析等；②緩沖區(qū)分析，緩沖區(qū)分析是在點、線或面等不同實體周圍建立一定寬度的緩沖多邊形，以確定不同地理要素的空間鄰近性或其影響范圍；③數(shù)字地形分析，是GIS中地形起伏的數(shù)字化表達(dá)和存儲形式，其中數(shù)字高程模型是常見的一種數(shù)字地形，GIS提供了構(gòu)造數(shù)字地形及有關(guān)地形分析的功能，包括分析地形的坡度、坡向（水流方向）、日照強度、庫容量、表面積、剖面圖和通視分析等。

時間與空間是客觀事物存在的形式，兩者是緊密聯(lián)系的。環(huán)境數(shù)據(jù)的時間性反映了環(huán)境數(shù)據(jù)的空間特性和屬性隨時間變化的動態(tài)特征。我們對現(xiàn)實世界中環(huán)境現(xiàn)象加以描述，對環(huán)境資源進行整合，則此類數(shù)據(jù)也必然隨時間而變化。

例如，探求某旅游景點主要客源分布與空間距離的關(guān)系，可先將某一時間客源信息輸入并通過建立緩沖區(qū)分析，遂得到兩者間的關(guān)系。同樣，計算重大環(huán)境事件如森林火災(zāi)隨時間影響分布區(qū)域等情況借助于GIS的空間分析將事半功倍。

（3）顯著的直觀展示能力

GIS的產(chǎn)品輸出能力是其一大優(yōu)勢。其中地圖圖形輸出是GIS產(chǎn)品的主要表現(xiàn)形式，包括各種類型的點符號圖、點值圖、暈線圖、動線圖、等值線圖和立體圖等。環(huán)境教育的結(jié)果信息可被描繪以二維或三維的形式呈現(xiàn)，甚至利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對環(huán)境進行再現(xiàn)，比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示要直觀明顯的多，這也是環(huán)境數(shù)據(jù)可視化的重要體現(xiàn)。

2. GIS在高中環(huán)境教育中的學(xué)科作用

GIS對學(xué)生信息技術(shù)的掌握、跨學(xué)科知識的采集整合、環(huán)境研究技術(shù)的了解與應(yīng)用、區(qū)域系統(tǒng)思想的建立和空間思維能力的培養(yǎng)，以及環(huán)境問題的分析與處理等多方面具有不可替代的獨特功能。

（1）GIS的空間特征利于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力

空間性是環(huán)境數(shù)據(jù)的基本特征，反映了環(huán)境實體的地理位置、幾何特征以及實體間的拓?fù)潢P(guān)系，從而形成了空間實體的位置、形態(tài)及由此產(chǎn)生的一系列特征?？臻g性不但令環(huán)境實體的位置、形態(tài)的分析成為可能，而且還是環(huán)境實體相互關(guān)系處理分析的基礎(chǔ)。所以GIS環(huán)境教育的過程可提高學(xué)生的空間思維能力。

構(gòu)建的環(huán)境數(shù)據(jù)庫在存儲環(huán)境實體空間描述信息的同時，還存儲了實體間的空間關(guān)系，此為空間分析奠定了基礎(chǔ)。GIS的空間思維培養(yǎng)利用環(huán)境數(shù)據(jù)庫中業(yè)已存儲的信息，通過自身的空間分析工具（如疊合分析、緩沖區(qū)分析），生成新的空間數(shù)據(jù)并存儲。在進行空間分析的過程時，學(xué)生將各種分析工具按所探究領(lǐng)域的要求形成流程交由GIS完成，最后提供空間可視化的分析結(jié)果。

（2）GIS的實踐特征利于培養(yǎng)學(xué)生實踐探索能力

當(dāng)前的環(huán)境教育模式之所以成效不明顯很大程度在于過程教育實踐的薄弱。雖存在理化生的實驗，但實驗本身是依循教師設(shè)定的模式進行，學(xué)生對于信息的獲取是認(rèn)知性的。

GIS是一種處理空間數(shù)據(jù)的工具，因而注重實踐性。環(huán)境教育課程中的GIS應(yīng)用可改善當(dāng)前環(huán)境教育過程薄弱的現(xiàn)狀，讓學(xué)生在實踐中體會環(huán)境教育課程內(nèi)容，理解跨學(xué)科的環(huán)境知識。在GIS教學(xué)中加強學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，也是新課程對于高中GIS課程的基本要求。學(xué)生實踐探索能力的培養(yǎng)，首先在環(huán)境教育課程數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的過程中，需要師生一起對所關(guān)注的問題進行數(shù)據(jù)的采集、編輯、整理。其次，在數(shù)據(jù)庫構(gòu)建完成之后，依托GIS自身的空間分析功能模塊嘗試探究性實踐。最終，對于過程中產(chǎn)生的結(jié)論信息還需要進行整理，若以三維的形式輸出，則還需要對學(xué)生進一步提出空間建模的能力要求。

（3）GIS的可視化特征利于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力

通過GIS的空間可視化特征可培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。信息系統(tǒng)是對現(xiàn)實世界的計算機模擬，而GIS則突出其對現(xiàn)實世界空間關(guān)系的模擬，甚至可通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使學(xué)生實現(xiàn)對環(huán)境各實體有一直觀感受。無論是在屏幕上展示一幅可以多級縮放和信息查詢的地圖，還是展現(xiàn)一幅三維的地形模型，都使學(xué)生對現(xiàn)實世界空間關(guān)系的認(rèn)識更為具體、直觀。GIS的可視化功能還在于它可將環(huán)境實體普通屬性信息的圖形可視化，這是由于GIS實現(xiàn)了空間信息和屬性信息的集成管理，并能夠完善地建立兩者之間的聯(lián)系。

例如，利用中國行政區(qū)劃圖，可從環(huán)境數(shù)據(jù)庫中提取各省、直轄市、自治區(qū)某年份的人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及某環(huán)境污染情況分布數(shù)據(jù)，并計算人口密度，之后按人口密度以及環(huán)境污染的分級指標(biāo)以不同的色彩和填充方式顯示行政區(qū)所對應(yīng)的信息，最后通過疊合分析，即可尋求不同區(qū)域環(huán)境污染與人口分布的相關(guān)分析。這樣空間實體的專題屬性特征就可通過GIS工具實現(xiàn)具有空間參照信息的可視化。

（4）GIS對人地關(guān)系與可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境意識的教育功能

人地關(guān)系和可持續(xù)發(fā)展是環(huán)境教育的一個主線。通過應(yīng)用GIS，解決環(huán)境問題、經(jīng)濟發(fā)展問題、人口迅速增長的問題以及資源合理開發(fā)等問題是社會發(fā)展與GIS科學(xué)發(fā)展的必然，同樣GIS解決方案對了解環(huán)境問題和培養(yǎng)高中生環(huán)境意識、人地關(guān)系思想和可持續(xù)發(fā)展思想具有重要的教育功能（見圖3）。

圖3 GIS的教育功能

GIS有利于學(xué)生加深對環(huán)境的了解，制定可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃。對關(guān)心的環(huán)境問題，學(xué)生通過獲取相關(guān)信息，應(yīng)用空間分析與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，模擬人類活動對生產(chǎn)和環(huán)境的影響，即可制定可持續(xù)發(fā)展對策。

三、結(jié)語

綜上所述，在跨學(xué)科模式下進行高中環(huán)境教育，欲提高課程建設(shè)中資源的整合力度，尋求高質(zhì)量的教育實效，GIS是必然優(yōu)選途徑。借助GIS的技術(shù)作用能培養(yǎng)學(xué)生的實踐探究環(huán)境問題的基礎(chǔ)能力，有效彌補當(dāng)下環(huán)境教育過程薄弱的現(xiàn)狀，從而促使高中生正確環(huán)境價值觀的養(yǎng)成。同時，依托其學(xué)科作用，為促進環(huán)境教育的開展，為學(xué)生走上社會、解決實際問題、擁有高素質(zhì)的問題分析和解決能力打下堅實的基礎(chǔ)。

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