王艷霞　吳利華　周汝良

[摘 要] “綜合自然地理學(xué)”教學(xué)存在過于注重文字知識、缺乏圖件資料、課程實踐較為困難的問題。以渉地理本科專業(yè)的培養(yǎng)需求為指向，充分利用現(xiàn)代空間信息技術(shù)的優(yōu)勢，從教學(xué)內(nèi)容具體化、教學(xué)方法多樣化、教學(xué)實踐虛擬化等方面探討基于GIS技術(shù)的“綜合自然地理學(xué)”教學(xué)。交叉引入GIS數(shù)據(jù)庫管理、空間分析、空間建模、空間模擬及預(yù)測等技術(shù)，通過構(gòu)建GIS數(shù)據(jù)庫、GIS輔助專題圖集、虛擬自然地理場景及制定典型理論知識的GIS教學(xué)實踐方案等，改變宏觀尺度上綜合性知識教師難講授、學(xué)生難掌握的現(xiàn)狀，對培養(yǎng)新時代地理類人才具有重要意義。

[關(guān)鍵詞] “綜合自然地理學(xué)”;GIS;課程教學(xué);空間信息;虛擬自然地理場景

[作者簡介] 王艷霞（1982—），女，山東萊蕪人，博士，西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院講師，主要從事數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)研建研究;周汝良（1963—），男，云南祥云人，碩士，西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院教授（通信作者），主要從事山地生態(tài)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警研究。

[中圖分類號] G642.3? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）12-0161-04? ? [收稿日期] 2020-10-09

一、引言

“綜合自然地理學(xué)”是地理科學(xué)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是以自然地理學(xué)為基礎(chǔ)，利用綜合的理論與方法、綜合的研究實踐，解決綜合性的復(fù)雜問題[1-3]。該學(xué)科涉及的理論知識與技術(shù)方法具有較強(qiáng)的整體性、多尺度性、復(fù)雜性及交叉性。傳統(tǒng)的教學(xué)手段和方法因教學(xué)內(nèi)容的抽象性，導(dǎo)致教師在準(zhǔn)確描述地理綜合規(guī)律時較為困難，難以達(dá)到教學(xué)效果，而學(xué)生也存在較難理解的問題，以致學(xué)習(xí)效果差[4]。充分利用現(xiàn)代空間信息技術(shù)的優(yōu)勢，順應(yīng)綜合自然地理學(xué)教與學(xué)的特點(diǎn)，探討綜合自然地理學(xué)教學(xué)，對改變宏觀尺度上綜合性知識難講授、難掌握的現(xiàn)狀，達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)新時代地理類人才具有重要的意義[5]。

由于傳統(tǒng)研究手段的限制，導(dǎo)致宏觀尺度的地學(xué)研究在獲取科研數(shù)據(jù)和成果形式方面存在較大的局限性，從而使理論內(nèi)容的抽象程度和展示形式難以被學(xué)生理解掌握。綜合自然地理學(xué)教材普遍存在用大篇幅的文字性內(nèi)容闡述難點(diǎn)、重點(diǎn)理論的問題，輔助學(xué)生理解的插圖較少。在現(xiàn)代空間信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，僅有的插圖多來源于傳統(tǒng)經(jīng)典研究成果，滯后于地理信息科學(xué)、地理科學(xué)、自然地理學(xué)等本科專業(yè)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知，導(dǎo)致學(xué)生在室內(nèi)對專業(yè)知識進(jìn)行實踐理解時較為困難。為提高綜合自然地理學(xué)的教學(xué)效果，常見改革措施是使用中國自然地理圖集、自備教學(xué)掛圖、課堂板圖及地理景觀照片等圖件資料[6]，但這僅是一定程度上改變教學(xué)手段，未對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實質(zhì)性的改革，學(xué)生仍知其然，不知其所以然，即對地理現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理和過程存在認(rèn)識上的模糊。

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）技術(shù)，作為一種信息化、數(shù)字化的核心空間信息技術(shù)之一，已從資源管理、環(huán)境規(guī)劃擴(kuò)展至應(yīng)急反應(yīng)、國民經(jīng)濟(jì)規(guī)劃等領(lǐng)域，向著集成化、產(chǎn)業(yè)化和社會化方向邁進(jìn)[7]。GIS技術(shù)以整個或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)為研究對象，具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)存儲、顯示、管理、分析、建模、模擬等能力。GIS學(xué)科和綜合自然地理學(xué)的研究對象具有一致性，學(xué)科交叉意義較明顯?；贕IS技術(shù)的綜合自然地理學(xué)教學(xué)可用可視化良好的數(shù)據(jù)視圖和虛擬地理場景降低課程內(nèi)容的抽象性;用區(qū)域尺度的空間模擬及預(yù)測建立地理現(xiàn)象過去、現(xiàn)在及未來發(fā)生發(fā)展的過程，彌補(bǔ)難以開展的野外實習(xí)之不足;用高效的空間數(shù)據(jù)庫管理能力建設(shè)綜合自然地理學(xué)教學(xué)資源庫，使優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源可共建共享，為不同老師、不同學(xué)生創(chuàng)造規(guī)范化的教學(xué)、學(xué)習(xí)環(huán)境。通過發(fā)揮GIS技術(shù)解決綜合問題的優(yōu)勢，降低綜合自然地理學(xué)的教學(xué)難度和學(xué)生對綜合性地理規(guī)律的理解難度，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到教學(xué)的預(yù)期效果。

我國學(xué)者一直在探討“綜合自然地理學(xué)”的課程教學(xué)改革實踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實踐教學(xué)等方法，提出了課程教學(xué)改革的舉措，對綜合自然地理學(xué)教學(xué)起到了重要的指導(dǎo)作用，表明將現(xiàn)代新技術(shù)或?qū)W科交叉成果用于改革課程教學(xué)，是綜合自然地理學(xué)教學(xué)改革的一大方向[8-10 ]。利用現(xiàn)代GIS學(xué)科的理論和技術(shù)方法，深化綜合自然地理學(xué)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)手段和實踐內(nèi)容，使學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)掌握地域分異、自然區(qū)劃和分區(qū)評價、土地類型劃分、土地利用與土地覆蓋變化分析等方面的知識，并懂得如何綜合運(yùn)用專業(yè)知識開展實踐操作，對培養(yǎng)掌握GIS技術(shù)的地理專業(yè)人才，或者具有綜合自然地理學(xué)專業(yè)知識的GIS人才具有重要的意義。

二、總體指導(dǎo)思想

以改善“綜合自然地理學(xué)”現(xiàn)行教材過于注重文字知識、缺乏圖件資料、課程實踐內(nèi)容欠缺的現(xiàn)狀為目標(biāo)，以渉地理行業(yè)的本科生培養(yǎng)需求為指向，通過對綜合自然地理學(xué)教材的整體分析和具體分析，引入GIS學(xué)科中已成熟的技術(shù)和方法，闡釋綜合自然地理多尺度抽象理論。通過構(gòu)建GIS數(shù)據(jù)庫、GIS輔助專題圖集、虛擬自然地理場景及配套GIS教學(xué)技術(shù)實踐，更新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實踐內(nèi)容。針對典型重點(diǎn)內(nèi)容提出基于GIS技術(shù)的案例分析方案，設(shè)計基于GIS技術(shù)的實踐課程。通過GIS技術(shù)輔助教學(xué)過程，降低學(xué)科理論知識的抽象性，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，降低教師教授的難度，培養(yǎng)符合新時代需求的創(chuàng)新型高技能綜合人才。

三、教學(xué)內(nèi)容的具體化

“綜合自然地理學(xué)”的課程教學(xué)內(nèi)容具有理論性強(qiáng)且十分龐雜的特點(diǎn)，涉及的知識面十分廣泛。課程教學(xué)存在理論教學(xué)比重大、不易理解和掌握、教學(xué)內(nèi)容陳舊、課程講授的深度和廣度受限等問題[ 11 ]。針對這些問題，學(xué)者們根據(jù)培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)要求和所在學(xué)校制定的專業(yè)培養(yǎng)計劃，有重點(diǎn)、有取舍的將教材中的內(nèi)容教授給學(xué)生，并注重及時更新教學(xué)內(nèi)容，有選擇地將新觀點(diǎn)、新數(shù)據(jù)納入新的教學(xué)內(nèi)容中，反映學(xué)科最新進(jìn)展[ 12，13 ]。有學(xué)者結(jié)合自己的科研項目，系統(tǒng)講解部分內(nèi)容，通過理論和實踐相結(jié)合，使學(xué)生加深了相關(guān)理論的理解，提高了學(xué)習(xí)的積極性[ 14 ]?？梢?，依據(jù)地理類本科生培養(yǎng)計劃，將GIS技術(shù)與地理學(xué)、自然地理學(xué)、綜合自然地理學(xué)進(jìn)行交叉應(yīng)用，更新課程內(nèi)容，符合綜合自然地理學(xué)教學(xué)改革的發(fā)展方向。

基于GIS技術(shù)手段，可實現(xiàn)自然地理環(huán)境因子時空連續(xù)化、精細(xì)化的空間模擬與預(yù)測，該模擬與預(yù)測結(jié)果可在可視化良好、易于理解的立體場景中展示，便于學(xué)生掌握從宏觀到微觀的自然地理規(guī)律?；贕IS技術(shù)將教學(xué)內(nèi)容具體化表現(xiàn)在以下幾個方面：在自然地理環(huán)境整體性理論闡述時，基于GIS技術(shù)手段模擬太陽總輻射場并疊加地形地貌場景，向?qū)W生闡釋太陽總輻射的空間分布格局特點(diǎn);使用空間連續(xù)化分布的太陽輻射模擬場，根據(jù)地表熱量帶識別模型，建立精細(xì)化的地表熱量帶分布場，向?qū)W生闡釋地表熱量帶空間分布格局特征;改進(jìn)現(xiàn)有自然帶的制圖方式，在虛擬自然地理場景中向?qū)W生展示更加符合自然地理分布規(guī)律的自然帶;在自然地理環(huán)境的地域分異理論講授中，使用以像元為單位的空間連續(xù)化的氣溫場、積溫場、相對濕度場及基于GIS空間模擬技術(shù)的土壤分類制圖、基于GIS地學(xué)建模的地形地貌模擬結(jié)果等，向?qū)W生展示出較為直觀的不同尺度下的緯度地帶性、非地帶性分異規(guī)律;建立植被垂直分帶語義識別模型，建立植被垂直分布場，形成講授植被垂直分布的教學(xué)內(nèi)容;在自然區(qū)劃理論內(nèi)容中，教授學(xué)生用自然地理空間數(shù)據(jù)為科學(xué)支撐制定區(qū)劃方案的理論與方法;將基于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的山地地形地貌場和基于遙感和GIS技術(shù)的山地氣候?qū)W研究結(jié)果引入，教授學(xué)生開展山地自然區(qū)劃;在土地變化理論中，將近年來利用遙感影像開展的多年土地利用監(jiān)測與評價項目實施過程與項目成果融入課程教學(xué)內(nèi)容中，教授學(xué)生土地、土地分類、土地評價、土地利用變化監(jiān)測及驅(qū)動力研究等方面的概念及其階段結(jié)果中蘊(yùn)含的不同時空尺度上的理論知識。

四、教學(xué)方法的多樣化

教學(xué)方法的選擇對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有很大的影響。針對學(xué)生學(xué)習(xí)綜合自然地理學(xué)課程積極性不高的問題，學(xué)者們提出引導(dǎo)式教學(xué)、講授與課堂討論的有機(jī)結(jié)合、引導(dǎo)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、適當(dāng)運(yùn)用多媒體教學(xué)手段、挖掘利用網(wǎng)絡(luò)資源等手段，充分調(diào)動學(xué)生課內(nèi)外的積極性[ 12 ]。由于教學(xué)方法受特定課程內(nèi)容制約并指向教學(xué)目標(biāo)，因此，新技術(shù)推動下產(chǎn)生的新形式的教學(xué)內(nèi)容，需要老師因材施教，針對具體的內(nèi)容設(shè)計多樣化的教學(xué)方法。

基于GIS技術(shù)改進(jìn)綜合自然地理學(xué)教學(xué)方法具體表現(xiàn)為以下幾個方面：利用各類GIS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)，下載GIS、遙感等背景數(shù)據(jù);使用較為成熟的遙感反演算法、GIS同化算法等，構(gòu)建GIS背景數(shù)據(jù)庫，包括氣候、地形地貌、基礎(chǔ)地理信息、人為干擾及遙感數(shù)據(jù)集;GIS專題圖構(gòu)建使用GIS空間分析、建模、統(tǒng)計等技術(shù)方法;使用GIS空間模擬技術(shù)方法，將氣候、地形、植被等要素柵格化，例如：將年平均溫度等值線圖替換為空間連續(xù)分布的年平均溫度基線模擬場;以氣溫為例，使用時空替換方法，建立海拔、緯度、經(jīng)度、山體效應(yīng)等單因素影響下的溫度場，以闡述緯度地帶性分異規(guī)律、經(jīng)度地帶性分異規(guī)律、非地帶性分異規(guī)律等;使用多期遙感影像解譯和GIS數(shù)據(jù)分析與制圖技術(shù)，開展土地利用變化監(jiān)測教學(xué);選取典型重點(diǎn)內(nèi)容，分別設(shè)計GIS案例分析方案，形成專題技術(shù)路線，如基于太陽輻射場的熱力分帶、基于氣溫場的熱量分帶、基于遙感和GIS的自然區(qū)劃案例、基于GIS數(shù)據(jù)同化的垂直分布帶模擬、基于垂直帶譜建立植被類型的生態(tài)分布概率模型，并在未來氣候變暖背景下模擬該植被類型的分布及其變化情況等等。

五、課程實踐的虛擬化

實踐教學(xué)對于幫助和加深學(xué)生對理論的理解和掌握具有十分重要的作用。由于綜合自然地理學(xué)涉及地域分異規(guī)律理論、區(qū)劃理論、土地科學(xué)理論、人地關(guān)系理論等，不可能讓學(xué)生實地進(jìn)行實踐觀察，學(xué)者們往往根據(jù)所在團(tuán)隊相關(guān)科研成果，以案例教學(xué)的形式，加深學(xué)生對相關(guān)理論知識的理解，同時培養(yǎng)學(xué)生科研思維[ 13 ]。然而，因教師不同、教學(xué)內(nèi)容不同，這種實踐教學(xué)內(nèi)容不符合規(guī)范教學(xué)理念。有學(xué)者提出加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)，狠抓基地建設(shè)，但基地的實踐僅能幫助學(xué)生掌握區(qū)域理論與知識，且基地的建設(shè)耗時耗力，困難重重[ 15 ]。基于GIS的虛擬地理場景模擬技術(shù)，可根據(jù)確定的教學(xué)內(nèi)容建立三維或者二維半地表景觀虛擬場景，構(gòu)建可共享的課程實踐數(shù)據(jù)庫，設(shè)計可通用課程實踐方案，配以統(tǒng)一的實踐指導(dǎo)書，從而實現(xiàn)課程實踐方面的改革。

實踐方案制定時，應(yīng)遵循“突出重點(diǎn)、抓典型”的原則，選取典型、重點(diǎn)內(nèi)容，設(shè)計虛擬模擬的場景及構(gòu)建通用數(shù)據(jù)庫。以自然地理的地域分異為例，實踐方案可基于遙感和GIS技術(shù)反演、同化技術(shù)構(gòu)建時空連續(xù)化分布的氣象因子場，建立氣象因子專題數(shù)據(jù)庫，然后與地形地貌疊加顯示為立體效果的氣象分布場景，進(jìn)而設(shè)計地帶性、非地帶性地理規(guī)律的實踐操作內(nèi)容，包括精細(xì)化的氣候分帶、典型地區(qū)植被垂直分布制圖、自然地理區(qū)劃等。學(xué)生在可視化良好的虛擬場景中可了解或掌握地帶性及非地帶性理論，同時又能回顧GIS空間分析中的空間建模、空間預(yù)測、空間制圖等方面的技術(shù)方法。又如綜合性知識的實習(xí)，可選取某個自然保護(hù)區(qū)作為實踐應(yīng)用區(qū)域，建立該自然保護(hù)區(qū)背景數(shù)據(jù)庫，結(jié)合GIS信息數(shù)據(jù)、遙感影像、已有圖件資料，設(shè)計其遙感調(diào)查實踐方案及多年保護(hù)成效評估實踐方案。學(xué)生在加深對自然資源保護(hù)、景觀結(jié)構(gòu)分析、生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測、土地利用及變化監(jiān)測、人地關(guān)系等方面的綜合理解時，同時學(xué)習(xí)或回顧基于遙感和GIS的數(shù)據(jù)獲取、處理、變化監(jiān)測、評估等方面的技術(shù)方法。

六、結(jié)語

GIS技術(shù)已交叉應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、國土、生態(tài)、生物多樣性等行業(yè)領(lǐng)域中，并推動了這些行業(yè)向數(shù)字化、精準(zhǔn)化、時空化方向不斷發(fā)展，對本科生充分了解和把握綜合自然地理學(xué)的理論并利用理論開展生產(chǎn)實踐活動提出了更高的要求?；诂F(xiàn)代GIS技術(shù)的綜合自然地理學(xué)改革，充分考慮學(xué)生自身特點(diǎn)及其學(xué)科特點(diǎn)等多種因素，既衡量了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度及可理解程度，又考慮了改革內(nèi)容和相應(yīng)教學(xué)方法、實踐課程的有用性和啟迪性，還兼顧了學(xué)科的前沿性和實用性。不管是課程內(nèi)容、教學(xué)方法，還是課程實踐，其改革內(nèi)容最終確定和推廣應(yīng)用，需要選取一定量的本科生和任課老師為試用人員，根據(jù)反饋意見對方案進(jìn)行修改和完善，使課程教學(xué)具有更高的合理性和可行性。通過多期試驗和不斷完善，基于GIS技術(shù)的綜合自然地理學(xué)改革在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)實踐三大教學(xué)環(huán)節(jié)定會尋求到一種師生均樂于接受的平衡狀態(tài)，課程教學(xué)取得預(yù)期效果。

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Abstract： Under the background of the new era， there are some problems in the teaching of Integrated Physical Geography， such as paying too much attention to the knowledge of characters， lacking the materials of maps， and the difficulties in practice teaching. In view of the training needs of geography undergraduate major， and making full use of the advantages of modern spatial information technology， this paper discusses the teaching of Integrated Physical Geography based on GIS（Geographic Information System） technology from the aspects of the concretization of teaching content， the diversification of teaching methods and the virtualization of teaching practice. The technologies of GIS database management， spatial analysis， spatial modeling， spatial simulation and prediction are introduced. Through the construction of GIS database， GIS auxiliary thematic atlas， virtual natural geography scene and GIS teaching practice scheme of typical theoretical knowledge， the current situation that comprehensive knowledge is difficult for teachers to teach and students to master at macro scale is changed， which is helpful for training geography talents in the new era.

Key words： Integrated Physical Geography; GIS; course teaching; spatial information; virtual physical geography scene