關(guān)一龍，藺 芳，吳紅波

（陜西理工大學(xué)人文學(xué)院，陜西 漢中 723000）

《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對高中地理課堂教學(xué)運用地理信息技術(shù)提出了更明確的要求：“要充分利用地理信息技術(shù)輔助地理教學(xué)，為學(xué)生營造直觀、實時、生動的地理教學(xué)環(huán)境［1］?！苯陙?，地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System）的空間分析方法、電子地圖展示、三維沙盤、時空動態(tài)分析等地理信息技術(shù)，運用于中學(xué)地理課堂教學(xué)，不僅能清晰地展示各種時間尺度、空間尺度的地理現(xiàn)象和場景，也能使課堂教學(xué)效果更直觀與生動，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善中學(xué)生被動接受地理知識的現(xiàn)狀。目前，地理信息技術(shù)已在中學(xué)地理課堂教學(xué)和研學(xué)實踐中得到廣泛應(yīng)用。因此，亟需將課堂教學(xué)設(shè)計和過程與地理信息技術(shù)的優(yōu)勢融合互補，讓地理信息技術(shù)成為地理課堂教學(xué)、學(xué)生感知地理空間的重要教輔工具。

通過梳理相關(guān)文獻和分析線上、線下優(yōu)質(zhì)課，發(fā)現(xiàn)對地理信息技術(shù)的運用大多局限于課程導(dǎo)入部分或者課堂教學(xué)的某一環(huán)節(jié)，無法依托地理信息技術(shù)設(shè)計整個教學(xué)過程，出現(xiàn)為了整合而整合或者本末倒置等問題，并未做到真正意義上的深度融合。基于此，本文嘗試依托ArcGIS、Surfer、Loca Space Viewer等地理信息系統(tǒng)軟件設(shè)計課堂教學(xué)過程，從學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生借助地理信息技術(shù)，探究黃土高原水土流失的影響因素，為地理信息技術(shù)輔助高中地理教學(xué)提供案例參考。

一、高中地理教學(xué)運用地理信息技術(shù)的必要性和適切性

1.高中地理教學(xué)運用地理信息技術(shù)的必要性

（1）地理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求

新課標(biāo)2020年修訂版指出，地理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)必須重視和依賴地理信息技術(shù)的運用。在必修課程地理Ⅰ和地理Ⅱ課程內(nèi)容要求中明確指出：“通過探究有關(guān)自然和人文方面的地理問題，了解地理信息技術(shù)的應(yīng)用［2］。”除此之外，在選擇性必修課程中也明確指出，通過學(xué)習(xí)選擇性必修模塊，使學(xué)生能夠運用地理信息技術(shù)分析現(xiàn)實世界的自然現(xiàn)象、區(qū)域發(fā)展的異同以及身邊資源環(huán)境狀況。一方面，學(xué)生親身參與了實踐并進行了思考；另一方面，教師用更高效的方式開展地理教學(xué)，都有助于地理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。

（2）學(xué)生多元發(fā)展的需求

傳統(tǒng)的中學(xué)地理教學(xué)中，一些具有空間大尺度的地理現(xiàn)象和原理很難進行直觀展示，教學(xué)難點很難被突破，教學(xué)效果并不理想，導(dǎo)致學(xué)生的地理學(xué)習(xí)興趣下降。因此，抽象的地理知識更需要借助地理教具進行直觀展示。突破教學(xué)難點是改變地理教學(xué)中教師與學(xué)生、學(xué)生與知識之間相互割裂現(xiàn)狀的有效方法，而地理信息技術(shù)能將規(guī)律性的知識動態(tài)直觀地展示給學(xué)生，大大降低了學(xué)習(xí)難度。直觀體驗式的教學(xué)方法有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改變學(xué)習(xí)動機，從而提升其課堂參與度與課堂教學(xué)效果，推進核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2.高中地理教學(xué)運用地理信息技術(shù)的適切性

（1）地理信息技術(shù)的多元化，為地理教學(xué)提供了豐富的教學(xué)資源

針對不同學(xué)習(xí)主題的需求，地理信息技術(shù)輔助教學(xué)的軟件種類多樣。在涉及地球運動、氣象、地形、土壤與城市化等多個方面的教學(xué)中都有相應(yīng)的教學(xué)軟件輔助課堂教學(xué)。軟件種類多樣且各具特色，具有針對性強、容量小、集成化高的特點，一些軟件甚至無需安裝，便可直接打開且運行速度快。除此之外，各類軟件教學(xué)視頻相對全面且操作簡單，滿足一線教師快速學(xué)習(xí)的需求。例如，在軟件方面，Loca Space Viewer（簡稱LSV）是一款三維數(shù)字地球桌面軟件，不需要提前安裝，只需打開文件夾中的快捷方式即可快速進入界面，數(shù)據(jù)集成多個地圖影像數(shù)據(jù)，具備強大的數(shù)據(jù)編輯、管理與分析功能。在數(shù)據(jù)獲取方面，公開共享的地理數(shù)據(jù)眾多，如“中國科學(xué)院數(shù)據(jù)中心地理空間數(shù)據(jù)云、中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心”等都可免費獲取多種類型數(shù)據(jù)，滿足一線教師的教研應(yīng)用需求。

（2）地理信息技術(shù)的可視化，為培養(yǎng)學(xué)生地理核心素養(yǎng)提供了新方法

地理信息技術(shù)通過可視化功能，制作契合課堂教學(xué)的專題地圖、三維模型與動畫演示等教學(xué)資源，能將抽象的地理事物進行直觀表達，以此滿足教學(xué)需求，培養(yǎng)地理核心素養(yǎng)。例如，高中地理必修Ⅰ自然地理“常見的地貌類型”一課，可使用LSV三維虛擬地貌模型觀察和識別各類地貌，引導(dǎo)學(xué)生操作飛行視點，最大限度地培養(yǎng)學(xué)生的地理實踐能力，進而在真實的情境中對各類地貌的成因進行分析，培養(yǎng)學(xué)生地理學(xué)科素養(yǎng)和綜合思維能力。

二、地理教學(xué)運用地理信息技術(shù)的教學(xué)示例

1.教學(xué)分析及注意事項

“黃土高原水土流失”一課的設(shè)計理念是以黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)為例，結(jié)合水土流失的模擬實驗，以合作探究的方式，引導(dǎo)學(xué)生制作專題地圖，探究黃土高原水土流失嚴(yán)重的原因。對比中圖版2019年和2004年教材，教學(xué)重心不僅是對黃土高原地區(qū)水土流失原理的講述，而且要把地理信息技術(shù)作為一種地理分析工具和教學(xué)輔助，融入地理教學(xué)和學(xué)習(xí)的情境中。因而，教學(xué)設(shè)計和教學(xué)活動中應(yīng)重點突出地理信息技術(shù)的融合和實踐活動。

教學(xué)對象為高中二年級學(xué)生，學(xué)生在高一年級已經(jīng)掌握必修Ⅰ和Ⅱ的基礎(chǔ)知識，可以理解自然地理環(huán)境的五大要素，并具備一定的空間感知和邏輯分析能力。本節(jié)教學(xué)內(nèi)容具有較強的區(qū)域地理特征，依托ArcGIS、Surfer等地理信息軟件搭建的教學(xué)過程，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣濃厚，對知識的探索意識較強，并以認知建構(gòu)主義為理論背景，通過研究性學(xué)習(xí)方式培養(yǎng)學(xué)生的地理核心素養(yǎng)能力。

2.教學(xué)目標(biāo)

①設(shè)置教學(xué)情境，運用Surfer制作三維虛擬地貌模型，直觀感知黃土高原的地貌景觀，正確辨別各類地貌特征，培養(yǎng)學(xué)生的區(qū)域認知。②學(xué)生觀察LSV實景影像地圖，了解黃土高原的自然環(huán)境特征，結(jié)合相關(guān)專題地圖，從五大自然地理要素和人文要素的角度，分析水土流失的影響因素，理解水土流失發(fā)生、演變過程，培養(yǎng)學(xué)生提取地圖信息的能力和綜合思維能力。③通過對比黃土高原舊貌和新貌，讓學(xué)生正確認識人地協(xié)調(diào)的重要性，樹立和諧共生的可持續(xù)發(fā)展理念，懂得尊重自然的重要性和必要性，培養(yǎng)人地協(xié)調(diào)觀。④通過模擬實驗以及繪制專題地圖，培養(yǎng)學(xué)生的地理實踐能力和科學(xué)探究精神。

3.教學(xué)過程設(shè)計

（1）黃土組：探究黃土特性對水土流失的影響

【情境一】在中央電視臺CCTV-1綜合頻道制作的《開講啦》某期節(jié)目中，被稱為“黃河的醫(yī)生”的劉國彬現(xiàn)場演示了水土流失實驗。通過插放節(jié)目視頻，讓學(xué)生直觀感受黃土和黏土的土壤質(zhì)地，與學(xué)生交流視頻內(nèi)容。

農(nóng)地流轉(zhuǎn)作為目前我國農(nóng)村改革的新突破口，對實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營和推進至農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。新疆啟動農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)登記頒證工作試點工作以來，農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)率明顯提高，農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)規(guī)模逐年增大，截至2017年底，新疆農(nóng)村家庭承包耕地流轉(zhuǎn)面積達到661.1萬畝，占家庭承包經(jīng)營耕地總面積的21%，但仍低于全國平均水平。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究，主體障礙成為影響土地流轉(zhuǎn)的重要影響因素，探討新疆農(nóng)村農(nóng)戶土地流轉(zhuǎn)意愿的影響因素對于推動土地流轉(zhuǎn)具有重要的參考意義。本文利用在新疆北疆地區(qū)的調(diào)研數(shù)據(jù)，運用計量模型對調(diào)查數(shù)據(jù)進行計算，探究農(nóng)戶土地流轉(zhuǎn)意愿的現(xiàn)狀，提出相應(yīng)的建議。

【地圖制作】教師引導(dǎo)學(xué)生在中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心下載土壤質(zhì)地空間分布數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)后，在ArcMap中將數(shù)據(jù)添加到內(nèi)容列表中并打開ArcToolbox工具箱，選擇Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取，提取黃土高原三類土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)。選擇合適的配色方案，繪制黃土高原土壤質(zhì)地空間分布圖（圖1）。

圖1 黃土高原土壤質(zhì)地空間分布

【結(jié)果分析】由圖1可知，黃土高原大部分區(qū)域砂土比例在50%～60%之間，粉砂土含量在30%～60%之間，砂土、粉砂土含量最高，分布范圍最廣，主要分布在關(guān)中平原、隴中高原、陜北高原和汾河谷地的部分區(qū)域。黏土含量相比砂土和粉砂土含量較少，大部分區(qū)域不超過30%，集中在10%～20%之間。砂土和粉砂土組成粒間距較大，孔隙數(shù)量多，透水性強，遇水易崩解，為黃土高原水土流失提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

【設(shè)計意圖】以認知建構(gòu)主義為理論背景，教師引導(dǎo)學(xué)生通過制作和分析專題地圖1，有助于培養(yǎng)學(xué)生閱讀專題地圖和提取地理信息的能力。除此之外，學(xué)生結(jié)合必修Ⅰ學(xué)習(xí)的土壤的主要形成因素及土壤質(zhì)地，分析黃土高原水土流失的土壤因素，通過新、舊知識之間的聯(lián)系，不斷發(fā)現(xiàn)并解決問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、地理實踐力和綜合思維。

（2）降水組：探究降水量對水土流失的影響

【地圖制作】教師引導(dǎo)學(xué)生在中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心下載最新的降水量空間分布數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)后，在ArcMap中將數(shù)據(jù)添加到內(nèi)容列表中，打開ArcToolbox工具箱，選擇Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取，提取黃土高原的降水量空間分布數(shù)據(jù)，選取合適的配色方案制作專題圖。搜集延安市各月份的氣溫及降水量數(shù)據(jù)，通過空間統(tǒng)計分析功能，繪制氣溫、降水量分布柱狀圖。

【實驗結(jié)論】降水強度越大，水土流失越嚴(yán)重。

【分析驗證】由圖2可知，黃土高原地區(qū)的降水空間特征是從東南向西北降水量逐漸減少。結(jié)合季風(fēng)氣候年內(nèi)降水季節(jié)分配不均的特征，觀察黃土高原氣溫、降水分布圖（圖3），7～9月份降水量較大，其他月份降水較少，為黃土高原水土流失提供了動力條件。

圖2 降水實驗及黃土高原降水量空間分布

圖3 黃土高原氣溫、降水量分布

【設(shè)計意圖】探究性和小組合作式學(xué)習(xí)，最大程度調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。教師引導(dǎo)學(xué)生使用ArcGIS軟件，繪制降水量分布圖，直觀展示黃土高原各區(qū)域的降水分布狀況。觀察季節(jié)性降水量的柱狀圖，結(jié)合必修Ⅰ自然地理的基礎(chǔ)知識和水土流失模擬實驗，總結(jié)該區(qū)域降水呈現(xiàn)出的規(guī)律特征，歸納水土流失的原因，理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)和提升學(xué)生的科學(xué)探究和綜合思維能力。

（3）地形組：探究地形對水土流失的影響

【地圖制作】教師引導(dǎo)學(xué)生在中國科學(xué)院數(shù)據(jù)中心地理空間數(shù)據(jù)云下載黃土高原地區(qū)的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)后，在ArcMap中將數(shù)據(jù)添加到內(nèi)容列表中，打開ArcToolbox工具箱，選擇數(shù)據(jù)管理工具—柵格—柵格數(shù)據(jù)集—鑲嵌至新柵格。選擇Spatial Analyst工具—表面分析—坡度，提取黃土高原坡度數(shù)據(jù)，選取合適的配色方案制作專題圖（圖4、圖5）。

圖4 坡度實驗及黃土高原坡度

圖5 黃土高原三維地貌模型

【實驗結(jié)論】坡度越大，水土流失越嚴(yán)重。

【分析驗證】由圖4可知，黃土高原坡角小于3°的區(qū)域僅占比36%，其余均大于3°。結(jié)合圖5，黃土高原的塬、墚、峁、川的獨特地貌景觀，從地形地貌的角度分析，該區(qū)域平地少、斜坡多，地形起伏大，地勢陡峭，容易誘發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，從而加劇水土流失。

【設(shè)計意圖】教師引導(dǎo)學(xué)生使用ArcGIS表面分析工具，提取坡度并繪制專題圖4，可以直觀地展示各段坡度的可視化數(shù)據(jù)，再通過GIS統(tǒng)計分析中的分類區(qū)統(tǒng)計，統(tǒng)計各坡度值所占比重。除此之外，教師通過Surfer制作三維虛擬地貌模型，為學(xué)生還原一個真實、立體且三維的黃土高原獨特的地貌景觀，進而探究地形地貌對水土流失的影響。通過對地貌景觀的感知、地圖信息的讀取，分析驗證實驗結(jié)果，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進而提升課堂參與度，培養(yǎng)學(xué)生的地理實踐力。

（4）植被組：探究植被對水土流失的影響

【情境二】植物葉片可以降低水流速度，起緩沖作用，防止雨滴擊濺侵蝕。腐殖質(zhì)層增加地表粗糙度，增加土壤黏性，降低地表徑流速度，減輕對地表的沖刷強度。植物的根系可以固定土壤，減少水蝕作用。

【地圖制作】教師引導(dǎo)學(xué)生在中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心下載最新的土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)和2000年與2018年植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)后，在ArcMap中將數(shù)據(jù)添加到內(nèi)容列表中，打開ArcToolbox工具箱，選擇Spatial Analyst工具—提取分析—按掩膜提取，提取黃土高原土地利用空間分布數(shù)據(jù)和植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)，選取合適的配色方案制作專題圖（圖6、圖7）。

圖6 植被實驗及黃土高原土地利用類型空間分布

圖7 黃土高原植被指數(shù)（NDVI）空間分布

【實驗結(jié)論】植被覆蓋率越低，水土流失越嚴(yán)重。

【分析驗證】由圖6可知，黃土高原耕地面積最大，占比45%，草地次之，森林覆蓋面積占比較低，僅占9%，弱化了土壤表層森林的保護作用。除此之外，結(jié)合必修Ⅰ自然地理的基礎(chǔ)知識，黃土高原地區(qū)屬于秦嶺淮河一線以北地區(qū)，農(nóng)作物一年一熟，春冬季地表裸露，加劇水土流失。根據(jù)圖7可知，黃土高原在近20年時間植被指數(shù)變化較大，說明植被覆蓋對黃土高原水土流失的治理效果顯著。

【設(shè)計意圖】教師引導(dǎo)學(xué)生使用ArcGIS圖像分類工具，對遙感影像進行分類，制作黃土高原地區(qū)土地利用類型專題圖（圖6），從中可直觀展示各種地表覆被類型所占比重及分布。師生根據(jù)水土流失的原因，分組探究如何治理并提出措施，為治理水土流失建言獻策，幫助學(xué)生樹立正確的人地觀。

三、課后評價及教學(xué)啟示

1.教學(xué)設(shè)計亮點

（1）沉浸式教學(xué)情境，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

本節(jié)內(nèi)容以“黃河醫(yī)生”短視頻、LSV實景影像地圖、ArcGIS和Surfer制作的契合教學(xué)案例的專題地圖等作為教學(xué)素材，結(jié)合水土流失的模擬實驗，充分激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生積極參與到課堂教學(xué)情境中，通過自主思考、合作交流和探究學(xué)習(xí)的形式引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，在知識技能提升的過程中思維能力、實踐能力和科學(xué)素養(yǎng)也得到了極大提升。

（2）教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)緊密結(jié)合，深化地理信息技術(shù)的應(yīng)用

本節(jié)內(nèi)容直觀展示出地理信息技術(shù)與地理教學(xué)融合的優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)生借助多種類型的地理信息軟件繪制專題地圖和統(tǒng)計圖表，通過模擬實驗獲取實驗結(jié)論，分析驗證結(jié)論的探究思路，理論與實踐相結(jié)合，充分發(fā)揮地理信息技術(shù)的獨特優(yōu)勢，讓學(xué)生在真實情境中深度互動，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力和地理核心素養(yǎng)，為促進學(xué)生的全面發(fā)展提供了新思路與實踐平臺。

2.教學(xué)啟示及應(yīng)注意的問題

地理信息技術(shù)、全息影像、虛擬技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)、多媒體技術(shù)與中學(xué)地理教學(xué)融合是近幾年地理教育研究關(guān)注的熱點之一［3］?，F(xiàn)代化的教學(xué)方法、教具與教輔工具也應(yīng)該不斷銳意創(chuàng)新，與時俱進，旨在培養(yǎng)中學(xué)生地理學(xué)科核心素養(yǎng)。基于此，本節(jié)內(nèi)容充分展示了地理信息技術(shù)融合課堂教學(xué)的強大優(yōu)勢，建議一線教師充分考慮并實踐地理信息化的教學(xué)方式，將抽象的知識、原理、現(xiàn)象借助地理信息技術(shù)可視化展示，滿足學(xué)生多維度的發(fā)展需求，落實地理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。需注意的是，本節(jié)內(nèi)容綜合性與邏輯性較強，教學(xué)組織環(huán)節(jié)銜接緊密，各影響因素之間相互影響且相互制約，是區(qū)域地理學(xué)習(xí)和空間認知培養(yǎng)的基礎(chǔ)，在課堂教學(xué)中應(yīng)不斷鍛煉并提升學(xué)生的區(qū)域認知和綜合思維能力，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建思維導(dǎo)圖，完善自己的學(xué)科知識框架［4］。與此同時，還可將地理信息技術(shù)應(yīng)用于歷史遺跡、生態(tài)環(huán)境、人文知識、社會經(jīng)濟與地理知識等方面的教學(xué)，共同完善高中地理課堂的“教與學(xué)”，達到交互式、研究性學(xué)習(xí)目的，營造地理知識學(xué)習(xí)氛圍，最終提高地理課堂教學(xué)效果。