名师引领 | 地理信息技术助力学生地理学科核心素养的养成
作者介绍
郭剑峰：浙江省特级教师，现任浙江省教育厅教研室高中地理教研员、高中部主任，首届教育部基础教育地理教学指导专委会委员，中国教育学会地理教学专业委员会常务理事，浙江教育学会地理教学分会副理事长兼秘书长，浙江省地理学会副理事长，浙江师范大学地理与环境科学学院兼职教授。
当今时代，人工智能、大数据、云计算、5G等技术逐渐成为教育教学中非常重要的手段和方法，信息技术与课堂教学的深度融合已经成为教育发展的重要趋势。信息技术在地理教学中有着天然的优势。在地理课堂转型与重塑过程中，充分运用地理信息系统（GIS）、遥感技术（RS）、全球卫星导航系统（GNSS）等地理信息技术的原理及应用案例进行教学活动设计，促进信息技术与学科教学的深度融合，对提升学生地理学科核心素养尤为重要。
《普通高中地理课程标准（2017年版）》涉及地理信息技术运用的内容有12条之多，如必修课程中要求“通过探究有关地理问题，了解地理信息技术的运用”，选修课程中要求“解释地图数字化的过程，学会建立地理信息系统数据表”“说明遥感图像的基本原理和方法，判读某地的遥感图像”等。通过高中地理课程学习，要求学生不仅能运用地理信息技术，掌握观察、识别、描述与地貌及土壤和植被等有关的自然现象的方法，还要求学会收集和呈现人口、城镇、产业活动等人文数据及图表和地图来分析与解决有关地理问题。以3S技术（GIS、RS、GNSS）为代表的地理信息技术，已成为学生认识区域、分析要素间相互关系与提升实践能力的重要工具和手段。
地理信息技术在地理课堂上的运用，并不侧重对信息技术原理的分析，须与真实情境相融合，通过“用中学、学中用”达到知能的掌握、素养的提升。本文主要根据2020年新冠肺炎疫情中有关地理的时事热点，结合本人名师工作室设计和制作的系列微课程“疫情中的地理”案例，通过疫情可视化地图制作、雷神山医院遥感图像判读和分析、北斗系统显神威等探究活动，研究地理信息技术在地理课堂上的运用策略，以提高学生的地理学科核心素养。
一、地图的可视化呈现，提高学生的地理实践力
地图是地理学的第二语言，是地理学习和研究的重要工具。日常教学中，教师一般会收集和选用不同比例尺的区域图、不同主题的要素图来分析和解答地理问题，以此辅助教学实施。一些教师会给学生布置临摹地图的学习任务，提升他们的读图能力。有的教研组还会开展手绘美食地图、旅游地图等地图制作比赛，激发学生的学习兴趣。但这样制作出来的地图大多是传统的纸质地图，师生普遍缺少地图制作尤其是融合地理信息技术的电子地图的制作经历。为了将疫情表格数据通过地图进行可视化呈现，加强信息的直观性，教学中可指导学生尝试制作个性化的疫情地图来探究疫情的时空格局。
（一）利用Excel，导入网络中的相关数据
为了获取疫情实时数据，可以打开Excel（2019版）软件，通过直接输入的方式获取相关数据，还可选择能提供实时、动态的新冠疫情确诊感染人数的网站，以获取数据。具体方法是：点击菜单中的“数据”—“获取数据”—“自其他源”—“自网站”，输入能提供疫情数据的网址，在弹出的网站数据“导航器”中选择某一数据表格，回车“确定”加载，即可导入。
（二）修改Excel属性，实现数据的自动刷新
导入的数据可以通过手动方式输入刷新，也可通过修改Excel表格菜单栏的“数据”—“连接属性”设置数据的刷新要求，如将控件修改为“允许后台刷新”、刷新频率为720分钟（半天）等。网站每天自动更新疫情数据，实时、动态显示疫情地图内容。
（三）制作电子地图，理解地理信息系统的作用
疫情地图的制作原理，主要是借助计算机技术和数字传输技术，将Excel存储的空间数据（地图）与获取的属性数据（现有确诊人数、治愈人数等）进行融合，通过对数据的处理、分析、显示和描述，实现地图的可视化。通过制作疫情地图，学生不仅能够提高获取和处理地理信息的能力，还可以理解地理信息系统在疫情信息通报过程中发挥的重要作用。
获取和处理好数据后，就可以制作电子地图了。首先，选中表格中的数据，按照菜单栏的“插入”—“三维地图”—“打开地图编辑”顺序，设置地图属性：第一步，将“图层1”界面中的“数据”设置为五种“类型”的“可视化”，“位置”为“省/市/自治区”，“值”选择导入数据表格中的“现有确诊”；第二步，继续设置“图层选项”中的“色阶”“不透明度”和“颜色”等属性，如将数据颜色设置为紫色、“色阶”为37%；第三步，鼠标点击地图上的任意省份，就会弹出数据说明。如果还想添加获取信息中的“累计确诊”“治愈”和“死亡”人数等数据，也可通过图例说明右上角的“设置”添加。然后，将地图缩放调整到可视的合适大小，通过菜单栏选择输出的地图形式为“三维地图”或“平面地图”。
教师在教学中引导学生使用信息技术设计和制作数字可视化地图，让学生在分步骤摸索和操作过程中提升地理实践力。制作数字地图时，由于学生的信息技术水平有差异，软件使用熟练程度也不同，因此，教师首先要鼓励技术薄弱的学生具备克服困难的勇气，通过分组的方式让他们在小组合作探究过程中提升信息技术应用能力。当然，教师也可根据教学实际，在疫情数据源的获取途径、图例的科学设计等关键环节予以适时指导；或将全国疫情地图制作活动调整为制作学校所在省市的疫情地图，以激发学生的家乡情怀，增强防疫意识。
二、运用遥感影像辅助教学，增强空间尺度思想
遥感技术是通过记录地物电磁波辐射信息感知目标某些特性并加以分析利用的技术。与日常使用相机拍照记录时空信息如出一辙，借助飞机或人造卫星对地面进行航空或航天观测获得的遥感影像，可提供两方面的信息——空间信息和光谱信息。空间信息表达出地表目标物在图像上的组合特征，如形状、大小、纹理结构等；光谱信息是目标物电磁波能量大小在图像中的记录。这些信息能帮助我们分析周围的环境状况、预报天气变化、监测自然灾害等。教学中，组织学生对遥感影像进行识别、判读和分析，能解决教学中的许多问题，有助于学生学科核心素养的养成。
（一）运用航天遥感影像判读地物，增强学生区域认识与综合思维水平
航天遥感是指借助地球资源、海洋、气象等专题卫星，对地表进行综合探测。教学中，教师要组织学生运用航天遥感卫星影像进行地物的识别和判读，引导学生从时空综合的角度比较地表目标物的变化，了解地理事象发生、发展和演化的过程。这对学生区域认识、综合思维水平的提高非常有帮助。
例如，武汉市参照2003年抗击非典期间北京小汤山医院模式，在蔡甸区和江夏区分别建设了火神山、雷神山两家专门救治新冠肺炎患者的医院。通过奥维互动地图浏览器中的“地图切换”菜单，可在“中国资源卫星日新图”中搜索不同地区2017年10月至今拍摄的不同时段的遥感影像。图1为搜索到的武汉雷神山医院建设前（2019年12月15日）与建成后（2020年2月9日）的遥感影像。通过图像对比，学生可以判读出图中绿色为水体，黄棕色为陆地，直观判断出雷神山医院选址在黄家湖东畔。在不同时段，地表目标物颜色由深棕色转变为蓝白色，说明一座新医院拔地而起。
图1 武汉雷神山医院建设前后遥感地图对比
为了进一步引导学生深入探究雷神山医院选址、布局的合理性，教学时还可选择比例尺较大的小范围区域分析医院内部的微观结构，以此评估区域内医院开发建设决策的得失。图2显示出雷神山医院内部医疗隔离区、医务人员生活区、污水处理站的位置，教学时可设计问题引导学生讨论污水处理站的布局是否合理。
图2 雷神山医院布局遥感影像
通过卫星遥感影像对雷神山医院周边环境及其内部功能分区进行识别、判读和分析，有利于学生使用合适的工具认识区域环境，养成从区域视角认识地理事象的意识和习惯，提升运用空间区域观点认识地理环境的综合思维水平。
（二）运用航天遥感数据对比变化，理解人地协调发展的重要性
人类社会要更好地发展，必须尊重自然规律，协调好人类活动与地理环境的关系。新冠肺炎疫情发生后，武汉两家专治新冠肺炎患者的方舱医院迅速建成，对疫情防控起到重要作用。但是医院在建设和运转过程中，是否会对周边环境产生不利影响，一度引起人们的高度关注。教学中，教师通过下载不同时相的航天遥感卫星监测数据，引导学生对医院建设区及其周边的植被、土壤、水体、地面形变等遥感数据进行对比分析，通过研究人类活动对地理环境的积极与消极影响，理解人地协调发展的重要性。
例如，教学时可提供珠海一号高光谱卫星（分辨率10米，32波段）两个不同时段的卫星遥感数据，引导学生将建设中（2020年1月29日）与建设前（1月19日）的雷神山医院周边黄家湖区域光谱反射率数据（如图3）进行对比分析。可发现建设阶段，雷神山医院邻近水域（近岸和中心）没有发生明显变化，说明施工过程中没有明显地向知音湖排放污水的行为，没有形成明显的泥沙扰动等现象，有效地控制对周边水环境的不良后果。该探究活动的开展，使得学生理解人类开展活动时必须充分考虑对地理环境的影响，懂得尊重自然规律的重要性和必要性，树立正确的人地协调观。
图3 雷神山医院建设前与建设中邻近水域
（三）运用航空遥感照片再现现场，感知真实教学情境
与航天遥感相比，航空遥感的平台距地面高度更低，覆盖范围更小，对地物的分辨率更高，表达的地物特征信息更丰富。航天遥感则关注地理空间的整体特性，遥感范围内的许多信息细节往往被忽略。因此，教学中仅运用航天遥感图像探究地理问题还显不足，教师需要提供航空遥感图像再现现场，带领学生“走进”拍摄地亲历过程，感知更直观、更真实的情境。
例如，为了让学生了解雷神山医院工地每一天的巨大变化，感受医院建成的“中国速度”，可在学科教学中加强德育，通过上网收集无人机航拍武汉雷神山医院建设现场的遥感照片，复现医院建设现场，让学生“见证”雷神山医院建设中展现出的“中国效率”，激发学生的民族自豪感，彰显中国特色社会主义制度的优越性。同时，师生一起“见证”医院建设者不眠不休与疫情赛跑的奋斗精神，有助于学生自觉提升防疫意识，提高社会责任感。
选择航空或航天遥感图像对地理现象和地理问题展开研究，能让学生懂得从不同空间尺度认识地理环境：从大尺度概括区域的整体性，从小尺度分析区域内的特质性，增强空间尺度思想，提升学科核心素养。
三、借助卫星导航系统应用案例辅助教学，理解信息技术在教学中的价值
全球卫星导航系统具有对地理空间进行全方位、实时三维导航与定位的功能。与地理信息技术及遥感技术相结合，全球卫星导航系统可在资源调查、工程管理、精确服务等方面提供多种用途。教学中，选择全球卫星导航系统在生活中运用的案例，尤其是发生在身边、学生熟悉的事例，以此设计教学问题，布置学习任务，有助于激发学生的学习兴趣，更好地理解GNSS在地理教学中的运用。
（一）选用北斗系统导航案例
学习全球卫星导航系统时，2003年版地理课程标准和教材内容介绍的是美国的全球定位系统（GPS）。随着我国北斗卫星导航系统（BDS）于2020年6月完成全球组网，教学时应更多列举北斗系统在服务国家现代化建设和人们日常生活以及全球科技、经济和社会发展方面的成功案例，以彰显中国智慧与中国力量，进行爱国主义教育。
新冠肺炎疫情防控是一项系统工程，涉及交通运输、物资供应、环境监测、气象测报、电力调度、公共安全等方面。想解决疫情防控问题，需要较高的综合思维水平。教学中，可设计角色扮演活动，开展“北斗系统显神威”的学习活动。活动中，请学生以社区工作者的身份，探究借助北斗系统如何采取有效措施进行疫情防控，培养学生用综合的观点解决现实问题的能力，提高其综合思维水平。如学生通过上网查询和课堂讨论，列举社区人员可借助北斗定位系统用无人机喷洒消毒液，实现“精准抗疫”。再如，借助北斗卫星导航系统，社区可实现为居家隔离的居民用无人车或无人机配送药品、生活用品，避免因人员近距离接触可能造成的疫情传播，有效缓解防疫工作中社区人员不足等问题。通过了解这些社区生动、温暖的抗疫案例，重点学习在战“疫”中大显身手的北斗卫星导航系统，不仅可以让学生多角度、动态地理解地理信息技术在社区和社会管理中的作用，还能弘扬家国情怀，让“四个自信”飞入每位学生的心田。
（二）选用防疫行程卡定位案例
疫情防控行程卡是由国务院工信部提供的，可让手机用户查询14天内到达或途经省市的行程记录。行程码的绿、黄和红三种颜色，能快速、便捷地证明自己是否途经疫情地区，为企业、社区、交通部门等查验人员行程提高效率。防疫行程码的定位方法，一种是通过手机通信基站完成，另一种是调用安装在手机中的信号接收设备在手机使用期间“允许GPS卫星访问地理位置的权限”所获得的位置信息。教学时，利用防疫行程卡的定位案例，可让学生理解全球卫星导航系统在定位、位置信息查询、跟踪等方面的作用。
随着2020年冬季的来临，我国出现零星的新冠肺炎确诊病例，病例所在地被列为疫情风险地区，这对居民出行带来一定的影响。11月20日，上海新增两例本地新冠肺炎确诊病例，随即浦东新区驻桥镇被列为中风险地区，同期天津市滨海新区、内蒙古满洲里市东山街道等地也成为中风险地区。作为我国经济、金融中心的上海经常举行商务会议，天津市的商务人士是否在此期间都不能赴上海参加会议？其个人行程码的颜色是否会发生变化？在教学中，可让学生角色扮演天津企业的商务人士，评估其赴上海的可行性，讨论需要做哪些防护准备。
教学时，教师也可用真实案例介绍防疫行程卡的使用情况。图4是笔者11月20日去上海闵行区开会，23日返回时防疫行程卡的动态信息。可以看出，笔者在两周时间去过浙江省的杭州、温州、湖州等地市，虽然有过上海旅居史，但因为没有去疫情中风险地区的浦东新区，行程卡只是在文字信息中用红色标注了上海市，其仍为绿卡。通过出行案例分析，不仅让学生对行程卡在疫情防控和复工复产中发挥的作用有了深入理解，也为学生出行明确个人的职责和义务，为我国防疫的最后胜利做好宣传教育。
图4 防疫行程卡动态
地理学科核心素养是互相联系的有机整体，课程实施中不能就某个素养单独培育。本文列举的实践活动案例虽然在分析时更侧重某一核心素养的养成，但在实施时，每个实践活动在突出某个核心素养培育的同时，也有助于其他素养的提升。如疫情地图的制作过程中，学生的地理实践力得以提高，对疫情的空间分布特点也有了更清晰的认识。这有助于学生从区域视角认识疫情，提高区域认知水平。再如，遥感影像对比医院周边环境变化的活动，在认知区域的同时，也培养学生从时间尺度分析地理事象的变化，有助于学生综合思维水平的提升。因此，运用地理信息技术的原理和应用案例组织教学活动，设计形式多样的探究活动，可营造直观、生动的地理学习环境，激发学生的学习兴趣，促进学生地理学习方式的转变，逐步形成正确的人地观，养成必备品质，练就关键能力，提高地理学科核心素养。
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