新课标下高中地理课堂教学中GIS技术应用分析【字数：6916】
1概述
1.1研究背景及意义
随着时代的发展，素质教育改革逐渐深入，2003实验版高中课程标准指导了十余年来普通高中课程改革实践，坚持了正确的改革方向和先进的教育理念。但是，面对经济、科技的迅猛发展和社会生活的深刻变化，面对新时代社会主要矛盾的转化，面对提高全体国民素质和人才培养质量的新要求，面对我国高中阶段教育基本普及的新形势，普通高中地理课程标准实验稿还有一些不适应和亟待改进之处。2017版高中地理课程标准深入总结21世纪以来我国普通高中课程改革的宝贵经验，充分借鉴国际课程改革的优秀成果，努力将普通高中课程方案和课程标准修订成既符合我国实际情况，又具有国际视野的纲领性教学文件，构建具有中国特色的普通高中课程体系
对于地理这门学科，无论是老师还是学生，提高地理素养是极其重要的。运用GIS手段辅助中学地理教学，可以提高学生的地理核心素养，培养学生分析、解决实际问题的能力，从这个意义上讲，帮助学生掌握GIS技术，对他们未来适应社会、增强生存能力等都有十分重要的意义。本文将在遵照新地理课程标准和新地理教材的要求，结合高中地理教学实际情况和GIS软件技术的特点，应用具体实例来探讨GIS技术应用在高中地理教学中的优势和特色，为丰富课堂教学，提升学生的地理核心素养（包括可持续发展、区域认知、综合思维以及地理实践能力），更加有效提高教学质量服务
1.2 GIS的发展历程
GIS即地理信息系统，是在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界(资源与环境)各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，它作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科而迅速地兴起和发展起来[1]
19世纪以来普遍应用的地图和专题图就是一种模拟式的地理信息系统。到19世纪50年代，随着电子计算机科学的崛起和它在航空摄影测量学与地图制图学中的应用，使人们开始用电子计算机来收集、存贮、处理各种与空间和地理分布有关的图形和有属性的数据，并通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务，这才促使了现代意义上的地理信息系统的问世。1956年，奥地利测绘部门首次利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各国开始发展土地信息系统(LIS)用于地籍管理。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首次提出了地理信息这一术语[2]。进入19世纪70年代以后，随着计算机硬件和软件技术的快速发展，促使GIS朝着满足人们生活的方向前进。80年代，计算机行业推出了的图形工作站和PC机等性能价格的提升，为GIS的普及和推广应用提供了硬件基础
GIS正朝着一个可操作的、开放的、扩张的、网络化、信息化的全球GIS发展。计算机科学和网络技术的快速发展给地理信息系统的发展提供了先进的工具和手段，许多计算机领域的新技术，如面向对象的数据库技术、互联网技术、VR技术、图像处理和人工智能技术等都可直接应用到GIS中[3]
1.3国内外GIS地理教学研究现状
1.3.1国外GIS地理教学研究现状
在美国，早在1992年，Robert Tinker发表了地理信息在中小学教育中应用的研究成果《Mapware：Educational applications of geographic information systems》，这是GIS与K一12教育(Kindergarten 12，国际上对基础教育的统称)的第一次整合尝试[4]。1996—1998年国家地理教育实施计划，主持了如下两个课题：一是为学校开发GIS业务手册，其最终成果为《学校中的GIS》；二是开设全国GIS应用的专题讲习班，提升地理教师使用GIS的技能[5]。2005年7月Google发行的Google Earth，其采用3D(三维)地图定位技术，通过结合本地搜索功能和卫星图像，可以从任何角度观看全世界的地图，可以对地图进行随意缩放并且具有各种分辨率的地理信息[6]。美国国家地理科学委员会在2006年发表的《Learning to Think Spatially-GIS as a Support System in the K-12 Curriculum》中强调了在现代信息社会用GIS作为辅助手段培养学生空间素养的重要性。到如今，学生通过动手操作GIS软件，学会如何搜集数据，建立数据库，以及如何运用数据去进行相关分析，从而更好地将所学知识与自己的生活实际联系起来，实现自身价值
1.3.2国内GIS地理教学研究现状
我国大陆的GIS基础教育起步较晚，最早出现于我国台湾地区。1995年以后，学者们陆续开始探究GIS在中小学教学中的应用。2000年ESRI公司将K-12计划引入我国，北京、上海、成都、南京等地均有中学加入这一计划当中。2003年，大陆地区第一次将GIS引入普通高中地理课，许多相关的专家对此作出了深入的研究。东北师范大学李广江的研究主要是如何将GIS引入到中学地理教学中去，他从四个方面来引入，即教学观念、教学手段、教学内容和教学组织形式[7]。从2008年龙海丽、唐湘玲所写的论文《GIS在中学地图教学中的应用》中可以看出，将GIS引入地图教学比传统地图教学更具优势：将GIS引入中学课堂教学，有助于优化课堂教学过程，增加课堂教学容量，提高课堂教学效率，提高课堂教学质量。另外，还有助于教师清晰地展现地图空间思维的认知过程，促使学生对地理事物之间的关系认识得更加直观、详细。GIS技术在地理教育中的运用有利于培养学生地理素养[8]。2009年华东师范大学的马旭丹通过研究可将GIS研究性学习分为四种教学模式：GIS地理观察与实验教学模式；GIS地理建模教学模式；GIS地理社会调查教学模式；GIS野外考察教学模式[9]。2012年四川师范大学牟琳在《地理信息系统在高中地理合作学习中的实践与探究》一文中提出将地理信息系统应用到高中地理合作学习教学中，有助于提高学生学习地理知识的兴趣，丰富学生的地理学习体验，还能提高学生的动手操作能力，掌握地理学习技能，学会与人沟通等，全面提升综合素质[10]。2017年林娜在《GIS技术在中学生地理空间素养培育中的应用研究》一文中结合新课标的要求归纳出中学生在现今社会应具备的地理空间素养要素，提出通过GIS技术培养中学生地理空间素养的方法，并通过教学实验对所提方法进行验证[11]
综上所述，我国GIS发展起步晚但发展速度快，GIS作为课程内容被纳入到了新课程标准中，目前国内大多数相关研究中的理论多于实践，且相关研究和具体操作专业性较强，就全国目前大多数中学的硬件设施和师资状况来看，很难实现推广应用。且缺乏相对应的规范化教学流程和典型案例对GIS的教育功能进行概括和提炼，适合采用GIS进行教学的内容也缺乏详细分类
本文主要介绍了新课标下高中地理课堂教学中GIS技术应用分析，通过提取GIS技术中可以应用在高中地理教学中的教学实例。如：制作中国各市人口、面积、经济图，降水量专题地图，学校选址，三维爆炸分析图等几个案例，具体探讨了新课标下高中地理课堂教学中GIS技术应用
2地理新课标下GIS功能应用
2.1新课标内容之地理核心素养
在普通高中地理课程标准(2017版)中，关于基本理念的阐述均体现了地理核心素养的内容，以地理核心素养为主导进行地理课程设置，以培养学生地理核心素养为目的，同时学习方式的使用和学习评价体系建立也都是围绕地理核心素养来进行。新课标强调自主、合作、探究式学习方式基础之上，需要更科学地进行地理教学过程设计，需要开展更丰富多样的地理实践活动，利用已具备的地理信息技术，营造直观、生动的地理教学环境。此外，新课标指出需要从学生的认知水平、价值判断能力、思维能力、实践能力等水平来全面反映学生的地理核心素养的发展状况[12]。虽然对地理核心素养的解释众说纷纭，但不难看都体现出了一些共同的思想，地理素养是个人能够从地理学的角度来观察事物且运用地理学的技能来解决问题的内在涵养，而地理核心素养是学生借助地理学习过程中形成的解决实际问题所需要的最有用的地理知识、最关键的地理能力、最需要满足终身发展所必备的地理思维。地理核心素养主要由以下几方面组成：
2.2区域认知
个体出于实践和发展的需要，根据一定的指标和方法将地球表层划分为不同尺度、不同功能、不同类型的区域进行认识。个体通过分析区域的整体性和差异性，把握地理要素的相互作用机理，探讨区域之间的联系，评价区域开发的条件与方式，促进区域的发展。因此，认识和理解区域、评价和规划区域、促进区域的交流和发展是学生未来参与社会生活，体现个体存在价值的基本认知需要[13]
2.2.2综合思维
综合思维是地理学的基本思维方式。地理学研究对象复杂多变，自然、人文和社会要素相互联系、相互影响。在不同的区域范围内各要素有不同的组合，而且地理事物又处于不断变化之中。因此，在综合思维的培养过程中，地理学不仅研究地球表面各要素的统一，也要考虑各要素之间的变化和发展
2.2.3地理实践
地理实践不仅是传统意义上课堂外的地理观测、地理调查，也包括课堂内的教具制作、问题讨论、绘制地图、地理实验，是学生实践能力的综合表现。学生具备地理实践能力，有助于应用地理知识和方法、锻炼环境适应能力、培养发现并解决问题的能力及树立自信心、责任感、团结协作等品质
2.2.4人地观念
人地关系即人类活动与地理环境的关系，是地理教育最核心的观
点。人地观念直接反映人类对地理环境的观念和导向。在分析和解决各种地理问题时，正确的人地观念是解决地理问题的有效途径，才能实现人与自然的和谐相处
四个核心素养之间关系紧密。人地协调观是地理课程内容蕴含的最为核心的价值观，它包含正确的人口观、资源观、环境观和发展观等。综合性和区域性是地理学的两大突出特点，由此形成的综合思维和区域认知，是学生应具备的分析和理解地理过程、地理规律、人地关系系统等重要的思维品质和能力。地理课程具有很强的实践性，在实践活动中运用综合思维和区域认知，是学生感悟、体验现实世界中人地关系的重要途径
2.2 GIS应用于地理教学的相关功能
地理信息系统的基本功能主要有五个方面：第一，数据采集与编辑功能：包括图形数据采集与编辑和属性数据编辑与分析。第二，地理数据库管理系统的基本功：，包括数据库定义、数据库的建立与维护等。第三，制图功能：根据GIS的数据结构及绘图仪的类型，用户可获得矢量地图或栅格地图。第四，空间查询与空间分析功能：包括拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析、地学分析。第五，地形分析功能：包括数字高程模型的建立、地形分析，在地理教学中主要运用GIS以下功能
2.2.1空间可视化功能
可视化就是将客观现实构成人脑意象的方法和过程，或对不可直接察觉的某种东西的直观表示。在地理课堂教学中，老师可以运用GIS技术的可视化功能，降地学信息转化成图形符号、图形、图像并结合文字、图表、表格、视频的可视化形式在屏幕上显示出来。使得形象的语言变得更加直观，提高学生学习的热情。还可以通过让学生自己操作，比如放大地图查看局部地区的细节，缩小地图查看整体的布局和效果等
2.2.2电子制图功能
电子地图是各种环境的图形表达，是传递信息的载体。电子地图在很多领域里得以应用，在这里仅简单谈谈它在地理教学中的应用方面。学生通过用GIS软件制作专题地图，可以锻炼其动手操作能力、解决问题的能力。此外，运用专题地图进行教学，可以增强教学内容的直观性、一目了然，缩减了上课所需要时间，且提高了效率。凸显了信息技术在新课程中应用的优越性
2.2.3空间分析功能
作为GIS核心功能之一的空间分析功能是地理信息系统与其它一般信息系统的主要区别。GIS的空间分析功能主要包括：空间查询分析，缓冲区分析，叠置分析，数字地形分析以及网络分析等。地图是地理学的第二种语言，利用GIS的空间分析功能，使传统单一的死地图变为多样的活地图，对不同的地图信息进行处理，不但可以激发学生的活力，培养学生发现问题解决问题的能力；而且还可以活跃课堂气氛，提高学生的学习热情，让他们积极的参与到学习中来。现主要将地理信息系统空间分析功能中的叠置分析、缓冲区分析、数字地形分析应用于高中地理课堂教学
2.2.4虚拟现实功能
基于三维GIS技术的虚拟现实技术，也就是VRGIS技术，随着GIS应用的深入,人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。VRGIS是GIS技术、可视化技术和虚拟现实技术结合而形成的新一代虚拟现实系统。该系统在提供较强的多维数据建模能力和多维空间数据管理能力的同时，更能支持复杂虚拟图形空间的生成和支持用户采用多种交互设备与图形空间进行交互。在地理教学中，运用VRGIS技术建立场景，具有很强的真实感，有利于学生掌握知识，提升学生课堂学习兴趣，从而提高教学质量
3 GIS技术应用于中学地理教学的案例设计
通过以上内容，我们了解了GIS的空间可视化、电子制图、空间分析、虚拟现实等功能，有利于培养学生的学科素养、空间思维能力、动手操作能力等。此外，还可以帮助教师完成教学任务，提高教学质量。高中地理新课程中强调与实际相结合，重在理论联系实际，运用所学知识解决现实生活中的问题。本章内容根据地理新课标中地理核心素养的要求，运用实例的形式探讨如何将强大的功能直接应用于地理课堂教学或辅助地理课堂教学
4.1案例设计一——人口变化与经济的关系
中学阶段学生直接经验少，因而，在学习人文地理部分内容时存在困难。在讲解我国面积、经济、人口与自然地理条件间的关系等问题时，会遇到需要同时利用多种地图和资料讲解该知识点的情况。当需要同时向学生展示中国行政区划图、经济情况分布图、人口分布图、中国各省地图、各地经济情况统计数据等等资料，既耗时耗力，又难以将这些数据整合在一起让学生同时理解和接受。遇到这种情况，如果利用GIS的空间数据采集与编辑及可视化表达等功能，就可以将如此庞大的信息叠加在一起，根据需要显示相应的结果图，更好的理解该知识点。
本案例选择的是普通高中地理课程标准实验教科书（人教版）必修2的第一章《人口的变化》，备课所需GIS数据有：中国各市地图图层、国家图层、九段线图层。A.导入数据，认识中国轮廓打开ArcMap软件将中国地图添加进去，需要CHN-adm2中国各市面文件、九段线、国家等（主要文件）。如图1
图1中国地图
B.人口的分布
导入各市站点与其面积、人口、经济等数据。然后设置，得到图2由图可以看出，根据颜色的深浅可以看出人口分布情况，颜色深的部分表示人口更多，更密集。从整体上来看，下图中国东部人口分布密集，西北地区人口分布稀疏。从局部聚焦，颜色越深的地区人口越密集，其中北京、天津、重庆、台湾等地区人口密度大
图2中国各市人口分布情况图
C.经济专题地图制作
设置经济分布情况，如下图所示。得到图3，根据点的密度可以看出经济发展状况。点越密集的地方表示GDP越高，由图可以看出北京、天津、广州、上海等地GDP很高
图3中国各市GDP分布情况图
D.整饰地图并出图
为了试图更加美观，我们可以给Dataframe设置一个投影坐标系。由于我们要做的是中国全国的降水量分布，我们使用等面积的Albers投影。然后，导入国家，九段线等数据，设置经纬线，添加图例、图名、指北针等等。最终得到图5
图5中国各市人口、面积、GDP专题地图
我们先从整体扫描，从图中颜色的深浅可以看出：中国东部人口分布密集，各市的人口数量大部分都超过了314万，重庆市的人口达到了2800万。而西北地区人口数量均少于314万，有的市甚至少于86万。从图中点的密集度可以看出：北京、上海、广州、深圳等地点越密集度高，说明这些地方GDP很高。此外，图中点的密集度高的地方往往人口密集，说明各城市GDP和该市的人口存在一定的正比。通过利用GIS的空间数据采集与编辑及可视化表达等功能，将庞大的人口、经济等信息叠加在一起，根据需要显示相应的结果图，帮助学生更好的理解该知识点。
4.2案例设计二——我国降水的空间分布
据调查我国初中高中地理教材中都含有降水量分布的内容。其中七年级地理上册中第三章是关于降水量及其分布的，《世界的气温和降水》也是中考地理中的一个考点。新课标高中地理中也有关于我国降水的空间分布的专题。本文通过使用Arcmap软件对站点区域进行缓冲区分析和泰森多边形分析来确定每个站点收集降水量的范围，制作关于我国2011年的年降水量分布的专题地图。此专题的教学目标是使学生初步掌握如何制作专题地图的底图、了解并掌握我国各个省市自治区在地图上的分布情况、了解我国2011年降水量的分布情况。从而提升学生的区域认知和地理实践能力。本案例选择的是普通高中地理课程标准实验教科书（人教版）必修1的第三章《地球上的水》，备课所需GIS数据有：省会城市图层、河流图层、中国轮廓线图层、中国政区图层、南海诸岛及其他岛屿图层、九段线图层、国家图层。
A.导入数据打开ArcMap软件将中国地图添加进去，需要省会城市、河流、中国轮廓线、中国政区、南海诸岛及其他岛屿、九段线、国家等。通过设置投影、国家层的符号样式、国界线的符号样式、省会城市符号、河流符号样式等得到图6。
图6中国地图
先导入站点数据，然后投影气象站点，再关联气象站点与降水量值。如图7所示
图7气象站点与降水量值关联后的数据情况
B.进行降水量插值利用站点本身附带的高程数据对降水量进行插值，插值结果导出，得到下图（图8）
图8中国年降水量的插值图
C.地图整饬
首先，设置降水量分级，然后进行分级设色，再设置等降水量线，得到下图（图9）
图9地图整饬后
通过添加图例、比例尺和其它要素，比如：可以再添加对我国年降水量分布特征的说明性文字，ArcGIS中可以插入对象，将Word文档插入到MXD文档中，但是在导出图片的时候会有一些问题，所以本文把这些文字做成了图片插入。最后添加一些制作人的信息。得到下图
图10中国2011年降水量专题地图
D.出图
到现在为止，所有的工作都完成了，File->Export Map把图片导出成JPG格式，设置下分辨率300dpi，最终的结果如下：
图11中国2011年降水量专题地图结果图
制作一幅精美的地图要考虑很多的因素，一些很小的细节都要考虑到，涉及到从数据到处理到分析的各个方面。ArcGIS为精细化制图提供了一个很好的平台。结合制作好的专题图进行多图层的叠加分析，可以很直观的看出2011年我国东南沿海和滇、藏南部，年降水量在1600mm以上，其中一些山地平均降水量在2000mm以上，台湾省高山地区达3000～4000mm。秦岭—淮河以北大部分地区少于800mm，
原文链接：http://www.jxszl.com/lwqt/yzlw/303811.html
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