（地图学与地理信息系统专业论文）基于gis的中学地理教学软件的研究与开发.pdf

摘要： 随着我国的教育事业的发展，计算机辅助教学日渐展示其活力和强有力的 支持，2 0 世纪9 0 年代中后期以来，我国的地理信息系统也有了较为广泛的应 用，许多高等院校的地理、测绘、计算机等相关学科纷纷设立g i s 专业。随着 g i s 的发展和中学地理教育的发展，本人尝试着做一个基于积件和g i s 的地理 教学软件t e a c h g i s ，本软件的设计和制作主要针对现行教学所需的相关功能。 本文一共分为了六章，第章介绍了地理学科的特点和计算机辅助地理教 学，也阐明了本软件的主要适用的学科范围；第二章是g i s 及中学地理教学引 入g i s 的意义，主要从地理学和中学地理教学方面作相关阐述；第三章是地理 教学软件的需求分析，主要是制作量表然后对第一线的教师和学生的调查来了 解相关需求信息；第四章是教学软件的设计方案，在这章节中主要对整个教学 软件的总体设计思想作了较为详细的阐述；第五章内容是教学软件的实现，在 本章中阐述了教学软件的实现所需要的关键的技术。最后一章是教学软件的应 用，在这章中用高中教学中的一节课为例说明该软件的基本使用方法，并提出 了下一步的工作要求。 关键词：g i s积件地理教学软件 a b s t r c t w i t ht h ed e v e l o p e do ft h ee d u c a t i o n a ib u s i n e s si no u rc o u n t r y 。 c o m p u t c r a s s i s t e di n s t r u c t i o ng r a d u a t t ys h o w i t se n e r g ya n dp o w e r f u s u p p o r t s i n c e1 9 9 0 s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) h a sw i d e l yd e v e t o p e d a n da p p t i e di nc h i n a at o to fc o | e g e sa n du n i v e r s i t i e ss u c ha sg e o g r a p h y , t o p o g r a p h ya n dc o m p u t e rh a se s t a b u s h e dg i s w i t ht h ei m p r o v e m e n t o fg i s a n dt h eg e o g r a p h ye d u c a t i o n ，la mt r y i n gt oi m p r o v et h ee d u c a t i o ns o f t w a r e n a m e dt e c h g i sb a s e do ng i sa n di n t e g r a b l ew a r e t h en e e d so fm i d d t e s c h o o l s t e a c h i n gi st h em a i nf a c t o r so fm yd e s i g n t h et h e s i si sc o m p o s e do fs i xc c h a p t e r s c h a p t e ro n ei si n t r o d u c t i o no f 8 e o g r a p b ys u b j e c t sc h a r a c t e r i s t i ca n dc o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ( c a i ) c h a p t e r t w oa n a t y z e st h e m e a n i n go f g i sa n dd r a w i n gg i si n t ot h e g e o g r a p h yt e a c h i n gi nm i d d l es c h 0 0 1 c h a p t e rt h r e ei sd e m a n da n a | y s i s t h em a i nw a y st h a ti n v e s t i g a t et e a c h e r sa n ds t u d e n t st h r o u g hi n v e n t o r y c h a p t e rf o u rj st h et o t a id e s i g no ft h es o f t w a r e t h ed e t a i lo fs o f t w a r eh a v e b e e ne t a b o r a t e di nt h i sc h a p t e nc h a p t e rf i v ei st h ea c h i e v eo fk 屹h g i s n t h i sc h a p t e rt h ek e yt e c h n i q u eh a sb e e ne t a b o r a t e d t h ei a s tc h a p t e r s c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t w h i c hs u m m a r i z e st h ee m p | o yo ft h es o f t w a r ea n d p u t sf o r w a r dt h ef u r t h e rr e s e a r c h1 nt h ef u t u r e 2 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师拯在建指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥有学位论文的部 分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印刷版和电子版学位论文，可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和科研目的，学校 可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网 上供校内师生阅读、浏览。 论文作者签名：饶亚熙 年月日 鬻 刖吾 在教育软件行业。教育软件应用水平远远不能达到教育信息化的需求，其 应用尚未进入实质性阶段。主要是对教学软件的需求理解不够深入，开发不 能贴近教学实际这点对图形类教学更突出。g i s 是地理信息系统的简称， 是当今世界上广泛地被应用的高新技术。g i s 是有关空间数据管理和空间数 据分析的计算机系统，为人类提供了崭新的技术手段和研究方法。因此，对 于这门学科的学习显得尤为重要，对于地理教学来说，地图阅读和信息系统 有着非常重要的作用，著名的地图与信息系统专家陈述彭院士认为：“定性描 述是地理学的第一语言! 地图是地理学的第二语言l 地理信息系统是地理学 的第三代语言。”o 1 】因此，设计一套g i s 的教学软件，通过软件中的演 示模拟实验、典型实冽分析、动态模拟，能够使学生更好的理解并掌握这门 学科，优化教学过程，提高教学质量。现阶段，高校和中学都没有比较完整 的基于地理信息系统的地理教学软件，因此，该课程软件的设计与实现 对地理教学有着十分重要的意义。 g i s 技术最突出的优点是对地理数据的管理。g i s 能够实现对大量复杂 地理数据的输入、存储、操作、分析和输出等功能。使用g i s 技术将地图数 据转换为地理数据进行管理，对于地图辅助教学软件的开发，应该是一个很好 的开发思路。目前市场上这类软件占有率很低，因此使用g i s 技术开发了这 套辅助教学的地理教学软件，该软件通过g i s 技术将中学地理教学内容进行 分割，制作成积件，并同时使用g i s 工具对其演示和编辑，以期达到更好的 辅助教学的目的。从而，无论在教学理论方面还是在g i s 应用方面都得到一 定程度的扩展。 。李佩武。周江，荆平g i s 技术及其在地理教学中的应用分折 j 】天津教育，z 0 0 5 ( 6 ) ：5 2 - 5 3 第一章地理学科的特点及计算机辅助教学 1 1 地理学科的特点 地理学是研究地理环境以及地球表层自然要素、人文要素及其相互关系的 科学。随着现代科技的发展和广泛应用，地理学也以前所未有的速度发展，特 别是“3 s ”技术的广泛应用，给地理学带来了巨大的革命，如地理信息系统( g i s ) 已广泛应用于测绘、环境保护、灾害监测与评估、城乡规划、市场分析、区域 管理、军事等领域，被称为地理学的第三代语言。同时也具有以下几方面的特 点： 1 、综合性特征和地域性特征：地球表层是一个多种要素相互作用的综合体， 地理学科把地理环境作为一个整体，综合研究其组成要素和空间组合。地球表 层自然要素和人文要素的分布具有地域差异性，地理学科不仅反映地理事象的 空间分布和空间结构，而且阐明其空间差异和空间联系，并致力于揭示其空间 运动和变化的规律。 2 、开放性特征：地球表层系统与外系统之间时刻都在发生着物质、能量、 信息的传递与交流，地理学科研究的对象横跨自然和社会两大领域，与众多学 科发生着广泛、紧密的联系，使其研究手段和过程具有开放性。 3 、坚持面向全体学生。以学生发展为中心，促进学生态度与价值观、过程 能力与方法、知识与智能的和谐发展和健康人格的形成；激发学生学习兴趣， 开发学生潜能；注重基础知识和基本技能，培养创新精神和实践能力，使学生 学会学习。形成国际视野和开放意识。 4 、学习对学生终身发展有用的地理知识；培养学生的创新精神和实践能力。 关注学生可持续发展和终身发展的需要，精选了学生终身学习必备的基础知识 和技能。如月相、地球自转与时间、公转与季节、行星风系、季风、台风、寒 潮、梅雨、珍贵的淡水资源、荒漠化等，使所学内容不仅对学生学习和生活有 用，而且对他们的终身学习和发展有用。改变教师的教学方式和学生的学习方 式，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能 力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。用形 式多样的教学方法，帮助学生掌握基本地理事实、概念和技能，增强学习能力， 形成正确的态度、情感和价值观。积极倡导自主、合作、探究的学习方式，引 2 导和鼓励学生独立思考，体验解决问题的过程，逐步学会分析问题、解决问题 的方法。 5 、地图和多媒体技术辅助手段的应用。地图是地理教学中不可缺少的用具。 它准确而全面地反映了地理教学内容的三个特点，表现在用经纬坐标准确地再 现地理事物的空间分布，用各种符号表现多种多样的地理事物，再小的空间范 围内，容量再大的地理知识，既能正确反映地理事物的位置，也能反映地理事 物的空间范围，还能反映一定空间范围地理要素之间的相互联系与空间结构。 现代多媒体技术是地理教学的一个新的手段。因此，地图和多媒体手段在教学 过程中有助于学生获得各种地理事物空间分布知识，有助于学生对各种地理事 物和现象的感性认识，有助于学生了解地理事物和现象的相互联系及其规律性， 有助于培养学生学习的积极性，培养学生观察、想象和思维能力，使课本中的 文字阐述更直观、更形象。 1 2 计算机辅助教学o a i 1 2 1 计算机辅助教学的定义 计算机辅助教学，简称c a i ，是英文c o m p u t e ra s s i s t e d i n s t r u c t i o n 的缩写。8 0 年代末，多媒体计算机一出现就迅速进入了教育领 域，给计算机辅助教学带来了革命。为教学提供一个良好环境，教师和学生利 用计算机对各种教学媒体信息存储、处理和多形态呈现的功能来支持自己的教 和学的一种活动方式。其核心是多媒体计算机，在使用过程中交互地处理文本、 图形、图像、动画和音频等教学信息，这样便体现了教学形式的多样性和教学 过程中的交互性等特点，可以极大地调动学生的积极性，有小地提高教学效率。 随着计算机的普及和多媒体技术的发展，素质教育的全面实施，应用多媒体c a i 技术已经成为广大教育工作者改革教学方法、改进教学手段、提高教学质量途 径的首选方法。 2 2 计算机辅助教学对中学地理教学的影响 首先，计算机辅助地理教学适用于动态地理过程的教学内容，如洋流、大 气运动等，模拟自然界中不易为学生亲眼观察到的动态地理过程。由于展现在 3 学生面前的地理图象由静止的变为活动的，容易引起学生更强烈的学习兴趣。 在动态地理学习过程中，计算机还有储存大量信息、快速处理、调用这些信息 进行发杂计算的优势。学生可以观看模拟过程，还可以根据自己的理解和需要 改变影响这个过程的某些因素，进而改变模拟岩石的过程和结果，做到真正由 学生控制模拟过程。同样，也给了学生更多的思考空间，如果其中的某一个条 件发生了变化，会带来什么相关的反映，与之相关的自然地理方面和人文地理 方面又会不会产生相关的影响? 这样学生的参与程度增加了，同时对整个地理 学科的兴趣也有所增强。 计算机辅助地理学习还适用于涉及复杂地理计算的地理专题，以及需要大 量数字资料解释、说明地理原理的领域。许多地理问题在很大程度上受到人为 因素的制约，需要人们做出决策。而许多重大的决策都需要复杂和准确的计算， 如工业选址、交通网的建立等。在这类教学中，计算机可被用于进行计算，并对学 生的决策做可行性判断。如果教学中需要建立假设模式，计算机还可用于检验假 设，证明假设。随着地理教育的发展，地理教师将会越来越重视地理数字资料在地 理教学中的作用，并希望自己来选择和支配它们。目前，只有计算机可以满足这一 需要。 此外，计算机辅助地理学习也适用于学起来比较枯燥的地理知识，如某一地 区工、农业产品的分布，行政区的分布、重要城市的分布等，可使用教学游戏软件 或者答题练习式软件。在游戏软件中，计算机的重要作用之一，是提供角色扮演所 需的环境和条件。这一特点使地理学习内容带有更强的真实感，学生仿佛是在真 实生活中应用或边学边用地理及相关的知识。由此得来的地理原理更易被学生 信服、理解和记忆，学习地理由此变得更有趣味，更有意义。游戏的结果往往有胜 负之分，地理游戏也往往带上了较浓的竞争色彩。竞争意识不仅使学习过程更具 吸引力，而且使学生参与的机会更多，学生掌握知识、锻炼自己能力的效果会更 好。与手工游戏比，计算机地理游戏软件具有裁定迅速，更易反复使用，重复游戏 的特点。 此外，还能够增加地理课堂教学的客量，从计算机辅助地理学习的教学实 践来看，计算机的使用有可能增大课堂的教学容量。例如，常规教学形式下，假设 一节地理课可以讲授课本中一节的内容，使用计算机后，同是一节课的时间，也许 4 可以完成课本一节半的内容。地理课上产生这种效果主要是由于以下原因。某 些时候地理过程的语言描述减少。许多地理过程学生无法看到，一般只能由教师 用语言口头描述，或在黑板上勾画示意图。如果有适当的教学软件，有些动画过程 只需十几秒，几十秒的时间即可看明白。简化难点，使教学速度加快。计算机辅 助讲解一些比较难讲解的地理概念，学生接受的快，也会使讲解速度加快减少组 织教学活动需要的时间。因为计算机对设计好的问题可以给出答案，减少了师生 之间提问、回答或其他组织教学活动所用的时间。教学内容可以展开和深入。 是指教学不停留在概念、名词等的一般介绍上，而是提供机会让学生参与思考和 讨论。这样的教学，才可能产生使用计算机的需要。例如，单纯工业分布的知识， 只要由教师告诉学生，某个工厂位于什么地方，学生在地图上找到并记住就可以， 完全用不着计算机。但是，如果要讲讲为什么这个工厂建在这里，内容就可以展开 和深入。教师可以组织学生根据各种因素讨论工业选址问题。这时，如果有合适 的模拟或游戏软件，计算机辅助地理学习就会显示出它的优越性。 其二，对地理教学形式的影响 讨论对教学形式的影响，实际上也是讨论对教育思想的影响。现代信息技术 它突破了传统的教育观念。例如，学校的概念将发生变化，学生将通过多媒体工 具、网络等从“学习资源中心”检索有用的信息。教室将变成“无墙教室”， 学校将变成“无墙学校”。真正突破了传统教育时空的限制。摈弃了传统教育中 “教师为中心”、。书本为中心”、“课堂为中心”的三中心论。有些传统观念在 人的头脑里根深蒂固，如：只有全班学生都坐在同一间教室里听课才算上课；只有 教师讲学生听才算教学；课上得好不好，要看教师讲得( 讲述) 好不好；凡是讲的就 要记住，否则就不讲等等。现代信息技术需要教师真正树立个别化教学的思想， 以学生为中心的思想注重教授学习方法而不只是给学生结论的思想。有些思想 也许早在教育界提倡，但在常规教学中，有时做起来困难，有时做不做教学任务都 可以完成，不做倒省事些。如果教师对计算机辅助地理学习所体现的教育思想难 以接受，计算机辅助地理学习就很难实现。 第二章g i s 及中学地理教学引入g i s 的意义 2 1 g i s 的概念及g l s 工具软件的强大功能 2 1 1 g i s 的概念 g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是地理信息系统的英文缩写。是一 种以采集、存储、管理、分析和描述地球表面与地理分布有关数据的空间信息 系统。 地理信息系统是本实际6 0 年代发展起来的一门融计算机技术、测绘学、遥 感、应用数等争、信息科学、地球科学于一身的综合和集成的信息技术，为采集、 量测、存储、分析、管理、显示、传播和应用于地理与空间有关的数据提供了 有效的手段。o 【2 】 2 1 2g i s 软件强大功能 第一，地理数据的可视化 g i s 首要的基本功能是将地理事物和现象的空间分布在地图上最直观地反映 出来，即地理数据可视化。而且，g i s 与i n t e r a c t 、多媒体、虚拟现实技术相结合 日趋完善，这使得g i s 对空间数据的表现力日益强大，将其引入地理课堂也越发 能提高教学效果f 3 1 盘 第二，地理数据的查询 g i s 采用层的概念，组织、管理空间数据与属性数据。教师在地理课堂教学时 可通过点击图层的某一区域获取其属性信息，也可通过输入某属性条件而了解 其空间分布，这就是gis 特有的双向地理查询功能，它不仅可以进行基于关系 表格的sql 查询，而且可以进行与地理对象的空间位置和空间关系有关的空 间查询【4 】 第三，空间分析 g i s 具有空间分析功能，如叠加分析、缓冲区分析、数值及统计计算等。教师 通过课堂上的演示，让学生对空间概念有直观认识的同时，提高他们分析问题、解 。刑继德，蔡依萍，李东。地理信息系统与地理教学 m 。杭州：浙江大学出版杜，2 0 0 1 ；卜2 。刑继德，蔡依萍- 李东。地理信息系统与地理教学 m 。杭州：浙江大学出舨社，2 0 0 1 ：l 2 。张超，陈丙威邬伦主编地理信息系统 m 北京：高等教育出版社，1 9 9 7 6 决问题的能力，充分认识到g i s 作为决策工具的作用。国【4 】 第四，强大的地理制图功能 g i s 具有完备的制图工具，老师可自己制作课堂所需的地图或专题地图。学习 地理，先要学会看地图，通过g i s 制作的电子地图，具有交互性、无级缩放、无缝、 动态载负量调整、多维化、信息丰富性、共享性等优点，这是传统的地理挂图没 法比拟的。恰恰这一点也是对地理教学改革起到促进作用的最根本的一点。o l s 技术是研究地理学的一种现代化技术工具，是综合处理和分析地理数据的计算 机应用系o 【5 1 。它是一种结构化的信息的载体，这种结构化使得各种各样的信 息，可以以不同的形式集合在一起，拓展了研究者与学习者的视角，为学科的研 究、学习提供了一种新的方法、新的尝试。 地理教学改革的一个重要课题是使课堂教学效果整体优化。解决途径应从培 养学生学习兴趣与技能入手，尽量使用多种电教媒体辅助教学，提高学生学习地 理的兴趣。也就是说，应用计算机使大量的专业地图、景观与实物照片、图片与 地理课堂教学紧密结合起来，使教师可以更大胆地设计教学，让学生通过电脑学 到更多的知识，使学生能够更直观地熟悉地理数据和图形，在学习中充分发挥主 观能动性。获得最好的学习效果。另外，构建基于现代信息技术的地理课程，也是 高中地理新课程标准的一个重要理念。 2 2g i s 在国内外地理教学中发展的趋势 2 2 1 国外研究现状 总的来说g i s 在不同的国家发展程度较大的差异，基础教育阶段对g i s 教 育的重视程度也各不相同，相对而言，国外g i s 发展较早的国家的g i s 基础更好。 许多国家基础普及教育与g i s 专业教育并重，教育各个环节也比较成熟( 如美 国、加拿大、日本德国等) 。国际知名g i s 研发公司e s r i 在美国和欧洲开展了 旨在想中小学生和社会公众推广g i s 概念的1 0 1 2 计划，所以欧美中小学校的 g i s 课程开展得非常普遍。 在美国，g i s 在中小学生中普及的程度非常强，如：e s m 公司就提出了三 。张超，陈丙威邬伦主编地理信息系统【m 】北京：高等教育出版社，1 9 9 7 。杨旭，黄家柱，沈方晓地理信息系统与中学地理教学【j1 中学地理教学参考二瑚缸1 1 ) ：8 9 7 项保证：1 提供免费和低价位的软件；2 鼓励高阶的g i s 使用者和学校之间建 立伙伴关系；3 向中小学教师提供g i s 的训练和支持。它提供适合中学生水平 操作的g i s 软件与基础数据；该软件在十分成熟的商业g i s 软件a r c v i c w 的基 础上对原有界面和功能进行了简化，按照国家地理课程标准相继开发了教材如： g u i d em a p p p i n go u rw o r l d 、c o m m u n i t yg e o g r a p h y ：g i si na c t i o n 和相应的 t e a c h e r sg u i d e 教材并推荐了可获得更多数据的网站资源。这样一个由计划、 资金、组织、技术、人员、软件、数据等方面组成的完整的系统工程，保证了 该计划的顺利实施。g i s 软件应用方面，国外也有很多研究和实践。除了e s r i 提供的软件外，美国还拥有用于地图操作显示的非g i s 专业软件，这些软件也 可以用来作为辅助g i s 教学的课件使用。该软件经下载后，可以通过远程连接， 实现在线城市地图的显示。这种地图的远程显示实现与w e b g i s 的形式是有所 区别，它需要用户终端下载浏览软件。国外还有多种系统模拟软件，如：德国 的s i m u l a n d 和g c o l a b 等，前者模拟不同土地开发利用方式可能产生的后果， 后者模拟阿尔卑斯山土壤侵蚀与发育过程中某些环境因素的改变可能产生的影 响。这类软件都结合特定地区地理环境演化的历史过程进行模拟仿真分析，从 中分析各种影响变化的利弊得失，探索协调人地关系的正确途径。丹麦专家 b i i l m a n n 主持设计的g i s t s t ，是更为开放的软件是由直接从工作站收集的数 据( 土壤、气象、水文观测及卫星) 编写而成的。教师将面临不断的挑战以阐释 现实生活和真实环境中的问题，这些问题或许他们自己从来没有接触过，因为 长期以来他们一直解答的是理想状态下的处境和问题。这种不确定性对教师的 专业水平是一种挑战，问题在于在这种情况下教师还能够改正学生的结论吗? 或许只能与学生共同来探讨问题：g i s t s t 作品建立在3s ( g i s 一地理信息系 统、g p s 一全球定位系统、r s 遥感图像) 基础之上，能够反映按时间序列演 化的地理要素不同空间尺度的分布特征。 2 2 2 国内研究现状 相比国外许多地区，我国g i s 基础教育起步较晚。计算机及网络技术在中 学地理教学中的应用目前还是以教师操作计算机进行大屏幕演示为主。作为一 种高级的演示手段，计算机可以解决传统教学手段难以解决的地理教学动画演 示问题，也可以帮助教师解决地理图像和板书的管理和快速调用问题。这种地 理教学软件的最初形式主要是那些具有线性关系的教学软件，如各种练习和测 试软件，答案是唯一的、确定的，具有严格的线性关系，教学过程容易控制并 能通过及时反馈改进学习成果；在计算机辅助教学应用的初期或者在我国传统 课堂教学模式的背景下，这是一种切合实际的应用方式。之后有较为开放结构 的游戏类软件，主要针对那些必须经过重复性的学习过程才能掌握的或者枯燥 单调抽象的学习内容如概念、地点、词组、公式等等，将它们编写成游戏，寓 教于乐，动静结合，主要目的在于激发学习兴趣。这在国内地理教学软件的制 作中非常的普遍，通常是由教师自己完成，在这两种形式的教学软件的设计中， 我们通过问卷调查又以第一种为最普遍。使用这样的教学软件往往又存在一些 问题，比如：多媒体课件沦为地理教学的新板书：而对于游戏性的地理教学软 件来说，很多地理老师感觉有些力不从心，再有就是现在这些商业化的软件并 非专业的教学软件，与实际的教学也有脱节。为传播g i s 知识和文化，改变 我国中小学g i s 普及教育的落后状态，2 0 0 0 年e s 砌公司将k - 1 2 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，e s r i 公司向这 些学校免费赠送a r c v i e w 学校和图书馆软件包( a r c v i e wf o rs c h o o la n dl i b r a r i e s b u n d l e ) 。 国家教育部在2 0 0 3 年的新一轮课程改革中将g i s 纳入高中地理课程，但是我 国还没有象e s r i 一样自主研发出专门用语基础教育阶段的g i s 软件平台。不 过，国内一些教育机构、研发部门已经开始关注和努力。北京清华大学同方教 育技术研究院地理教育技术研究所开发的“清华同方电子教学地图编辑系统” 中的“教学地图编辑平台”就是一种可以运用地图进行操作的教学平台。它具 有g i s 软件的许多直观操作功能。但开发者知识按照地图和普通辅助教学的需 要设计，操作者需要掌握g i s 和多媒体工具软件操作技能，所以它只能是讲授 普通地理知识的地图教学平台，称不上真正的g i s 教学平台。另外，北京超图 公司在2 0 0 3 年8 月举办首届地理信息系统专业教育研讨会上想与会代表赠送 s u p c r m a pe d i t o r 。 2 4g i s 引入到地理教学中的可行性分析 2 4 1 地理学发展需要 2 4 1 1 现代地理学的发展 美国m r t 的多媒体实验室主任n i c h o l a sn e g r o p o n t e ( 1 9 9 5 ) 指出，信息社 会的基本要素不是原子而是比特。比特作为信息的d n a ，正迅速取代原子而成 为人类社会的基本要素，“信息高速公路的普及”和“瞬息万变”是信息社会的 标志o 【6 1 。为了适应当今和未来社会的要求，必须建立起一套新的以信息能力 和创新能力为基础的基本技能培养体系，培养学生从主要记忆信息到主动检索、 应用和创新信息。自从1 9 9 5 年美国提出“数字地球”( d i g i t a le a r t h ) 后，“数字 城市”、“电子政府”，“数字省”等词汇也应运而生。各国、各级政府也加大了 对数字化系统工程的投入。作为数字地球核心技术之一的地理信息系统，其开 发和应用在全球掀起了又一个高潮。多媒体技术和网络技术发展使学生有可能 从多种渠道获得多种地理信息。当前，电子地图、网络地图已开始在人们的日 常生活中得到推广使用，如生活中随处可见的触摸屏电子地图、因特网上经常 见到的各类电子地图等。电子地图进入中学地理课堂，让学生操作电子地图， 学会浏览、分析电子地图，这是数字化时代、网络时代对地理教学呼唤。因此， g i s 技术应用于教学，为学生开辟一条学习地理知识以及其它学科知识的 新途径。2 1 世纪是信息的社会，面对大量复杂的地理信息，学生可以通过计 算机网络系统自行学习、探讨地理知识。从这个意义上讲，将g i s 技术应用于 地理教学中是完全必要的。 地理学分支众多，涉及范围很广，与其他自然科学、社会科学相比，具有 区域性与综合性两大突出特征。地球表面自然现象与人文现象空间不均，决定 了地理学研究的区域性；地球表面是一个多要素相互作用的综合体，各种地理要 素的相互作用，决定了地理学研究的综合性。现代地理学不仅涉及多种自然、 人文现象，而且更注重技术知识和多学科的科学研究成果在地理学中的综合运 。汤国安等a r c v i e w 地理信息系统空间分析方法l m j 北京：科学出版社，2 0 0 2 1 0 用，以及遥感、自动制图、计算机技术等多种方法去解决地理问题的综合能力。 因此，地理学研究很难像数学那样抽象，很难像物理学、化学或生物学那样进 行一定条件下的实验，而必须“通过对一个个具有独特特征的区域进行综合考 察和研究之后，才能去洞察和透视整个地域的空间结构，才有可能获取到某些 一般性规律”。o 吲随着现代信息技术的发展，由遥感( r s ) 、全球定位系统 ( 6 p s ) 、地理信息系统( o l s ) 、数字传输网络等组成的地理信息技术日益成熟， 为地理学研究从定性描述走向定量分析，从单系统走向复杂系统的研究提供了 一个现代化的工具，由此也产生了一门新兴的交叉学科一地理信息科学 【8 】地 理信息技术的出现对地理基本思想产生了重大冲击，随着世界各国经济建设的 迅速发展，g i s 应用的范围越来越广泛，作用越来越大，在众多的领域中己取 得了良好的经济效益和社会效益。g i s 在经济建设中的重要性日益增强，必然 要求中学地理课程增加g i s 技术内容，学习g i s 技术内容不可避免地在教学手 段上要应用g i s 技术。所以，现代地理学的发展，促使中学地理课程，必须在 现代地理学理论的指导下，对教学内容和教学方法作出相应的调整。 信息时代的到来，为地理教学带来了大量的各种各样的信息与资料，单 靠传统的处理信息方法己无法适应。而把g i s 引入中学地理教学，为改变落后 的地理教学方式提供了契机，为地理学科更加方便、快速、准确地进行教学承 担了良好的信息载体的作用。“g i s 的出现使目前的地理研究和 教学正在逐步地由信息贫乏向信息过剩过度，地理研究的工作重点 也在由获取信息向信息的加工转变，我们地理教师应该将这一基本地 理观念的变革贯彻在地理教学之中， 【9 】 2 4 2 中学地理教学发展的需要 全日制义务教育地理课程标准( 实验稿) 第三部分“内容标准”的地图部 分，第五条标准：“知道电子地图、遥感图像等在生产、生活中的用途”，要求 学生知道电子地图光盘、公共场所设置的电子查询系统、电视天气预报节目中 m 黄杳元等地理信息系统概论f m ) 北京：高等教育出版社，2 0 0 1 铡光运、韩丽斌电子地图技术与应用汇m j 北京：侧绘出版社，1 9 9 6 。秦其明等a r c v i c 二地理信息系统实用教程仁m ) 北京：北京大学出版社，2 0 0 1 1 1 的卫星云图等在日常生活中的应用。在第四部分“实施建议”的教学建议中， 强调要“重视地理教学信息资源和教学媒体的利用”，建议：“在有条件的地方， 积极利用地理信息资源和信息技术手段优化和丰富地理教学，提高学习效率”。 虽然义务教育地理课程标准没有明确提到g i s 这个概念，但其中所说的电子地 图就是g i s 应用的一种表现，而遥感更是一个与g i s 密切相关的概念，是g i s 中地理信息数据的主要来源。 2 0 0 3 年由国家教育部制定的普通高中地理课程标准( 实验) 基本理念 之四“强调信息技术在地理学习中的应用。要充分考虑信息技术对地理教学的 影响，营造有利于学生形成地理信息意识和能力的教学环境”。并且在教学建议 中同样强调要重视地理教学信息资源和信息技术的利用：“信息能力不仅是学生 学习能力的一部分，也是学生未来生活能力的组成。因此，强调在有条件的地 方运用信息技术进行教学，不只是为了提高教师的教学效率和教学能力，更重 要的是为了培养学生的信息意识和信息能力”，“在有条件的地方，要积极利用 网络中的地理信息资源、电子地图和信息技术优化地理教学，o 现行人教版高中地理教材全日制普通高级中学教科书( 选修) 地理( 第二 册) ，在我国第一次以1 节课的篇幅介绍了地理信息系统( g i s ) 、遥感( r s ) 、全 球定位系统( g p s ) 等内容( 中国国土整治与区域发展单元第二节“现代化技 术在国土整治中的应用”) 。上海市2 0 0 3 年版的高中地理教材以专题的形式将 g i s 引入教材。并在教材的其他内容中也渗透g i s 应用，比较高要求地提出g i s 的教学目标。2 0 0 1 年下半年开始启动的新一轮国家基础教育改革中，更是历史 性地以政府文件的形式将g i s 纳入高中课程体系，在地理课程中设置了g i s 的 必修内容，并在七个选修模块中设置了以g i s 为主的地理信息技术应用选 修课程。 教学内容上引入g i s 等的知识，使中学广大师生得以有机会接触、了解现 代地理学的前沿领域知识，同时为g i s 作为教育技术手段用于地理教学，改善 地图显示效果，培养学生地理空间分析能力提供了契机。如现行高中教材c 人教 版忡，以香港地理信息系统( 实为香港电子地图集) 为例说明g i s 能够方便地进 行的地理信息查询。在具备条件的情况下，可以用一些带有g i s 功能的电子地 图作演示、或让学生动手操作，或上因特网，用网上众多电子地图帮助学生理 解所学地理知识。依此类推，在其他教学内容中，也可以利用相关的电子地图 集、w e b g i s 地图辅助地理教学。 第三章地理教学软件需求分析 3 1 现阶段地理教学软件存在的问题 3 1 1 g i s 软件直接用于地理教学软件的问题( 以a r o i i a p 为例) 第一，数据要求精确，普及率低 a r c m a p 软件处理的地理“信息”，表现为栅格数据和矢量数据两种格式。在 中学地理教学中，大多数处理的是矢量数据。所谓矢量数据，是指具有具体的( x ， y ) 坐标的数据。这就要求在作图的过程中，要有精确的地理数据。如制作图8 专题地图，就需要有中国各个省区人口的统计数据。而如果想得到精确的地理 “数据”，有的时候就要花大量的钱去购买“数据”。这使a r c m a p 在一些中学， 特别是在贫困山区的中学地理教学中，其应用受到了一定的限制，造成目前地理 信息专业作图软件在中学地理教学上普及率低。 第二，软件操作需要专业人员，大众化程度低 最新发布的a r c g i s 8 3 。具有a r c c a t a l o g 、a r c m a p 、a r c t o o l b o x3 个功能模块的 功能。a r c m a p 主要实现地图的编辑和输出功能。要完成地图的输出，还需要a r c c a t a l o g 的数据库建立、管理( 地理数据的修改和飘除) 等的功能实现，另外 a r c t o o l b o x 主要是可以实现不同格式的文件进行数据转换的功能。因此，无论是 软件的安装，还是软件各个功能的操作，都需要专业的人员。目前中学地理教师能 熟练操作g i s 专业作图软件的为数不多，造成软件的大众化程度低。 第三，软件数字化过程耗时长，使用率低 地图数字化可以通过手扶跟踪数字化和数字化仪两种方式来实现。对于中学 地理所用的图来讲，主要是通过手扶跟踪数字化的方法，来完成地图的矢量化。这 个过程需要数字化员认真仔细地对地图上的所有点、线和面的地物进行描绘， 所以是耗时最长的环节，也是一项艰苦的工作。对于目前中学地理教师来讲，上一 节课的内容，如果采用a r c m a p 作为制图的软件，即使要求数字化的要素很少，数 字化的过程耗时也要一天左右。数字化完成后还需要进行空间分析、专题图的 制作等，加上备课的时间，这样一节课至少也要3 天左右。这对于目前中学地理教 师来讲，工作量很重，因此大部分中学地理教师，宁愿选择其他的直观性教学的方 法从而造成g i s 的专业作图软件使用率很低。 1 4 3 2 中学地理教师制作地理教学课件的优势与劣势 3 。2 1 中学地理教师制作地理课件的优势 首先，制作的软件或课件能紧扣地理教学大纲，联系教材内容。教师在教学 中，对教学大纲的要求和内容是十分熟悉的，对教材的研究也是比较透彻的， 写出的脚本和制作出的教学软件和课件是按照教学大纲和教材编写和制作，往 往以课时为单位，按教学过程安排教学步骤。所以上课时，教学课件的使用也 就比较得心应手。 其次，教学课件针对性强，难易适度。不同年级学生，对地理知识的理解方式存 在着差异。初中学生年龄较小，以形象思维为主，教学课件应突出直观性，力求简 单明了，化难为易；多与动画、影视、声音、文字等结合，利于吸引学生的学习兴 趣以便进入学习佳境。高中学生抽象思维明显增强，在阐明某一地理现象特点、 形成、分布变化规律方面时，则在条理性、系统性和说理性方面加强引导，调动学 生的积极思维与探索精神。 再次，在把握突出重点，突破难点方面比较恰当。由于地理教师对教材研究比较 透彻，知道教材中哪一部分是重点，哪一部分是难点，哪一部分既是重点又是难点， 所以在编写脚本和制作教学课件的过程中能做到重点突出，并选择难点的突破 方法和步骤。例如，可以通过多层次多种形式出现某重点内容，既不造成有重复出 现的感觉，又达到强化学生记忆的教学目的。 3 2 2 中学地理教师制作地理教学课件的劣势 从目前的状况来看，会使用课件的地理教师较多，能制作教学课件的少。其主要 原因有以下几个方面：首先，大部分地理教师对计算机使用还是处于初级阶段，对 计算机技术掌握不多，对一些多媒体制作软件工具不会使用，难以制作出品位较 高的教学软件和课件来。在制作技术与技巧交互性和作品的流畅性都不及专业 人员。在学校地理教师制作课件往往需求助计算机教师的帮助，尤其是对于动画 的制作。， 其次，教育经费普遍投入不足，大部分学校尚未配置多媒体计算机专用教室，更 不用说多媒体设施进入每个教室教师家庭计算机普及率还不是很高。这就造 成许多教师很少有机会接触到计算机，甚至对脚本的写作也无所适从。 再次，课件制作耗费的精力过大耗时过长。往往一课时的课件，从资料的收集整 理、脚本的写作、课件的制作与修改，需要投入大量的时间与精力才能完成，由于 素材缺乏难以收集不仅使课件制作耗时过大，而且造成课件选题的局限性，制作 的课件难以令人满意。 3 3 调查需求表格选取与分析 为了了解当前中学地理教学软件的使用现状以及地理教师和学生对软件的期 望程度等问题，笔者进行了一次随机抽样问卷调查。这次调查分别针对地理教师 和学生的不同情况，设计了两份问卷：针对学生的调查问卷8 4 0 份，收回有效问卷 8 0 0 份，有效率约为9 5 ；针对地理老师的问卷3 8 份，收回有效问卷3 3 份，有效率 为8 7 。调查的范围是随机选取的四川省的成都市和乐山市辖区内共9 所中学， 这些学校包括了国家级示范性高中、省市重点中学以及几所普通中学，被调查的 对象包括了从初中一年级到高三年级的学生和地理任课老师。调查表格见( 附 录1 、附录2 ) 3 3 1 中学地理教学软件的市场需求状况分析。 ( 1 ) 学校教学硬件的支持 通过调查我们发现，随着各个学校规模的扩大和现代化教学设施的更新，绝大 多数学校的多媒体设施配置都达到了一定的水平，因此上开展多媒体教学有着 客观上的物质支持。但是通过调查，我们发现现阶段地理教学中最常使用的教学 用具按使用的经常性排序依次为板书板画、挂图、幻灯或投影、多媒体课件。 不难看出，传统的、原始的板书板画，挂图加口授的地理教学方式仍然占据着主流 的地位，而基于计算机的多媒体辅助教学的使用状况并不是很理想。这与前面所 分析的教师的年龄和所掌握的计算机相关水平有着密切的联系。也就是教师很 。魏燕，山西师大学报( 社会科学版) 研究生论文专刊第3 3 卷2 0 0 6 年9 月2 0 2 - 2 0 4 1 6 多是有使用多媒体教学工具的愿望，但是很多教师的多媒体课件的制作水平有 限，因而需要一种操作更为简单的教学工具来满足希望较少计算机知识的中学 教师。 ( 2 ) 经过对学生调查表的分析，学生普遍认为课堂中多媒体有助于他们的学习 和理解。 课堂学习中学生希望教师采用的辅助教学媒介( 见表1 ) 表1 学生希望教师采用的教学媒介 学生期望板书板图挂图 投影 视频电脑多媒 教学媒介体 比例( )2 1 12 3 82 4 56 0 o7 6 5 数据表明，学生越来越倾向于有着更多信息表达的电脑多媒体进入课堂，现 代化的多媒体教学是受到学习者的广泛欢迎的，同时，教师也认为多媒体教学课 比起常规课来说有着许多的优点，在调查过程中，学生们普遍认为：日常中所使 用的数字、文字、音频、视频、图形、图像、动画这些多媒体的信息储存量大， 在学习过程这些红，可以比传统的教学获得更多的信息。同时，在音频、视频 和具有典型地理特色的地图和图片的参与下，能够多方面的刺激学生的感官， 提高学生的学习兴趣和注意里，降低思维的难度，加深记亿，增进对知识的理 解，使知识的理解变得浅显易懂，直观形象，有些动画的展示也是传统的教学 手段所无法达到的。而地图是地理学科的一种语言，使用各种各样的电子地图 进行分析也是传统教学手段不能达到的。再加上g i $ 对地图的分析，让学生自 己对数据分析得出结论更是传统的教学手段无法完成的。 ( 3 ) 目前的地理多媒体教学的应用状况调查 针对这个问题，我们主要从三个方面进行了调查：第一，学校的硬件设施问 题；第二，制作教学课件的技术问题i 第三，课堂的教学内容方面。从收回的 调查表格统计主要得出以下的结果：( 见表2 ) 表2 地理多媒体教学未被普遍采用的原因 1 7 因素