基于GIS技術(shù)的“綜合自然地理學(xué)”教學(xué)探討

基：GIS技術(shù)的“綜合自然地理學(xué)”教學(xué)探討［摘要］“綜合自然地理學(xué)"教學(xué)存在過于注重文字知識(shí)、缺乏圖件資料、課程實(shí)踐較為困難的問題。以涉地理本科專業(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(shì)，從教學(xué)內(nèi)容具體化、教學(xué)方法多樣化、教學(xué)實(shí)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(kù)管理、空間分析、空間建模、空間模擬及預(yù)測(cè)等技術(shù)，通過構(gòu)建GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS輔助專題圖集、虛擬自然地理場(chǎng)景及制定典型理論知識(shí)的GIS教學(xué)實(shí)踐方案等，改變宏觀尺度上綜合性知識(shí)教師難講授、學(xué)生難掌握的現(xiàn)狀,對(duì)培養(yǎng)新時(shí)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(chǎng)景—、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)0利用綜合的理論與方法、綜合的研究實(shí)踐，解決綜合性的復(fù)雜問題［1-3］o該學(xué)科涉及的理論知識(shí)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(shí)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-勺。充分利用現(xiàn)代空間信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，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(duì)改變宏觀尺度上綜合性知識(shí)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(shí)代地理類人才具有重要的意義［5］o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(duì)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐理解時(shí)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(guó)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(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的改革,學(xué)生仍知其然，不知其所以然,即對(duì)地理現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理和過程存在認(rèn)識(shí)上的模糊。地理信息系統(tǒng)(GIS，GeographicInformationSystem)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(guó)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(huì)化方向邁進(jìn)［7］oGIS技術(shù)以整個(gè)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(duì)象，具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(duì)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(chǎng)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(cè)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(shí)習(xí)之不足；用高效的空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理能力建設(shè)綜合自然地理學(xué)教學(xué)資源庫(kù)，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(shì)，降低綜合自然地理學(xué)的教學(xué)難度和學(xué)生對(duì)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(guó)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(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)等方法,提出了課程教學(xué)改革的舉措,對(duì)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(shí)踐內(nèi)容，使學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握地域分異、自然區(qū)劃和分區(qū)評(píng)價(jià)、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(shí)，并懂得如何綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)開展實(shí)踐操作，對(duì)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(shí)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(shí)、缺乏圖件資料、課程實(shí)踐內(nèi)容欠缺的現(xiàn)狀為目標(biāo)，以G地理行業(yè)的本科生培養(yǎng)需求為指向，通過對(duì)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(kù)、GIS輔助專題圖集、虛擬自然地理場(chǎng)景及配套GIS教學(xué)技術(shù)實(shí)踐，更新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)踐內(nèi)容。針對(duì)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(jì)基于GIS技術(shù)的實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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-44]o針對(duì)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(jì)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(shí)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)展皿43有學(xué)者結(jié)合自己的科研項(xiàng)目，系統(tǒng)講解部分內(nèi)容，通過理論和實(shí)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-峋。可見,依據(jù)地理類本科生培養(yǎng)計(jì)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?；贕IS技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)自然地理環(huán)境因子時(shí)空連續(xù)化、精細(xì)化的空間模擬與預(yù)測(cè)，該模擬與預(yù)測(cè)結(jié)果可在可視化良好、易于理解的立體場(chǎng)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(gè)方面:在自然地理環(huán)境整體性理論闡述時(shí)，基于GIS技術(shù)手段模擬太陽總輻射場(chǎng)并疊加地形地貌場(chǎng)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(chǎng)，根據(jù)地表熱量帶識(shí)別模型,建立精細(xì)化的地表熱量帶分布場(chǎng),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(chǎng)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(chǎng)、積溫場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)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(shí)別模型，建立植被垂直分布場(chǎng)，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0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(DigitalElevationModel,DEM)的山地地形地貌場(chǎng)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(cè)與評(píng)價(jià)項(xiàng)目實(shí)施過程與項(xiàng)目成果融入課程教學(xué)內(nèi)容中0教授學(xué)生土地、土地分類、土地評(píng)價(jià)、土地利用變化監(jiān)測(cè)及驅(qū)動(dòng)力研究等方面的概念及其階段結(jié)果中蘊(yùn)含的不同時(shí)空尺度上的理論知識(shí)。四、 教學(xué)方法的多樣化教學(xué)方法的選擇對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有很大的影響。針對(duì)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(dòng)學(xué)生課內(nèi)外的積極性W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(dòng)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(duì)具體的內(nèi)容設(shè)計(jì)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(gè)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(kù)，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(jì)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(chǎng)；以氣溫為例，使用時(shí)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(chǎng)，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(cè)教學(xué);選取典型重點(diǎn)內(nèi)容，分別設(shè)計(jì)GIS案例分析方案，形成專題技術(shù)路線，如基于太陽輻射場(chǎng)的熱力分帶、基于氣溫場(chǎng)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(shí)踐的虛擬化實(shí)踐教學(xué)對(duì)于幫助和加深學(xué)生對(duì)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(shí)地進(jìn)行實(shí)踐觀察，學(xué)者們往往根據(jù)所在團(tuán)隊(duì)相關(guān)科研成果，以案例教學(xué)的形式，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生科研思維3然而,因教師不同、教學(xué)內(nèi)容不同，這種實(shí)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(shí)踐環(huán)節(jié)，狠抓基地建設(shè)，但基地的實(shí)踐僅能幫助學(xué)生掌握區(qū)域理論與知識(shí)，且基地的建設(shè)耗時(shí)耗力，困難重重-15基于GIS的虛擬地理場(chǎng)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(chǎng)景，構(gòu)建可共享的課程實(shí)踐數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)可通用課程實(shí)踐方案，配以統(tǒng)一的實(shí)踐指導(dǎo)書，從而實(shí)現(xiàn)課程實(shí)踐方面的改革。實(shí)踐方案制定時(shí),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(jì)虛擬模擬的場(chǎng)景及構(gòu)建通用數(shù)據(jù)庫(kù)。以自然地理的地域分異為例,實(shí)踐方案可基于遙感和GIS技術(shù)反演、同化技術(shù)構(gòu)建時(shí)空連續(xù)化分布的氣象因子場(chǎng)，建立氣象因子專題數(shù)據(jù)庫(kù)，然后與地形地貌疊加顯示為立體效果的氣象分布場(chǎng)景0進(jìn)而設(shè)計(jì)地帶性、非地帶性地理規(guī)律的實(shí)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(chǎng)景中可了解或掌握地帶性及非地帶性理論,同時(shí)又能回顧GIS空間分析中的空間建模、空間預(yù)測(cè)、空間制圖等方面的技術(shù)方法。又如綜合性知識(shí)的實(shí)習(xí),可選取某個(gè)自然保護(hù)區(qū)作為實(shí)踐應(yīng)用區(qū)域，建立該自然保護(hù)區(qū)背景數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合GIS信息數(shù)據(jù)、遙感影像、已有圖件資料，設(shè)計(jì)其遙感調(diào)查實(shí)踐方案及多年保護(hù)成效評(píng)估實(shí)踐方案。學(xué)生在加深對(duì)自然資源保護(hù)、景觀結(jié)構(gòu)分析、生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、土地利用及變化監(jiān)測(cè)、人地關(guān)系等方面的綜合理解時(shí)，同時(shí)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(cè)、評(píng)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(guó)土、生態(tài)、生物多樣性等行業(yè)領(lǐng)域中，并推動(dòng)了這些行業(yè)向數(shù)字化、精準(zhǔn)化、時(shí)空化方向不斷發(fā)展,對(duì)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(shí)踐活動(dòng)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