基于地理大數(shù)據(jù)的高中地理教學(xué)實踐探索

《普通高中地理課程標(biāo)準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標(biāo)準”）提出“利用地理信息技術(shù)，營造直觀、實時、生動的地理教學(xué)環(huán)境”的理念[1]。近年來，機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)以及人工智能技術(shù)被遷移并應(yīng)用到地理學(xué)領(lǐng)域，給地理學(xué)研究的融合創(chuàng)新帶來新機遇和新挑戰(zhàn)[2]。在高中地理課堂教學(xué)中，利用人工智能技術(shù)將數(shù)據(jù)融入地理信息系統(tǒng)，可以使學(xué)生在真實的地理學(xué)術(shù)情境或生活情境中探索地理規(guī)律，促進他們地理核心素養(yǎng)的形成，對推動高中地理教學(xué)發(fā)展有著重要意義。城市是一個高度復(fù)雜的空間系統(tǒng)。隨著人工智能技術(shù)的成熟運用，人們對城市空間認知的廣度與深度都有了進一步的提高，精度高且覆蓋廣的地理時空大數(shù)據(jù)為城市空間研究帶來了全新的發(fā)展方向[3]。城市地理大數(shù)據(jù)是針對地理實體及現(xiàn)象在時間、空間、屬性三個維度的“超”覆蓋樣本的集合，有粒度細、密度高、范圍大的特點。城市大數(shù)據(jù)能夠有效覆蓋城市發(fā)展的時空變化規(guī)律，有利于合理分析城市功能布局和規(guī)劃，與中學(xué)人文地理區(qū)位教學(xué)相契合[4]。因此，將地理大數(shù)據(jù)融入地理課堂可從更多的角度支撐人文地理區(qū)位教學(xué)，使其教學(xué)模式得到進一步優(yōu)化。基于此，本文以北京市二環(huán)內(nèi)的商業(yè)性服務(wù)業(yè)（餐飲業(yè)）與非商業(yè)性服務(wù)業(yè)（公立學(xué)校）為例，探討基于多源城市大數(shù)據(jù)與人文地理服務(wù)業(yè)區(qū)位因素的教學(xué)融合。一、地理大數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理在人工智能背景下，我們可以獲取多種地理大數(shù)據(jù)，并進行分析和制圖。城市大數(shù)據(jù)主要包括遙感衛(wèi)星、無人機、街景圖片等獲得的對地觀測大數(shù)據(jù)以及手機信令數(shù)據(jù)、POI（PointofInterest）數(shù)據(jù)、OSM（OpenStreetMap）數(shù)據(jù)等人類活動大數(shù)據(jù)，可以為城市地理學(xué)與經(jīng)濟地理學(xué)提供有力的數(shù)據(jù)支持[5]。本次數(shù)據(jù)分析技術(shù)主要采用GIS（GeographicInformationSystem）制圖軟件和Python編碼，坐標(biāo)系指定為“GCS_WGS_1984”，從較大的空間尺度和較小的空間尺度分別制圖，各個圖幅中均含有圖例、比例尺與指北針。各類城市大數(shù)據(jù)的獲取來源與數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟不同，如圖1所示。其中，夜光遙感影像能在夜間探測到城市燈光、車流與居民地的低強度燈光，從而有效地表現(xiàn)人類活動強度，成為城市建成區(qū)提取、城市發(fā)展分析的重要數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以直接從武漢大學(xué)珞珈一號網(wǎng)站上選取區(qū)域免費下載。POI數(shù)據(jù)一般包含名稱、類別、經(jīng)緯度和地址信息。通過Python編碼，我們可以利用爬蟲工具從目前常用的電子地圖軟件中獲取研究區(qū)域的POI數(shù)據(jù)。在刪除重復(fù)、無效和錯誤的數(shù)據(jù)后，我們便可將這些數(shù)據(jù)疊加到底圖上，進行制圖以及核密度分析[6]。街景圖片數(shù)據(jù)可以為用戶提供城市、街道或其他環(huán)境的360度全景圖像，用戶可以通過該服務(wù)獲得身臨其境的地圖瀏覽體驗。該數(shù)據(jù)可以計算出所在位置某個方向上的各類城市景觀占比情況，其中建筑物的占比情況代表了人流量與城市的活躍度。房價數(shù)據(jù)同樣可以利用Python工具從相關(guān)租房信息網(wǎng)站獲取。小區(qū)房價數(shù)據(jù)在一定程度上表征了該地區(qū)的地租信息和土地價格信息。獲取這類數(shù)據(jù)后，我們需要刪除其中的冗余信息并匹配對應(yīng)的小區(qū)。手機信令數(shù)據(jù)能夠通過城市內(nèi)部建立的基站塔記錄用戶的活動信息。作為一個固定的傳感器，每一個基站塔不斷捕捉用戶的日常行為信息。這些信息表征了該地區(qū)手機用戶的活躍情況。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括北京市二環(huán)內(nèi)的水域、綠地、道路、地塊等數(shù)據(jù)。在這些數(shù)據(jù)中，道路數(shù)據(jù)能夠反映該區(qū)域的交通通達性。通過應(yīng)用空間句法算法，我們可以計算出各道路的步行指數(shù)。該指數(shù)值越高，表明交通越便捷。二、基于地理大數(shù)據(jù)輔助教學(xué)實踐案例在傳統(tǒng)的人文地理教學(xué)中，產(chǎn)業(yè)區(qū)位的教學(xué)往往以實際的案例為背景，教師依據(jù)具體的圖文資料，指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗歸納區(qū)位因素，并進行知識講解。但是在此教學(xué)模式下，區(qū)位因素分析對象的情境案例往往僅用于課堂導(dǎo)入或者知識舉例環(huán)節(jié)，并沒有貫穿整節(jié)課堂。這不僅削弱了課堂的邏輯推理性，而且由此得出的結(jié)論較宏觀，與解決實際問題為導(dǎo)向的素養(yǎng)教育理念不符。因此，本文結(jié)合課程標(biāo)準與多源城市大數(shù)據(jù)的特點，將地理課堂教學(xué)劃分為三個環(huán)節(jié)，并針對實際的硬件軟件操作條件進行詳細設(shè)計：課前，學(xué)生分組搜集各類城市大數(shù)據(jù)，了解大數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，并在教師指導(dǎo)下進行專題地圖制作；課中，學(xué)生基于真實的專題地圖，從不同空間尺度分析商業(yè)性和非商業(yè)性服務(wù)業(yè)布局的區(qū)位因素，了解服務(wù)業(yè)區(qū)位因素的變化；課后，學(xué)生實地考察店鋪，并完成調(diào)研報告。（一）教學(xué)分析【課程標(biāo)準】所依據(jù)的課程標(biāo)準內(nèi)容要求是“結(jié)合實例，說明服務(wù)業(yè)的區(qū)位因素”和“通過探究有關(guān)人文地理問題，了解地理信息技術(shù)的應(yīng)用”。【教學(xué)目標(biāo)】學(xué)生在課前地理實踐操作中，分組收集夜光遙感數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)、街景圖片數(shù)據(jù)、房價數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，處理學(xué)習(xí)和掌握地理信息技術(shù)相關(guān)能力（地理實踐力）。學(xué)生通過多源城市大數(shù)據(jù)可視化地圖，探究北京市餐飲業(yè)和學(xué)校的分布格局，總結(jié)商業(yè)性服務(wù)業(yè)和非商業(yè)性服務(wù)業(yè)的空間格局特征，說明其影響因素（綜合思維、區(qū)域認知）。學(xué)生通過讀圖探究服務(wù)業(yè)區(qū)位因素的變化，感受這種變化與人類活動的關(guān)系（人地協(xié)調(diào)觀）?！窘虒W(xué)重點】說明商業(yè)性服務(wù)業(yè)與非商業(yè)性服務(wù)業(yè)的區(qū)位因素?！窘虒W(xué)難點】基于地理信息技術(shù)總結(jié)服務(wù)業(yè)的區(qū)位因素?！窘虒W(xué)工具】Python工具、GIS制圖軟件、幻燈片等。（二）教學(xué)過程1.課前：了解地理信息技術(shù)的應(yīng)用教師根據(jù)數(shù)據(jù)類型將學(xué)生分為六個小組，分別為夜光遙感數(shù)據(jù)組、POI數(shù)據(jù)組、房價數(shù)據(jù)組、街景圖片數(shù)據(jù)組、手機信令數(shù)據(jù)組和OSM數(shù)據(jù)組，以開展課前活動。此舉旨在培養(yǎng)學(xué)生的地理實踐能力，使他們了解地理大數(shù)據(jù)在地理學(xué)學(xué)術(shù)前沿的應(yīng)用，并拓寬其視野。首先，教師講解并演示各類城市大數(shù)據(jù)的收集過程，降低學(xué)生的操作難度。接著，全班學(xué)生分組完成各類數(shù)據(jù)的收集工作，并通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相關(guān)數(shù)據(jù)的原理及其應(yīng)用價值。隨后，教師會對收集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并制作各類空間分布圖與核密度圖，為課堂教學(xué)提供案例資料。該環(huán)節(jié)設(shè)計如表1所示。2.課中：新授“服務(wù)業(yè)區(qū)位因素及其變化”任務(wù)一：描述商業(yè)性與非商業(yè)性服務(wù)業(yè)的空間分布特征學(xué)生首先了解北京市二環(huán)區(qū)域的基本輪廓及基本地理位置，接著閱讀教師提供的該區(qū)域餐飲點分布圖（如圖2）和學(xué)校分布圖（如圖3）。通過對比該區(qū)域餐飲點核密度圖和學(xué)校核密度圖，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下思考商業(yè)性和非商業(yè)性服務(wù)業(yè)在北京市的分布特征差異，并提出自己的研究假設(shè)。教師隨后總結(jié)?！驹O(shè)計意圖】通過學(xué)習(xí)利用地理信息技術(shù)處理數(shù)據(jù)的過程，學(xué)生可以了解制圖的相關(guān)步驟，感受學(xué)術(shù)研究的嚴謹性和科學(xué)性，以此提高興趣和專注度。通過構(gòu)建與學(xué)生生活密切相關(guān)的真實情境，教師可以使學(xué)生對北京市二環(huán)內(nèi)服務(wù)業(yè)的區(qū)位分布及其發(fā)展態(tài)勢有所認識?！炯夹g(shù)助力】利用POI數(shù)據(jù)，學(xué)生可以探究服務(wù)業(yè)的分布格局，總結(jié)其空間特征，并探討影響因素，從而體會服務(wù)業(yè)發(fā)展變化與人類活動之間的聯(lián)系。利用POI數(shù)據(jù)生成的專題地圖和核密度分布圖，有助于學(xué)生理解“地理事物分布—密度大—事物集聚”的思維邏輯，讓學(xué)生在描述地理事物分布格局的過程中，獲取和解讀地理信息的能力得到培養(yǎng)。任務(wù)二：通過疊圖分析探究商業(yè)性服務(wù)業(yè)布局的區(qū)位因素教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗和地圖分析出影響餐飲點分布格局的因素。在總結(jié)歸納學(xué)生列舉的市場、交通、集聚等服務(wù)業(yè)區(qū)位因素后，教師將學(xué)生分為對應(yīng)的三個小組，并為各小組分發(fā)基于多源地理大數(shù)據(jù)生成的各類專題地圖。市場組獲得的是基于居民軌跡數(shù)據(jù)制作的城市活力核密度地圖（如圖4）和基于街景圖片數(shù)據(jù)制作的高層建筑占比圖。交通組獲得的是北京市二環(huán)內(nèi)道路圖和道路步行指數(shù)分布圖。集聚組獲得的是商場核密度圖和夜光遙感影像地圖（如圖5）。各小組學(xué)生將各類專題地圖與餐飲業(yè)密度圖進行圖層疊加，進一步驗證各類區(qū)位因素與餐飲業(yè)分布特征的關(guān)系?！驹O(shè)計意圖】空間性是地理學(xué)科區(qū)別于其他學(xué)科的重要特征。教師分組提供多樣的地理數(shù)據(jù)和地圖，能讓學(xué)生通過疊圖分析感受地理學(xué)科的空間性，理解餐飲業(yè)分布的格局與各個地理要素的關(guān)系，進而培養(yǎng)其綜合思維，展現(xiàn)其地理實踐力。同時，不同的小組設(shè)置能使學(xué)生在小組討論和展示過程中，從多個角度了解區(qū)位因素之間的相互作用及對餐飲業(yè)分布格局的影響?！炯夹g(shù)助力】多源的地理大數(shù)據(jù)能夠保障情境創(chuàng)設(shè)所需素材的真實性和實時性。通過在真實情境中獲取和解讀真實信息，學(xué)生能夠從定性分析到定量分析再到新的定性分析，螺旋上升地解決地理問題。在實踐任務(wù)中，教師利用專題地圖有助于驗證市場（人流量大、建筑密集）、交通（通達度較高）、集聚（如西單商圈和王府井商圈）等區(qū)位要素，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。任務(wù)三：通過尺度變化探究非商業(yè)性服務(wù)業(yè)布局的區(qū)位因素教師展示北京市各街道分布情況及常住人口專題圖、各居住小區(qū)房價專題圖，帶領(lǐng)學(xué)生利用較大的空間尺度分析公立學(xué)校的分布情況，總結(jié)非商業(yè)性服務(wù)業(yè)區(qū)位的差異。隨后，通過展示小空間尺度局部區(qū)域的中小學(xué)分布與周邊小區(qū)、公共交通、道路的關(guān)系圖（如圖6），教師引導(dǎo)學(xué)生歸納出非商業(yè)性服務(wù)業(yè)布局主要考慮被服務(wù)對象的需求與分布，從而驗證非商業(yè)性服務(wù)業(yè)區(qū)位因素的結(jié)論?！驹O(shè)計意圖】地理學(xué)科是關(guān)于空間的學(xué)科，空間尺度變化是地理學(xué)科研究的特殊視角?；诘乩泶髷?shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同空間尺度的專題地圖，小空間尺度的專題地圖更貼近學(xué)生生活，有助于他們在地理實踐中探究非商業(yè)性服務(wù)業(yè)分布與周邊小區(qū)、公共交通、道路的位置關(guān)系，從生活經(jīng)驗概括總結(jié)結(jié)論?！炯夹g(shù)助力】隨著GIS制圖軟件和信息化平臺的普及，教師可以將地理大數(shù)據(jù)從不同的時間空間尺度進行教學(xué)用圖的制作，并融入地理課堂教學(xué)。大空間尺度的專題地圖往往展示宏觀的基本規(guī)律，而小空間尺度的專題地圖能詳細展示更具細節(jié)的地理信息或者特例，使課堂教學(xué)更直觀與生動，提高課堂教學(xué)效率。3.課后：實地考察，完成報告教師要求學(xué)生選擇合適的服務(wù)業(yè)類型，走訪學(xué)校周邊的店鋪進行實地考察，了解不同等級、不同規(guī)模的服務(wù)業(yè)的服務(wù)范圍、服務(wù)人群、人流量以及影響其布局的區(qū)位因素，得出不同店鋪影響其布局的共性和個性因素。另外，學(xué)生需要結(jié)合課程內(nèi)容，針對其中一種類型進行區(qū)位理論分析并提交調(diào)研報告。最后，教師根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)和作業(yè)完成情況對學(xué)生進行評價。三、總結(jié)與反思課程標(biāo)準要求在課堂中要體現(xiàn)地理信息技術(shù)的優(yōu)勢，而日益豐富的城市大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析方法可以用于不同空間尺度的地理制圖。這些數(shù)據(jù)覆蓋面廣，與生活息息相關(guān)，成為解決地理問題的有力工具[7]。將多源城市大數(shù)據(jù)運用于課堂探究，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們從信息化的視角解決地理問題，在讀圖和探究中提高他們的綜合思維與區(qū)域認知核心素養(yǎng)，在制圖與疊圖中提高他們的地理實踐力。該教學(xué)案例選取的素材既來源于學(xué)生生活，又來源于地理學(xué)科前沿，既具備趣味性，又具備科學(xué)性，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)區(qū)位知識。此外，基于人工智能獲取的地理大數(shù)據(jù)來源多樣，能