第1071篇|文献研读|地理教学|运用地理空间技术培养地理空间思维的教学模型构建与实施策略

研究背景

1.《普通高中地理课程标准(2017年版)2020年修订》对于区域认知素养也有明确表达，即“通过高中地理课程的学习，学生要能够形成从空间—区域视角认识地理事物和现象的意识，对地理事物和现象的空间格局有较强的洞察力”。地理空间思维不仅是核心素养培养的内在要求，也是未来生活中必备的关键能力之一。

2.《2016地理教育国际宪章》提出地理学是一门关注空间分异的科学，地理核心能力与空间思维紧密联系，且地理知识和技能当以地理空间技术为媒介时，提供了理解现代世界的独特机会。美国国家研究委员会(NRC)提出地理空间思维是空间思维的一个子集，是组织和理解地球表面地理空间数据的重要思维，其本质在于运用空间概念知识、借助空间表征工具、使用空间推断技能来解决地理空间问题。

地理空间思维要素构成框架

将地理空间思维划分为地理空间定位、地理空间划分、地理空间视觉、地理空间联系、地理空间叠加、地理空间综合等思维过程，它们分别对应地理空间定位、地理空间划分、地理事物特征归纳、地理要素空间关联认知、地理要素时空变化识别、地理事象空间模式的预测等思维能力。地理空间准确定位是其他思维能力训练的基础和前提。

中学GST与地理空间思维的关系模型构建

一、中学GST内涵

地理空间技术框架下的工具涵盖全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)和数字地球(Digital Globes)。其中本文定义的GIS指桌面端GIS和Web GIS。随着网络技术在基础教育领域的普及，Web GIS日益受到关注。其相较于桌面端GIS，Web GIS也可以提供丰富的制图体验，并且可以满足资源需求。数字地球是通过整合海量、多种分辨率、多时相和多类型的地球观测数据及社会经济数据，并结合地球空间建模形成的“虚拟地球软件”，可为学生提供交互式、直观的学习体验，帮助他们深刻理解和探索地球空间的复杂性。RS和GPS的角色通常是为地理课程提供教学支持和内容背景，而非直接作为连接师生教学活动的桥梁。真正在教学活动中需登陆的是可管理与处理地理空间数据的桌面端GIS和Web GIS。此外，“虚拟地球软件”不仅融合了卫星影像技术，还具备灵活的地理空间定位能力，在教学实践中承袭了RS和GPS特性，并与上述二者构成中学地理空间技术。

二、GST与地理空间思维的关系模型构建

GST作为技术媒介提供空间视角，并以其多样的地理空间表征和独特的分析能力，协助进行空间信息获取与认知拓展，从而帮助学生解决地理空间问题，提高地理空间思维水平。

桌面端GIS属于传统地理信息系统软件包，是处理与分析系统，具有检索数据库、空间分析、统计分析、可视化显示等功能。在地理空间思维培养方面，桌面端GIS作为工具来补充和加强大脑认知活动、模拟地理空间环境信息流在人脑中的处理过程。桌面端GIS的智能化地理信息系统实际上是对人的空间认知能力与认知过程的仿真，它以空间地图的形式呈现地理现象，复现中学生在脑海中形成的地理空间认知行为。

较桌面端GIS，Web GIS简化了空间分析和建模功能，且通过电子地图以检查地理空间模式或空间关系，并通过网络连接在线地图，使得地理空间数据易于访问。教师还可以通过对Web GIS进行网页编辑开发，进行个性化界面定制和个人交互学习，实现以地理空间问题链为核心的问题式教学，为地理学习提供互动环境。学生也可以利用Web GIS探索、分析不同地理尺度下的地理空间信息，解决地理问题。

虚拟地球软件的功能包括地理空间的准确快速定位，全球范围的不同时间尺度高清卫星影像获取、叠加、标注以及可添加数据集或叠加不同地图图层等。这些功能使得地理空间分布、地理过程演变能够以动态空间的形式展现，减少复杂文字陈述给学生带来的认知负担，便于学生能够更专注于通过地理空间技术工具来获取地理空间信息、分析地理空间关联，从而提升其地理空间思维。

中学GST培养地理空间思维的教学策略

1.运用多样空间表征方法准确定位，培养地理空间定位思维

空间定位是培养“从空间视角看问题”思维方式和能力的出发点，也是养成从地理事象空间位置关系角度来观察和思考空间问题范式的“锚点”。对于空间定位的培养，教师可从以下两方面展开。一是寻找合适的参照物。例如，通过地理坐标系统或基准地图作为参照物，进行准确定位。二是描述地理事物位置之间的空间拓扑关系(空间中点、线、面实体间的相互关系)，通常从方位、邻接关系入手。例如，借助空间关系描述地理事物相对位置，准确表示空间实体之间的连接方式，实现准确定位。教师要组合GST多样的空间表征，通过寻找合适参照物或描述地理事物的空间拓扑关系，帮助学生完成地理空间定位。

本文以“我国拖拉海河流域的定位”为例，从地理事物的空间拓扑关系入手定位该流域。教师可基于虚拟地球软件(谷歌地球)生成包含河流的拓扑多边形范围，使流域拓扑包含于多边形内，再以图层形式导入，并与高清卫星影像相叠加，通过浏览地球表面空间以准确定位该多边形，确保该流域范围符合预设，完成地理空间准确定位。

2.地理空间尺度划分，归纳地理空间分布规律，培养地理空间划分思维

地理差异性是地理学的基本特征之一。要认知地理空间单元分布格局，需进行区域空间划分，进而概括空间分布规律。首先要进行大尺度地理空间扫描，继而小尺度聚焦细节，再通过划区对地理事象分布格局进行识别、分析和归纳。这一过程可通过桌面端GIS中的矢量化分割功能来实现，即将地物按照不同类型划分，将各种事物所表达的空间信息进行分割得到空间单元，并为不同空间单元事物赋予其自身独特的属性。

以“拖拉海河流域的风沙地貌”为例，风力强弱导致碎屑物质在空间中堆积形成不同类型的地物单元，教师可对原始区域空间按规则进行矢量化划分，并赋予相应属性，使学生领会该区域沙丘、平沙地等地貌类型的边界是如何划分的，它们在区域空间上又是如何组合，构成该区域风沙地貌的空间格局。

3.平面与立体地图组合呈现，刻画地理事物特征，培养地理空间视觉思维

为了更真实、全面地描述地理事物，教师可考虑借助GST制作三维表征，协助学生描述和理解地理事物在不同维度上的特征，具体路径如下。一是同时采用二维和三维表征模拟地理事物特征，使学生感知事物在平面和立体方向上的特征；二是呈现事物从二维转换为三维表征的转换过程，让学生感受地理事物特征表达的空间优化过程。

4.地图关联呈现，认知地理事物空间联系，培养地理空间联系思维

地理要素存在空间相互作用，进而产生复杂的空间联系，包含要素间能量、物质流在空间中交换引起的“因果”相关。地理事物自身由于分异规律、联系效应会表现为空间聚集或分散，即要素自身空间分布存在“自相关”。教师可借助GST全面的空间表征和独特的空间统计分析能力来培养学生这两种空间联系的思考范式。其中对于要素间的联系，建议教师使用Web GIS呈现多幅在线地图关联的方式，引导学生领会不同地理要素属性在空间中存在的“正负相关”情况。

5.地理要素叠加分析，呈现要素时空变化，培养地理空间叠加思维

叠加分析是刻画时空交织下地理事象演化过程的手段，常用于探寻地理事象因果关系，揭示地理空间过程及格局变化的耦合动力机制。基于GST的空间数据叠加能力，教师可以将动态的时空变化情况清晰反映。其中，对于通过地图叠加来透视时空格局变化的，教师可借助虚拟地球软件中的时间轴追溯不同时间序列的卫星影像，借助“标注”功能梳理出随时间发展的地表空间范围演变情况，帮助学生感知地理事象的时空变化。当涉及多种复杂地理要素时，地图叠加难以对其进行有效组织，为防止学生凭感觉曲解地理事象时空过程，教师需运用桌面端GIS进行叠合分析，通过算法生成表征而非肉眼感知，解决复杂问题、保证事象时空变化呈现的准确性，从而帮助学生从“感知”时空变化层面深入到“理解”变化水平，提高学生地理空间叠加思维。

6.综合组织地理空间信息，归纳空间模式，培养地理空间综合思维

缓冲区分析作为地理空间分析手段，可实现地理事物影响范围可视化。教师可运用缓冲区空间分析手段，创建地理事物在特定地点对周围空间环境的影响范围，为学生理解某区域空间中地理事件变化方向提供量化支持，进而为地理空间规划、空间结构优化、空间发展决策等问题解决提供关键空间信息。

例如，教师可运用桌面端GIS来组织空间中的地理要素(居民小区、工厂、河流)，利用缓冲区空间工具分析河流水源供给对居民小区、工厂等要素的影响范围，帮助学生识别该区域的地理空间发展模式，进行预测未来城市规划。结合缓冲区分析，教师帮助学生综合认识地理事象的规律，以及地理事物的距离与范围的空间效应，科学预测区域未来的发展趋势。这一过程培养了学生的地理空间综合思维。

小编说

该文章题目为《运用地理空间技术培养地理空间思维的教学模型构建与实施策略》，于2024年发表在《地理教学》期刊。

本文在阐释地理空间思维内涵的基础上，结合中学地理空间技术功能与优势，探讨了如何利用地理空间技术培养地理空间思维实施路径，以期为一线教师利用地理空间技术手段来培养学生地理空间思维提供指导。