支持中学地理研究性学习的电子教学地图设计及应用开发示例

[摘 要] 在中学地理新课程教学中，研究性学习被提到了一个前所未有的高度。在开展地理课程研究性学习过程中，例如地理观测、考察、实验、设计等实践活动，都会涉及两大问题，即对所获取地理信息的分析、处理，或者应用地图以研究其空间分布特征和不同地理事象间的空间关系。然而，目前的地理研究性学习从外部条件来看还缺乏合适的信息化支持环境以帮助地理教师开展相关教学活动，这直接会影响到中学地理研究性学习开展的有效性。针对这一问题，本文从三方面提出一个支持中学地理研究性学习的信息化环境的设计模型，即电子教学地图的设计思路、电子教学地图的认知模型和电子教学地图的系统架构设计，并在此基础上以“气温日变化探究实验”为内容提供一个开发示例。

[关键词] 电子教学地图； 研究性学习； 地图认知

[中图分类号] G434 [文献标志码] A

[作者简介] 苏小兵（1972—），男，浙江金华人。讲师，博士，主要从事数字化实验教学、数字校园和远程教育研究。E-mail：jhsxb@yahoo.com.cn。

一、引 言

2001年教育部印发了《普通高中“研究性学习”实施指南（试行）》（教基[2001]6号），其中将研究性学习定义为“研究性学习是指学生在教师的指导下，从自然、社会和生活中选择和确定专题进行研究，并在研究过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动。”在研究性学习过程中，学生围绕特定“研究专题”，主动获取知识、应用知识、解决问题。因而，学生是信息加工的主体，是学习的中心，是意义的主动建构者，不仅有助于学生理解课程内容，而且也是培养创新精神和解决实际问题能力的重要途径。地理作为一门与社会生活、生产紧密联系的学科，在《全日制义务教育地理课程标准（实验稿）》中更是提出“要学习对生活有用的地理，学习对终身发展有用的地理。”并且指出要“改变地理学习方式。要根据学生的心理发展规律，联系实际安排教学内容，引导学生从现实生活的经历与体验出发，激发学生对地理问题的兴趣，培养地理学习能力，鼓励积极探究，使学生了解地理知识的功能与价值，形成主动学习的态度。”[1]因此，在地理新课程教学中，研究性学习被提到了一个前所未有的高度。地理课程教学更应注重对地理问题的探究，倡导自主学习、合作学习和探究学习，开展地理观测、考察、实验、调查和地理专题研究等实践活动，激发学生地理学习的积极性，培养科学精神，养成科学态度。

然而，在现实的地理课程教学过程中，其实施情况还存在诸多问题，其效果与设想还存在较大的差距。其中一个重要的原因是缺乏支持开展地理课程研究性学习的信息化支撑环境。在开展地理课程研究性学习过程中，地理观测、考察、实验、设计等实践活动，都会涉及到两大问题，即对所获取地理信息的分析、处理，或者应用地图以研究其空间分布特征和不同地理事象间的空间关系。在传统地理课程教学环境下，在依靠教师个人力量的情况下，很难保证此类学习活动的常态化开展。在《全日制义务教育地理课程标准（实验稿）》中也指出“在课程内容选择、教学方式方法改革和教学评价中，要充分考虑现代信息技术的影响，为发展学生自主学习意识和能力创造适宜的环境”。[2]然而，就目前国内情况来看，地理课程教师还是主要依靠一些GIS专业软件，这些软件一般可以根据教学内容的需要，实现二维或三维地图的显示、查询、放大、缩小，或者对不同地理要素信息进行组合，如AcrViewGIS、GoogleEarth等。由于专业的GIS软件平台价格昂贵、操作复杂，并不适合一般地理教师将其用于地理研究性学习的教学。而GoogleEarth、World Wind 1.4等应用型平台一般都不是专门为地理教学而设计开发，因此将其用于地理教学时也不是非常合适。总体上来说，目前的地理研究性学习从外部条件来看是缺乏合适的信息化支持环境以帮助地理教师开展相关教学活动；从教学设计视角来看是地理教师在设计地理研究性学习时作了过多的预设，在实施过程中又作了过多的“引导”，在探究结果上过于关注对已知地理知识的验证。这些问题的存在会直接影响到中学地理课程研究性学习开展的有效性。

二、电子教学地图的设计思路

（一）把电子教学地图作为非真实地理情境与真实地理情境间的联系纽带

韦伯斯特词典对情境的定义是“指与某一事件相关的整个情景、背景或环境”。“情境既可以是观念的、想象的、情意的、问题的，又可以是物理的；既可以是虚拟的，又可以是真实的；既可以是基于学校与课堂的功能性的，又可以是基于社会的、自然的、日常生活中的。”[3]自20世纪90年代以来，有关情境认知与情境学习的理论已经成为学习理论领域研究的主流。在地理教学领域也存在同样的情况，地理课堂教学过程中非常注重对教学情境的创设。但在学校地理教学中所创设的很多所谓的教学情境往往脱离特定的真实的地理情境，存在形式化、抽象化、简单化等问题。由此产生的学习结果往往只能应付考试，而不能迁移至复杂的，真实的地理情境中解决、分析实际问题。这与《全日制义务教育地理课程标准（实验稿）》所关注的“（1）学习对生活有用的地理。地理课程要提供给学生与其生活和周围世界密切相关的地理知识，侧重基础性的地理知识和技能，增强学生的生存能力；（2）学习对终身发展有用的地理。反映全球变化形势，突出人口、资源、环境以及区域差异、国土整治、全球变化、可持续发展等内容。使所学内容不仅对学生现在的生活和学习有用，而且对他们的终身学习和发展有用。”[4]的教学理念相去甚远。

因此，在创设支持研究性学习的地理电子教学地图的教学情境时，应该关注在真实的地理情境和非真实的地理情境间建立联系，寻求一种有利于学生认知学习的平衡状态，以兼顾课堂教学的实际与所学知识在复杂真实情境中的迁移。真实的地理情境、非真实的地理情境与地理电子教学地图之间的关系如图1所示。借助地理电子教学地图，把学生在真实地理情境中所形成的地理空间通过可视化工具形成可视化情境，与课堂教学情境共同组成非真实的地理情境。这种融入真实地理情境的地理教学，将有助于学生在非真实的地理情境中所习得的知识在复杂的、真实的地理情境中的迁移。在设计过程中，要重点关注地理电子地图的可视化情境（非真实的地理情境）与真实的地理情境之间的平衡。

与真实、非真实地理情境间的关系

（二）把电子教学地图作为学生进行地理研究性学习的认知工具，表达探究结果的可视化工具

DiBiase的科学探究工具论借助可视化和应用数据分析将地图可视化视为科学探究的工具。认为这种基于地图的可视化由原始数据探究、确认、综合、表达等内容组成了一条曲线（如图2所示）。从曲线可以看出，DiBiase认为地图在探究一端的作用是促进个人的视觉思考，在表达一端的作用是把研究结果面向公众的视觉传输。MacEachren的地图应用论则通过一个立方体（如图3所示）来表达地图应用空间、可视化以及信息传输在立方体中的不同位置和作用。图中的三个坐标轴表示：地图应用的对象包括个人和公众，即地图起到将知识传输给公众读者的作用，也可用来帮助个人进行空间思维；地图应用的目的是提示未知和表达已知；在地图应用中，人—图交互水平有高有低。两个对角点表示：信息传输具有表达已知、面对个人、人—图交互作用较低的特点；可视化则具有提示未知、面对个人、人—图交互较高的特点。

可见，地图一般具有两种功能，即地图是地理空间认知的工具，是表达认知结果的可视化工具。对于支持研究性学习的地理电子教学地图来说，首先，应该成为帮助学生更好地认识地理空间的思维工具、问题解决工具、理解教学内容的工具。作为一种学生的认知工具，应该具有良好的人图交互的可视化界面，帮助学生把从现实情境中获取的地理空间信息整合到可视化的地图界面中，以探究、揭示、理解学生未知的地理知识。其次，也是学生呈现探究结果、分析与理解探究结果的一种可视化工具。在地理研究性学习过程中，其中很重要的一项内容是向同学和老师呈现、解释自己的探究结果。也就是说，支持地理研究性学习的电子教学地图是学生自己对地理空间认知结果的一种很好的表达工具。

因此，在设计支持地理研究性学习的电子教学地图时，要充分考虑两个问题。第一，地理空间信息的分析工具。要考虑地理课程标准和地理教材对相关内容的要求，分析需要学生掌握的技能、方法，分析需要学生理解的地理知识，然后设计相应的分析工具。第二，地理空间认知的表达方式。对认知结果采用不同的表达、呈现方式，其所产生的作用、效果都会有不同程度的差异。在设计地图时对同一地理空间数据应考虑不同的表达方式，或者不同表达方式的组合，如不同形式的图表、直观的图像等多媒体素材。其相互之间的关系如图4所示。

三、电子教学地图的认知模型

在计算机技术、图形学技术、地理信息系统（GIS）技术、虚拟现实技术、多媒体技术等新技术在地图学中被广泛应用的背景下，教学地图的制图方式也由传统的手工制作方式转向数字化制图方式。这直接导致地理教学地图的应用出现两种新的变化。第一，地理教学地图的制图与生产不再是受过专业教育的地图学者的专利，学生和教师可以根据教学的需要输入地理数据或从数据库中提取地理数据，通过可视化交互的方式来制作地图。在这种情况下，学生不再是被动地接受信息，而是主动地获取信息。教学地图也从单纯的地理信息的视觉传输工具转变为视觉思维工具。第二，地理教学地图也由过去的静态地理教学地图扩展到动态交互、三维可进入的地理教学地图，并且可以将动画、文本、图像、图表、视频和声音等多媒体信息融入到地理教学地图中。这都大大增强了地理教学地图的空间认知的手段，也更加符合学生空间认知的特点。

支持地理研究性学习的电子教学地图的信息传输与传统地理教学地图的信息传输相比，也发生了显著的变化。学生通过地理电子教学地图进行研究性学习时，信息传输的认知过程可分为三个阶段。（1）地理现实体验阶段。学生根据确定的探究主题，在对地理现实已有认知的基础上，通过实地考察、野外观测、社会调查等不同手段直接体验真实的地理情境。学生在获得地理现实的空间信息的同时，也在头脑中形成与地理现实对应的心像地图。（2）认知制图阶段。在这个阶段，学生把所获得的地理现实的空间信息输入探索型地理电子教学地图，借助相应的数据分析工具对空间信息进行分析，并把分析结果以直观的可视化方式呈现。这个过程实际上就是把地理现实的空间信息转化为可视化的地图图像的过程，即地图的编码过程。（3）地图认知阶段。学生借助自己绘制的可视化地图进行模式识别，改变或修正在头脑中形成的原有心像地图，即对头脑中的心像地图进行再认知，从而形成对地理现实所属空间区域的空间认知。这个过程也是对学生自己绘制地图的解码过程。其认知模型如图5所示。

这个认知模型具有三个特点。（1）把真实的地理情境与非真实地理情境（地理课堂所营造的教学情境）通过地理电子教学地图建立了联系，不仅有助于学生对地理现实的认知，也有助于学生把认知结果在地理现实情境中进行迁移。（2）把地图制图的编码过程与地图认知的解码过程相结合，学生既是制图者，又是读图者。这有助于对地理现实的空间认知，也有助于学生将所掌握的思维、方法、技能和知识迁移至对一般地图的认知。（3）体现学生学习的意义建构理念。学生将大脑中的心像地图用符号化（即可视化）的方式形成反应地理现实空间信息的地图图像，又通过地图认知的方法把地图图像表示的空间信息转换成人脑中的心像地图，从而达到对地理现实的意义建构。

四、电子教学地图的系统架构设计

支持研究性学习的地理电子教学地图作为一种学生开展地理学习的认知工具，已经超越了传统意义上的地理教学地图，主要体现在两方面：（1）支持学生分析在开展研究性学习活动中所采集的地理空间数据，以建立或证明某种假设；（2）支持学生通过不同的视角、比例尺、移位、旋转、扭曲等，或借助不同的分析工具来阅读地图，以发现地理空间分布的规律性或异常，即挖掘新知识，并将新知识扩充到地理电子地图中。因此，支持研究性学习的地理电子教学地图不是一幅或几幅地图图像，而是一个学生开展地理研究性学习的知识增值平台、知识生成平台。其系统架构如图6所示。

（一）数据采集

支持地理研究性学习的电子地图所需的地理空间数据主要有三种途径。（1）各学校根据不同的探究主题，用专用传感器连接到数据采集器来获取数据。这些数据通过无线传输或通过电脑进入地理电子教学地图的数据库。进入数据库的数据信息可以在不同班级、不同学校之间实现共享，这有利于学生利用不同区域的数据来分析同一地理事象的空间分布规律。（2）从不同级别的公共服务机构获取地理空间数据。不同学校可以从当地的公共服务机构获取不同类型的地理空间数据，如当地的人口数据、气象数据、粮食作物数据等，并把这些数据按照规定的格式输入数据库。（3）不同学校在开展不同主题的地理研究性学习活动时，都可能需要采集或收集相应的景观图像、录像等多媒体资料。把这些多媒体资料上传到地图数据库中，这对不同地理区域的学校开展教学活动提供丰富的直观教学资料。

（二）地图数据库

共享地图数据库是与地理研究性学习相关的地理数据存储、组织、管理的有效手段，教学中所涉及的地理环境现象可以通过模数转换，以数字形式存储于地图数据库系统中。地图数据库是地理电子地图的核心组成部分，须符合以下要求：（1）允许学生或教师按照约定的格式批量导入数据，或者通过无线传输的方式将数据采集器中的数据导入数据库；（2）能按不同的分析要求对各种相关数据进行动态组织与呈现。

（三）探索工具

从功能角度来看，探索工具可以分为四大类。（1）基本操作工具。包含地图放大、地图缩小、地图漫游、图层控制等基本的地图操作功能。（2）数据分析工具。根据不同的探究活动主题，设计不同的数据分析工具，如空间距离测量工具、人口密度空间分布计算工具、相关性分析工具等。（3）地图制作工具。如等温线绘制工具、等高线绘制工具、直方图绘制工具等。（4）交互/分享工具。提供一个交互、分享的学习环境，学生面对一个探究性学习任务时，有机会获得来自教师、同伴，甚至校外专家、家长的帮助和支持。

（四）可视化界面

可视化界面是学生和教师与地图数据库进行交互的直接操作界面。就具体形式而言，可分为文本式菜单、图形化用户界面、多媒体用户界面、虚拟现实系统等。学生和教师与数据库交互关系可用图7来表示。

五、应用开发示例：气温日

变化观测分析实验

（一）实验设计

1. 实验说明：日常生活体验告诉我们，一天24小时中气温是变化的。在上海的初秋，早上你会觉得比较冷，出门前妈妈会叫你加件外套，中午时穿两件你又会感觉热，这个气温真是像小孩一样──喜怒无常。在这个实验中，我们要通过实际的气温数据来研究一天24小时中气温的变动是否存在规律？如果有规律，这个规律又有什么特点？

2. 问题描述：气温日变化有什么规律？

3. 技能目标：绘制曲线图；阅读分析曲线图。

4. 实验步骤

第一步：学生描述气温日变化的生活体验。请学生从不同的视角描述一下对当地气温日变化的感性认识。

第二步：气温数据选择。选择学校所在地最近7天中某一天24小时的气温数据。

第三步：绘制气温曲线图。绘制学校所在地的气温日变化曲线图。

第四步：分析与结论。根据气温日变化曲线图，描述学校所在地一天24小时的气温变化的规律。

5. 撰写实验报告

（1）问题描述

（2）数据与图表

实验中所获得数据如表1和图8所示。

（3）分析与结论

（二）技术实现

示例应用系统采用跨平台的HTML5技术、可缩放矢量图形技术（Scalable Vector Graphics，SVG）和华东师范大学李治洪团队自主研发的GeoServer平台来实现。

1. HTML5技术

HTML5是新一代Web标准，由WHATWG（Web Hypertext Application Technology Working Group）和W3C（World Wide Web Consortium）组织合作研制的。HTML5在已有的HTML4的基础上，增添了一系列新技术和新功能，包括应用程序接口（API）技术、多媒体技术、表单控制技术和语义元素等，并具有跨平台的特性。HTML5的画布（Canvas） API接口技术大大提升了交互式Web图形功能，此接口可以把浏览器窗口的某些区域定义成动态位图，可对画布中内容进行处理和实时渲染。[8]

2. SVG技术

SVG是W3C（World Wide Web Consortium）组织制定的一种基于可扩展标记语言（XML）的网络矢量图形标准。SVG图形具有跨平台特性，可嵌入到其他XML文档中。SVG图形采用文本描述对象，具有更好的可读性。SVG图形可嵌入动画元素，具有很强的动态交互性，符合网络媒体的需求。SVG图形还可任意缩放、控制颜色呈现，存储文件尺寸也小于JPEG和GIF文件。[9]

3. GeoServer平台

GeoServer平台支持shp格式数据和遥感影像数据格式，定义了基于HTTP请求的多种服务接口，包括地图浏览、地图查询、专题地图、切片地图等功能。GeoServer地图具有全图显示、放大、缩小、清除地图要素、查询、平移、线段长度量算、面积量算、保存图片、专题图例显示控制、图层控制和专题地图绘制等功能。

六、结束语

本文研究了电子教学地图的设计思路、认知模型和系统架构，提出了一个支持中学地理研究性学习的信息化环境的设计模型，并成功地开发了“气温日变化探究实验”教学案例和应用系统，为国内的数字化地理教学提供可参考的解决方案。