简述地理信息科学前沿研究及其在中学教学的意义

［摘 要］ 地理信息科学是地理学的重要分支学科之一，有着重要的科学研究和社会应用意义，但目前中学阶段的理论教学和实践教学中涉及地理信息科学及其相关技术的内容并不多。论文面向中学教育工作者及中学生，简要介绍地理信息科学的主要研究内容及当前研究热点，阐述其在地理学科学体系中的重要位置，在此基础上，论述在中学地理教学中进一步开展地理信息科学与技术相关教学内容的意义和基本实施方法，并结合中学地理教学中的知识点进行例证说明。

［关键词］ 地理信息科学；中学地理；地理教学；前沿研究

［基金项目］ 2021年陕西省自然科学基金青年项目“耦合物理过程模拟与智能分析的西安市雨洪优化管理研究”（2021JQ-312）

［作者简介］ 彭国强（1987—），男，四川广安人，博士，陕西师范大学地理科学与旅游学院讲师，主要从事地理信息科学与工程、图形学与数字孪生技术，城市雨洪过程建模与模拟等研究。

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2022）50-0053-04 ［收稿日期］ 2022-10-23

引言

地理信息科学（Geographic Information Science， GIS）是地理学一级学科的重要分支学科之一，目前国内大约有190所大学开设了地理信息科学相关专业［1］。在技术和工具层面GIS被定义为一种特定的十分重要的空间信息系统，它是在计算机软硬件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据，进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统［2］。在科学层面，GIS更加强调与综合运用信息技术、计量地理学、空间科学等相关学科所提供的技术和方法支撑，探索和揭示地理现象和要素的分布形态、时空演化规律、相互作用和影响机制，从而服务于地理决策支持［3］。

传统的中学地理教学以地理知识传递为主，存在着明显的死记硬背现象，这也让中学地理教学具备了较为明显的文科特征。但在实际学习过程中，地理知识的内容又包含了实验分析、推理、野外考察、空间化抽象等诸多逻辑思维和实证特性。因此，在中学地理实践教学、逻辑论证十分缺乏的当今，急需一种直观、可视的分析实验方法，帮助中学生以实践和逻辑论证的方式进行地理知识发现与规律探索。

一、地理信息科学研究内容及当前研究热点

地理信息科学研究内容的具体表现形式包括：地理数据的采集与获取、地理数据组织与管理、地理数据分析与应用、地理可视化理论与方法以及地理信息技术在当代地理学研究中的综合应用［2］。

（一）地理数据的采集与获取

地理数据采集与获取是利用数字化、信息化方法对描述现实世界地理实体及其特征的数据生产步骤［2］。近年来，随着传感器技术的发展，以高精度雷达传感器为代表的数据采集方式越来越广泛，其主要采集的数据内容包括：基于倾斜射影数据的实景三维数据采集、基于点云的高精度测量及形变数据采集等。此外，随着智能手机、平板电脑等普通用户终端设备的普及，文字和照片图像也非常容易地被赋予地理坐标信息或打上空间位置标记，这些文字或图像信息，也被认为是广义上的地理数据。

（二）地理数据的组织与管理

在信息化和数字化时代，地理数据的存储是指不同仪器和设备采集的地理信息在计算机中的存储和组织方式［2］。近年来，随着数据采集和来源的类型越来越多，地理数据越来越呈现出多源异构的特征，如：常用的测绘仪器和传感器采集的数据主要是上文提到的以矢量及栅格数据格式存储的结构化数据，而普通用户终端所产生的具有空间位置信息的文字、图像、音视频数据，常具有明显的非结构化数据特征。因此，目前地理数据库的研究热点也聚焦在对地理数据进行分布式存储和对非结构化数据的存储和管理方面。

（三）地理数据分析与应用

地理数据分析是对于地理要素及实体对象的特征、空间现象、时空分布和演化规律的定量化研究技术和方法，其基本内涵是通过对地理数据进行不同的计算和变换使之具有不同的形式和维度，并且提取其潜在的信息［2］。近年来，地理空间大数据分析的研究范式的不断完善，人工智能分析识别方法、虚拟仿真等技术快速进步，地理大数据分析、基于AI的地理时空大数据的分析与计算、三维空间分析等方法得到了长足的发展，成为当前空间分析领域的研究热点和前沿［5］。

（四）地理可视化的理论与方法

地理可视化是地理信息的核心研究技术和方法之一，传统的地图学及地图制图是地理可视化研究和应用的经典代表［4］。近年来，地理数据的动态可视化技术主要聚焦于通过计算机图形学、渲染技术将众源地理数据进行可视化表达，如：人口交通流热力图、人口迁徙图等，强调对不同地理数据的时空演化规律进行揭示与表达。地理数据的动态可视化技术，主要来自于众源大数据。实景三维场景因其具有更为逼真的表达能力，一直是地理可视化的重要的发展方向，其广泛应用于三维实景导航、智慧城市等领域。总体来看，随着计算机图形学和计算机软硬件技术的发展和进步，数字孪生、虚拟地理环境等技术成为了地理可视化领域的研究热点，尤其是数字孪生技术，已经成为最接近于实现全真互联网元宇宙的技术手段。

（五）地理信息技术在当代地理学研究中的综合应用

除上述地理信息技术主要研究方向之外，地理信息技术在新兴研究方向还包括：地理建模与模拟、地理空间人工智能、基于GIS的地理综合研究等［6］。

在地理建模与模拟方面，近年来，基于不同领域数学物理模型进行的地理建模与模拟得到了长足的发展，如：水流过程、经济演化、传染病扩散等，这些行业模型大多依赖于地理信息技术提供的数据支撑作为模型模拟的初始条件，借助于地理可视化等技术对模拟结果进行动态表达。人工智能技术正逐渐影响和改变着各行各业的研究范式，地理学亦不例外。近年来，地理空间人工智能也是地理信息科学新的研究范式之一，人工智能在知识发现与知识自动提取方面的优势和能力，与地理学揭示一般性规律的目标不谋而合。随着研究数据越来越丰富，为基于深度学习和机器学习的地理人工智能研究提供了足够多的训练样本。

在基于GIS的地理综合研究方面，地理信息科学与技术在当代地理学综合研究的支撑作用，主要体现在以下方面：（1）地理数据对地理空间异质性特征的综合表达能力。（2）地理综合研究的一大主题是，能重现地理环境过往、反演地理环境的现状、模拟地理环境的未来演化规律、揭示要素之间的相互作用规律与响应机制，并将地理综合研究中的内容进行动态可视化表与输出。（3）地理综合研究涉及诸多的交互、模拟、信息输出，这些交互、模拟与信息输出是依赖于现代信息技术手段来完成的，基于地理信息技术的综合应用系统是实现地理综合研究的重要平台与载体。

二、中学阶段GIS教学的意义及教学实施案例

（一）GIS支撑中学地理教学的意义

地理信息技术不仅已经深入到人们生活的方方面面，还服务于国家的重大发展战略，其逐渐成了人们应该掌握和具备的基本知识和技能，也是国家经济发展和社会创新的重要动力源泉。近年来，随着以个人电脑、智能终端等为代表的信息技术普及度的大大提高，人们掌握和使用信息技术的门槛逐渐降低，全民信息素养大幅提高，以及中学阶段信息技术教育进一步加强，这些社会发展和进步都为GIS技术走进中学课堂提供了良好的基本支撑条件。目前，在我国发达城市的部分重点中学，如上海、北京等地区的部分中学，已经在高中阶段的地理教学中初步加入了GIS技能训练的教学内容。相关教学内容可让学生掌握主流GIS软件的基本用法，如：基本的数据读取、数据处理、地理分析、制图展示等。在学生掌握主流GIS软件的基本使用方法后，进一步将地理教学中的知识点所包含的数据采集、数据加工处理、地理分析、分析结果的可视化输出与共享，这些重要的环节均通过GIS软件进行实现。该种教学方法可以一定程度上避免学生死记硬背的情况，让学生能够更好地综合运用地理知识去分析地理规律和探索地理问题。

此外，地理信息技术在培养中学生地理核心素养方面也有着诸多的天然优势。如：通过对地理环境演化规律的建模与模拟，对空间分析算法或数值计算模型采取不同的输入边界条件，可得到不同的模拟分析结果，以揭示人地关系的相互作用，依托地理信息技术的直观可视化的因果分析结果展示可以更好地帮助学生建立起良好的人地协调观。不同尺度和方法的地理分析方技术，还可以揭示地理要素和实体对象之间的时空演化及相互作用机制，可以帮助学生更好地分析和认识要素之间的动态互馈过程，帮助学生建立起良好的综合性思维。不同区域、不同层次的地理数据的综合表达与统计分析，以及数据之间的对比分析，是增加区域认知的良好支持条件，传统GIS的制图技术可帮助学生直观地认知区域之间的差异性及协调性。中学地理教学中野外实践条件是有限的，GIS的数字化表达和虚拟仿真可视化能力，可以弥补真实环境中地理实践条件的不足，此外，信息技术时代背景下，数字化实践能力本身也是地理实践能力的重要组成部分。

（二）运用GIS技术开展中学GIS教学实施案例

1.运用GIS进行海拔高度与等高线知识点的教学。海拔高度与等高线是中学地理教学中的基本知识点。传统的中学地理教学中，往往只是以图片和文字的方式进行讲解，而运用GIS技术进行教学可以让学生更为直观和沉浸式地进行知识的学习理解。在海拔高度方面，可以结合在线网站天地图、PC端软件谷歌地球、移动端虚拟地球等平台和软件进行讲解。教师可以动态地将地图切换到我国的黄海海平面以介绍海拔高度知识点中的基准高程概念，通过让学生提问查询世界任意位置的海拔，构建起互动式的教学模式，以活跃课堂气氛。在完成基准高程和任意位置海拔高度认知后，进一步通过不同区域的平均海拔分析方法，引入我国的三级阶梯的概念；通过查询世界上海拔最高的山峰区位和海拔高度值、世界上海拔最低的海沟区位及海拔高度值，进一步基于海拔高度的知识点进行世界地理认知方面的教学，将海拔高度知识实际用于地理认知中。

在运用GIS技术进行等高线知识点的教学方面，教师可以结合ArcGIS，SuperMap等GIS软件，展示等高线地图的生产过程，使得学生不仅具备判读等高线的能力，还了解其具体的制作过程。主要制作流程为：（1）导入由测绘部门采集生产的高程点数据；（2）运用空间插值工具将离散的高程点数据插值为连续的数字高程模型；（3）运用等高线提取工具（如：ArcGIS的contour）生成不同间距的等高线；（4）对等高线数据添加标注、比例尺、图例等地图要素，进行等高线制图并输出。在教学实施环节，可简要介绍高程点的基本采集方法，还可通过生成不同间距的等高线进行对比教学。通过上述丰富的教学内容，增加学生的学习兴趣，进一步增强学生对知识的理解和掌握能力。

2.运用GIS进行世界降雨量分布知识点的教学。本案例需要的教学数据主要包括：（1）基于Excel存储的单一站点多时间序列降雨量数据；（2）基于Excel的某区域多个雨量站点多时间序列降雨量数据；（3）基于栅格数据存储的全球不同季度的降雨量分布数据。教学实施过程中，教师可基于数据（1）详细讲解降雨量数据的采集和存储方式，基于数据（2）讲解不同区域、不同时刻降雨量的空间和时间上的差异性，数据（2）的内容可以用Excel统计图表的方式进行讲解，也可转换成GIS中的栅格地图数据进行直观展示。在完成降雨量数据采集原理、区域降雨量的差异性认知的基础上，基于数据（3）对全球降雨数据进行展示和对比分析，对比分析包括时间维度和空间维度两个方面，再将中学降雨量知识点的其他主要内容结合全球降雨量分布数据进行交互式讲解。教师讲解过程中通过查询不同区域、不同时刻的平均降雨量，向学生提问，例如：你们觉得不同季节降雨量最多的区域是哪里？老师可通过GIS软件实时统计和显示任意区域的降雨量，基于数据实证的方式回答学生所提出各种关于全球降雨量分布的问题，可在拓展教学内容的基础上，进一步活跃课堂的气氛。

结语

基于GIS的地理建模与分析计算具有严格的逻辑推理和实证性特征，基于GIS的地理分析结果也能够得到直观可视化的表达，GIS的这些典型特征与优势正好弥补中学地理教学的不足，从而有效提升中学地理教学中理科特性的教学能力。在信息技术和智能化应用高度发展的时代大背景下，全民信息化素养的大大提高和中学阶段信息技术教育的加强，使地理信息技术教育在中学阶段开展具备了切实可行的基础条件。