運用遙感培養(yǎng)中學生的地理空間的創(chuàng)新途徑

國內(nèi)外學者的研究發(fā)現(xiàn)，遙感能夠幫助學習者發(fā)展地理空間認知能力，解決相關地理空間問題，提高學習者的空間推理能力和空間思維水平。那么作為發(fā)展地理空間認知能力的工具之一，遙感有哪些獨特的優(yōu)勢？基于地理空間認知能力的要素構成，教師應如何運用遙感發(fā)展學生的地理空間認知能力？這些都是值得深入探討的問題。 一、地理空間認知能力及其構成要素 一般認為，地理空間認知能力是在地理空間認知的基礎上，認識自己賴以生存的地理環(huán)境的能力，包括分析、理解其中的諸事物和諸現(xiàn)象的相關位置、空間分布、相互關系，以及它們的變化和規(guī)律等方面的能力[1]。 地理學不僅研究地理事物的空間分布和空間特征，而且闡明空間差異和空間聯(lián)系，并致力于揭示地理事物的空間運動、空間變化規(guī)律[2]。因此，從地理學家的角度看，地理學中的空間定位不僅包括由不同視角看同一物體的能力，更重要的是判斷各種地理事物的空間位置及其相互之間的空間關系，以及對地理空間格局中要素排列狀況的理解與解釋。地理空間定位在閱讀地圖、分析地圖、航空照片等過程中起基礎作用，是理解和解決地理問題的起點。地理學中的空間視覺化包括地圖和剖面圖繪制、二維圖形和三維圖形轉(zhuǎn)換、不同投影方式轉(zhuǎn)換以及語言描述與視覺表征間的轉(zhuǎn)化[3]。地理學中的空間關系包括辨識空間分布、空間格局，分析各種空間現(xiàn)象及要素間的關聯(lián)，理解和運用空間等級、區(qū)域劃分，比較地圖或疊加、拆分地圖等方面的能力。 在中學地理學習與解題的過程中，學生要經(jīng)常地運用到各種地圖、剖面圖、景觀圖、模式圖等，并借助圖形在腦海中建構或操作相關的心理表象。因此，地理空間認知能力的形成和發(fā)展會影響中學生地理學習和地理問題解決�？臻g認知能力的提高將有助于學生以空間的方式進行思考和實踐，從而對地理課程獲得更全面、更深刻的理解。 二、遙感在培養(yǎng)學生地理空間認知能力方面的優(yōu)勢 當前中學地理教學中對地理空間認知能力的培養(yǎng)針對性不強，教學效果不理想，學生的地理空間認知能力較弱，學習中遇到困難較多，已成為制約地理學習的瓶頸。運用遙感發(fā)展中學生地理空間認知能力的獨特功能，具體表現(xiàn)在以下兩個方面。 1.遙感的地學分析特性有助于提高學生的空間分析和推理能力 遙感地學分析是建立在地學規(guī)律基礎上的遙感信息處理和分析模型，是結合物理手段、數(shù)學方法和地學分析等的綜合性應用技術和理論。運用遙感地學分析功能進行探究活動，特別是通過對遙感信息的處理和分析，會提高學習者地理空間分析能力，獲得能反映地球區(qū)域分異規(guī)律和地學發(fā)展過程的有效信息等[4]。在遙感圖像解譯和分析中，學習者必須明確不同地物或地貌特征的解析標志或光譜特性，并確定地物之間的空間關系，這一過程會提高學生的空間推理和判斷能力。 遙感地學分析包括了傳統(tǒng)地學分析方法支持下的遙感信息地學分析、GIS支持下的以地學輔助信息和遙感信息相結合的遙感綜合地學分析以及人工智能理論和方法支持下的智能化遙感信息處理和分析等。運用遙感可以很容易地對基本空間屬性進行表達，地學相關信息的提取更加容易且準確。因此，運用遙感進行地理教學，可以使學生對地理信息進行辨識、提取、表現(xiàn)和傳輸，分析不同地物的地理空間特性和空間演化過程，理解和解釋地理事象的生成背景，認識其本質(zhì)，推測其未來發(fā)展狀況，提出空間決策，從而促進學生空間分析和空間推理能力的發(fā)展，提高學生解決地理空間問題的能力。 2.遙感的直觀可視化特性有助于提供學生解決空間問題的多種視角 可視化是重要的認知行為，是人類發(fā)展心理表征的能力�？梢暬�可以促進科學問題的發(fā)現(xiàn)，導致問題可以更快、更有效的解決。因此，為了最大限度提高可視化水平，發(fā)展學生的視覺思維能力，應該給學習者提供分析、綜合、改變視角和尺度、多角度比較地表地理現(xiàn)象和過程的機會。遙感圖像可真實、客觀地觀察到廣闊的地域空間和地物，了解其分布特征、相互間的聯(lián)系和規(guī)律；遙感系統(tǒng)具有動態(tài)表征、多重顯示、數(shù)據(jù)變換與虛擬現(xiàn)實等視覺化特征，可以使學生有不同類型的知覺經(jīng)驗，為學生提供不同的解決問題視角和方式，這使遙感成為發(fā)展學生空間思維、提高地理空間問題解決能力的有效工具之一。運用遙感的直觀可視化特性解決問題的視角主要有以下幾個方面： 第一，通過遙感的直觀視覺化可以用不同的視角和方式表征地物空間信息，使學生關注問題的不同方面，提高學生的空間能力；利用遙感圖像處理可以選擇提取與任務相關的特征信息而抑制不相關信息，使得使用者能夠比較地理空間內(nèi)部格局，使得看似模糊、不相關的信息彼此關聯(lián)。 第二，通過遙感的直觀視覺化可以對不同的數(shù)據(jù)提供不同的表征方式。遙感技術構筑了對地觀測的多層空間、多波段、多時相的探測網(wǎng)絡，并從地理空間、光譜空間和時間等維度提供地球表面的五維信息，使學生可以全面觀察和分析問題[5]。而且，遙感圖像富含多種地理空間信息，各種不同的地物空間表征相組合，讓學習者通過探究不同地物的地學特征可以獲得更高水平的理解。 第三，三維視覺化技術和動畫可以利用遙感影像結合數(shù)字高程模型（DEM）模擬現(xiàn)實空間三維地形，使學習者可以更加迅速的認識、理解地球表面不同地理事物之間的空間關系。遙感影像還能夠提供給我們最近時期地球表面某區(qū)域變化的數(shù)據(jù)。如運用不同時期的遙感影像比較獲得某區(qū)山體滑坡、冰川、火災以及城市增長等環(huán)境變化的信息，并借助三維動畫技術動態(tài)模擬，使學習者在真實的感受中體驗地理事物發(fā)生變化。 三、運用遙感培養(yǎng)學生地理空間認知能力的.案例分析 運用遙感探究安徽省省會合肥市近20年來城市擴展演化過程和土地利用格局時空變化特點，以及其與各種驅(qū)動力和影響因素之間的關系，探討遙感運用對學生地理空間認知能力的影響。本教學案例的遙感圖像處理過程參考文獻[6]完成。 教學任務一：運用遙感探討合肥市近20年來城市擴展演化過程，認識該市土地利用格局時空變化特征。 首先，選擇數(shù)據(jù)源并借助遙感圖像處理軟件進行遙感數(shù)據(jù)的處理。所用遙感數(shù)據(jù)是1987年、2000年TM/ETM+和2006年CBERS共3組數(shù)據(jù)。其他輔助資料為合肥市1∶50000地形圖、合肥市行政區(qū)劃圖等基本圖件，以及合肥市社會經(jīng)濟調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)、合肥市統(tǒng)計年鑒等資料，并利用這些圖件輔助進行遙感資料的糾正及分類處理。通過數(shù)據(jù)預處理和圖像增強，結合合肥市的本底基礎數(shù)據(jù)庫和Google Earth數(shù)據(jù)，教師可以建立合肥市土地利用分類解譯標志，并對3個時期的遙感圖像進行人機交互解譯，從而生成合肥市1987年、2000年和2006年3個時期土地利用分類結果圖。 在這一過程中，學生運用遙感信息進行主動探究，學生通過觀察可以比較合肥市在不同時期的城市城鎮(zhèn)用地面積和土地利用格局特點，發(fā)現(xiàn)城市擴展演化的過程以及土地利用格局的時空變化，這時，要鼓勵學生思考他們所發(fā)現(xiàn)的變化特點的成因及結果。 教學任務二：運用遙感探討合肥市近20年來城市擴展演化過程和土地利用格局時空變化的原因。 通過對合肥市1987年、2000年和2006年3個時期遙感解譯圖的比較，引導學生思考合肥市近20年來城市擴展演化過程和土地利用格局時空變化的原因，讓學生分析這些變化與政策、城市化進程、人口增長以及交通條件之間的關系，探尋其變化的主要驅(qū)動影響因子。在這一過程中，學生會發(fā)現(xiàn)合肥市近20年土地利用的劇烈變化在數(shù)量上主要表現(xiàn)為建設用地的不斷增長和耕地面積的持續(xù)減少，這時教師可以使用量測功能（如ERDAS IMAGINE中Measure Areas命令）計算出不同土地利用類型在數(shù)量上變化的絕對值，從而可以方便解釋并能夠使學生關注課程的內(nèi)容和目標。 教學任務三：運用遙感探討合肥市土地利用格局時空變化特點對未來城市空間發(fā)展布局的影響。 對合肥市1987年、2000年和2006年3個時期遙感解譯圖進行數(shù)據(jù)疊加顯示（如可以使用ERDAS IMAGINE中的Blend混合顯示工具和Swipe卷簾顯示工具），讓學生透過疊加圖層分析土地利用格局時空變化特點對未來城市空間發(fā)展布局的影響。在學生運用遙感進行探究的過程中，引導學生思考合肥市近20年土地利用格局時空變化特點與未來城市空間發(fā)展布局之間有何關系，要求學生綜合概括合肥市土地利用格局時空變化特點對未來城市空間發(fā)展布局的影響。并進一步讓學生總結和推想合肥市未來的城市空間發(fā)展格局，培養(yǎng)空間想象能力和發(fā)散思維。 本節(jié)課在遙感技術這一空間思維工具的支持下，學生的地理空間認知能力不斷發(fā)展。首先，在這一過程中，學生運用遙感圖像處理軟件自己動手探索和分析數(shù)據(jù)，基于空間思維過程來回答問題，這一過程包括觀察、創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)、提出問題、提出假設、獲得答案等幾個方面。這樣，學生獲得了自主探究和得出結論的機會，體驗了學習過程，而不是被動接受和傳述信息，也不是由教師提供“標準答案”，從而促進地理空間思維的發(fā)展。其次，運用遙感進行地理教學，更加關注描述和解釋地理空間格局，更加重視地理空間關系的推理和表征，并尋求多方面的解釋，使學生的空間知識和空間認知能力不斷深化和發(fā)展。在這一過程中，復雜的空間關系和空間格局變得容易理解，而且在具體的情境下解決特定問題，符合學生的認知發(fā)展水平和需要。當然，以上教學任務的完成需要教師的細心指導和鼓勵。 四、運用遙感培養(yǎng)地理空間認知能力的教學策略 通過上面的案例分析可知，遙感作為解譯和分析工具，在培養(yǎng)學生的地理空間思維能力、空間實踐能力和建立區(qū)域地理思想方面具有重要作用。地理教師在教學設計時要充分發(fā)揮遙感的這些優(yōu)勢，為發(fā)展學生的地理空間認知能力創(chuàng)造適宜的教學環(huán)境。其教學策略主要有如下幾個方面： （1）注重遙感影像對比，探究地理要素間的關系。遙感影像對比是一種綜合，是一種聯(lián)系，體現(xiàn)了一種因果關系規(guī)律，通過遙感影像對比可以培養(yǎng)學生分析地理空間關系的能力。地理教學中，應當注重運用不同時期和時相的遙感影像，對比不同空間現(xiàn)象之間的異同，讓學生在視覺上驗證對比過程和效應，從而探尋各種地理要素和現(xiàn)象間的空間關系及其演化，從而可以找出形成差異的原因。如在學習海岸變遷的單元內(nèi)容時，教師可以展示兩個或多個年代的區(qū)域海岸帶遙感影像，通過遙

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