运用遥感培养中学生的地理空间认知能力

摘 要:地理空间认知能力的形成和发展是中学生地理学科素养培养的重要方面,对其地理学习和地理问题解决具有重要意义。但是,当前中学地理教学中地理空间认知能力培养比较薄弱,学生地理空间认知能力较低。遥感具有多方面培养地理空间认知能力的优势。因此,探讨如何运用遥感培养中学生地理空间认知能力是非常必要的。本文在划分地理空间认知能力构成要素的基础上,分析了运用遥感发展中学生地理空间认知能力的优势,探讨并总结了运用遥感发展中学生地理空间认知能力的策略,以期为中学生地理空间认知能力的发展提供可操作的意见和建议。

关键词:遥感地理教学地理空间认知能力

中图分类号:G633.5文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)08(b)-0138-04

国内外学者十多年来的研究发现[1-4],遥感能够帮助学习者发展地理空间认知能力,解决相关地理空间问题,提高学习者的空间推理能力和空间思维水平。Kerski通过研究认为[4],一个有效的地球系统教育方案应当格外关注学生空间认知能力的培养,以使学习者更好的理解空间格局、空间联系和空间关系等概念。在研究分析使用遥感后学习环境如何影响学生的空间认知能力方面,德国学者Hassenpflug认为遥感可以发展学生的视空间思维能力[1],包括用全视角、多光谱视角以及多时相视角去观察我们生存的地理环境。因此,作为发展地理空间认知能力的工具之一,遥感有哪些独特的优势？基于地理空间认知能力的要素构成,教师应如何运用遥感发展学生的地理空间认知能力？这些都是值得深入探讨的问题。

1 地理空间认知能力及其构成要素

空间认知能力是人类智能的一个基本维度,也是人类认知能力发展的重要方面;对于空间认知能力及其相关概念和思想的研究,是认知心理学研究的重要部分[5]。认知心理学家所研究的空间,仅仅限于小尺度空间,是指图片或者小物体的空间,关注的是空间认知过程。而地理空间通常指大尺度的空间,关注“是什么”、“在哪里”、“为什么在那里”等现实地理环境下的空间问题,具有鲜明的区域特性。一般认为,地理空间认知能力是在地理空间认知的基础上,认识自己赖以生存的地理环境的能力,包括分析、理解其中的诸事物和诸现象的相关位置、空间分布、相互关系,以及它们的变化和规律等方面的能力[6]。

地理学不仅研究地理事物的空间分布和空间特征,而且阐明空间差异和空间联系,并致力于揭示地理事物的空间运动、空间变化规律[7]。因此,从地理学家的角度看,地理学中的空间定位不仅包括由不同视角看同一物体的能力,更重要的是判断各种地理事物的空间位置及其相互之间的空间关系,以及对地理空间格局中要素排列状况的理解与解释。地理空间定位在阅读地图、分析地图、航空照片等过程中起基础作用,是理解和解决地理问题的起点。地理学中的空间视觉化包括地图和剖面图绘制、二维图形和三维图形转换、不同投影方式转换以及语言描述与视觉表征间的转化[8]。地理学中的空间关系包括辨识空间分布、空间格局,分析各种空间现象及要素间的关联,理解和运用空间等级、区域划分,比较地图或叠加、拆分地图等方面的能力。心理学家主要关注空间定位和空间视觉化,而忽视空间关系分析,尤其是与空间活动密切相关的空间分布、空间形态、空间构成以及空间演变等方面,但这却是地理学的重要方面[9]。

在中学地理学习与解题的过程中,学生要经常地运用到各种地图、剖面图、景观图、模式图等,并借助图形在脑海中建构或操作相关的心理表象。因此,地理空间认知能力的形成和发展会影响中学生地理学习和地理问题解决。空间认知能力的提高将有助于学生以空间的方式进行思考和实践,从而对地理课程获得更全面、更深刻的理解。由此我们认为,在中学地理教学中运用遥感进行地理空间认知能力培养,能够体现现代地理学教育的价值。

2 遥感在培养学生地理空间认知能力方面的优势

空间概念是地理学独特的概念[10],地理空间认知能力是地理学科特有的能力,也是中学地理课程的教学目标之一。它对于帮助学生学习地理知识、认识人地关系,解决地理问题等方面具有重要意义。但当前中学地理教学中对地理空间认知能力的培养针对性不强,教学效果不理想,学生的地理空间认知能力较弱,学习中遇到困难较多,已成为制约地理学习的瓶颈。研究证明,遥感具有多方面培养学生地理空间能力的优势[11-13]。因此,在中学地理课堂教学中,如何运用遥感强大的视觉化、空间化特性发展中学生的地理空间认知能力,成为地理教学中亟待解决的问题。运用遥感发展中学生地理空间认知能力的独特功能,具体表现在以下两个方面。

2.1 遥感的地学分析特性有助于提高学生的空间分析和推理能力

遥感地学分析是建立在地学规律基础上的遥感信息处理和分析模型,是结合物理手段、数学方法和地学分析等的综合性应用技术和理论。运用遥感地学分析功能进行探究活动,特别是通过对遥感信息的处理和分析,会提高学习者地理空间分析能力,获得能反映地球区域分异规律和地学发展过程的有效信息等[14]。在遥感图像解译和分析中,学习者必须明确不同地物或地貌特征的解析标志或光谱特性,并确定地物之间的空间关系,这一过程会提高学生的空间推理和判断能力。

遥感地学分析包括了传统地学分析方法支持下的遥感信息地学分析、GIS支持下以地学辅助信息和遥感信息相结合的遥感综合地学分析以及人工智能理论和方法支持下的智能化遥感信息处理和分析等。运用遥感可以很容易的对基本空间属性进行表达,地学相关信息的提取更加容易且准确。因此,运用遥感进行地理教学,可以使学生对地理信息进行辨识、提取、表现和传输,分析不同地物的地理空间特性和空间演化过程,理解和解释地理事象的生成背景,认识其本质,推测其未来发展状况,提出空间决策,从而促进学生空间分析和空间推理能力的发展,提高学生解决地理空间问题的能力。

2.2 遥感的直观可视化特性有助于提供学生解决空间问题的多种视角

可视化是重要的认知行为,是人类发展心理表征的能力。可视化可以促进科学问题的发现,导致问题可以更快、更有效的解决。因此,为了最大限度提高可视化水平,发展学生的视觉思维能力,应该给学习者提供分析、综合、改变视角和尺度、多角度比较地表地理现象和过程的机会。遥感图像可真实、客观的观察到广阔的地域空间和地物,了解其分布特征、相互间的联系和规律;遥感系统具有动态表征、多重显示、数据变换与虚拟现实等视觉化特征,可以使学生有不同类型的知觉经验,为学生提供不同的解决问题视角和方式,这使遥感成为发展学生空间思维、提高地理空间问题解决能力的有效工具之一。运用遥感的直观可视化特性解决问题的视角主要有以下几个方面:

第一,通过遥感的直观视觉化可以用不同的视角和方式表征地物空间信息,使学生关注问题的不同方面,提高学生的空间能力;利用遥感图像处理可以选择提取与任务相关的特征信息而抑制不相关信息,使得使用者能够比较地理空间内部格局,使得看似模糊、不相关的信息彼此关联。

第二,通过遥感的直观视觉化可以对不同的数据提供不同的表征方式。遥感技术构筑了对地观测的多层空间、多波段、多时相的探测网络,并从地理空间、光谱空间和时间等维度提供地球表面的五维信息,使学生可以全面观察和分析问题[15]。而且,遥感图像富含多种地理空间信息,各种不同的地物空间表征相组合,让学习者通过探究不同地物的地学特征可以获得更高水平的理解。

第三,三维视觉化技术和动画可以利用遥感影像结合数字高程模型(DEM)模拟现实空间三维地形,使学习者可以更加迅速的认识、理解地球表面不同地理事物之间的空间关系。遥感影像还能够提供给我们最近时期地球表面某区域变化的数据。如,运用不同时期的遥感影像比较获得某区山体滑坡、冰川、火灾以及城市增长等环境变化的信息,并借助三维动画技术动态模拟,使学习者在真实的感受中体验地理事物发生变化。

3 运用遥感培养学生地理空间认知能力的案例分析

本课运用遥感探究安徽省省会合肥市近20年来城市扩展演化过程和土地利用格局时空变化特点,以及其与各种驱动力和影响因素之间的关系,探讨遥感运用对学生地理空间认知能力的影响。本教学案例的遥感图像处理过程参考文献[16]完成。

教学任务一:运用遥感探讨合肥市近20年来城市扩展演化过程,认识该市土地利用格局时空变化特征。

首先,选择数据源并借助遥感图像处理软件进行遥感数据的处理。所用遥感数据是1987年、2000年TM/ETM+和2006年CBERS共3组数据。其它辅助资料为合肥市1∶5万地形图、合肥市行政区划图等基本图件,以及合肥市社会经济调查统计数据、合肥市统计年鉴等资料,并利用这些图件辅助进行遥感资料的纠正及分类处理。通过数据预处理和图像增强,结合合肥市的本底基础数据库和Google Earth数据,教师可以建立合肥市土地利用分类解译标志,并对3个时期的遥感图像进行人机交互解译,从而生成合肥市1987年、2000年和2006年3个时期土地利用分类结果图。

在这一过程中,学生运用遥感信息进行主动探究,学生通过观察可以比较合肥市在不同时期的城市城镇用地面积和土地利用格局特点,发现城市扩展演化的过程以及土地利用格局的时空变化,这时,要鼓励学生思考他们所发现的变化特点的成因及结果。

教学任务二:运用遥感探讨合肥市近20年来城市扩展演化过程和土地利用格局时空变化的原因。

通过对合肥市1987年、2000年和2006年3期遥感解译图的比较,引导学生思考合肥市近20年来城市扩展演化过程和土地利用格局时空变化的原因。让学生分析这些变化与政策、城市化进程、人口增长以及交通条件之间的关系,探寻其变化的主要驱动影响因子。在这一过程中,学生会发现合肥市近20年土地利用的剧烈变化在数量上主要表现为建设用地的不断增长和耕地面积的持续减少,这时教师可以使用量测功能(如ERDAS IMAGINE中Measure Areas命令)计算出不同土地利用类型在数量上变化的绝对值,从而可以方便解释并能够使学生关注课程的内容和目标。

教学任务三:运用遥感探讨合肥市土地利用格局时空变化特点对未来城市空间发展布局的影响。

对合肥市1987年、2000年和2006年3期遥感解译图进行数据叠加显示(如可以使用ERDAS IMAGINE中的Blend混合显示工具和Swipe卷帘显示工具),让学生透过叠加图层分析土地利用格局时空变化特点对未来城市空间发展布局的影响。在学生运用遥感进行探究的过程中,引导学生思考合肥市近20年土地利用格局时空变化特点与未来城市空间发展布局之间有何关系,要求学生综合概括合肥市土地利用格局时空变化特点对未来城市空间发展布局的影响。并进一步让学生总结和推想合肥市未来的城市空间发展格局,培养空间想象能力和发散思维。

本节课在遥感技术这一空间思维工具的支持下,学生的地理空间认知能力不断发展。首先,在这一过程中,学生运用遥感图像处理软件自己动手探索和分析数据,基于空间思维过程来回答问题,这一过程包括观察、创造性发现、提出问题、提出假设、获得答案等几个方面。这样,学生获得了自主探究和得出结论的机会,体验了学习过程,而不是被动接受和传述信息,也不是由教师提供“标准答案”,从而促进地理空间思维的发展。其次,运用遥感进行地理教学,更加关注描述和解释地理空间格局,更加重视地理空间关系的推理和表征,并寻求多方面的解释,使学生的空间知识和空间认知能力不断深化和发展。在这一过程中,复杂的空间关系和空间格局变得容易理解,而且在具体的情境下解决特定问题,符合学生的认知发展水平和需要。当然,以上教学任务的完成需要教师帮助下的细心指导和鼓励。

4 运用遥感培养地理空间认知能力的教学策略

通过上面的案例分析可知,遥感作为解译和分析工具,在培养学生的地理空间思维能力、空间实践能力和建立区域地理思想方面具有重要作用。地理教师在教学设计时要充分发挥遥感的这些优势,为发展学生的地理空间认知能力创造适宜的教学环境。其教学策略主要有如下几个方面:

(1)注重遥感影像对比,探究地理要素间的关系。遥感影像对比是一种综合,是一种联系,体现了一种因果关系规律,通过遥感影像对比可以培养学生分析地理空间关系的能力。地理教学中,应当注重运用不同时期和时相的遥感影像,对比不同空间现象之间的异同,让学生在视觉上验证对比过程和效应,从而探寻各种地理要素和现象间的空间关系及其演化,从而可以找出形成差异的原因。如在学习海岸变迁的单元内容时,教师可以展示两个或多个年代的区域海岸带遥感影像,通过遥感影像对比来比较海岸变迁的过程和差异。

(2)模拟空间现实,理解地理空间关系。不同地理空间要素之间应该有他们之间的逻辑关系。运用遥感软件系统(如ERDAS IMAGINE或ENVI)对现实世界的空间关系进行模拟,结合DEM可以建立三维模拟物象图,并对图像进行缩放和进行信息查询,使空间分布的地物属性信息可视化。这就令学生对地理事物之间的属性关系有一个空间概念,并可在进一步的学习中,根据问题进行坐标点查询、面积范围查询和线路查询,从而帮助学生建立空间判断、推理和想象能力,顺利解决地理空间问题。

(3)实现二维与三维图像转换,增强表现力。传统的地图表征以二维为主,用抽象的符号表示复杂的地理事象,是造成学生感知理解地图困难的主要原因之一。运用遥感图像处理系统将平面二维图像转换成立体图像,可以增强地理事象的直观化与形象化,从而有助于学生对地理问题的理解和应用。如在地形中,可利用数字高程模型(DEM)创建模块,赋予高程值,再与遥感影像配准校正,并在空间叠置操作的基础上进行可视化表达处理,便可展示出某座山峰的三维立体影像,可以直观地观察山峰、山谷、山脊、鞍部、陡崖等多种地形地貌。由此再结合地图进行等高线地形图判读学习,就会极大地提高教学效率。

(4)培养遥感图像处理操作和软件应用能力,发展空间想象能力。在地理教学中,要教会学生运用遥感软件操作对遥感数据进行简单处理。通过软件操作学习,不仅可以增加学生应用计算机的能力,而且可以锻炼学生整合信息的能力。遥感图像处理的过程需要对多源地理空间数据进行整合、分析和表达。这一过程中,学生的思维处于积极状态,学习者要在大脑中视觉化地理事物的空间结构、形状,从而实现真实地理事象和遥感影像之间的转换。

(5)注重地物辨别,寻求地物间的空间关联。在运用遥感进行教学时,通过遥感影像上目标地物的八要素(大小、形状、阴影、色调、颜色、纹理、图案、位置),可以要求学习者比较几个不同的地物的光谱特征,通过对各个不同地物信息的抽取、结合、比较,认识和分析各地物信息要素之间的空间相互关系,从而认识地理事物的空间分布和空间格局,并解释分布特征和格局的成因,培养了学生从遥感影像中获取间接信息的能力。

5 运用遥感培养中学生地理空间认知能力的建议

第一,对地理教师进行遥感运用方面的培训。有针对性的培训是成功运用遥感进行空间能力培养的基础。职前和在职教师都应该进行遥感图像处理技能培训,重点进行如何在课堂中有效运用遥感进行教学的培训,要把遥感运用技能和地理课程内容结合起来。目前,大多数的遥感培训项目主要是“关于遥感”的教育,如操作菜单、按钮、工具包,进行平移或拖放、波段组合、输出结果等。对于如何在课堂教学中运用遥感进行有效教学,如何将遥感与地理课程内容结合等方面,则没有有效的培训项目。结果,大多数教师和学生不能很好地运用遥感进行地理空间认知能力的培养。

第二,现行的遥感图像处理软件(如ERDAS IMAGINE、ENVI等)版本是为专家设计和使用的,多数软件不适合中学教师和学生直接使用。故应当对用户界面进行简化,二次开发新的适应中小学教育需要的软件系统。新的系统应当具备简单易学、灵活和操作便利的特点,能够提供直接反馈,最好可以根据不同年龄段的中学生设计,使其更加具有吸引力。

第三,开发具有挑战性、高质量的遥感应用课堂学习模式。运用遥感对中学生进行空间认知能力培养还需要课程支持,因此需要开发具有挑战性、高质量的遥感应用课堂学习模式。目前,我国中学课程中还没有这种模式,而且对这种模式的研究也比较少。尽管已有像ERDAS、ENVI等这样强大的支持空间能力发展的遥感图像处理软件和工具存在,但是并没有对地理课程及其他材料进行设计,以发展学生的地理空间认知能力。因此,还需要系统的开发国家空间认知能力标准,为中学教师和学生提供努力方向和评估标准,以有效指导课程中地理空间认知能力的教学。

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