探讨中学地理教学的“图层方法”

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  • 更新时间2018-08-27
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  “图层方法”是利用地理信息系统图层的概念和技术来开展地理教学的方法,具有直观性、形象化和可操作的特点,已被我国地理教师用于地理原理性知识和区域地理等内容的教学。该方法可以非计算机的“低技术”方式使用,既利用了地理信息系统中的有益方法,又适合我国地理教学软、硬件普遍不足的现状;对该方法的研究有利于挖掘“图层方法”的内涵,丰富中学地理教学方法体系,为地理教师提供更多的教学方法的选择。


  关键词:图层;图层方法;地理教学;中学;地理信息系统;


  作者简介:林培英,1957年生,北京人,博士,首都师范大学资源环境与旅游学院教授,主要从事地理课程与教学论、现代教育技术应用、环境与可持续发展教育等研究。


  地理信息系统不仅是我国高中地理教学的内容,也可以作为教学的辅助工具。目前地理教师利用地理信息系统辅助教学的还不多见,主要原因在于地理信息技术是一门需要足够的硬件和软件的“高技术”,在这方面,我国中学的条件还不能满足技术应用的需要。但是地理信息系统并不仅仅是“技术”,它已经从“技术”发展到“科学”,其中一些基本的技术和思想,在没有“高技术”的条件下也可以运用到中学地理教学中,为打开地理教学新思路作出贡献。“图层”就是这样一种技术。


  2003年,笔者从美国国家地理教育网站上看到一篇地理课堂教学的教案,标题是《区域图层———低技术含量的地理信息系统》。1方案中安排中学生通过使用地理信息系统中的图层技术探究一个地理区域的自然特征,但学生使用的是透明胶片而非计算机的地理信息系统软件。这篇教学设计给予笔者最初的启发是:用“低技术”地理信息系统教学,除了可以直观、形象地了解该技术的特征外,还可以渗透该技术内含的地理思想。在以后的若干年内,笔者不断与大学同事、师范生和中学地理教师交流这种想法。2004年准备申请高中地理教材编写立项时,根据这种思考设计了农业区位因素章节(见林培英、杨国栋等著的《高中地理教科书的文本比较研究与编写实践》一书);2006年笔者参与北京郊区初中地理教师培训项目,当地中学教师利用类似的方法设计并实施了一节公开课(见本文“背景资料1”);2008年笔者主持教育部师范司高中新课程远程研修项目,参与课程开发的优秀高中地理教师又设计实施了类似的研究课例(见本文“背景资料2”)。此外,从其他渠道也了解到有类似研究课或复习课的存在,例如,利用图层叠加技术复习区域地理知识。[1]基于上述中学地理教师的实践和作者多年的思考,本文探讨了“图层”概念和技术在中学地理教学中的应用。


  一、基本概念


  (一)图层


  “图层”,简单地说就是层状信息。在使用广泛的图像处理软件Photoshop中,“图层”是一个基本技术,人们用它来分别处理图像上的不同内容,每次处理的内容就构成一个“图层”,最后将不同的图层叠加成目标图像。甚至在传统的手工制作中,也能看到“图层”的影子。例如,立体画的制作,人们在不同的硬纸片上分别画上云、山、树、人等图形并剪裁下来,再将这些图形按某种前后顺序垂直粘贴在底板上,从正面看,就是一幅有层次的立体画。


  在地理信息系统中,“图层”即“描述不同地理要素的专题层次”“不同要素的地理空间数据也常常分别地加以组织,形成同一区域的多重图层或专题数据层次……”[2]地理图层是地理信息系统的数据存储和表现形式。


  在与地理有关的实际应用中,“图层”中的“图”是指专题地图,“层”是指在某一特定框架下相互关联的若干幅专题地图,其中基本地图呈现主题框架,如某一区域的轮廓图;其他则为可供选择叠加的数据图层。某一类数据可以在底图上独立显示,也可以叠加在一起构成新的地图,例如,道路、河流、建筑、行政区域划分、地面海拔等,都可以构成专题图层。在电子地图的使用中,用户可以选择在某城市的地图上单独显示大型购物中心,这里大型购物中心的分布图就是一个“图层”。


  “图层”的使用可以是基于计算机的,也可以是非计算机技术的,如使用透明材料绘制地图图层再进行人工叠加。在地理课上,一些简易地理教具的制作也应用了“图层”的原理,例如,使用玻璃片制作的等高线地形图模型,每张玻璃片就可以理解为一个“图层”。不论是计算机处理的“图层”还是用普通材料绘制的图层,基本的要求是“透明”。


  总之,“图层”有以下几个重要特点:信息呈层状显示;每层的空白处是透明的;多层信息组合起来形成新的俯视图。假如我们用橡皮泥制作了一个地层模型,从侧面看确实是层状的,但不能说它是“图层”,而玻璃片制作的等高线地形模型就可以这样说。上述三个特点都具备,相关事物才具有“图层”的意义。


  (二)作为教学方法的“图层方法”


  当人们用“图层”技术进行地理专题教学而非单纯呈现叠加后的信息分布时,就会形成一种由技术扩展开来的教学方法,可以称其为“图层方法”。“图层方法”是利用地理信息系统图层的概念和技术来开展地理教学的方法。与讲授法等涵盖面很广的方法比较,它多限定在某些特定内容上;同“情境教学”“探究教学”等一般教学方法比较,它是一种地理特色教学方法。“图层方法”中的“图”目前仅指地理要素分布图,“图层”指用于同一主题学习的若干张透明要素分布图,这些图的比例尺相同,呈现的地理要素不同。一般来说,每一张图仅表示一种地理要素。“图层方法”主要由图层的建立和利用图层讨论地理主题两个核心部分构成。“图层方法”并不依赖特定的教学仪器设备。


  “图层方法”的名称似乎有些过于具体和依赖技术。在实际课例中,一些教师也并没有直接使用“图层”的概念,而是根据课堂教学的活动设计,将自己使用的方法定义为“情境教学法”“任务驱动法”甚至是“探究法”。我们也可以将“图层”技术的运用定义为“多因素分析法”或“综合分析法”,这种命名较之“情境教学法”等方法更接近该方法的本质。但上述方法的名称都过于上位和宽泛,模糊了图层利用本身的地理特点,所以本文选择使用“图层方法”一词,突出其方法与地理教学内容的融合。


  二、“图层方法”的使用


  为了读者阅读方便,本文提供两个背景资料,呈现我国初中和高中两节利用“图层”上课的缩略过程。


  结合前面提及的美国教案,三个课例有一些共性的东西可以作为“图层方法”的成分。


  1.提出问题或布置学习任务


  “图层方法”本质上属于任务驱动类的方法,所以,教师为学生设计的问题属于加里·鲍里奇问题分类中的“开放性问题”和“复杂问题”[3]。若以学习任务的方式呈现主题,该任务也会具有较大的综合性和探究价值,需要较长的时间完成。例如,在美国的教学设计中,特定的学习任务几乎贯穿整个教学时间3~4个小时;我国中学地理课一般时长为45分钟,“澳大利亚”一课养羊业分布的内容用时约37分钟,“农业区位”一课我国棉花生产布局用时约25分钟。


  2.建立图层


  建立图层是“图层方法”的特色部分。在典型的课例中,图层一般由学生自己建立而非使用现成的,这是“图层方法”与常规地图使用的区别。建立图层不仅仅是为了获取“叠加”需要的材料,其本身就是一个学习过程。学生在制作图层的过程中,会不断学习、熟悉、领会有关地图和地理专题要素分布的知识,并增长绘图的技能,也期望有激发学生兴趣的作用。


  学生建立的图层均为草图或示意图,图层的精准和美观并不重要。学生可以采取各种可能的绘图方法,教师也可以采用不同的展示方式。在前述中国的课例中,学生有两种绘图方式,一种是在纸质的专题地图上用彩笔描画出专题要素的分布范围,另一种将透明胶片覆盖在纸质地图上描绘。教师也有两种展示方式,一种是直接将学生绘制好的透明胶片放到投影台上展示,一种是根据学生在纸质地图上的描绘,当堂描绘在PPT底图上进行展示。


  利用地理信息系统软件建立图层,属于“高技术”应用,在技术层面上更接近“图层方法”的本源,但“建立图层”内涵的教育意义与学生手工绘图就有了根本的不同。采用何种方式,除了条件制约外,还要看教学的目的。目前来看,我国绝大部分学校还不具备“高技术”建立图层的条件。对地理信息系统感兴趣且有开发能力的地理教师,可以利用选修课或活动课的形式让学生建立图层。


  3.图层叠加


  图层叠加是这种方法的另一特色部分。“叠加”本身很简单,如果使用地理信息系统点击一下鼠标即可完成,手工叠加也并不费事。但作为一种教学方法中的“叠加”,它是与建立图层相对的学习过程。图层建立是个将学习对象分解的过程,“叠加”则是将分解后的要素再综合的过程。因此,为什么叠加、将哪些图层叠加就是需要围绕教学目标精心设计的环节。大部分教学中的“叠加”是将若干张透明材料绘制的示意图叠置在一起,但也有教师将学生绘制出的不同示意图直接转绘到同一张地理底图上,虽无“叠加”的动作,却仍有“叠加”含义。


  4.结果讨论


  如同任何活动式的教学方法,最后都有讨论的环节,“图层方法”的运用也是如此。结果的讨论要依据教学目标并联系学生已有的地理知识基础,并由讨论归纳出学生应该了解的新的地理知识。


  三、“图层方法”研究的意义


  (一)“图层方法”与地理学本质的联系


  “图层”并不仅仅是技术领域的专用概念。早在1927年,德国地理学家阿尔夫雷德·赫特纳就在他的《地理学:它的历史、性质与方法》一书中对地理学的研究领域作了如下形象的描述,他使用地理要素层状分布和叠加作用的说法,其中已包含现今“图层”概念的全部特点。


  可以把地理学的内容设想为一个填满了的空间,它的底面是地表,而其中各种自然界和它们的各种不同的现象群形成层状迭置起来。……当人们在这个空间以外从旁把目光自下向上扫视时,就会依次看到每一个范畴的现象分布;使这种做法遍及整个地球,那就是一般地理学的考察。如果从上向下看,……我们设想目光能够透过这些层次,就可以同时看到所有的现象;这是属于特殊地理学即地志学和景观学的考察。[4]


  赫特纳用形象的说法描述了地理学的两大研究领域,读起来更像是人类看待我们生存世界的两个不同视角。系统地理的研究者关注地球表层某一要素,研究它的变化、影响和地区分布,视角是“自下而上”的,分别看到构成层状体系的每一个要素;区域地理的研究者关注地球表层要素复合体的现象和地区分布,视角是“自上而下”的,看到的各个层状要素重叠以后构成的区域,所有要素都以某种联系共同存在于一个水平平面上。后来的美国地理学家哈特向将这种说法作了如下进一步的概括。


  如果我们把地理要素的变化看作仿佛是包含在与地球表面相平行的面上的,那么所有这些要素合起来,就在地球表面上空的不同高度上形成一系列表面。在系统地理学的任何一个部分,人们把单层表面上所有一切变化与其他诸要素表面上的变化可能有的关系联系起来研究。然而在区域地理学中,我们却垂直通过所有各层表面了解一个有限部分,以求理解一个地区中这些表面的特点的总合。[5]


  哈特向重申赫特纳的观点时明确使用了“系统地理学”和“区域地理学”的分类,并突出了地理要素分布的“平行面”特点。为了更清楚地表明赫特纳和哈特向对系统地理与区域地理图层关系的描述,本文借用图1将其可视化。在图1中,从R—SR为系统地理研究的各个地理要素,E图为R—SR叠加后形成的综合图形,可以理解为区域地理关注的部分。“图层方法”的内涵是基于上述两种地理学视角的,是这种视角融合的最直接体现。因此,在教学中,“图层方法”的认识论意义和方法论意义要大于其单纯工具的意义。


  当然,地理学研究中的系统地理与区域地理交叉的视角具有很强的专业性,中学地理教学没有必要将它们全部教给中学生(地理视角也不是直接教授出来的),本文考虑到中学地理课程特点中的“复杂性”和“区域性”正是来源于这两个视角,作为教师,如果选择“图层方法”进行地理教学,理解二者之间的关系是必要的。


  (二)“图层方法”的地理教学方法论意义


  “图层方法”在分析综合方面具有优势。分析综合是地理教学的基本方法,用来帮助学生体验由简单到复杂,由单一到综合的认识过程。任何地理学习对象都是综合的,将其分解开来不过是为了认识和理解的方便。例如,学习影响气候的主要因素,往往会把一个气候现象的产生分解成纬度、海陆位置、地形地势、大气环流形式、洋流、人类活动等单一的因素讲解;学习一个国家或地区,实际也是将它“分解”成位置、地形、气候、河流、城市、工农业生产、人口等多个特征处理。地理学习“分解”的过程一般是由地理教科书和地理教师完成,且有一定的规律,以避免学习抓不住头绪的困境。但“分解”很多时候并不是地理教学最终目标所在。例如,学习农业区位的知识,教学的目的主要不是让学生知道气候对农业有什么影响、土壤对农业有什么影响等,严格地说,这些是“农学”的知识而非地理学的知识。地理教学希望学生能够理解为什么这一地区的人们在种植某种作物,这就比理解单一因素与农业的关系更接近“地理”。更理想地,是让学生理解为什么这个地区不仅有农业,还有其他人类活动形式存在,这比理解为什么这个地区有某种农业类型又接近了“地理”的实质。“国家”和“地区”的学习也是如此。就知识来说,教学的最终目标不是让学生记住一个国家的某一特征,而是形成有关这个国家的整体印象,这就是“综合”。“综合”的过程即使不用“图层”技术也会是一个隐性“叠加”的过程,例如,如果教师以“分解”为前提问学生,这个地区的气候适宜,为什么不种植某种作物?教师就是准备在“气候”因素上再叠加第二个因素,以此类推,直到回答完全部“为什么不种”的问题。这种分析综合可以不依赖技术,如使用由文字和线条构成的示意图或关系图。这种方式比较简单,但有些过于表面,且无法表现要素之间的关系。“图层方法”的原理也是先分解后还原,其优势是直观、形象,可用来弥补关系图的不足,更方便地完成前述逐步接近地理本质的学习过程。其中的道理就在于“图层方法”实际上是把一般只在概念、想象中的内容,变成了可操作的对象———一张张可用于叠加的图层,使得比较“虚化”的地理要素有了物化的“替身”,这无疑会搭建从具体到抽象的桥梁。从这个角度看,貌似专业性很强的“图层”概念,在作为地理教学方法后,会起到使教学“通俗易懂”的效果。


  在地理事物分布关系的学习方面,“图层方法”可以用来拓展一些传统教学内容的教学意义,如地理事物分布关系的学习。不同地理事物空间分布的关系是中学地理教学中的基本内容,只要不过于复杂,不同的地理事物可以在单一地图上呈现,学生通过静态观察来理解它们之间的相互关系,如山脉与河流流向的关系。“图层方法”则可以将这种常规的读图分析变成动态的探究性学习。因为“图层”可以灵活叠加,教师就有可能为学生创建一个“如果……会……”的探究情境,学生也可以根据自己的设问选择叠加的图层和数量,再通过观察结果回答自己的问题。“图层方法”实现这一过程的原理,是先将传统地图册上的既定内容转化成“未知”的内容。


  在地理数字的应用上,“图层方法”利用了地理数字的工具性,为学习附加了量化特征。如“背景资料1”和“背景资料2”所示,学生在建立图层的时候,都多少要涉及量化的指标,如降水量、积温等;在分析叠加结果时,也会用到量化的指标。教学的目的并非是让学生记住这些地理数据,而是为他们提供学习使用地理数据的机会,客观上也使地理教学“自然科学”的属性有所体现。


  上述意义更多体现的是“图层方法”的技术性。如果有需求且具备了条件,教师也可调动“图层方法”的地理性来帮助学生更好地建立地理概念和丰富教学内容。例如,利用“图层方法”理解“区域地理”的内涵。从前述两个课例看,在使用“图层”学习的过程中,学生操作的“区域”范围是在不断变化的,有形态(区域结构)的变化,也有面积大小的变化,直观地反映出多因素对区域边界形成和区域范围的影响,如叠加的因素数量不同,最终可选择的范围大小也会不同。对于区域范围无法变化的学习对象,如国家或地区的学习,因素的不断叠加会改变区域的总体特征,如果再有其他技术配合,可以发现景观上的变化,从中可以了解和理解区域地理事物丰富性程度的变化。


  在不同的教学目标达成过程中,“图层”的应用也会因教学目标不同而有一些技术上的细微差别。在地理原理性知识学习的过程中,主要取“图层”中重合的部分,在被叠加之后,具体因素就会自动“消失”在叠加区域内,这时建立的“图层”,多用封闭式曲线表示地理要素。在区域丰富性的呈现上,则主要取“图层”中的非重合部分的“合成”,一如使用电子地图上的查询功能多项目查询后的结果。


  (三)丰富中学地理教学方法体系


  教学理论来源于教学实践。不断尝试新的想法,发现、总结、提升中学地理教师的教学实践,形成独特性较强的地理教学方法,可以丰富中学地理教学方法体系,进而丰富中学地理教育的理论。


  综上所述,“图层”可以直观、形象地揭示地理学研究的视角,不仅是地理信息系统这种高技术的基础构成,也可以通过“低技术”方式用于中学地理教学。“图层方法”在初中和高中均有使用,但目前尚属具有地理特色的“小众”教学方法,可供感兴趣的地理教师选择使用。