WebGIS辅助尺度思想培养的教学实践

主惠文 宗玮 柳云龙 刘兰

摘 要：尺度思想是地理学的基本思想之一，对培育地理核心素养具有独特价值。WebGIS是互联网与GIS融合发展的产物，革新了地理空间信息技术在地理教育中的使用方式，已逐渐成为辅助地理教学的重要技术手段。本文明确了WebGIS辅助尺度思想培养的三大优势：改变比例尺，指向尺度划分；可视化、量化地理要素，指向尺度关联；归纳区域特征、凸显区域差异、指向尺度转换。在此基础上，以“黄土高原的水土流失”为主题，探究渗透尺度转换、尺度关联思想的路径与方法，并结合SOLO分类理论设计教学评价量表。

关键词：WebGIS；尺度转换；尺度关联；黄土高原

中图分类号：G633.55       文献标识码：A       文章编号：1005-5207（2024）03-0015-06

一、问题的提出

尺度思想，是通过尺度的透镜观察和理解地理事象，分析和解决地理问题的地理思想［1］，融入尺度思想的教学对地理核心素养的培养［2］及地理教师教学实践水平的提升有重要作用。

在参加阅卷工作时，一道材料题引发了笔者思考，原题设问如下：“与其他大江大河相比，黄河的航运条件有其特殊的困难和局限。请从自然条件的角度，分析黄河下游没有航运价值的原因？”此题难度不大，对学生思维结构要求不高，但考生的答案却暴露了诸多问题。

问题一：空间尺度对应不准，误将题目所问的黄河下游扩大为黄河全域。“地势崎岖”“上中下游落差大”体现了该考生读题不认真、尺度对应不清的问题（图1），或是未注意观察尺度的改变会导致效应的变化，盲目得出结论。

问题二：不能建立具有尺度思想的黄河下游航运价值低→黄河下游水文条件→区域背景思维逻辑链。多数学生未把黄河下游置于大环境下分析，不能以小见大，尺度关联和尺度转换思想薄弱，没有答出“位于季风气候区，径流量季节变化大；冬季气温低，河流有结冰期，通航时间短”等。也有一部分学生没有结合正确的区域背景，导致分析结果错误，如“下游城市主要涉及长江经济带，对黄河的依赖性不大”“黄河下游流经华北平原，其流速快”“黄河水流量大，冲垮大堤”等（图2）。

如何有效培养高中生的尺度思想？如何在教学实践中融入尺度思想？本文借助WebGIS技术，寻求两者契合点并进行案例设计。

二、WebGIS辅助地理尺度思想培养的三大优势

张家辉将地理教育中的尺度思想概括为六大基本内容：尺度划分、尺度匹配、尺度关联、尺度效应、尺度选择、尺度转换［1］。对应其内涵，本文认为WebGIS培养尺度思想具有如下三大优势。

1.改变比例尺，指向尺度划分

白光润认为地理学的研究对象是复杂巨系统，是相当宏大的客体，十分重视研究的时空尺度，因而等级层次思想是很重要的指导思想［3］。所以“尺度划分”，即按照一定标准，将空间尺度较大或时间尺度较长的地理事物和现象划分为若干大小不同的空间或长短不一的时间的过程［1］，为人们提供了一种认识和分割庞大地球表层的思路方法。

WebGIS技術突破时间、空间限制，具有时空动态耦合功能。WebGIS视图呈现的空间范围大至宇宙，小至一条道路，可无级缩放，准确定位。实时获取、存储、更新真实数据，与相应的地理环境和地理事物对应匹配，形成跨越时间和空间的地理过程逻辑链。教师讲解某地理现象时，可在WebGIS平台中更改空间比例尺，比例尺由小变大，尺度由大变小，定位目标尺度范围；也可拖动时间轴，以年、月、天、时为单位将其划分分析，帮助学生构建尺度划分思想，有序分析地理事物和地理过程。

2.可视化、量化地理要素，指向尺度关联

地球表层按照给定指标划分为大小、长短不同的区域和时间范围，这并不意味着不同尺度或相邻尺度区域的分裂化、孤立化，反而彼此关联、互相制约，这便有着尺度关联的意蕴，即指不同尺度上地理事物和现象之间的关联互动作用［1］。

WebGIS具有地理要素（包括自然和人文）图层显示、图层叠加、数据下载功能，将“抓不到”、看不到的地理效应专题化、可视化、量化。例如，在进行拉尼娜现象教学时，教师可结合2022拉尼娜年这一真实情境，选择气象和水文主题的WebGIS平台，配合海水温度、大气温度和降水要素等数据，围绕“赤道附近发生的拉尼娜现象会对全球气候产生什么样的影响？”这一问题开展探究式学习。

3.归纳区域特征，凸显区域差异，指向尺度转换

区域具有冗杂性和层级性，单纯从一个角度解决区域问题很难发现本质和真相，所以关键技巧在于转换尺度，既不困于宏观层面的整体态势，也不陷于微观层面的细枝末节难以脱身，全面又细致地认识目标区域。

WebGIS的优势在于它能呈现区域整体性，归纳区域特征，也可显现区域差异性，突出异质性。整体性具体体现在三方面：一是定位区域位置，二是多种地理数据信息归纳区域总体特征，三是时空动态模拟预测区域未来发展趋势。从这三方面比较不同区域方能展现区域差异性。通过WebGIS观察不同区域以及各个下级区域的同质点和异质点，避免产生“大包抄”“生搬硬套”或忽视大区域背景、根源性条件［4］等尺度问题，是认识区域、解决区域问题的得力工具。

例1.（2022年高考全国文综甲卷第7题）图3示意北美东南部沿海冲积平原某区域1890年以来海岸线的变化。读图，完成下列小题。

在图示区域海岸线变化最快的时段，该区域可能经历了

A.强烈的地震             B.剧烈的海啸

C.频发的飓风             D.汹涌的洪水

【试题解析】题目中“变化最快的时段”为1950—1970年。由图中穿过的经纬线可知图示区域范围较小。利用WebGIS气象主题平台，先定位到图中位置，再进行尺度上推，扩大区域范围，发现该地位于北大西洋低纬度地区，靠近热带海域。随即调出台风统计数据，得到“热带海域每年飓风频发”的结论，推测飓风除了导致狂风、暴雨以外，还会形成风暴潮，短时内对海岸线产生强烈的侵蚀破坏作用，答案为C。此题关键在于将热带海域较大空间尺度上“频发台风”的信息转换到此题目中北美东南部沿海冲积平原较小的空间尺度上。

三、WebGIS辅助“黄土高原的水土流失”主题教学实践

1.教学目标

本文选择2020年沪教版高中地理教材选择性必修二第二单元主题6“生态脆弱区的治理——以黄土高原为例”第1课时为教学课例。课标要求为“以某生态脆弱区为例，说明该类地区存在的环境与发展问题，以及综合治理措施”［5］。教材内容主要设置“黄土高原生态脆弱的主要表现”“黄土高原生态脆弱的影响因素”“黄土高原的综合治理”三部分，为使教学更具一体性，本文以“黄土高原的水土流失”为主题和脉络重新串联教材内容。依据课标、教材、学情，本节课的教学目标为：①通过对比延安市和西安市的土壤侵蚀强度，转换时空尺度大小，归纳黄土高原区域特征和区域差异，多要素总结黄土高原水土流失的原因（综合思维、区域认知）；②能够运用尺度关联思想，认识到黄土高原水土流失对本地和黄河下游、华北平原的影响，体会水土流失对人类的危害，树立人地协调发展的意识（人地协调观）。

2.教学思路

教学思路如图4所示。

3.教学过程

（1）设疑导入

教师展示黄土高原土壤侵蚀强度图，让学生分别读取延安市、兰州市的土壤侵蚀强度，抛出疑问：众所周知，黄土高原是我国水土流失严重区域，延安和兰州同样位于黄土高原，但为何延安为强度侵蚀，兰州却为微度侵蚀？由此激发学生探究兴趣，快速进入本课主题。

（2）渗透尺度转换思想，分析水土流失成因

教师提供延安市和兰州市2021年逐月降水量、降水强度等级和日最大降水量统计数据，抛出问题链（图5）。一系列问题旨在体现空间尺度的层级扩张，即延安市、兰州市到温带季风气候区、温带大陆性气候区，再到黄土高原，既解决导入疑问，也引导学生发现黄土高原水土流失严重的第一个自然因素——降水。该过程中指导学生注意尺度变化，帮助学生形成关注区域背景的分析思维。

教师再次提供2021年西安市降水量数据，并且让学生读取西安市土壤侵蚀强度，重新对比西安市和延安市，创设认知矛盾：延安和西安降水特征相似，但土壤侵蚀强度仍有较大差异，看来除了降水，还需深入两地寻求答案，由此过渡到其他因素学习。

教师打开“全球森林观察网站”（https：//www.globalforestwatch.org/），依次点击“地图”“土地覆盖”选项，选择“森林覆盖—2010年”图层，点击右下角“+”图标，放大比例尺，将视图定位为延安市版图。点击“延安市”“分析”字样，左侧出现延安市2010年>30%树木覆盖率（7.8%），让学生读取记录数据。同样操作，查询记录西安市2010年>30%树木覆盖率数据（39%）（图6）。结合以往所学的植被的环境效应，指导学生发现导致两地土壤侵蚀强度差异的原因——植被。继续点击“-”图标或转动鼠标滚轮，缩小比例尺，呈现整个黄土高原区域范围，让学生尝试描述2010年黄土高原整体的森林覆盖特征，将结论尺度上推，归纳黄土高原水土流失严重的第二个自然因素——植被。

教师打开“国家土壤信息服务平台”（http：//www.soilinfo.cn/map/index.aspx），点击“数据目录”，依次选择“土壤类型图—发生分类—中国1∶400万土壤类型图”，点击“查询”，在下方文字框查询条件里分别输入“陕西省延安市”“西安市”，调出两地各县区土壤相关数据（图7）。对面积进行排序后发现延安排名前三的县区土壤类型都为黄绵土，西安则顺次为黄棕壤、棕壤、褐土。随后，播放土壤影响水土流失实验视频，教师和学生一起总结黄土的特性：黄土具有颗粒细小、多孔疏松、垂直节理发育、湿陷性强等特点，易于流失。而对比棕壤，黄绵土完美继承了黄土的本质特征。学生基于真实数据分析，找出了两地侵蚀强度差异的又一原因——土质。教师继续在查询条件框中的“图形条件”选择“多边形”，在行政区底图中绘制出黄土高原区域范围，点击“查询”，调出黄土高原土壤类型数据（图8），统计后发现黄土高原地区主要分布黄绵土、褐土、黑垆土等土类，学生结合风成说相关内容，知道这些土类都是基于深厚的黄土层演变而来。由此归纳黄土高原水土流失严重的第三个自然因素——土质。

[<E：＼钟兴贵＼240229-＼地理教育2024第3期＼地理教育2024第3期-数据-＼主惠文-7A.tif><E：＼钟兴贵＼240229-＼地理教育2024第3期＼地理教育2024第3期-数据-＼主惠文-7B.tif> 图7 国家土壤信息服务平台显示的延安市土壤数据 ]

教师在国家土壤信息服务平台中切换成卫星遥感影像，依次点击“查询”“行政边界图—全国县界”，分别选择“陕西省延安市”“西安市”，点击下方各县（区）任意一栏，点击“定位”，显示此县（区）位置。教师带领学生观察两地各县区卫星遥感图像，真实感受两地地貌、地形、坡度差异。总結时强调延安多黄土梁峁、沟壑和黄土塬沟壑，总占比达到91%；而西安北部有着大面积的渭河平原，南部是秦岭山地。提问：哪种地形更容易发生水土流失？（分析西安时让学生比对西安树木覆盖分布图与地形图，发现树木覆盖区与秦岭山区重合，点出西安南部虽多山地，但植被覆盖率高，水土不易流失），由此找到两地土壤侵蚀强度差异的又一原因——地形。教师重新定位整个黄土高原，指导学生自由选择移动地点、放大比例尺近距离观察黄土高原地形地貌，提问：黄土高原大部分地区的地形地貌是怎样的？坡度是陡还是缓？同样进行结论尺度上推，归纳黄土高原水土流失严重的第四个自然因素——地形。

从全国来看，黄土高原整体的植被覆盖面积小，夏季暴雨频发，黄土分布广泛，沟壑纵横、坡陡谷深，这是黄土高原水土流失典型的自然原因，由此形成区域背景，归纳区域特征——生态脆弱，培养学生区域性素养。而其内部又存在差异，需具体尺度具体分析，在WebGIS平台提供的植被、土质等真实数据支持下对比延安市和西安市，帮助学生形成尺度转换思想，避免大包抄等尺度问题，树立正确尺度观。

教师强调黄土高原水土流失是受自然和人为因素的双重影响，从而过渡到人为因素的学习。提供以下资料，让学生从古今两个视角，分析黄土高原森林覆盖率下降的原因。

材料一：公元前5 000至3 000年，黄土之上发展出的仰韶文化可谓当时华夏大地上的“经济文化中心”。究其原因，是当时黄土高原的生态环境比今天要宜居得多，山地中分布着广袤的森林，塬墚峁上则是丰美的草原。

材料二：黄土高原森林覆盖率历史变化［6］（表1）。

黄土高原如今的状况是有历史背景前提的。从历史角度看：①农耕文明的兴盛、人口的增长，导致大量屯垦土地；②工程建设，如秦代“蒙恬率三十万众北筑长城”；唐宋时营建宫室、城市，大规模采伐黄土高原上的木材；明代在黄土高原北部修筑长城等；③政策制度，如清代推行奖励垦荒制度；由于长期的战争，长城内外皆是征战的焦点，生灵涂炭。20世纪50至70年代也存在“过度樵采、过度放牧及不合理采矿、工程建设”等现象。该部分内容需变换时间尺度解析答案，剖析人类文明发展历程，进而培养学生历史眼光。

（3）渗透尺度关联思想，探究水土流失影响

首先是对当地的影响。教师继续利用国家土壤信息服务平台，在数据目录中找到“土壤专题图”，打开“中国1公里土壤有机质含量”图层（图9），颜色越深代表有机质含量越高。打开“黄河水文网站”（http：//www.hwswj.com.cn/），点击“水情信息”，时间固定在2022年7月，让学生观察7月小浪底水文站记录的黄河含沙量信息（图10）。同时提供材料三，提问：图中黄土高原地区是什么颜色？说明什么？从小浪底水文站记录的黄河含沙量数据和材料三你可以获取什么信息？

材料三：黄河多年平均输沙量16亿吨中的89%来自中游地区，其中90%来自汛期，汛期又主要集中来自几次高含沙量洪水。

其次是对黄河下游及华北平原的影响。以7月为例，教师继续让学生观察黄河水文网中东湾站到利津站之间所有水文站（即位于黄河下游的水文站）的水位要素数据，告知学生黄河下游主要流经华北平原，大部分地区海拔在50米以下，东部沿海平原在10米以下，提问：对比水位和海拔数据，你发现了什么？学生结合已学知识，自主讨论。讨论后师生共同总结：黄河流经至下游，因地势变缓，流速变慢，中游携带来的泥沙沉积下来，一方面冲积形成今天的华北平原，另一方面也淤积河床，抬升河道，黄河下游多形成“地上河”，河流的综合利用功能，如航运、蓄洪防旱功能减弱，华北平原旱涝灾害频发、水资源短缺，制约该地区的经济发展。

黄土高原和黄河下游及华北平原密切关联，该环节意在培养学生尺度关联思想，让学生体会不同空间的互动，形成从多空间角度看待问题的思维习惯。

（4）情感升华，聚焦素养生成

本节课在时空尺度视野下，综合探究了黄土高原水土流失的原因和影响，认识到了如今黄土高原脆弱的生态环境。但在数千年前，黄土高原环境优美，诞生了先进的文明和独特的文化。通过对比启发学生反思，帮助学生理解人地关系协调的重要性，意识到人类社会要想持续发展，就必须尊重自然、保护自然。

4.教学评价

本文拟采用书面测验法，选取2021年高考河北卷18题第1问为测试题。

例2.阅读图文材料，完成下列要求。

陕北延安至榆林间的森林草原区（图11）黄土丘陵沟壑地貌发育，图12为该区自沟壑底部到丘陵顶部自然植被分布的典型剖面示意图。长期的坡面耕作打破了生态平衡。1999年以来，该区域实施了大规模退耕还林还草工程，大范围坡耕地转为林草地，在植被覆盖率提高、水土流失减弱的同时，坡面林地土壤也出现了明显干燥化趋势，给林木正常生长带来潜在威胁。

分析该区自然植被空间分异的原因

该题目符合本课教学内容，要求学生从不同尺度分析森林草原区自然植被空间分异的原因，考查学生运用尺度转换和尺度关联思想解决地理问题的能力。结合SOLO分类理论，列出五种结构水平下对应的作答要求和答案示例，评价量表如表2所示。

四、结语

高质量地理核心素养的达成需要关注地理学思想，基于地理思想方法组织教学逻辑有助于教师厘清知识脉络、学生构建运用尺度思想解决地理问题的思维模式，展现地理学科的独特价值，营造具有地理味道的地理课堂。本文基于WebGIS培养尺度思想的三大优势，以“黄土高原的水土流失”课程内容为载体，探讨了WebGIS具体应用于尺度思想教学的方式方法，以期为一线教育工作者提供新思路。

参考文献：

［1］ 张家辉，袁孝亭.地理教育中的尺度思想：基本内容与教学价值［J］.课程·教材·教法，2016，36（6）：103-108.

［2］ 柯旺花.渗透尺度思想，培育核心素养［J］.地理教育，2020（1）：49-51，2.

［3］ 白光润.地理科学导论［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］ 钟华胜，梅国红.强化尺度转换思想 培养时空综合思维［J］.地理教学，2017（3）：53-56.

［5］ 中華人民共和国教育部.普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［6］ 陈怡平.黄土高原生态环境沧桑巨变七十年［EB/OL］. （2019-09-03）［2023-10-26］. https：//www.cas.cn/zjs/201909/t20190903_4712687.shtml.

［7］ 汤国荣地理教学研究室.秉持地理特色，凸显学科价值——教师视角下的2021年部分高考试题分析［J］.地理教育，2021（7）：29-42.