ArcGIS Earth：中學地理數字化學習的有效工具*

朱志剛

江蘇省常州市教育科學研究院 江蘇常州 213016

《“十四五”國家信息化規劃》倡導全面推進教學模式創新，開展“終身數字教育”以及全面推進評價方式改革，要“推進信息技術、智能技術與教育教學融合的教育教學變革”?！读x務教育地理課程標準（2022 版）》明確提出：“將現代信息技術與地理教學充分融合，創設多樣化的學習情境，設計多層次的學習任務，積極開展地理戶外實踐，使學生深度參與地理學習活動，經歷對提升核心素養有意義的學習過程?！保?-2］。在信息技術與地理教學深度融合的實踐中，ArcGIS Earth 作為一種簡明而有效的工具，為師生提供了思維呈示與交流的有力載體。

一、ArcGIS Earth 的概述

ArcGIS Earth 是美國環境系統研究所（Environment Systems Research Institute，以下簡稱Esri）地理空間云研發的一部分，是一款三維虛擬地球平臺，可以顯示全球的2D 和3D 數據，并具備一些基礎的交互式分析功能。ArcGIS Earth 的出現，為中學地理教育在地理信息技術應用領域提供了一種解決方案。

ArcGIS Earth 界面簡潔友好，上手容易。左上角是常用工具條，提供了加載數據、繪制、測量、交互分析、書簽、分享、地圖庫等常用功能。點擊“加載數據”按鈕，界面左側將出現圖層樹，加載的數據、創建的要素均可通過圖層樹進行控制顯示；點擊“測量”按鈕，可自行繪制線段、折線、多邊形、圓形等對地表區域進行測量與計算；點擊“交互分析”按鈕，可對地球表面進行剖面、通視等簡易交互式分析。界面右上角是輔助工具條，提供了搜索框、指北針、恢復初始視角、3D 效果等輔助功能。

二、ArcGIS Earth 的優勢

（一）海量的地理數據渠道

在GIS 輔助中學地理教學的實踐中，數據的獲取一直是一個重要的影響因素。

ArcGIS Earth 提供了海量的底圖與地形數據。依托Esri 強大的云服務，教師可以免費獲取來自DigitalGlobe、Earthstar、Here、USGS等世界頂級數據源的超過135 萬張遙感底圖。教師單擊ArcGIS Earth 界面左上角工具欄中的“Basemap and Terrain”按鈕，可以打開底圖與地形數據庫；進一步點擊對話框右下角的“Add New”按鈕，可以呈現海量的底圖數據和地形數據。ArcGIS Earth 也預留了本地數據的加載通道。

同時，ArcGIS Earth 提供了全面的數據獲取方式。教師可以通過ArcGIS Online、Add Files 和Enter a URL 三種方式獲取數據（圖1）。其中，“ArcGIS Online”是Esri 地理云涵蓋各類主題的全球地理信息的集合，它可以用于瀏覽世界各地的鄉土人情及其自然和人文因素，是廣大師生進行地理分析的理想數據源?！癆dd Files”是加載本地計算機地理數據的通道，它支持Shapefile 文件（SHP）、Keyhole標記語言文件（KML 或KMZ）、文本文件（TXT）等常見的數據格式，具有較強的兼容性，因而具備一定的GIS 專業背景的教師能夠更高效地利用它開展數據分析?！癊nter a URL”則是加載網絡數據的通道，教師可以根據需要從網絡獲取相關的地理數據。

圖1 數據獲取方式

（二）出色的地圖搜索功能

ArcGIS Earth 基于Esri 強大的地理云搜索能力，提供了屬性與坐標兩種地圖搜索方式。通過單擊右上角的搜索按鈕，在搜索框中輸入“常州”（或“Changzhou”），ArcGIS Earth 會在全世界100 多個國家中查找目標地，最終確定為“常州，Jiangsu，CHN”。也可以使用坐標信息進行搜索。

同時，ArcGIS Earth 會根據師生使用的設備類型，智能地切換“鼠標導航”與“觸摸導航”兩種地圖瀏覽的方式。在使用鼠標導航時，師生可以在選擇、測量或編輯要素的同時，對視圖進行旋轉、傾斜和縮放。通過單擊鼠標左鍵，可在隨即顯示的彈出窗口中識別要素。拖動鼠標左鍵，可平移視圖。通過旋轉滾輪鍵，可以放大或縮小視圖。拖動滾輪鍵可連續縮放。右鍵單擊并拖動滾輪鍵，可傾斜視圖或圍繞單擊的點旋轉。還可在場景中通過單擊右鍵來探索系統預設的飛行模式：旋轉、仰俯、離遠與靠近。在使用觸摸導航時，有三種導航模式可供選擇，分別是單指平移、多指縮放和平移，以及多指旋轉和仰俯。

此外，還可選取多個地圖場景創建書簽，并按序游覽所有地圖場景。

（三）優越的地圖表達效果

Esri 憑借在GIS 研發方面強大的專業能力處于行業領先地位。ArcGIS Earth 提供的地圖影像在類型、清晰度、拼接質量等方面均為上乘，且能夠全方位支持2D 與3D 場景的建構。

此外，ArcGIS Earth 作為地理教學中專業的演示平臺，具有類似于數字星球系統的動態演示效果。通過將虛擬地球作為載體，能夠立體、動態、直觀地顯示各種地理現象及其規律。在日常教學中應用ArcGIS Earth，有助于激發學生的學習興趣，并能有效地培養他們的空間思維能力，使其增強對地理規律的認知。教師可以預先選擇課堂教學的研究區域，并按序加入書簽，點擊播放按鈕時可獲得類似PowerPoint、Prezi、Focusky 等動態演示軟件的效果。

三、ArcGIS Earth 的典型教學應用

在實際教學過程中，ArcGIS Earth 有以下三個典型的應用方向，能將軟件特點與地理教學內容有機結合，可以有效地化解教學難點。

（一）靜態地貌現象的觀察

地貌是出露地表的巖石圈在大氣圈、水圈、生物圈綜合作用下呈現的結果。地貌類型多樣，千姿百態，特點各異。在地理課堂中，師生無法身臨其境地近距離觀察真實的地貌景觀，往往只能借助視頻、圖像資料進行初步了解，無法窺其全貌。借助ArcGIS Earth 的高清全球影像，教師可以引導學生通過航天或航空遙感技術，獲得對真實地貌類型的感性認知，有助于學生對常見地貌類型的判別。例如， 在右上角輔助工具條搜索框中輸入“玉門”，ArcGIS Earth 會定位至甘肅玉門，在城市西北方向即可發現河流出山口巨型的扇形堆積地貌“昌馬沖積扇”（圖2）。

ArcGIS Earth 也為地理課堂教學中的地貌觀察提供了高效的解決方案。師生可以選擇一個開闊的視角，按從宏觀到微觀、從面到點的順序進行觀察。通過點擊左上角常用工具條中的“測量”或“交互式分析”功能，師生可以選擇線路、區域，并展開剖面圖、通視（視線、可視域）問題的常規觀測。在剖面圖的分析中，地貌選線與地形剖面上的點將逐一對應。例如，鼠標停留在茅山最高峰上的某處，將會呈現該點在整個地貌游覽線路上的行程距離與地形剖面上的絕對海拔高度（圖3）。

圖3 茅山的地形與剖面

ArcGIS Earth 自帶的地理編碼器可以批量解析地理位置。學生可以搜集和整理坐標信息數據，經Excel 編輯后，拖拽文件到ArcGIS Earth 窗口之中，所有以文字表達的地理位置信息便會轉換成以圖形表達的點要素，并在ArcGIS Earth 中被繪制出來。學生可以通過點擊右鍵屬性將點要素導出并分享。同時，加載相應的等高線數據，可以將等高線內容的教學由傳統的2D 抽象轉變為3D 形象化。

（二）動態海氣規律的認知

與地貌相比，水圈和大氣圈的物質運動更易被人們察覺。在較大的時空尺度范圍內，海洋和大氣的運動規律是高中地理學習的重要內容。對此，ArcGIS Earth 有很好的教學支持效果。

中國國家氣象信息中心（NMIC）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）每年都會定期更新和發布免費的氣象與洋流數據。例如，教師可以下載特定時間的洋流數據，稍加處理后加載至ArcGIS Earth，能夠較為清晰地呈現印度洋海區洋流的分布、變化以及規律（圖4）。

圖4 印度洋的洋流變化

（三）人文地理數據的可視化

ArcGIS Earth 作為專業GIS 公司的產品，其在數據的圖形化輸出方面對于地理教學具有重要價值。ArcGIS 對基本數據進行處理，可以生成多種形式的專題地圖，包括點符號圖、點值圖、暈線圖、等值線圖、分層設色地圖等。ArcGIS Earth 的三維可視化演示效果遠比傳統的數據呈現方式更直觀明了。例如，對于全國城鎮居民人均可支配收入進行對比，常規的數據報表可以通過地圖可視化予以呈現。

信息化的快速發展加速推進了學科建設。以GIS 為代表的地理信息技術是地理學科信息化過程中的主要動力［3］。傳統的地理課堂教學方式已經不能滿足現代教學探究和展示的需求，引入以GIS 為代表的地理信息技術作為新的教學方式，必然成為一種教學需要。ArcGIS Earth 引入中學地理教學，為多樣性與實踐性相統一的地理教學探究提供了現實可能。

四、中學地理數字化學習案例

以下通過兩個案例，來展示ArcGIS Earth在中學地理數字化學習中的運用。表1 為地理數字化學習案例“購房選址”。

表1 地理數字化學習案例：購房選址

ArcGIS Earth 軟件技術的引入為解決綜合地理問題提供了新的途徑。在日常教學中，學生通常通過定性的方式來解決地理問題，但實際生活中的問題僅通過定性方式解決難有成效，往往需要定量化的探究才能有效解決。通過收集地理信息數據，進行地理問題定量化的探究，學生可以形成對科學研究的初步體驗，更易將自然與人文要素對地理問題的影響具體化，從而加強綜合思維在解決實際生活中地理問題的認識。這有利于學生從多個維度對區域展開分析，從而較全面地認知不同區域的地理特征，辯證地看待地理問題。表2 為地理數字化學習案例“海平面上升對沿海地區的影響”。

表2 地理數字化學習案例：海平面上升對沿海地區的影響

ArcGIS Earth 軟件技術的引入，特別是結合虛擬現實（VR）技術，能夠便捷地模擬和呈現學生在日常生活中缺乏體驗且無法親歷的問題。這種教學方式不但可以提高學習效率，而且對結果的呈現往往更為直觀。對于學生而言，這種教學方式遠比傳統的紙媒時代的知識講授更具吸引力。這種方式有利于學生正確看待地理環境與人類活動的相互影響，理解人們對人地關系認識的階段性表現及其原因，認同人地協調對可持續發展具有的重要意義，從而使其形成尊重自然、和諧發展的態度。

五、結語

綜上，作為中學地理數字化學習的有效工具，ArcGIS Earth 的新特點、新變化契合中學地理課程改革的方向，有利于創設“復雜而真實的情境”，結合相關學習平臺有利于動態生成“發展性任務”，并可以在較高的科學層面上促進師生進行基于項目研究的“協商對話”，有利于促進個性化的豐富多彩的“創造性應用”。

在數字化學習的具體實踐過程中，ArcGIS Earth 這種“學科工具”模式，還可以與其他實踐模式相互配合，融入中學地理數字化學習的全過程。圖7［4］展示了信息技術深度融入地理教學的實踐模式。以人地協調觀為地理教學的核心內容，包括區域認知、綜合思維和地理實踐能力等三個方面。而信息技術深度融入地理教學則包含學習策略、學習工具、學習過程三個方面的內容，對傳統地理教學模式產生了深遠的影響。其中，學習策略方面，信息技術為地理教學提供了更多的學習方式和策略。學生可以通過網絡課程、翻轉課堂等提高學習效果。同時，信息技術也促進了合作學習、自主探究、跨學科等新型學習策略的發展。學習工具方面，信息技術為地理教學提供了更加豐富和多樣化的學科工具。例如，基于GIS 技術開發的ArcGIS Earth 軟件可以用于地理數據的采集、處理和分析，使學生能夠更加深入地了解地理現象和規律。此外，信息技術還提供了虛擬現實、公共平臺和模擬實驗等資源，方便學生進行自主學習和探究。學習過程方面，信息技術為地理教學提供了更加高效和便捷的學習過程。教師可以更加靈活地組織教學，通過情境創設、學情調查、交流協商、創造應用和展示評價等實現個性化教學和差異化教學。同時，信息技術也促進了學生學習方式的轉變，使學生能夠更加主動地參與到學習中來，提高學習效果。

圖7 信息技術深度融入地理教學的實踐模式

這種融合有助于更高效地培養中學生的地理實踐能力，使他們能夠更好地理解和應用地理知識，解決實際問題。同時，這種融合也為他們未來可持續發展綜合素養的形成奠定了堅實基礎。通過實踐操作和應用ArcGIS Earth 等數字化工具，學生可以鍛煉自己的動手能力、創新能力和團隊協作能力，提高自己的綜合素養。這些能力對于他們的成長具有重要的意義。