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江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)自籌課題

“可視化地理的理論與實(shí)踐研究”

開題報(bào)告

一、核心概念界定

　　狹義的可視化是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，是研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)。目前正在飛速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是以可視化技術(shù)為依托的。

　　廣義的可視化是指將各種知識(shí)、數(shù)據(jù)、信息轉(zhuǎn)化為圖形、圖像的理論、方法和技術(shù)。

可視化地理是指將地理知識(shí)包括地理景觀、地理分布、地理概念、地理原理和地理規(guī)律等，變成可以用視覺來直接感知的地圖、圖形和圖像等，并通過恰當(dāng)?shù)姆椒▊魇诮o學(xué)生的地理教學(xué)過程。這里的地圖既包括正規(guī)出版的地圖，也包括教師在黑板或白板上勾畫的簡化地圖。這里的圖形既指結(jié)構(gòu)圖、概念圖、思維導(dǎo)圖和心理地圖等各種圖形，也包括使用各種軟件制作的動(dòng)畫，如反映化石形成過程的動(dòng)畫、演示地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的動(dòng)畫等。這里的圖像既包括地理景觀的素描圖，也包括地理景觀的照片和視頻等。

二、研究背景與研究價(jià)值

　　狹義的可視化源于1987年的科學(xué)計(jì)算可視化，經(jīng)歷了科學(xué)計(jì)算可視化、信息可視化、知識(shí)可視化和數(shù)據(jù)可視化等發(fā)展階段。廣義的可視化可以追溯到距今約3萬年前的比利牛斯山洞穴巖畫，直到約5、6千前楔形文字的出現(xiàn)，人們才開始用文字來表達(dá)。

　　可視化是地理學(xué)的傳統(tǒng)。地理學(xué)的語言——地圖就是一種可視化的產(chǎn)品，它是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界以高度抽象化的圖形形式再現(xiàn)。地圖設(shè)計(jì)過程就是運(yùn)用地圖符號(hào)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界抽象、綜合和表示的過程，地圖使用過程就是讀者運(yùn)用視覺思維對(duì)地圖的感受和分析。各種地理統(tǒng)計(jì)圖也是可視化的產(chǎn)物，1855年南丁格爾繪制了歷史上第一份“極區(qū)圖”，是人們利用圖形來展示數(shù)據(jù)的早期探索。對(duì)地圖和各種統(tǒng)計(jì)圖表的分析能力是地理學(xué)科的核心能力。

　　前蘇聯(lián)教育家沙塔洛夫提出“綱要信號(hào)”教學(xué)法，核心是“綱要信號(hào)”圖表，它是一種由字母、單詞、數(shù)據(jù)或其他“信號(hào)”組成的直觀性很強(qiáng)的教學(xué)輔助工具，其實(shí)質(zhì)是知識(shí)可視化。這種方法如運(yùn)用得當(dāng)，可以提高教學(xué)效率，有利于全體學(xué)生的發(fā)展，大面積提高教學(xué)質(zhì)量。但它僅僅是知識(shí)可視化的一種方式。

　　近些年來國內(nèi)一些教師也提出了“圖表教學(xué)法”，實(shí)質(zhì)上與“綱要信號(hào)”教學(xué)法沒有本質(zhì)的區(qū)別。江蘇省鎮(zhèn)江一中袁天才老師提出“多媒體圖表教學(xué)法”，以教學(xué)圖表為主線以多種媒體為輔助，取得了較好的教學(xué)效果。但其本質(zhì)仍然是知識(shí)可視化。知識(shí)可視化在語文、英語等學(xué)科中也有一些零星的應(yīng)用。但在一個(gè)學(xué)科中全面應(yīng)用可視化的案例還沒有見到。

　　本課題提出的可視化地理包括課程標(biāo)準(zhǔn)解讀的可視化、地理景觀的可視化、地理知識(shí)的可視化、地理評(píng)價(jià)的可視化、地理思維的可視化、地理可視化工具及可視化地理微視頻等，內(nèi)涵更豐富。系統(tǒng)地運(yùn)用可視化的理論和方法來對(duì)地理教學(xué)進(jìn)行改造在國內(nèi)外都屬首創(chuàng)。

　　之所以提出可視化地理還因?yàn)槟壳暗乩斫虒W(xué)中存在的重大問題，一是學(xué)生感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)的脫節(jié)。這不僅表現(xiàn)為學(xué)生在學(xué)習(xí)地理的時(shí)候缺乏起碼的感性認(rèn)識(shí)，如在學(xué)習(xí)“水稻種植業(yè)”的時(shí)候?qū)W生對(duì)水稻的生長環(huán)境和生長過程一點(diǎn)都不了解，因此在學(xué)習(xí)“水稻種植業(yè)”的區(qū)位條件和特點(diǎn)時(shí)就相當(dāng)困難。更嚴(yán)重的問題是，學(xué)生所學(xué)的地理知識(shí)僅僅是干巴巴的概念和原理，這些概念和原理在豐富多彩的地理事象面前毫無作為，很少有學(xué)生能夠敏銳地感知地理事象，并用所學(xué)的地理知識(shí)來解釋地理事象，理解地理事象，從而深刻地認(rèn)識(shí)地理事象，熱愛我們賴以生存的星球。二是地理課堂教學(xué)中教師還是講得太多，效率低下。許多地理知識(shí)難以或無法用語言文字來表達(dá)，如正午太陽高度的變化、溯源侵蝕等，而用圖形、圖像等來表達(dá)學(xué)生接受起來則容易得多，所謂“一圖勝千言”。

　　本課題的研究既可以構(gòu)建起可視化地理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還可以提高地理教學(xué)的有效性，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

三、研究目標(biāo)

研究目標(biāo)：

理論目標(biāo)：探索可視化地理的組成、結(jié)構(gòu)和意義。

實(shí)踐目標(biāo)：將感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)相結(jié)合，提高地理知識(shí)的可接受性和學(xué)生運(yùn)用地理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)地理的興趣，提高地理教學(xué)的有效性，從而全面提高地理教學(xué)質(zhì)量。在探索可視化地理的組成、結(jié)構(gòu)和意義的過程中不斷總結(jié)、反思，從而促進(jìn)教師的專業(yè)成長。

四、理論基礎(chǔ)

　　1、視覺思維理論。美國人阿恩海姆提出，該理論認(rèn)為，知覺活動(dòng)在感覺水平上也能取得理性思維領(lǐng)域中稱為“理解”的東西，因此，眼力也就是悟解能力。學(xué)生通過視覺對(duì)圖形、圖像的認(rèn)識(shí)不僅僅是感覺的過程，也是視知覺過程，還蘊(yùn)涵著思維的成分，如選擇、判斷等。

　　2、圖式理論理論。該理論認(rèn)為，來自外界的各種刺激反復(fù)作用于人的感知器官，最終會(huì)在大腦中留下痕跡，這種痕跡就像一幅幅圖片保留在記憶中，而且這些圖片之間是相互聯(lián)系的，這就是圖式。地理知識(shí)和地理思維可視化就是用圖形將這種圖式表征出來，便于師生、生生的溝通及教師對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)水平的評(píng)價(jià)。

　　3、左右半腦分工理論。該理論認(rèn)為，左半腦主要負(fù)責(zé)邏輯理解、判斷、分析、推理等，思維方式具有連續(xù)性、延續(xù)性和分析性。右半腦主要負(fù)責(zé)空間形象記憶、直覺、身體協(xié)調(diào)、視知覺、想像、靈感、頓悟等，思維方式具有無序性、跳躍性、直覺性等。人們?cè)谡J(rèn)識(shí)世界的時(shí)候是左右腦并用的，但左右腦有不同的分工。而現(xiàn)實(shí)的地理教學(xué)中，左腦使用過度，右腦的開發(fā)被忽視了，可視化地理有利于開發(fā)右腦的潛能，客觀上也能減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān)。

　　4、馬克思主義認(rèn)識(shí)論。馬克思主義認(rèn)為，感性認(rèn)識(shí)是認(rèn)識(shí)的低級(jí)階段，理性認(rèn)識(shí)是認(rèn)識(shí)的高級(jí)階段。感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)互相依存，理性認(rèn)識(shí)依賴于感性認(rèn)識(shí)，感性認(rèn)識(shí)有待于發(fā)展到理性認(rèn)識(shí)。地理景觀的可視化可以豐富學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，地理知識(shí)和思維的可視化可以促進(jìn)學(xué)生的理性思維，兩者的結(jié)合可以促進(jìn)感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)的聯(lián)系。

　　5、多媒體認(rèn)知理論。Mayer等人在雙編碼理論、認(rèn)知負(fù)荷理論和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上提出，主要有三個(gè)前提假設(shè)，即雙通道、有限容量和主動(dòng)加工。提出了多媒體使用的七大原則，即多媒體、接近性、聚合性、交互、通道、冗余、個(gè)體差異。

五、研究內(nèi)容

1、課程標(biāo)準(zhǔn)可視化解讀研究。運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)逐條進(jìn)行可視化解讀，加深對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的理解，為實(shí)現(xiàn)基于課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，并在解讀的過程中熟悉Inspiration和Imindmap等軟件的功能和使用方法。

2、地理景觀可視化研究。主要研究地理景觀素描圖的繪制方法與技巧、地理景觀照片的獲取方法、地理景觀視頻的獲取與剪輯處理方法；收集整理可用于地理教學(xué)的典型景觀照片和視頻，建立專題網(wǎng)站；研究景觀影像在地理教學(xué)中的應(yīng)用方法和策略，包括時(shí)機(jī)及使用時(shí)的注意事項(xiàng)等。

3、地理知識(shí)(地理概念、地理原理和地理規(guī)律)可視化研究。主要研究地理知識(shí)可視化的方法，地理知識(shí)可視化在地理教學(xué)中的作用，如何提高學(xué)生制作地理知識(shí)可視化作品的水平等。

4、地理過程可視化研究。收集整理地理過程可視化的動(dòng)畫和視頻，制作地理實(shí)驗(yàn)和反映地理過程的微視頻；研究地理動(dòng)畫和視頻在教學(xué)中的應(yīng)用策略。

5、地理思維可視化研究。對(duì)地理思維進(jìn)行可視化建模；通過地理思維可視化提升學(xué)生的思維能力；研究可視化微視頻如何支持PBL教學(xué)模式和反轉(zhuǎn)課程，促進(jìn)地理課程改革。

6、地理評(píng)價(jià)可視化研究。制訂基于圖形的學(xué)生學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究可視化評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)生地理學(xué)習(xí)的作用，提高學(xué)生制作思維導(dǎo)圖和概念地圖的水平。

7、地理可視化工具研究。研究Google Earth、微軟天文望遠(yuǎn)鏡等可視化工具的功能及在地理教學(xué)中應(yīng)用的策略和方法。　

    8、地理可視化微視頻研究。研究地理可視化微視頻的制作技術(shù)，地理可視化微視頻的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，地理可視化微視頻的使用策略，重點(diǎn)研究地理可視化微視頻在PBL教學(xué)模式和反轉(zhuǎn)課堂中的作用。

六、研究方法：

采用行動(dòng)研究的策略，綜合運(yùn)用文獻(xiàn)法、觀察法、比較法和調(diào)查法等研究方法。

文獻(xiàn)研究：運(yùn)用中國知網(wǎng)基礎(chǔ)教育資源庫，以“可視化”等為關(guān)鍵詞，收集100篇左右的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)可視化的理論和歷史進(jìn)行系統(tǒng)研究。

觀察法、調(diào)查法：采用觀察和問卷、訪談等方式收集學(xué)生對(duì)可視化地理的態(tài)度，研究可視化地理對(duì)學(xué)生地理學(xué)習(xí)態(tài)度的影響。

　　比較法：比較可視化地理和非可視化地理教學(xué)效果的差異；比較不同可視化方法教學(xué)效果的差異。

七、組織管理：

　　本課題主要采用項(xiàng)目研究的方法，按研究內(nèi)容分為下列項(xiàng)目。

　　李萬龍總負(fù)責(zé)，對(duì)各項(xiàng)目組的工作進(jìn)行指導(dǎo)，并負(fù)責(zé)指導(dǎo)課題組成員對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可視化解讀。

　　胡方曉、金春：繼續(xù)進(jìn)行文獻(xiàn)研究并負(fù)責(zé)地理知識(shí)可視化研究，包括Inspiration軟件的使用等。

　　李麗萍、朱志剛：地理思維可視化研究，包括Imindmap軟件的使用。

　　陳雅君、王婷、顧柳敏：地理可視化微視頻研究，包括屏幕錄像專家及Camtasia Studio的使用等.

　　寧本冉、戴文斌：地理可視化工具研究，寧本冉重點(diǎn)研究微軟天文望遠(yuǎn)鏡，戴文斌重點(diǎn)研究谷歌地球與kmz文件制作、數(shù)字星球。

　　朱橙、韓濤、吳文婷：地理可視化評(píng)價(jià)研究。

　　劉曉萍、孫旭、陳琳：地理景觀可視化研究。

　　高捷擔(dān)任課題組秘書，負(fù)責(zé)相關(guān)材料的收集、整理、活動(dòng)報(bào)道，撰寫年度總結(jié)，協(xié)助課題組長撰寫研究報(bào)告等。

　　除承擔(dān)的項(xiàng)目外，每個(gè)成員可以再選擇一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行研究。

　　課題組每月研討1次，每次研討原則上開設(shè)研究課1節(jié)，并交流研究成果和研究中存在的困難，分享研究心得，組織專家講座或培訓(xùn)。

　　項(xiàng)目負(fù)責(zé)人每半年進(jìn)行一次書面總結(jié)，課題組每年撰寫書面總結(jié)。

不定期利用QQ等網(wǎng)絡(luò)工具開展網(wǎng)上研討。

八、研究進(jìn)度

在培訓(xùn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行三輪行動(dòng)研究。

2013年9月到2014年1月：進(jìn)行文獻(xiàn)研究和各種硬件和軟件的培訓(xùn)，收集相關(guān)資源，建立可視化地理專題網(wǎng)站

　　2014年2月到2014年6月：第一輪可視化地理課堂教學(xué)研究。

　　2014年7月到2014年8月：對(duì)第一輪研究進(jìn)行總結(jié)反思，提出改進(jìn)策略，準(zhǔn)備第二輪研究。

　　2014年9月到2014年12月：第二輪可視化地理課堂教學(xué)研究。

　　2015年1月到2015年2月：對(duì)第二輪研究進(jìn)行總結(jié)反思，提出改進(jìn)策略，準(zhǔn)備第三輪研究。

九、經(jīng)費(fèi)分配

課題經(jīng)費(fèi)來源為常州市教育局為“常州市中學(xué)地理李萬龍直觀地理教學(xué)名教師工作室”提供的每年1萬元的研究經(jīng)費(fèi)，專著出版費(fèi)用由“江蘇人民教育家培養(yǎng)工程”提供。除出版費(fèi)用外的費(fèi)用主要用于購買相關(guān)書籍、軟件，制作專題網(wǎng)站，聘請(qǐng)專家指導(dǎo)及外出考察學(xué)習(xí)，占90%，其余10%為日常辦公及研討活動(dòng)時(shí)餐費(fèi)補(bǔ)貼。

十、預(yù)期研究成果