基于LBS的户外地理教学系统设计与应用
学习效率，而且还能协助教师从技术和教学方面创建更有教育意义的户外探究活动。
关键词：户外地理教学；移动地图；探究学习；LBS；基于问题的学习
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2014）15-0014-05
一、引言
户外教学是实现地理教育及乡土教育的一种有效教学方法，可协助学生运用地理知识来理解地理现象、培养学生的地理素养和地理技能[1]。由于户外考察活动中师生比例极低、学生的学习动机难以持续、学生之间协作性较弱等问题，当前中小学较难组织、开展有效的户外地理教学。以智能手机、平板电脑等为终端的移动地理信息系统（移动GIS或Mobile GIS）因整合遥感技术、全球定位技术与网络通信技术等数据采集能力，可形象、直观地展现地理信息。将其应用于户外地理探究教学，可实时显示与反应学生所处的环境特征，有利于提高学生的空间认知与推理的能力。在移动GIS中应用基于问题的学习（Problem-Based Learning，PBL）来组织户外教学活动，可协助学生在户外真实环境下培养解决问题的技能和自主学习的能力。
二、系统设计
1.系统组成
电子地图系统已是移动终端中最常见的应用之一（如百度地图、Google地图、苹果地图等），这些应用中不仅包含卫星地图、地形、公交路线等图层数据，还提供了定位、搜索、导航等功能。为满足户外地理探究教学活动的需求，笔者基于Android平台的Baidu Maps地图服务[2-3]，设计并实现了一套户外教学系统（GeoOutSys），根据终端所处位置，结合PBL为用户提供与探究活动相关的学习内容；将户外探究活动中的学习成果（如手绘素描、照片）上传到服务器端以供教师实时掌握学习活动的动态、及时给予学生指导。整个系统主要包括八个部分（如图 1所示），即：客户端的移动终端、无线网络环境、定位服务、内容服务器、资源制作工具、位置管理组件、GIS组件、地图数据库，其功能如下：
（1）客户端的移动终端可选择智能手机或平板电脑，目前移动终端已具有较强的运算能力以及可携带性，其手控功能也便于用户书写和绘图。
（2）无线网络环境在野外具有较强的信息传输能力，适合于户外活动中的位置服务、信息传输等。
（3）定位服务采用GPS技术，当前的智能手机中均已集成其相关模块。
（4）内容服务器是从Web服务器接收请求后，由GIS组件处理地理空间数据，由Web服务器以URL的方式包装与请求回传到用户的移动终端，解析信息并使用。
（5）资源制作工具协助教师基于PBL来制作探究教学所需的相关任务资源。
（6）位置管理组件记录用户的位置变化信息，当用户进入到预设任务地点附近时，系统便调用GIS组件执行相应的任务。
（7）GIS组件通过调用Baidu Maps API来构建自身所需的地图服务，并处理、管理和显示相关任务的空间及属性数据。
（8）地图数据库不仅存储地图数据，而且也存储师生的探究过程数据，考虑到系统效率，在初始化任务是将基础数据加载到移动终端的本地数据库中。
2.功能模块
整个系统设计可分为服务器和客户端两个部分，而系统角色又可分为管理员、教师和学生。另考虑移动终端的特性及探究学习的需求，遵循“高内聚，低耦合”的原则，将系统进一步细分成多个模块，并用接口详细定义各模块之间的关系，通过虚接口为新模块扩充预留了接口，图 2表示该系统中学生端的功能结构。
（1）学生安全管理模块
考虑到师生比以及少年儿童活泼好动的特性，户外活动中学生的人身安全管理十分重要。借助于Baidu Maps API，很方便地实现学生轨迹实时显示、历史行走路线回放，使用地理围栏技术实现学生超出活动区域的报警提示以及路径规划等功能。通过集成Baidu Maps的定位模块，学生移动终端上每隔一定时间将其轨迹更新到服务器端，可在教师终端上实时查看学生的行走轨迹，对偏离任务活动范围内的同学及时提醒，可确保整个活动的安全。
（2）学习活动模块
根据皮亚杰的儿童智力发展论，儿童在表象思维的过程中主要运用符号象征功能和替代作用，在头脑中将事物内化。多媒体信息的好处就是能用媒体信息取代文字，从而更直观、生动并能吸引学生的注意力与兴趣。Android系统中已有集成图片、音频和视频等多媒体应用的成熟机制。设计学习活动模块时，采用基于PBL的教学设计，以游戏或题目方式，达到引导学生学习的目的。同时，学生在学习过程中或是学习结束时，按照学习要求将成果上传到服务器端个人空间。
（3）地图显示模块
在移动终端上安装应用时，即将该任务所涉及的基础地图数据和任务数据加载到移动终端的本地数据库中。学习过程中用户根据学习要求通过无线网络向服务器提交业务请求，并从数据库中提取属性数据，用隐藏标签的方法将该数据传到用户界面。最后，通过Baidu Maps API向其服务器请求，将相关信息（如地图数据、学习专题数据）叠加显示在百度地图上。拥有教师权限的用户可通过图层管理功能，实现对图层的新增、修改、查询等操作。此外，该模块还能记录用户在地图上书写的笔记等信息。通过GPS定位服务也可获取终端设备当前位置的经纬度坐标，并根据学习主题为学生提供该处所需的地理图层和学习内容。譬如，通过路径导航功能可确认探究活动起始地到目的地之间的最短路径，图 3表示了某次户外探究学习规划路径，起始点为该校学生在校园门口搭乘大巴时的位置，以气泡表示的目标地点为终点。单击地图上的标志可查看该点所对应的名称、经纬度坐标等信息。
（4）数据库模块
数据库中存储有地图数据、教学资料、学习任务数据、用户的个人信息等。学生学习过程中拍摄的照片、手绘的素描草图、个人学习记录、完成测试题的情况均会上传到其个人空间中。教师通过检查学生的学习记录进行教学评估。在设计试题库中题目时，应考虑户外教学的特点，针对实际的学习情境进行设计。学生答题后，系统会立即给予反馈，以加强学习效果。测试题类型应以选择题、识图题为主[4]。如：
题目1：请说出下面那一项不属于听涛区中的寓言雕塑：（ ）
A.鹬蚌相争；B.刻舟求剑；C.盲人摸象；D.掩耳盗铃
三、基于移动GIS的户外地理教学系统教学活动设计
户外地理探究教学可令学生利用各种感官直接感知地理事物而获得地理知识和能力。建构主义认为，兴趣是建构新知识的源动力，通过户外探究学习，教师就给了学生实证、操作的机会，为其创设探究条件，调动起学习兴趣和探究欲望[5]。户外探究学习更强调参与性，改变被动接受式的学习，尽可能让学生操作、记录观察信息、分析研究获取的资料信息，主动获取知识、得出结论。在户外探究过程中老师需及时关注学生的反应，每一个“疑问”或许就是一个“新发现”，都有助于建构正确的地理概念和原理。下面以GeoOutSys在“武汉东湖风景区自然人文景观的学习”的应用为例，结合九年一贯能力指标设计课程内容，具体设计方案如下。
1.教学目标
（1）认知领域
①理解经纬度的意义与功能。
②以主客体的相对关系说出两地的相对方向。
③利用地图、数据、坐标等资料，来描述和解释地表事物及其空间组织。
④了解东湖风景区的自然人文景观。
（2）动作技能领域
①辨识地点、位置、方向，并能制作或运用模型代表实物。
②在GIS地图上坐标定位、规划路径。
③掌握基本地理绘图能力。
④学会使用摄影等现代化手段搜集地理素材。
⑤制作东湖风景区出游路线方案。
（3）情感领域
①培养爱护环境、珍惜资源及尊重生命的态度。
②体验生物之间、人与自然之间相互依存的生态法则。
③表达热爱故乡、热爱祖国山河的情怀。
2.教学准备
为没有智能手机的学生配备一部公用手机，在校园网中下载教学应用，并对学生讲解GeoOutSys的操作说明使用，共30分钟。
3.教学活动流程
户外地理教学过程中师生比率较低，通常是1～2名教师指导一个班40多名学生。因此，在同一地点老师无法向学生一一讲解教学内容，如果不加以适当地引导，很难维持较高的学习动机；同时学生很容易迷失方向，失去学习的兴趣。PBL是近年来受到广泛关注的一种教学方式，它强调教师利用生活中的问题作为学习材料，将学生置于一个结构不良，但与实际生活紧密联系的问题情境，让学生作为该情境的主人，去分析问题，学习解决该问题所需的知识，最终解决该问题[6]。该方法非常适合于户外地理教学活动设计，以游戏或题目方式，达到引导学生学习的目的。问题解决的教学流程包含创设问题情境、明确问题所在、产生解题途径、成果展示和验证结果等五个阶段[7]。下面以“东湖风景区屈原纪念馆学习子任务为例”来说明整个教学流程，如表 1所示。
（1）提供问题情境
通过GPS定位功能，学习者能确定当前所在位置，通过不同的方式，系统能给予学生当前的学习材料，引导学习者进入问题情境，如图4（a）所示。
（2）明确问题所在
通过问题解决的任务设计，引导学生学习并作答，每题作答方式不同，例如：书写答案、拍照、画图、利用GPS找答案等。学生解题过程中所有不同形式的解答均记录在GIS系统中，这些数据作为学生整个学习活动的过程资料，可作学生的反思、分享，亦可供教师作为评价的依据。图4（b）为利用GPS寻找宝藏所在地。
（3）产生问题解决途径
学生在答题的过程中，若有不清楚的地方，可进入问题提示页面，系统给予学生提示，协助其学习。图4（c）即为学习任务详情和如何完成任务的提示页面。
（4）展示成果
学生可以通过系统与其他同学分享学习成果及心得。图4（d）为学生利用系统手绘功能绘制的所在地周边地理环境图片（记录在GIS中）及使用图片分享功能分享其学习成果。
（5）验证结果
任务完成后，以测验题的方式，检查自我学习成效。学生答题后，系统会及时给予反馈，以加强学习效果，如图 4（e）所示。
四、教学应用评价
户外地理探究教学提供“看得见，摸得着”的真实生活情境，通过跑路（实察）、动脑（思考）、动手（记录、使用和学习地图绘制，摄影等）等活动的开展，让学生成为学习的主动者，培养学生的观察能力、分析问题和解决问题的实际能力，对扩大学生的地理知识范围、锻炼学生的意志、培养团队合作精神等方面， 都有着积极的促进作用。根据上述教学目标，为了检验该教学软件的有效性，笔者进行了如下步骤的评价：
1.选择被试对象
选定湖北省某中学八年级两个班级的学生为研究对象，为了尽可能的排除学生能力水平差异对评价结果的影响，特意选择了认知水平相当的两个平行班作为调研群体，使教学实验的误差降到最低。A班55人，作为控制组实施户外传统地理教学活动；B班54人，作为实验组使用笔者设计的GeoOutSys户外地理教学系统开展教学活动。
2.实验过程
为了考察教学前后两个班级学生对于武汉东湖风景区自然人文景观知识的认知程度，笔者共进行了两次测验，分别为前测验和后测验。前测验用于考察学习者对学习内容掌握能力的初始状态，后测验在前测验的基础上，考察两个班级经过不同教学方式之后的状态。测试题目的内容由3位地理教师共同制定，前测和后测均包含30道题目，涉及的知识点如下：辨识四方位和八方位、说出两地的相对方位、列出东湖比较著名的景点并加以说明，辨识东湖不同的植被类型、绘制东湖周边地形图，设计东湖出游方案等，每个知识点平均考察五道题目，确保能真实的反应学生的实际水平。
3.实验结果
为了探讨不同教学方式对于地理学习成效的影响，分析A班与B班的学习成效。以教学方式为自变量，测验后测成绩为因变量，前测成绩为共变量，进行独立样本单因子共变量分析[8]。其中，统计的前测成绩与后测成绩的平均值与标准差如表 2所示。经同质性测验后，以α=0.05为显著水准进行共变量分析，结果如表 3所示，其中包括后测成绩的组间平方和SSB、组内平方和SSW、组间自由度df、组内自由度df、组间调整均方MSB、组内调整均方MSW、以及标准F值。
由表 3得知，排除共变量（前测成绩）对因变量（后测成绩）的影响力后，自变量（教学方式）对因变量的实验处理效果显著，F值为13.402（p<0.05），表示不同教学方式间有显著差异，以事后比较分析两种教学方法的学习成效。由多重事后比较表（如表4所示）及各组调整后平均数（如表5所示），得知：
实验班B班（M=82.208）的学习成效明显优于对照班A班（M=72.546）。
4.讨论分析
由实验结果可知，接受不同教学方式的学生在地理学习成就上有着较大的差异。采用GeoOutSys户外地理教学系统的学习者其学习成效明显优于传统户外地理教学。探究其原因为移动GIS户外地理教学系统为学习者构建了一个开放、生动、自主探究合作的学习平台，并提供了多渠道获取知识的机会，增强了与场景的互动性，学习者也可以根据需要自己调整学习的进度。真实的学习情境，合适的教材内容，多媒体信息呈现方式，基于问题解决的学习活动设计，以及及时的反馈练习，搭配移动学习辅助工具的帮助，因此更能提升学习者的学习成效。而传统户外教学方式，是由教师所引导，教学活动大多是“观赏式”“赶羊式”或者“参观旅行式”的，教师负责讲解，同学们只能“听和记”，最多不过再进行一些讨论，采集些标本，同学们参加过考察活动后，并没有真正具备独立进行户外地理工作的基本能力。同时在开放式的空间中，较难控制学生的学习状况，且学生易受外在因素的影响而失去专注力。
所以，本研究发现，通过移动GIS户外地理教学系统，学习者更能专注于学习活动中，加深学生学习的责任心，并把所学知识迁移到生活中，做到随时随地与生活的结合，养成学、思、行结合的习惯，消除传统户外教学的缺点。
五、结语
将移动GIS融入户外地理教学有助于提高中学生学习地理的意愿与兴趣，本文基于Android平台的Web地图服务设计并实现一个移动GIS辅助户外地理探究教学系统，具有显著的地理特色，利于学生建立地理空间概念，培养地理思维。基于问题解决的教学活动方案设计，并结合智能手机的电子地图及定位等服务，可以有步骤的引导学生解决老师设定的问题，逐步培养学生解决问题的技能和自主学习的能力。最后通过单因子共变量分析，对系统的教学应用效果进行评估，分析表明，基于移动GIS的户外地理探究教学系统能在一定程度上提高学生的学习成效。
参考文献：
[1]教育部基础教育司地理课程标准研制组组织编写.地理课程标准解读（实验稿）[M].湖北：湖北教育出版社，2001：45-47.
[2]梁广荣，黎红.基于百度地图API的虚拟校园实现[J].廊坊师范学院学报（自然科学版），2012，12（6）：47-49.
[3]张国生，高薄，姚慧敏.手机定位服务与电子地图[J].测绘科学技术报，2007，24（3）：216-218.
[4]栾奕.中学地理课程学生资源开发利用的研究[D].北京：首都师范大学，2009.
[5]孙相林.建构主义学习理论在中学地理教学中的运用[J].新课程研究，2011（215）：111-112.
[6]穆肃，曾祥跃.远程教学中基于问题学习的设计与实施[J].电化教育研究，2011（4）：65-68.
[7]李丽莉.基于问题的学习在地理教学中的应用研究[D].湖北：华中师范大学，2009.
[8]吴明隆.SPSS统计应用实务[M].北京：中国铁道出版社，2000.
（编辑：王晓明）