British Journal of Educational Technology (2014)

doi:10.1111/bjet.12231

A WebGIS-based teaching assistant system for geography field practice (TASGFP)

Jiechen Wang, Haochen Ni, Yikang Rui, Can Cui and Liang Cheng

Jiechen Wang is a professor at Nanjing University. Haochen Ni is a master student at Nanjing University. Yikang Rui is a postdoctoral fellow at Nanjing University. Can Cui is a Ph.D student at Utrecht University. Liang Cheng is an associate professor at Nanjing University. Address for correspondence: Dr Jiechen Wang, Jiangsu Provincial Key Laboratory of Geographic Information Science and Technology, Nanjing University, Xianlin Avenue 163, Nanjing 210023, China. Email: wangjiechen@nju.edu.cn

Abstract

Field practice is an important part of training geography research talents. However, traditional teaching methods may not adequately manage, share and implement instruction resources and thus may limit the instructorrsquo;s ability to conduct field instruc- tion. A possible answer is found in the rapid development of computer-assisted instruc- tion (CAI), a new teaching mode for the Information Age. A “virtual field trip” is an amalgam of Internet and multimedia techniques with great potential for geography field instruction, as it can arouse studentsrsquo; enthusiasm and immerse them in learning. However, limited by available technology, virtual field trips have disadvantages in terms of content presentation, data organisation, and loss or inadequate representation of spatial information. To overcome the above shortcomings, a map-based, spatially corre- lated design method was proposed for a CAI system in geography. By integrating spatial information technology (Geographic Information System, Global Positioning System, remote sensing, etc) and information delivery methods (web services, databases, etc), a WebGIS-based teaching assistant system for geography field practice (TASGFP) was established, realising an effective spatial management scheme and forming a shared platform for instruction material. Its efficiency was verified through the actual applica- tion, although there remains room for improvement. Nevertheless, the TASGFP stands as an effective CAI tool in geography instruction.

Introduction

Field practice, as the name implies, is a study process where supervised learning can take place via first-hand experience outside the four walls of the classroom setting (Lonergan amp; Andresen, 1988). Geography education in general and field learning in particular are a critical component of geoscience education in each learning phase, from primary education to higher education (Downs, Liben amp; Daggs, 1988; Fuller, Edmondson, France, Higgitt amp; Ratinen, 2006; Haigh amp; Gold, 1993). Geography field practice is a distinctive and intriguing learning process, which offers students an opportunity to observe natural and geographic phenomena in a close way (Kent, Gilbertson amp; Hunt, 1997). By engagement in field practice, students can familiarise themselves with basic concepts, theory and research methods, and cultivate the practical ability to scrutinise, analyse and solve problems independently. Thus, geography field practice is a critical link between theory and reality (Healey, 2005). The differences between geography field practice and intern- ship style instruction in other disciplines include its open learning environment (easily affected by external changes such as natural disasters or other emergencies and lacking effective instruc-

copy; 2014 British Educational Research Association

Practitioner Notes

What is already known about this topic

• Geography education in general and field learning in particular is a critical component of geoscience education (Downs, Liben amp; Daggs, 1988, Haigh amp; Gold, 1993, Fuller, Edmondson, France, Higgitt amp; Ratinen, 2006).
• Scholars have applied computer assistant instruction (CAI) in geoscience learning for many years, for example the virtual field trips (Kulik and Kulik, 1991).
• Because of technological limits, virtual field trips in the early stage were poor in terms of presentation and organisation of information (Foley, 2001).

What this paper adds

• Spatial information technologies such as geographic information system (GIS), global positioning system (GPS), and remote sensing (RS) was integrated with novel infor- mation storage and organization technologies such as relational databases and web services into a geography fieldwork CAI system.
• A spatially correlated design method was devised aiming to achieve more convenient, systematic, and useful support for CAI in geography field instruction. The main content of this method is taking map data as the principal element and spatially correlated teaching resource management.

Implications for practice and/or policy

• Provide a new design idea and implement mode for CAI system for geography field instruction.
• GIS, Web service, and spatial database are adopted to correlate common media with spatial data, represent all of these data on the map and manage them in the same database.
• Spatially correlated links are applied to replace traditional hyperlink. It makes instruc- tion materials surrounded by relevant geographic information and helps students comprehend the complicated geographic phenomena.
• The TASGFPrsquo;s cross-platform mode makes the system widely deployable across insti- tutions and users, and hence, usable as a platform for sharing teaching resources on practice bases.

tion methods), high cost of trips (transportation, accommodation and equipment) and poor educational practices (on the part of both inexperienced teachers and stu

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英国教育技术学报（2014）

DOI：10.1111/ BJET.12231

基于WebGIS的地理领域实践辅助教学系统

王杰晨，李浩晨，瑞意康，崔参，陈亮

王杰晨是南京大学教授。 李浩晨是南京大学的硕士生。 瑞意康是南京大学博士后。 崔参是乌得勒支大学的博士生。 陈亮是南京大学副教授。 信函通讯地址：南京大学江苏省地理信息科学与技术重点实验室王杰晨博士，南京市杏林大道163号邮编：210023 电子邮件：wangjiechen@nju.edu.cn

摘要：地理领域实践是培养地理科研人才的重要组成部分。然而，传统的教学方法可能无法充分管理，分享和实施教学资源，因此可能会限制教师进行现场教学的能力。计算机辅助教学（CAI）是信息时代的一种新型教学模式的快速发展，可以找到一个可能的答案。 “虚拟现场之旅”是一种互联网和多媒体技术的融合，在地理学领域的教学中具有很大的潜力，它可以激发学生的积极性，并将他们沉浸在学习中。然而，由于现有技术的限制，虚拟实地考察在内容呈现，数据组织以及空间信息的丢失或表示不充分方面具有劣势。为了克服上述缺点，基于地图的空间相关设计方法被提出用于地理学CAI系统。通过整合空间信息技术（地理信息系统，全球定位系统，遥感等）和信息传递方法（网络服务，数据库等），建立了基于WebGIS的地理领域实践助教系统（TASGFP），实现有效的空间管理方案，形成教材的共享平台。它的效率通过实际应用得到验证，尽管还有改进的余地。尽管如此，TASGFP在地理教学中是一种有效的CAI工具。

介绍

正如其名称所暗示的，地理领域实践是一个学习过程，在这个过程中，监督式学习可以通过教室四面墙外的第一手经验来进行（Lonergan＆Andresen，1988）。从初级教育到高等教育，每个学习阶段的地理教育，特别是地理学习是地学教育的重要组成部分（Downs，Liben＆Daggs，1988; Fuller，Edmondson，France，Higgitt＆Ratinen，2006; Haigh＆ Gold，1993）。地理学领域的实践是一个独特而有趣的学习过程，它为学生提供了一个近距离观察自然和地理现象的机会（Kent，Gilbertson＆Hunt，1997）。通过参与现场实践，学生可以熟悉基本概念，理论和研究方法，培养独立审视，分析和解决问题的实践能力。因此，地理学领域的实践是理论与现实之间的关键环节（Healey，2005）。在其他学科中，地理领域实践与教学之间的差异包括开放的学习环境（容易受到诸如自然灾害或其他紧急情况等外部变化的影响，缺乏有效的指导方法）

从业者笔记

关于这个话题什么是已知的

地理教育，特别是地理领域学习是地球科学教育的重要组成部分（Downs，Liben＆Daggs，1988，Haigh＆Gold，1993，Fuller，Edmondson，France，Higgitt＆Ratinen，2006）。

学者们多年来在地学学习中应用计算机辅助教学（CAI），例如虚拟实地考察（Kulik and Kulik，1991）。

由于技术限制，早期阶段的虚拟实地考察在信息表达和组织方面表现不佳（Foley，2001）。

这篇论文增加了什么

地理信息系统（GIS），全球定位系统（GPS）和遥感（RS）等空间信息技术与关系数据库和网络服务等新型信息存储和组织技术集成到一个地理实地CAI系统。

设计了空间相关设计方法，旨在为地理领域教学中的CAI提供更方便，系统和有用的支持。该方法的主要内容是将地图数据作为主要元素，并与空间相关的教学资源管理。

对实践和/或政策的影响

为地理实践教学CAI系统提供新的设计思路和实施模式。

采用GIS，Web服务和空间数据库将常用媒体与空间数据相关联，将所有这些数据表示在地图上并在同一数据库中进行管理。

应用空间相关链接来取代传统的超链接。它使指导材料围绕相关的地理信息，帮助学生理解复杂的地理现象。

TASGFP的跨平台模式使系统可以跨机构和用户广泛部署，因此可用作实践基地的教学资源共享平台。

旅行成本高（交通，住宿和设备）以及教育实践不足（部分缺乏经验的教师和学生）（Haigh＆Gold，1993）。同时，地理学的教学内容从物理到社会的各个子领域复杂多变，教学对象从抽象到具体，受到青少年认知能力和传统教学方法的限制，学生难以通过课堂教学来理解地理现象背后的机制（Downs＆Liben，1991）。

为促进地理领域实践的有效性，学者们开始将新的教学技术应用于地学学习;其中之一是计算机辅助教学（CAI）（Kulik＆Kulik，1991）。 CAI在20世纪60年代首次应用于地理教学（Fielding，1968）；从那以后，它变得更加容易使用，并且几乎被应用于几乎所有的教学方法和高等教育地理学的多数学科领域（Shepherd，1985），包括地理学领域的学习。互联网的出现和新的多媒体技术催生了虚拟现场旅行，这是一种用于现场指导的新型CAI模式。虚拟实地考察给予学生和老师可以以较低的成本更安全和方便地进行实地学习，从而使越来越多的地理学生能够享受大自然和其他文化的惊人体验。然而，由于技术限制，早期阶段的虚拟实地考察在信息表达和组织方面表现不佳（Foley，2001）。说明材料（如图片或文本）通常存储在文件目录中，并通过超链接进行组织;这是一种低效的数据访问方法，它忽略了信息与缺乏空间操作的组织模式之间的空间关系，例如精确的空间定位或快速的空间检索。这些瓶颈阻碍了地理领域实践CAI的进一步发展。

为了突破瓶颈，地理信息系统（GIS），全球定位系统（GPS）和遥感（RS）等空间信息技术与关系数据库和网络服务等新型信息存储和组织技术集成到一个地理实地考察CAI系统。最后，在考虑地理领域实践特点和地域实践新技术潜力的基础上，建立了地理领域实践助教系统（TASGFP），并与庐山实践基地（中国江西省芦山市）作为实验场所。该系统实现了一种空间相关设计方法，旨在为地理领域教学中的CAI提供更方便，系统和有用的支持。

地理领域实践与大学生认知发展

地球科学和地理学实地考察

地球科学研究地球的构成，结构和物理动力学（冈萨雷斯，基恩和马丁内斯，2009年）。地理领域考察可以为地理学家提供亲身体验，观察和测量地球结构和过程。

像其他科学活动一样，领域调查涉及观察和解释。现场科学与实验室或理论科学的本质区别在于，前者的观察和解释发生在更加广阔，复杂和流动的舞台上。地理领域工作可以大致分为三个主要组成部分：通过直接观测和测量获取数据，将数据组织成地图和图表等表达形式，以概括和解释研究结果并构建历史记录，并提出结构和过程的操作机制来解释观测数据并预测未来的情况（Compton，1985）。

地理领域实践指导

在小学和中学教育中，地理领域实践教学（“户外活动”）可以提高学习兴趣和成就，并让学生更容易获得地球科学（Lai，1999; Nundy，1999）。相比之下，在高等教育中，地理教学环境变得更加系统化，专业化和抽象化，因此，具体的领域工作和具体的观点成为地学教育的重要组成部分，也是地理学的核心（Jenkins等，1991）。在像英国这样的发达国家，精心策划的现场学习可追溯到19世纪（Ploszajska，1998）;它现在在美国也是一种非常普遍的方法（1999年5月）。与此同时，在中国这样的发展中国家，由于资金短缺和基础设施薄弱，实地调查的重要性刚刚得到承认（Egunjobi，2009; Li，Kong＆Peng，2007）。无论如何，地理学领域的实践是培养地理学专业研究人员和地理科学发展的关键（Scott，Fuller＆Gaskin，2006）。

地球科学素养和认知发展

地理领域实践是地理研究和教学的关键。那么，在这个领域转让地球科学知识的关键因素是什么？从认知发展的角度来看，地理领域教学的有效性取决于学习者的地理科学素养和认知发展水平，地理教育和认知发展在教学过程中相互交织（Downs＆Liben，1991）。因此，地理教学应该反映学生的地理知识，以及他们的认知，心理和社会发展。

影响地理教学的基本因素是学生对地理现象的先验知识，即他或她的地球科学素养 - 如地球科学素养倡议（2010）所定义的，是一组表征地球科学的基本思想和技能有文化的人。具有地球科学知识的人将对科学研究的开展有着基本的了解，并能够积极构建科学知识，而不是简单地同化典型的知识体（Bransford＆Donovan，2005）。另一个影响因素是学习者的认知发展水平，指的是认知结构为理解任何领域的知识提供了基本的知识前提条件（Granshaw，2011）。学生可以使用这些一般认知技能来理解地理概念

地理领域教学中的批判性思维

批判性思维是对观察，经验，反思，推理或交流所收集或产生的信息进行积极和巧妙地概念化，应用，分析，综合和评估的信息和行为指南（Scriven＆Paul，1987a，1987年b）。批判性思维通常与更高级别的认知 - 分析，综合和评估 - 按优先顺序和成熟度的升序相关（Bloom，Engelhart，Furst，Hill＆Krathwohl，1956）。因此，培养批判性思维是认知发展的重要组成部分。

批判性思维使学生能够分析，评估，解释和重构他们的思想，同时降低采纳，采取行动或以错误信念思考的风险。为了促进批判性思维，学生应该通过个人探索概念和运用这些概念进行辩论，而不仅仅是死记硬背的学习（Driver，Newton＆Osborne，2000），以增加他们对科学理论的理解。教师应帮助学生形成自己的观念，例如，通过田间实践的直接经验，将地理教学置于真实的地理环境中（Nairn，2005）。由于现场情况不受限制，实地调查要求调查人员应对不完整的数据并通过多种解决方案解决问题。因此，现场经验是教导学生处理解决问题不确定性的策略的丰富场所。

总之，教学目标是培养学科的专业知识。这需要精心设计的课程教学法，以配合学生的认知能力和当前的理解。

CAI在地理领域实践教学中的应用

地理领域实践的制约因素

地理领域实践教学在教学环境，内容和资源方面与传统课堂教学不同，复杂性可能会降低田间实践的有效性（Kent et al，1997; Lonergan＆Andresen，1988）。地理领域实践为学生提供了一个与自然亲密接触的教学过程平台;然而，由于具体的教学环境的特点，它也会造成程序上的困难（Haigh＆Gold，1993）。普通的教学是在固定的地点进行的，而教室则是在现场练习中进行，这些练习都是在各种“开放”的地点和环境中进行的，这些地点和环境的特点可能是不可预测的（Lonergan＆Andresen，1988）。因此，现场实践中的教学需要考虑场所，教师和学生的特点以及天气和噪音等外部因素可能造成的干扰。 （Fuller，Gaskin＆Scott，2003）。因此，开放教学对教师和学生都是一个挑战（Dolmans＆Schmidt，1996）。

在课堂上传达的知识主要是抽象的，而现场实践的内容具体而真实;因此，它们之间存在巨大差距（Kent et al，1997）。有效的现场实践的其他障碍包括缺乏有用的准备时间和缺乏指导时间（Haigh＆Gold，1993）。

同样，教学资源的使用范围也是多样和复杂的，其中许多在实际中很难使用（Dunn，1992）。由于该领域的教学主要是口头教学，所以开发或实施现场教学资源或教材通常并不容易。此外，尽管许多院校可能选择同一个现场学习网站（被认为最有希望的网站），但他们没有一个方便的平台来分享教学资源，分享率低。

最后，地理领域实践也对参与课堂准备的教师提出了挑战，例如，他们不能使用黑板或幻灯片。因此传统教学在很多方面难以满足地理领域考察的需要，应该利用新技术来实现领域教学目标（Nellis，1994; Shepherd，1985）。

CAI和虚拟实地考察

从20世纪60年代开始，已经证明CAI确实可以提高教学效率和效果（Atkinson，1968; Kulik＆Kulik，1991）。此外，在过去的20年中，虚拟现实，网络技术，多媒体技术和系统集成技术等计算机技术的快速普及使CAI得到了重新振兴（Armstrong＆Bennett，2005; Dykes，Moore＆Wood，1999; van Joolingen， de Jong，Lazonder，Savelsbergh＆Manlove，2005），并且启用了虚拟现场旅行，这是CAI在地理领域实践中的新应用。虚拟实境旅行是模拟的实时实地旅行或引导式探索，由相互关联的图像，文本，视频或覆盖特定主题的其他信息媒体组成，通过网络浏览器向公众发布（Dykes et al，1999） 。第一个虚拟实地旅行计划LEARNZ于1995年出现，并在21世纪非常流行（Stainfield，Fisher，Ford＆Solem，2000）。如今，有不同形式的虚拟实地考察。有些只是由一系列链接组成，而另一些则允许在整个实地旅行中进行导航。在我们看来，最好的虚拟实地考察实施应该由网络上的交互式网页组成，由教育工作者选择并安排，以便他们可以以线性或非线性方式进行探索。虚拟实地考察对于学校来说是具有成本效益的，因为它们消除了租赁运输，保险覆盖和伴侣的费用。由于其操作简单，生动活泼，适用于小学生和年龄较大的学生。

在传统的虚拟实地考察中，诸如图片或文本的材料被呈现为超链接并存储在文件目录中，这是一种低效的数据访问方法，此外还忽略空间方面，例如空间位置和空间关系。因此，有空间应用空间信息技术来扩展虚拟实地考察的功能。

空间信息技术

空间信息技术包括GIS，GPS，RS和空间数据管理（Brodnig＆Mayer-Schonberger，2000）。 GIS集成了捕捉，存储，操作，分析，管理和呈

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