碩士論文
Department of Geography College of Science
National Taiwan University Master Thesis
應用網路 GIS 於高中地理教學之研究
Application of Web GIS for teaching Senior High School Geography
洪挺晏 Ting-Yen Hung
指導教授：賴進貴 博士 Advisor: Jinn-Guey Lay, Ph.D.
中華民國 100 年 1 月
January, 2011
摘要
95 與 99 年地理科課程綱要強調地理技能的運用， 特別是地圖使用和地理資 訊系統（geographic information system, GIS）的引入。核心目標是讓學生能運用上 述GIS 知識和工具思考與解決地理問題。
課程綱要實行至今，國內在GIS 軟硬體設備和各種教育訓練課程中投入的資 源甚巨。但是教師對GIS 融入教學、軟體操作尚難以掌握。主要的原因有課堂中 操作GIS 軟體的技術門檻較高、師生缺少足夠的教學時間、商業級 GIS 套裝軟體 和配套之電腦設備要價昂貴等。對於GIS 融入地理科教學有所限制。
另一方面，許多教師意識到上述的限制，所以將Google Earth 或 Google Map 等免費軟體或網路資源導入教學的應用快速普及。這些網路資源和免費軟體的優 點是結合大量高解析度遙測影像和向量圖資（如行政界與道路網）。但是嚴格的 GIS 定義包括對地理資料的運算與分析能力，不論 Google Earth 和 Google Map 都 有欠缺和局限之處。
為了處理這些問題，本研究開發一個網路GIS 平台，專供高一 GIS 課程教學 使用。本平台由基本圖和GIS 服務組成：基本圖以 Google Maps API（應用程式介 面，Application Programming Interface）語法產生；GIS 服務則以 ArcGIS Server 發 佈，包括地圖和地理處理服務（Geo-processing service）。並使用ESRI 的 JavaScript 擴充語法讓客戶端可透過網路瀏覽器使用GIS 服務。教師和學生可經由本平台使 用各種GIS 功能而毋需安裝軟體，並提升 GIS 教學之成效。
關鍵詞：地理教育、地理資訊系統、GIS 教育、網路 GIS、Google Maps API
Abstract
Announced in 2006 and 2010, the two versions of standard geography curriculum in high school emphasized the usage of geographic abilities, especially the introduction of maps and geographic information systems (GIS). The crucial learning target is thinking and solving geographic questions by applying GIS knowledge and tools.
Since the curriculum standard announced, many public resources have invested in improving GIS facilities and enhancing course training. However, many teachers are still having problems to teach with GIS and operate GIS software. The major causes include high requirements of technique, lack of instructional time, and high price of commercial GIS software packages and computer equipment.
On the other hand, many teachers began to teach with free-download software or web GIS such as Google Earth or Google Maps in classes. The advantage of these tools is that teachers can access massive geospatial data, including satellite image and vector format layers. But, in a strictly definition, the GIS should include functions of
processing and analyzing geospatial data. Neither Google Earth nor Google Maps can provide these functions.
To address these problems, this research developed a web-based GIS website focusing on 10th grade GIS instruction. The website is composed of a base map and GIS functions. First, the base map in the webpages is generated by Google Maps API scripts, the same as the official Google Maps interfaces. Second, the ArcGIS Server published series of web GIS services such as web mapping services (WMS) and geo-processing services. To enable the web GIS services work in the client’s web browser, the website used the extension JavaScript script released by ESRI. By using GIS functions through this website without software installation, teachers and students can improve the efficiency of GIS instruction.
Key Words: Geographical Education, Geographical Information Systems, GIS Education, Internet GIS, Google Maps API
目 錄
摘要 ... i
Abstract... ii
目 錄 ... iii
圖目錄 ...v
表目錄 ... vii
第一章 緒論 ...1
第一節 高中地理科課程綱要 ... 1
第二節 GIS 教學之現況 ... 3
第三節 研究動機與目的 ... 11
第四節 研究架構 ... 12
第二章 文獻回顧 ...14
第一節 GIS 教育與推廣 ... 14
1. 美國GIS 教育推廣 ... 14
2. 地理資訊在中學課程應用與推廣計畫 ... 16
第二節 高中 GIS 教學的限制因素 ... 18
第三節 網路 GIS 技術 ... 21
第四節 小結 ... 24
第三章 教學網站設計 ...26
第一節 系統架構 ... 26
1. 網站架設與網頁編輯 ... 26
2. Google Maps API ... 27
3. ArcGIS Server ... 31
4. ArcGIS JavaScript Extension for Google Maps ... 35
5. 系統架構與流程圖 ... 36
第二節 教材分析與需求訪談 ... 40
1. 課程綱要分析 ... 40
2. 各版本教材分析 ... 42
3. 教師需求訪談 ... 44
第三節 內容架構 ... 46
第四章 教學網站成果 ...50
第一節 系統使用介面與操作 ... 50
1. 網站首頁 ... 50
2. 教學網頁 ... 51
3. 教學單元 ... 54
第二節 教學試驗 ... 66
第五章 結果與討論 ...67
第一節 學生問卷 ... 67
1. 問卷設計與統計 ... 67
2. 學生先備技能 ... 75
3. 學習成效自我評量 ... 77
4. 教學網站評估 ... 82
第二節 教師訪談與建議 ... 83
第三節 各種 GIS 教學工具之比較 ... 85
第六章 結論與建議 ...87
第一節 研究結論 ... 87
第二節 研究建議 ... 88
參考文獻 ...91
附件一 教學試驗活動設計 ...95
附件二 教學試驗學生問卷 ...98
圖目錄
圖1.1 全國購置 ArcGIS 高中職分布圖 ...4
圖1.2 研究架構圖 ...13
圖2.1 網路 GIS 的分散式架構圖 ...22
圖2.2 使用 Google Fusion Table 將地址點位顯示在 Google Maps 中 ...24
圖3.1 以文字編輯器檢視之 html 檔案 ...27
圖3.2 Google Maps API 運作架構圖 ...28
圖3.4 ArcGIS Server 系統架構圖 ...31
圖3.5 模擬海平面上升 15 公尺台北盆地淹沒範圍 ...37
圖3.6 淹水模擬流程圖，綠色為資料，黃色為分析，淡藍色為使用者輸入值 ...38
圖3.7 教學網站系統架構圖 ...39
圖4.1 教學網站首頁 ...51
圖4.2 教學網站使用介面配置 ...52
圖4.3 地址搜尋定位 ...52
圖4.4 屬性查詢教學單元之說明與操作區 ...53
圖4.5 空間資料與屬性資料教學範例 ...54
圖4.6 台北市大安區土地利用向量資料（左）與 10M 解析度網格（右）...55
圖4.7 空間查詢教學範例 ...55
圖4.8 使用教學網頁查詢性別比小於 100 之鄉鎮，以及完整屬性資料表格 ...56
圖4.9 環域分析教學範例，底圖中的地標點為國中與高中 ...56
圖4.10 底圖中棕色線為間距 50M 等高線，藍色線為 100M ...57
圖4.11 開啟 DEM 海拔分層設色與黑白暈渲圖層，呈現的是彩色立體地形效果 58 圖4.12 坡度圖層，綠色為平坦地，紅色為陡坡 ...58
圖4.13 海平面上升 10M 之模擬淹沒範圍，配合北一女中學生地址點位...59
圖4.14 以中國文化大學為觀察點之視域分析成果 ...59
圖4.15 北投地區限制開發範圍 ...60
圖4.16 由捷運科技大樓站出發，500、1000、2000 公尺之路程範圍 ...61
圖4.17 由向量資料轉換為 5M 解析度網格資料...62
圖4.18 台北市 96 年村里人口統計網格 ...63
圖4.19 人口網格資料處理流程 ...64
圖4.20 圖中橘色點為 7-11 門市，與 200 公尺路程之服務區和區內人口數 ...65
圖5.1 「有實際使用閱讀地圖的經驗」學生比例直方圖 ...75
圖5.2 「有使用過 Google Maps 或 Google Earth 的經驗」學生比例直方圖 ...76
圖5.3 「有使用過 GPS 或交通導航軟體的經驗」學生比例直方圖 ...76
圖5.4 「GIS 概念」學生學習成效自評直方圖 ...77
圖5.5 「空間與屬性資料」學生學習成效自評直方圖 ...77
圖5.6 「向量與網格資料」學生學習成效自評直方圖 ...78
圖5.7 「空間查詢」學生學習成效自評直方圖 ...78
圖5.8 「屬性查詢」學生學習成效自評直方圖 ...79
圖5.9 「環域分析」學生學習成效自評直方圖 ...79
圖5.10 「地形分析」學生學習成效自評直方圖 ...80
圖5.11 「疊圖分析」學生學習成效自評直方圖 ...80
圖5.12 「疊圖分析」學生學習成效自評直方圖 ...81
圖5.13 學生學習成效自我評量問卷分析圖 ...82
表目錄
表1.1 88、95、99 課綱中 GIS 課程的比較 ...2
表1.2 95 年度高中職地理科資訊融入課程研發與推廣計畫中心學校 ...7
表2.1 NCGIA 核心課程教授流程（Kemp, 1991） ...14
表3.2 本研究發佈之地理處理服務一覽 ...35
表3.3 95 暫綱與 99 課綱中「地理資訊系統」之學習目標 ...41
表3.4 翰林版地理科教材 GIS 內容架構（賴進貴等，2010） ...43
表3.5 龍騰版地理科教材 GIS 內容架構（施添福等，2010） ...44
表3.6 本研究之 GIS 教學內容架構 ...47
表5.1 北一女中教學試驗學生問卷成果分析表 ...68
表5.2 內湖高中教學試驗學生問卷成果分析表：女學生 ...69
表5.3 內湖高中教學試驗學生問卷成果分析表：男學生 ...70
表5.4 內壢高中教學試驗學生問卷成果分析表：女學生 ...71
表5.5 內壢高中教學試驗學生問卷成果分析表：男學生 ...72
表5.6 中道高中教學試驗學生問卷成果分析表：女學生 ...73
表5.7 中道高中教學試驗學生問卷成果分析表：男學生 ...74
表5.8 學生學習成效自我評量問卷分析表（單位：%） ...82
表5.9 網路 GIS、開放 GIS 軟體、商業級 GIS 軟體於高中 GIS 教學之比較 ...86
第一章 緒論
第一節 高中地理科課程綱要
近年來高中地理科教材綱要和教材內容有巨大的改變。行之有年的88 年課程 綱要（以下簡稱88 課綱）在民國 95 年為新的地理課綱所暫代，因此習慣上將此 課程綱要簡稱為95 暫綱，而普通高級中學必修科目地理課程綱要（以下簡稱 99 課綱）於民國99 年正式施行，用以取代 88 與 95 課綱。而 95、99 課綱與 88 課綱 的顯著不同之一在於對地理學「核心能力」的強調，也就是培養學生利用地圖或 其他地理學工具與技術，蒐集、整理及分析各種地理資料，並能選擇恰當的方式 來表現、解釋地理現象的分布類型、成因及其變化（教育部，2010）。
值得注意的是，88 課綱將地理資訊系統（geographic information system, GIS）
安排於高三作為選修課程教授，而95 和 99 課綱則把 GIS 的教授提前至高一必修 課程的第三單元「地理資訊」。與此相應的調整是第二單元「地圖」大幅度充實了 相關的地圖知識和使用技能，以做為單元三的先備知識。下表將三個版本的課綱 中GIS 課程之異同整理如下：
表1.1 88、95、99 課綱中 GIS 課程的比較
88 課綱 95 暫綱 99 課綱
單元名稱 地理資訊系統的建立 地理資訊 地理資訊
授課年級 高三選修 高一必修 高一必修
參考節數 3 5 5-6
主要概念 傳統儲存方式、電腦儲存
方式、GIS（簡介）、報告 撰寫方法
一手資料、二手資料、地 理資訊
地理資訊內涵（空間資料 及屬性資料）、地理資訊 的儲存模式（向量模式、
網格模式）
地理資訊、地理議題
地理資訊內涵（空間資料 及屬性資料）
生活中的地理資訊 地理資訊系統的組成、功 能與應用
具體目標 提 供 數 據 讓 學 生 進 行 電 腦儲存、處理和提取
2-4 能了解 GIS 的功能與 應用潛力
3-1 能了解地理資訊在現 代社會的重要性
3-2 能列舉新聞及媒體中 的地理資訊
3-3 能運用 GIS 查詢或展 示生活周遭的地理議題
3-1 能了解 GIS 的組成要 素
3-2 能了解 GIS 的功能及 應用潛力
3-3 能運用 GIS 查詢或展 示生活週遭的地理議題
附註 建議以1-2 節課的時間，
提供學生實際操作GIS 的 機會（若受限於設備，可 使 用 Google Earth 或 UrMap 之類的網路地圖 查詢系統）
由上表中的「具體目標」欄可知，95 暫綱和 99 課綱的 GIS 課程對教師的要求 不只是片面的教授GIS 的組成要素、功能和應用的知識使學生了解即可；也包括
「運用」GIS 來處理地理問題。
另外，與課程綱要配合的設備標準當中，明訂各種在教學中必要或是輔助的
設備清單，並建議各校規劃專門的地理專科教室，作為地理學科專業教學與實作 之專用場所，提供課程綱要中地圖與GIS、環境災害、地景保育、區域發展、空間 規劃等主題單元之教學場所。其中針對GIS 教學的基本共通設備與特殊設備有投 影螢幕、個人電腦、網路連線、單槍投影機、GIS 軟體、全球電子地圖、台灣 1/5000 電子地圖、台灣衛星影像、台灣40 公尺 DTM 資料等（教育部，2010）。
按照課綱的規定，GIS 之章節以上述的設備輔助進行教學，以實現教學目標，
而99 課綱的補充說明中有以下條文：建議以 1-2 節課的時間，提供學生實際操作 GIS 的機會，若受限於設備，可使用 Google Earth 或 UrMap 之類的網路地圖查詢 系統。因此可知新課綱要求教師必須具有GIS 理論知識和實做技能，並且在教學 現場實踐；即便受限於設備，也應具有使用網際網路和資訊進行教學，並引導學 生使用網路學習的能力。
第二節 GIS 教學之現況
為了使課綱順利執行，教育部先是在全國補助十間GIS 中心學校添購設備標 準中的教學器材並設置地理科專科教室、與安裝有ArcGIS 軟體的電腦教室等等，
作為推廣GIS 融入地理科課程的中心（圖 1.1）。而全國許多學校陸續充實其教學 設備和軟硬體器材，教師亦積極參與和GIS 相關的工作坊或教師研習，以實踐課 程綱要的規定。
限制
然而新課綱 制。根據與現
圖1
綱公告實施 現任教師進
1.1 全國購
施至今，教師 進行訪談所得
購置ArcGIS
師在GIS 章 得到的一手
高中職分布
章節的實務教 手資料與國內
布圖
教學上，遭 內的相關研
遭遇許多障礙 研究，目前國
礙與 國內
高中在GIS 教學的現況與主要限制如下：
1. 商業 GIS 軟體的侷限
除前文提到的GIS 中心學校之外，全國許多學校陸續添購了 ESRI
（Environmental Systems Research Institute, 美國環境系統研究所公司）的 ArcGIS 軟體供教學使用。然而這種商業GIS 軟體在教育推廣上有諸多限制，可以從設備、
軟體、操作、推廣性等面向來討論：
A. 設備
如果教師依照課綱建議，設計軟體實際操作教學，那麼理想的情形是一人一 機或是五至六人的小組一機，這需要特別設計的專科教室。由於每間學校的資源 不同，所以每一間學校對於操作教學的實行程度也不一致，這對於資源受限的偏 鄉學校來說是十分不利的，也會在GIS 這一章節的教學中，出現城鄉之間的學習 環境和數位資訊的落差。至於更具體的差異需要進行全國尺度的的普查才能得 知。
B. 軟體
商業GIS 軟體非常昂貴，以 ArcGIS 9.0 為例，單一使用者的權限要價 1500 美 元，如需要使用進階的GIS 分析模組尚須另計費用。所以學校自然只能購買校內 授權的教育用版本，同時也需要定期付費維持廠商對校內軟體的維護。這些開銷 皆是沉重負擔，資源不足之偏鄉學校更是難以完全充實各種必要的教學資源。
C. 操作
雖然近年來為了充實教師的GIS 教學專業，各級學校舉辦了為數甚多的教師 研習或是工作坊。根據陳哲銘（2010）所進行之全國問卷普查指出，國內高達 84%
的高中地理教師以參加研習作為主要的GIS 專業獲取來源，遠高於大學修課的 52%。
但是ArcGIS 本身的確是技術門檻較高的商業軟體，又是對於使用者極不友善的英 文操作介面，由初學到熟練需要大量訓練和實做，所以其學習曲線十分陡峭（Peng and Zhang, 2004）。所以不僅對於教師來說難以上手，對於高中一年級學生亦然。
除此之外，目前課綱規定的教學時數是每周兩節課，平均一周教授一個章節，以
兩節課的時數操作ArcGIS 並兼顧 GIS 章節之教授，在教學上並不切實際。
D. 推廣性
前文提及教學用的ArcGIS 是由學校統一購買使用授權，所以就教學的角度來 說，等於是將學習的場所限制在學校教室中。學生無法在課餘時間複習實做的內 容，這種缺乏彈性的資源配置對於教學構成的障礙無疑也增加了GIS 單元教學的 難度。因此有部分教師嘗試免費的開放軟體（例如QGIS，http://www.qgis.org），
但是操作的問題仍然沒有解決：QGIS 也是一套相對需要更多練習的半專業軟體，
雖然較不需考量經費問題，但是GIS 軟體較高技術門檻的本質仍然沒有得到解決。
E. 區域差異
根據圖1.1 之全國購置 ArcGIS 高中職分布圖，可以明顯觀察到全國高中職在 GIS 軟體資源配置面向的城鄉與區域差異。教育授權版 ArcGIS 不僅可用於課程教 授，對於指導學生參加繪圖或小論文競賽也極具應用價值。但是除去全國十間由 教育部補助的GIS 中心學校之外，全國共計 485 所高中職，採購教育授權版 ArcGIS 軟體者共有54 間，比例僅 1/9，且絕大多數集中於台北縣市與桃園縣，西部地區 自台中縣以降除中心學校之外呈現資源配置的空洞。不僅使數位落差更加擴大，
亦不利於新課綱的執行。
根據圖1.1，全國高中職共分為四類，以下將簡述這四類學校在 GIS 教學層面 上的特點或可能面臨的限制：
GIS 中心學校：由教育部甄選十所學校（表 1.2），並撥款補助這十所學校建置 GIS 專科教室與添購軟硬體設備。
表1.2 95 年度高中職地理科資訊融入課程研發與推廣計畫中心學校
區域別 學校名稱
北
北一女中 師大附中 內湖高中 新竹高中
中 台中一中
彰化高中
南
新營高中 中山附中
東 花蓮女中
離島 澎湖海事
購置多人授權ArcGIS 學校：一次購置 50 人次之教育授權版本，可供教師和 學生在電腦教室中操作與教學。
購置單一授權ArcGIS 學校：僅購置單一授權之版本，僅能供教師操作，並透 過單槍投影機向學生示範。
未購置ArcGIS 學校：如果不採用免費開放 GIS 軟體（如 QGIS），即無法提供 學生操作GIS 的機會，只能以課本或教學投影片教授。
2. 教師對於 GIS 之操作和應用較缺乏信心
根據陳哲銘（2010）針對教師地理資訊素養之全國問卷普查，高達 97%的教 師認為自己能夠「具體說出GIS 的組成要素」；僅有 48%之教師認為自己「可以教 導學生操作GIS 軟體」；「對於自己的 GIS 能力很有信心」者僅有 34%。顯示絕大 多數教師對於GIS 的知識與認知程度甚高，對於 GIS 知識的教授與介紹的表現
（teach about GIS）甚為傑出；然而使用 GIS 作為工具來進行其他地理課程的教學 或是指導學生從事專題研究，則相對較缺乏信心。
3. 缺乏充裕的時間
不論是高一必修之GIS 單元或是運用 GIS 進行其他地理課程之教學，對於教 師來說有兩個層次的考量。首先，教師必須先對於GIS 這項新技術有足夠的了解 和精通，了解GIS 的概念、功能與限制；其次則是思考如何將 GIS 應用在教學中
（Meyer et al., 1999）並設計教學活動。兩者皆需要充裕的備課時間。然而目前國 內有61%教師實施高一 GIS 教學所用時數僅有 2-4 節課，更有 21%之教師僅使用 2 節課，低於99 課綱建議的 4-6 節課甚多（陳哲銘，2010）。
問卷調查進一步深究教學時間不足之原因，教師們認為GIS 教學遭遇的困難 中，前三位為整體課程安排太過緊湊、GIS 軟體售價過於昂貴、缺乏可做為教材的 GIS 圖資。由此可知自 GIS 導入國內高中地理課程以來至今已超過十年，不論教 學內容、軟硬體設備、教師專業技能各方面之水準確實有所提升，但是由於高一 必修地理之內容和課程安排過於緊湊，同時也提高授課之難度，所以大多數教師 皆面臨趕課和進度壓力而無暇準備和設計完善的教學（莊婉瑩，2010），是當前 GIS 教學之重大問題。
4. 學校教學資源配置
根據教師們提供的經驗，每間學校通常有一間專用電腦教室供GIS 教學使用，
使用情形和時間分配因校而異。由於每個學年度上學期是教授GIS 單元的時間，
所以可能會發生電腦教室供不應求的現象。又因為GIS 軟體集中在專科教室中，
所以即使一般教室中備有電腦和單槍投影機等設備，也可能無法完全配合GIS 教 學的需要。
5. 大量運用 Google Earth、Google Maps
鑒於上文提及的商業GIS 軟體在教學中的限制，許多教師轉而依照課綱的建 議，積極將Google Earth 或 Google Maps 應用在地理科教學中。2005 年問世的 Google Earth 不僅改變了世人對地圖的認知與使用習慣，也對地理教育有深遠的影 響。因為具有簡單易用、有親和力的操作介面、巨量免費可用的地理資訊圖層（衛 星影像、地圖資料、環境資訊、行政區、道路網、kml 等等）。除了由 Google 或第 三方提供的網路資源之外，教師也可以以Google Earth 為教學平台，編輯向量資料 或影像資料套疊、製作kml 或 kmz、匯入 GPS 航點航跡，自行製作符合自身需要 的教學資源。所以在課堂中使用Google Earth 和 Google Maps 可以激發學生學習和 探索的興趣，並透過Google Earth 探索和解釋、評價地理現象，十分符合學習生命 週期模型（Cates et al. 2003）的 4E：投入（engage in）、探索（explore）、解釋（explain）、
評估（evaluate）。所以許多老師更傾向使用 Google Earth 或 Maps 來融入課程並設 計教學活動（江映瑩, 2007; Patterson, 2007）。
新課綱的內容十分重視空間思考的觀點，而空間思考至少包括三個概念的整 合：空間的概念、再現空間的工具，例如地圖或GIS、推理思考的程序（Committee on the Support for the Thinking Spatially 2006），所以透過教師合理的規劃課程可以 讓學生不單只是將Google Earth 或 Google Maps 視為電子地圖工具，而是可以藉由 其大量的地理資訊（衛星影像、各種資訊圖層）來學習空間概念的養成與批判思 考的能力，為日後學習更高階的GIS 知識和技能做準備。
在陳哲銘（2010）進行之問卷普查中，Google Earth 和 Google Maps 反映了前 述的各種優勢，前者的使用率高達84%，後者亦占 52%，被認為應該普遍運用和 安裝在教師與學生使用的電腦中進行GIS 或相關的地理科教學中（占 89%）。
值得注意的是，認為電腦教室中應購置ArcGIS 套裝軟體之教師亦占有 52%，
這意味著Google Earth 或 Google Maps 仍然無法在地理科教學中完全取代專業 GIS 軟體。究其原因，是因為Google Earth 和 Google Maps 雖然具有便利的操作和強大 的展示功能，但是最大的限制在於它們並非嚴格意義上的GIS 軟體，和前述的 GIS
定義比較，Google Earth 與 Maps 可以滿足對地理資料（內建圖層、自製的 kml 或 kmz 檔案）的獲取、儲存、簡易查詢（配合 Google 搜尋引擎）、展示等要求，但是 GIS 核心的分析功能就付之闕如。目前教科書市場中各版本的高中地理教科書，皆 有在GIS 章節中針對 GIS 的分析功能舉出例如環域（buffer）、疊圖（overlay）、路 網（network）、地形（surface）等分析功能之介紹，儘管 Google Earth 可以妥善處 理疊圖功能，但是路網分析並不完善（只能處理點對點的最佳路徑分析），環域和 地形分析則是缺乏的，必須藉助專業GIS 軟體和相對應的 GIS 資料才能處理，由 此可知例如選址分析這種更加複雜的分析案例就更難在課堂中藉由實做來進行教 學。這種較複雜的分析模型在不同版本的教科書中都有提出範例（例如土地利用 適宜性分析、視域分析），但是僅限於在課本中以圖片與文字說明，所以理論和實 務上的落差亟需加以彌補。
另外，針對國內Google Earth 融入教學的現況，為數甚多的教師皆認為以 Google Earth 進行教學有不確定性，其中最大的問題是許多學校的網路教學環境尚 不成熟，即便購置了新型電腦，網路連線頻寬卻差強人意，造成教學的無效率。
因此在國內以Google Earth 作為地理教學平台的嘗試仍須持續推廣。
6. 教學資源之運用
目前國內高中教師們在進行GIS 章節教學備課時最常採用的教學資源是教科 書商或出版社提供之教學光碟。這些教學光碟通常將各種教學資源有系統地編排 整理後燒錄在光碟中，內容從投影片、照片、圖表、甚至互動式Flash 動畫皆應有 盡有，供教師在缺少GIS 軟體的情況之下仍然可以不失生動的解釋 GIS 之觀念與 知識，因此深受教師之青睞，高達88%的教師皆有在備課中運用。
進一步言，投影片是教師們最常用的教學媒體（占75%），書面學習單居第二 位（46%），亦有高達34%的教師實際運用了 GIS 軟體來教學，使用 GPS 的教師也 占了31%。在課堂中運用 GIS 軟體可以使學生獲得 GIS 實務經驗，然而 GIS 軟體 在教學中的應用因為囿於時間、軟硬體設備等問題，故尚有待進一步之普及。
第三節 研究動機與目的
綜合以上對於新課綱GIS 單元教學的論述，本研究開始反思以下問題：
1. 專業 GIS 軟體是否適合在高中教學活動中普遍使用？
2. Google Earth 或 Maps 在教學現場的優勢和限制為何？
3. 如何結合專業軟體和網路資源的優點使之互補不足？
專業軟體的功能非常齊全但是技術門檻很高；反之Google Earth & Maps 具有 免費、開放的優勢和強大的展示功能。所以如果要結合兩者的優點，必須運用網 路GIS（Internet-based GIS）技術：以網際網路為中介，將專業軟體的分析功能轉 變為可在網路瀏覽器（Web browsers）中執行的網路應用程式（Web applications），
並將之和Google Earth & Maps 的使用介面結合。
前文曾論述許多教師應用Google Earth 和 Google Maps 在地理科教學中，這表 示在台灣，運用網路將地理資訊融入教學的環境正日漸成熟。根據美國中央情報 局之統計資料，2008 年台灣的網路使用人數為 15143000 人，約占總人口數的 66%，
居世界前茅（CIA World Facebook, 2008）。全國各級學校皆有網際網路連線，電子 商務、網路教學等也逐步推動，學術界與研究單位在資料庫技術、資訊檢索技術、
語意處理技術、網路技術、多媒體處理與表達技術等皆有相當基礎，民間企業不 論是資訊技術、電子商務服務技術，也都日漸完善，因此以網路GIS 技術應用在 新課綱的GIS 教學中所需的基礎建設已經成熟。
由於近年來網路GIS 的發展非常快速，相關的開發和應用也如雨後春筍，所 以在網路上已經有許多針對不同用途的專案導向式的網路GIS 平台被研發完成並 正常運作；另有許多免費或付費的研發工具可供使用。但是網路GIS 系統的設計 和架構需要由對GIS 之理論及操作十分熟悉，和精通 Web-GIS 的專家來負責，而 上述的各種現有的網路GIS 系統由於仍然是針對特定用途設計的專家系統，所以 對於初次接觸GIS 的高中學生來說並不適合直接使用，目前也尚未有專門支援高 中新課綱GIS 單元的網路 GIS 平台被發展出來。
根據上述的研究動機，因此本研究除了回顧國內外相關之文獻之外，亦設定 以下實務導向的研究目標：
1. 透過文獻回顧與訪談等方法，了解國內 GIS 教育的現況。
2. 以高中地理教材分析和 Web GIS 技術，建置專用於 GIS 章節的教學網站，
運用網路GIS 技術整合 ArcGIS 之分析功能和 Google Maps 之底圖。
3. 以教學試驗初步檢驗教學網站之教學成效。
第四節 研究架構
本研究將整合高中地理課綱GIS 單元與教材、ArcGIS Server 與 Google Maps API 及網站架設技術，建置教學網站並進行教學實驗（圖 1.2），而主要流程為：
1. 文獻回顧
由教育與GIS 技術兩個面向探討，在教育的面向，回顧網際網路普及的過程 中，對於學校教育和地理課程的改變與應用。在GIS 技術面向，以 GIS 與資訊科 學的角度，回顧GIS 由傳統單機、集中式系統逐漸朝向網路、分散式系統的轉型。
2. 教材設計與需求訪談
本研究以支援GIS 教學為目標，因此設計出適合教師和學生使用的網路 GIS 教學素材是十分重要的。運用課綱與教材分析、製作教學素材原型、並與教師重 複進行使用者需求訪談，是設計教學網站的具體內容時運用的主要方法。
3. 系統開發
教學網站中有各種針對GIS 課程設計的教學模組（Learning modules）。這些教 學模組是由Google Maps API 結合 ESRI 發布的 JavaScript 擴充語法所完成的網頁，
能夠在Google Maps 的介面中執行各種由 ArcGIS Server 發布的網路服務（Web
Servi
4.
並透 其結
ices），達成
教學實驗 教學網站完 透過問卷調查 結果進行討論
成無須安裝
完成後，進 查瞭解學生 論。
裝軟體即可使
進行教學實驗 生的學習滿意
圖1
使用並示範
驗，實際以 意度；以訪
1.2 研究架構
範各種GIS 功
以此系統進行 訪談來收集教
構圖
功能的目標
行高一GIS 教師的意見
標。
S 章節的教學 見和回饋，針
學，
針對
第二章 文獻回顧
第一節 GIS 教育與推廣
1. 美國 GIS 教育推廣
早在1970 年代，GIS 作為一門新興的地理學次領域開始發展之際，不僅在學 術的範疇中成長，也在大學中開設了各種GIS 相關的課程，1980 年代美加兩國僅 有約十個學程開設GIS 課程，直到 1990 年代已經超過 2000 個，至今全世界曾經 參與GIS 課程的大學部學生每年估計超過十萬人（Goodchild, 2007），成為在世界 各地的產官學界推廣GIS 或提供技術支援的重要力量。
開設這些課程的動機是因為產官學界有大量GIS 專業人才的需求，而這些需 求可以分為兩個主要面向：GIS 軟體訓練與使用、和 GIS 概念的教學。開設 GIS 課程並訓練具有這兩種能力的人才，需要擁有相應的資源、軟硬體設備、課程標 準等等。因此由美國聯邦基金贊助的研究機構，國家地理資訊與分析中心（National Center for Geographic Information and Analysis, NCGIA）在 1988 年開始著手設計完 整的GIS 課程標準，稱為「核心課程計畫（Core Curriculum project）」，內容涵蓋 完整的GIS 訓練所需的專業和操作知識，以及各主題相對應的教學資源，NCGIA 核心課程的內容如下表：
表2.1 NCGIA 核心課程教授流程（Kemp, 1991）
一、GIS 概論 二、GIS 技術 三、GIS 應用 A. GIS 簡介
B. 硬體與軟體系統 C. 網格式 GIS D. 資料獲取
E. 空間資料的本質 F. 空間物件拓樸關係 G. GIS 分析功能 H. 向量和網格資料的
比較
I. 座標系與地理編碼 J. 向量式資料結構 K. 網格式資料結構 L. 資料處理與演算法 M. GIS 資料庫
N. 資料處理之誤差與 不確定性
O. 視覺化
P. GIS 應用領域 Q. GIS 與決策應用 R. 系統規劃
S. 系統運用 T. GIS 的新方向
NCGIA 核心課程標準於 1990 年發表，其內容涵蓋完整的專業 GIS 課程與學 程，因此成為各大學設計規劃GIS 學程的參考。然而由於電腦、網際網路、資訊 教學等科技逐漸普及，因此中學教育對於空間資訊的取得、查詢、展示的需求也 十分殷切，GIS 教育與推廣的工作遂逐漸由高等教育延伸至中等教育。
GIS 在大學與中等教育體系中的教育推廣工作最早皆是從美國開始。前述的 NCGIA 核心課程是在高等教育體系中試圖將 GIS 教育加以系統化最早的嘗試。而 中等教育體系中納入GIS 教育的嘗試與努力則是始於 1990 年代中期第一次國家課 程標準（the first national content standard）的規劃，包括地理教育、社會研究、科 學與科技，這些課程標準特別強調教師應盡量運用「探索導向（inquiry-based）」
的教學方式。探索導向教學強調的是以動手實作、問題導向、研究導向的方針來 設計教學活動，這樣的教學理論乃是源自建構主義（constructivism），建構主義學 習理論之主張，簡言之是認為學習者的知識建構過程，並不是完全由教師單方面 地向學生傳授的；而是由每個學習者以自己的認知思維將自身的獨特經驗串聯、
建構而成的（Driver et al., 1994）。
GIS 具有查詢、分析、展示空間資料的能力，因此前述的國家地理課程標準指 出「GIS 的力量在於它允許使用者對資料問問題」，這說明 GIS 在前述以探索導向 設計的教學方法中是極為有力的工具，因為學生與教師可以使用GIS 針對各種問 題進行查詢、思考解決問題的方法、收集並分析資料、彙整結論（Geography Education Standards Project 1994）。Sui 指出上述各種層面的教學可以分為兩類，其 中之一是「GIS 教學（teaching about GIS）」，另一個則是「GIS 融入教學（teaching with GIS）」（Sui, 1995）。前者是教授學生 GIS 概念或 GIS 軟體操作技術；後者則 是將GIS 作為教學工具應用在教學中，用來輔助教學、設計教學活動等等。不論 是聚焦於哪一個面向，顯然教師對於GIS 概念和操作的了解都是不可缺的前提。
隨著近年Google Maps 與 Google Maps 等網路服務或程式普及，人們取得地理 資訊之管道也日漸多樣化，從早期只能使用紙本地圖，到今日透過網路、智慧型 手機等平台，取得資訊的門檻和所需訓練也日漸降低與簡化。Goodchild 曾說：
「Google Earth 象徵 GIS 的民主化，一如 PC 象徵電腦科學的民主化一般」
（Goodchild, 2007），其意涵就是 GIS 的使用者逐漸由專家擴展到社會大眾，不再 只由少數專家或政府壟斷，這層意涵同樣適用於各級學校的地理教育中。因此地 理教育應該配合這個轉變，將GIS 納入教學之中，並培養學生使用 GIS 解決空間 問題的能力，所以合適的「GIS 教學」和「GIS 融入教學」的觀念、教學方法、與 相配套的教學設備、電腦軟硬體、GIS 資料等教學素材是所有學校亟需充實和開發 的資源。
2. 地理資訊在中學課程應用與推廣計畫
95 暫綱頒布實施之前，國內地理科課程中有關地圖與地理資訊等地理技能的 內容篇幅較少。由95 暫綱頒布以降銜接至 99 課綱，地理資訊技能課程所佔的比 重有大幅之成長，紀錄與傳播地理資訊的媒介除了傳統的紙張地圖之外，電子地 圖、遙感探測影像、全球定位系統、GIS 等新興工具乃至相關產業，皆引入兩個版 本的新課綱中成為全國高中地理科之必修課程。運用這些科技以解決問題之能力 乃是資訊社會中的基本公民素養，新課綱希望藉由上述調整，強化學生解決問題 與決策判斷之能力。
誠然，新課綱帶來國內地理教育提升的契機，然而其推動卻也帶來許多問題 和挑戰。首先面臨的問題是第一線教師們對於部分新課程的教學較為陌生，需要 周詳的配套措施以協助教師教學。其中教師們最感陌生的單元莫過於上述的地理 資訊技能課程，這是肇因於多數教師於職前教育所接受的地理資訊概念與技能的 訓練較為薄弱所致，因此教師們對於配合新課綱使用的教學資源和研習訓練的需 求甚為急切。
是故，教育部於民國94 年委託台大地理系地圖與多媒體研究室團隊執行「地 理資訊在中學課程應用與推廣計畫」，負責推動高中地理資訊教學素材的研發與推 廣活動。至民國100 年止，該計畫已執行四個年度，前三個執行年度皆是從事國 內高中職GIS 融入教學之推廣工作，也是目前國內高中地理 GIS 教育推廣的主要
力量。值得注意的是，第四個執行年度是本計畫首度開始將國中納入GIS 推廣對 象之列，這是由於國內之國民中學的資訊設備日趨完善，與網路資源的快速成長，
使得國中教師在教學中融入資訊的可能性大增，使用GIS 的成本亦因為免費、易 於普及、簡單易用的網路資源與免費軟體而降低至可以在國內國中推廣。因此教 育部進一步規劃將全國國中納入本計畫之框架之下，裨益於國中與高中地理課程 之銜接。
該計畫已執行的四個執行年度中，所執行的主要工作項目與成果如下：
一、教學模組研發
教學模組是以地理資訊融入課程教學為前提，配合課綱內容開發的一系列教 學素材，以課綱的主題為基本單元，設計包括教案、教學簡報檔、地圖電子檔、
GIS 圖資、操作學習單、補充說明等素材並整合為完整的教學素材套裝。由民國 94 至 98 年三個計畫年度，該團隊針對高一通論地理（20 套）、高二區域地理（12 套）、高三應用地理（16 套）共開發了 48 套教學模組，總計約有數百幅地圖和上 千頁文檔資料，是極為可觀的教學資源成果。
由民國99 年 1 月至 100 年 1 月執行的第四個執行年度中，由於首次將國中納 入推廣對象，所以共開發24 個教學模組，8 個模組供國中使用，16 個模組供高中 使用。
二、製作教學資源資料庫
前述研發成果和資源主要利用網路、光碟、印刷等方式進行推廣。其中供全 國教師取得教學資源的主要管道為本計畫建置之入口網站：GIS 高中職地理加油站
（http://gisedu.tw），任何使用者可以在此網站中下載上述的教學資源或取得研習資 訊。根據陳哲銘（2010）之全國高中教師問卷普查，高達 56%之教師會使用此網 站的教學資源。
三、辦理教師研習課程
規劃GIS 相關課程、融入教學應用、軟硬體實作等教育訓練課程，提升全國 教師在教學中運用GIS 之能力。每一場次安排一天 6 小時之課程，每場招收 40-50
名教師，在全國各地分區舉辦。誠如緒論中論述之高中地理GIS 教學之現況所言，
國內以研習作為專業獲取來源的教師比例高達84%。教育部的地理學科中心、本 推廣計畫、加上各大專院校舉辦的GIS 研習，截至 2009 年為止，參加各類研習的 教師已超過1000 人次，相當於我國三分之二的高中地理教師。
四、舉辦全國比賽
該計畫於每個執行年度舉辦「全國地理資訊電腦繪圖比賽」與「地理資訊教 學應用比賽」，這兩項比賽結合高中職GIS 應用研發的成果發表會，提供全國各高 中職相互觀摩學習的機會。
第二節 高中 GIS 教學的限制因素
在美國，上述的地理課程標準已行之有年，然而GIS 教學與各種相關應用極 為有限。這可以由以下兩項調查結果證實：
首先，根據ESRI 的銷售數據，全球在 1999 年有五十萬 ArcGIS 使用者，其中 僅有約1500 位在 ESRI 資料庫中註冊為美國中學教師，全美高中當時使用 GIS 軟 體的學校僅占不到2%（Kerski, 2003），日後的全國普查則將資料範圍延伸至 2004 年，儘管這段期間GIS 教育推廣之工作仍不遺餘力進行，但是相較於 1999 年的統 計數據，擁有GIS 軟體的美國高中數量並沒有顯著的成長（Baker, 2009）。
其次，承接上述的普查數據，全美高中使用的ArcGIS 軟體分布在約 1900 間 教室中供師生使用，但是卻只有不到15%的教師在普查中回報為曾經使用這套軟 體進行教學（Kerski, 2000）。由這兩項普查數據可以發現，目前在高中以GIS 軟體 進行GIS 教學或 GIS 融入教學的現狀，不論在質量或數量上都不能令人滿意。
反觀台灣的GIS 教育推廣現況，在 88 年、95 年、99 年三個版本的課程綱要 中，GIS 教學與 GIS 融入教學的比重皆有明顯成長。然而國內的 GIS 教學經驗也 和美國類似，教學質量皆差強人意。根據莊婉瑩（2010）針對全國 227 位高中地 理教師的問卷調查結果，僅有9%的教師根據 99 年課綱的建議讓學生使用 GIS 軟
體、10%的教師則以單槍投影機對學生示範 GIS 軟體的使用、高達 75%的教師採 用教學投影片和單槍投影機教授GIS 章節。而高中地理教師對於教授 GIS 章節普 遍感到信心低落，即使新課程綱要已執行多年也仍舊如此（莊婉瑩，2010）。
根據相關文獻與研究，GIS 在中等教育應用執行不力之因在於以下數個關鍵限 制（Baker, 2009; Kerski, 2003; Meyer et al., 1999; 莊婉瑩, 2010）：
1. 合適的 GIS 軟硬體設備
儘管許多GIS 供應商提供學校採購 GIS 套裝軟體的教育折扣，但是購置這些設備 仍舊要價不斐。更重要的是，將新科技應用在教學中的前提是這些科技必須同時 能夠由教師和學生使用，且使用的場所不可以僅侷限於學校內的某間教室或建築，
方能發揮理想的教學效果。
2. 充裕的備課時間
不論是GIS 教學或是 GIS 融入教學，對於教師而言有兩個層面的挑戰必須克服。
首先，教師必須先對於GIS 這項新技術有足夠的了解和精通，了解 GIS 的概念、
功能與限制。其次則是思考如何將GIS 應用在教學中，包括授課流程、課題設計、
授課用軟硬體資源和GIS 資料等。由此可知教師若採用這種新的教學法需要大量 時間準備，所有研究皆指出教師認為缺少足夠時間或軟硬體設備的限制是GIS 教 育的兩個最關鍵的阻礙。
3. 教師意願
鑒於以上兩點可以了解在中等教育中運用GIS 並不容易，倘若教師囿於各種限制，
導致教學效果不如預期，將會顯著降低教師在教學中運用新科技的意願和優先順 序。
4. 職前訓練
教師在師資培育的學程中若有修習GIS 相關課程，則可以合理推測教師對於 GIS 概念和知識不至於完全陌生。但是目前國內開設地理科師資培育學程的大學科系 並未全部將GIS 相關課程列為必修科目，這將造成教師之間 GIS 能力的差異與斷 層（莊婉瑩，2010）。
5. 在職進修
教師為了因應新科技和相應的新教學方法，也可以透過各種研習過工作坊提升專 業能力。Baker 等人（2009）針對參加教師研習之教師所收集之調查資料指出以下 的發現：教師自行運用GIS 製作教材或是應用在教學中的比例，和累積研習時數 成正比；42%的受訪者參加研習後願意應用 GIS；62%的受訪者表示若研習課程和 教學需求契合，則受訪者願意在教學中運用研習教材。因此周密規劃的研習課程 有助於教師在GIS 應用能力上的提升。
6. 其他支援
包括學校行政支援、政策等。
總的來說，新課綱實施至今，上述關鍵要素事關GIS 融入教學之成敗。但是 因為上述提及的配套措施之不足，導致GIS 章節的教學成效尚且含糊不清，更遑 論更高層次的GIS 融入課程。使的大多數的地理教師僅是單純運用 GIS 作為資料 展示的工具（Meyer et al., 1999; 莊婉瑩, 2010），GIS 處理空間問題的核心能力並 未在教學中被凸顯，亟需更有效的解決方案。
第三節 網路 GIS 技術
GIS 的發展始於 1960 年代晚期，加拿大政府運用電腦儲存和處理土地資料
（Tomlinson, 1984）。經過數十年的發展，GIS 的應用已經超越了最初的繪圖與資 料儲存，也延伸到各種分析處理、GIS 資料收集、獲取、統計與演算法；各種組織 和機關在環境管理、空間決策等應用案例也如雨後春筍般出現，進而發展成完整 的應用和學術領域（Goodchild, 1992）。
自1960 年以來，電腦科學在運算速度與軟體使用介面皆有長足進步，在 1990 年代網際網路蓬勃發展前，GIS 的組成要素：硬體、軟體、資料、基礎設備（Chang, 2010）往往集中在單一或少數的電腦中，而 GIS 中十分重要的組成要素：使用者 也僅限於相對少數的專家，未能普遍供社會大眾使用，Peng 指出這個現象是由於 傳統單機GIS 套裝軟體有以下四種限制（Peng, 2004）：
1. 使用者必須採購軟體或是授權，因此難以推廣至資源有限、無力購置軟體或 教育訓練的一般大眾與小型組織；更有甚者，即便使用者可能只會使用軟體 中的一部分功能，卻也可能要將全套軟體一併採購。
2. GIS 軟體和其資料，僅能在安裝該軟體的電腦中使用。
3. 儘管電腦軟體的圖形使用者介面（Graphical User Interface, GUI）日漸成熟，
但是由於GIS 功能廣泛，因此軟體的使用者介面也日趨複雜，需要經過訓練 以及練習才能熟練使用，導致單機GIS 軟體有複雜的學習曲線而使初學者難 以上手。
4. 缺乏互操作性（interoperability），不同GIS 軟體通常使用不同的資料格式，使 這些軟體間的資料無法相互流通，造成GIS 使用者之間互相協作時的障礙。
等G 後出 素在 標準
分散 架構 器端 台：
行動 的指 管商 存取 動裝 GIS 服
上述的限制 GIS 組成要素 出現巨大的改 在空間上不局 準，網路GI
有別於傳統 散的，並使用 構分為兩個部 端和客戶端之 客戶端軟體 動裝置（例如 指令，例如檢 商業用GIS 軟 取閱覽全球資 裝置，也能以 服務推廣給
制都是討論 素都集中在 改變，GIS 局限於單一
S 的基本架
圖
統GIS 的集 用網路科技
部分，即左 之間則以網 體（例如A 如智慧型手 檢視地圖、
軟體仍舊昂 資訊網（wo 以網路瀏覽 給更多的使
論集中式GI 在同一空間位
開始轉向分 一位置，並透 架構可以勾勒
圖2.1 網路
集中式架構 技聯繫各部份
左邊的伺服器 網際網路傳輸 ArcGIS Expl 手機）傳送指
分析功能 昂貴且複雜 orld wide w 覽器為平台使 使用者。
S 架構，也 位置的電腦 分散式的系
透過網際網 勒如下圖：
路GIS 的分散
，網路GIS 份（Fu, 201 器端（serve 輸資料和指 lorer）、網路 指令給伺服
；完成之後
，但是今日 web, www）
使用GIS 服
也就是電腦軟 腦中。這個架 系統架構，換
網路進行指令
散式架構圖
S 最基本的定 0）。以上圖 er）和右邊 指令。當使用
路瀏覽器（
服器，伺服器 後亦透過網路 日任何網路使
，即使沒有 服務，遂大幅
軟硬體、資 架構在網際 換言之GIS
令和資料傳
圖
定義是其各 圖為例，最簡 邊的客戶端
用者透過不
（例如Goog 器即開始執 路將成果傳 使用者都會 有安裝客戶端
幅降低使用
資料、使用人 際網路蓬勃發 的各種組成 傳輸，遵循這
各個組成要 簡單的網路
（client），伺 不同的客戶端
gle Chrome 執行使用者下 傳回客戶端
會以網路瀏覽 端軟體或持 用的門檻，也
人員 發展 成要 這個
素是 路GIS
伺服 端平 e）或
下達
。儘 覽器 持有行
也把
網際網路的蓬勃發展始於1990 年代，因此網路 GIS 應用之普及亦始於此時。
早期的網路GIS 功能有限，主要用於發佈可供使用者瀏覽的線上地圖、基本 GIS 資料查詢（Dragićević, 2004）。直到1995 年，Susan Huse 將單機版 GIS 軟體 GRASS
（http://grass.fbk.eu）和網路伺服器整合，開發出 GRASSLinks 這套軟體，允許使 用者在客戶端傳送指令給伺服器端的GRASS 軟體，再將分析結果傳回客戶端
（Huse, 1995），是網路 GIS 發展跳脫單純的地圖展示和查詢，擁有更多 GIS 分析 功能的早期範例。隨後各大軟體公司亦開始推出各種伺服器端網路GIS 軟體，直 到近年的技術發展和研究重點更延伸到各種行動裝置和地理位置服務（Location Based Service, LBS）等跨領域應用（Kim et al., 2005），最早期的伺服器端－客戶 端的雙邊架構也日趨複雜多樣。但是各種網路GIS 應用的目標仍然可以分為三大 類（Plewe, 1997; Green and Bossomaier, 2002; Peng and Tsou, 2003）：
1. 空間資料取用與傳播 2. 空間資料探索與視覺化 3. 空間資料處理、分析
隨著個人電腦普及率趨近飽和，網際網路的資料流量和連線頻寬也相應地成 長，越來越多網路GIS 應用被開發出來。其中 2005 年 2 月啟用的 Google Maps 是 網路GIS 應用的里程碑，使用者可以在網路瀏覽器中以各種比例尺檢視世界各地 的向量基本圖、衛星影像、立體地形圖。Google Maps 提供的圖層、資訊和服務不 斷充實成長且維持簡單直覺的網頁操作介面，使用者可以搜尋地名或地址、查詢 交通路線、瀏覽有地理定位（geo-tagged）的相片、或是在 Google 帳號之下編輯地 圖、新增地理資訊並以網路為媒介分享給其他使用者。因此，以Google Maps 為平 台，使用者可以瀏覽、搜尋、獲取各種類型的地理資訊，是非常成功的地理資訊 入口網站（geo-portal）的典範。
值得一提的是，Google Maps 屬於 Google 公司開發的網路應用程式之一，近 年Google 致力於將其搜尋業務和其他應用程序，例如 Picasa 網路相簿、Google 文 件、Fusion Table 等資源以 Google Maps 和 Google Earth 為平台來整合各種具有空
間屬 Fusio 地址 中紀 以發 務將 逐漸
第四
立竿 各種 術雖
屬性的網路資 on Table 網 址定位（Geo 紀錄的其他數 發現：傳統G 將會逐漸成為 漸和GIS 軟體
圖2.2 使
四節 小結
有鑑於前文 竿見影地得到 種限制的門檻 雖然日趨成熟
資訊，將網 網頁中上傳一
ocoding）後 數值資料在
GIS 的集中 為未來使用 體一樣完整
使用Goog
結
文中談論的 到解決。因 檻的概念開 熟，但是各
網路GIS 應用 一份記載有 後，將地址 在地圖中以定
中式架構正在 用GIS 的主流 整，且可以允
le Fusion Ta
的GIS 在地理 因此應用網路 開始被提倡 各種網路GI
用的可能性 有地址資料的 址點位套疊在 定量圖例的
在逐漸被取 流途徑，網 允許更多使
Table 將地址
理教育應用 路GIS 技術
（Baker, 20 S 平台十分
性進一步延伸 的excel 表格 在Google M 的形式呈現
取代，由分散 網路提供的 使用者將GI
址點位顯示在
用中的各種限 術來取代傳統
005; Kerski, 分多元，內容
伸。例如使 格，由Goo Maps 中，並
（如下圖）
散式架構所 GIS 服務不 IS 運用在更
在Google M
限制，皆非 統桌上型G 2008）。然 容亦五花八
使用者可以在 ogle Maps 進 並可以根據
。由這些創 所提供的網路
不僅在功能 更多元的領
Maps 中
非短時間內能 GIS 軟體，
然而網路GI 八門。在台灣
在 進行 據表格
創新可 路服
上將 域。
能夠 減少 IS 技 灣卻
缺少真正為GIS 單元之教學而設計的網路 GIS 平台，由於學生和教師亟需更好的 GIS 教學方法和工具，所以網路 GIS 教學平台的開發，有其實務上的價值。
第三章 教學網站設計
第一節 系統架構
為了同時結合Google Maps 的使用介面和 ArcGIS 的分析功能，本研究必須掌 握不同的工具和技術，並將這些工具混搭（mashup）來使成果符合最初設定的研 究目標。以下將本系統研發過程所使用的主要工具詳述如下：
1. 網站架設與網頁編輯
全球資訊網（world wide web, www），是由所有互相連接的超文字（hypertext）
文檔組成的集合，透過網際網路存取。每一個文檔都由一個統一資源定位符
（Uniform Resource Locator，URL）指定其網路位址，當網路使用者在瀏覽器網址 列中輸入URL，瀏覽器就會從網頁伺服器取回稱為「文檔」或「網頁」的資訊並 顯示出各種各樣的網頁。
本研究的目標之一是建置供師生使用的教學網站，因此首先使用Windows 作 業系統內建的Internet Information Services（IIS，網際網路資訊服務）伺服器軟體 架設網頁伺服器，該伺服器之主機實體位於台大地理系地圖與多媒體研究室，網 路位址為140.112.63.87。伺服器之軟硬體配置完成之後，即可指定伺服器中任何 實體路徑，設定為虛擬目錄，放置在路徑中的檔案向網路開放與共享。舉例而言，
若有一純文字檔案命名為document.txt，若使用者需要存取該文字檔，可以在瀏覽 器中輸入http://140.112.63.87/document.txt，即可透過網路存取該文字檔。
網站是指網際網路上根據一定的規則，使用HTML（超文本標記語言，
HyperText Markup Language）等工具製作的用於展示特定內容的相關網頁的集合，
這意味著一個網站之下會包含許多內容與網站主題相關聯的網頁。根據這個定義，
本研究以文字編輯器編輯合乎標準的HTML 檔案，設計一系列教學服務的網頁並 放置於網路伺服器的虛擬目錄中，供教師與學生在網路瀏覽器中存取。
Google Ma Google Ma guage）編寫 的資料。200 地圖介面而不 以破解，從而 何人都能免費 地址搜尋、
的應用多不 的Google 地
how, 2008）
aps API aps 是由 Jav 寫而成，這 05 年之前，
不經由Goo 而取得其中 費在自己的
、路網導航 不勝數（例如 地圖），Goog
。
vaScript 和 這樣的結構是
如果程式開 ogle Maps 的 中的地圖資訊 的網站中匯入
、讀取km 如許多人會
gle 的競爭對
XML（可擴 是讓客戶端
開發者想要 的官方網站
訊。但是2 入完整的G ml 檔案等功 會在自己的美
對手也都陸
擴充套件標記 端能夠以動態
要在自己的網 站，必須把G
005 年 Goo Google Map 功能，因此目
美食網誌結 陸續釋出地圖
記語言，eX 態的方式存 網站中匯入 Google Map
ogle Maps A s 介面，包含 目前網路上對 結尾附上一小
圖API 供網
Xtensible Ma 存取Google
入Google M ps 的網頁程 API 釋出之 含使用者介 上對Google
小張標有餐 網路開發者
arkup 伺服 Maps 程式碼
後，
介面設 Maps 餐廳位 者應用
圖3.1 說明 傳統上是由G 路瀏覽器可直 存為網路瀏覽 戶端使用Go 司制定之資料
Google Ma 去使用者只能 斷；而Googl 入Google 所
明Google M GIS 軟體對 直接支援讀 覽器支援的 oogle Maps 料傳輸協定 aps API 的發 能透過Goo
le Maps AP 所制定的資料
Maps API 之 對GIS 資料進 讀取的格式，
的.jpg、.gif、
時，根據使 定傳回客戶端 發佈，對於 ogle 取得線 I 的發佈則 料傳輸協定
之運作機制 進行處理之
，因此Goog
、.png 等格 使用者檢視 端的網路瀏 於網路GIS 開 線上地圖，資 則使更多的組 定，使用者透
，Google M 之後輸出為圖
gle 公司事先 格式的圖檔 視地圖的範圍
瀏覽器供使用 開發者而言 資料傳輸與網
組織與開發 透過這些網
Maps 在瀏覽 圖檔。但是 先將GIS 圖資
，存放在G 圍將前述之 用者檢視。
言開啟了極廣 網頁伺服器 發人員能夠在 網站也可以根
覽器中顯示的 是GIS 資料
資進行前處 GIS 資料庫中 之圖檔以Go
廣泛的可能 器皆是由G
在自己的網 根據API 的
的地 料並非
處理，
中。
oogle
能性。
oogle 網站中 的指令
碼從直接讀取Google Maps。
由於Google Maps 的使用介面已經擁有衛星影像、交通路網和大比例尺電子地 圖的資料，所以以Google Maps API 為基礎，配合符合開放式地理資訊系統協會
（OGC, Open GIS Consortium）標準的地理標記語言（Geographic Markup Language, GML）就可以完成一個具備資料展示和查詢的網路 GIS 原型（Chow, 2008）。
本研究建構的系統要以Google Maps 的操作介面作為基本，所以首先要使用的 工具就是Google Maps API。由於 Google Maps、Earth 在教育上的應用已經吸引許 多一線教師的注意，所以使用Google Maps API 建構教師與學生較熟悉、具親和力 的地圖介面，是本研究開發的教學網站中十分重要的一部分。
由於本研究的網頁伺服器位於網路位址140.112.63.87 之主機，使用者瀏覽本 研究設計之教學網頁時，皆是透過http://140.112.63.87 為開頭的 URL 讀取，而不 是Google Maps 之官方網站，所以如果需要在網頁中使用 Google Maps API，需要 事先以140.112.63.87 之位址申請金鑰。金鑰是亂數排列、獨一無二之英文字母與 數字的組合，用於辨識網站之位址，如果沒有申請金鑰或是使用不符合的金鑰，
網頁中的Google Maps 將無法正常顯示。
在文字編輯器中設計教學網頁時，最重要且常用的Google Maps API 之語法如 下：
A. <script
src="http://maps.google.com/maps?file=api&v=2&sensor=false&ke y=金鑰"></script>
<script type="text/javascript">
宣告在本網頁中引入JavaScript 之語法，來源為 Google Maps，運用在來源為 140.112.63.87 之網頁中。所有 Google Maps API 之指令才能運作。
B. function initialize() {
var map = new GMap2(document.getElementById("map_canvas"));
}
_canvas 之框 用介面的一部
map.setCen 設定上述之 例尺縮放等級 map.setUIT 加入初始操 map.enable 允許使用者 將上述的語 圖：
圖 部分。
nter(new GL 之map 變數 級為8，以 8
ToDefault() 操作介面，
eScrollWhe 者檢視地圖 語法加入H
圖3.3 使用
LatLng(23.6 數的檢視範圍
00*600 像素
;
包括地圖類 elZoom();
圖時可以使用 HTML 之後
用Google Ma
6, 121), 8);
圍，以北緯 素之地圖為
類型切換、
用滑鼠滾輪 後，在網路瀏
aps API 在網
緯23.6 度，東 為例，此檢視
比例尺滑棒
輪控制比例尺 瀏覽器中呈
網頁中產生
東經121.8 度 視範圍大致包
棒。
尺縮放。
呈現之Goog
生的地圖介面
度為地圖中 包含全台本
gle Maps 介
面
中心，
本島。
介面如
這個系統完整 研究使用ESR 別於單機版A 實現網路GI 的實體位置可 定網路位址（
以下要素組成
GIS 伺服器 由伺服器物 ect Containe
OC 則是服
整的GIS 功 RI 的 ArcGI ArcGIS 軟體 S 系統的分 可以是在不
（即網路協定 成：
圖 器
物件管理者 er，SOC）組 服務功能（例
功能，Googl IS Server 發 體，ArcGIS 分散式架構 不同的電腦中
定，Interne
圖3.4 ArcG
者（Server Ob 組成，都是 例如地理分
le Maps AP 發布一系列針
S Server 是用
，換言之可 中，只需要 et Protocol，
GIS Server 系
bject Manag 是用於服務 分析服務）具
PI 不包含實 針對教學需 用於發佈網 可以資料倉儲 要由系統管理
IP）即可。
系統架構圖
ger，SOM）和 務功能的運作
具體執行的
實踐GIS 功能 需要設計的網 網路地理資訊 儲、運算主 理員透過A
系統的基本
圖
和伺服器物 作：SOM 負 的位置。SOM
能的語法，
網路GIS 服 訊服務，而 主機、網路伺
ArcGIS Serv 本架構如下
物件容器（S 負責管理調
M 和 SOC 所以 服務。
而且可 伺服 ver 端 下圖，
Server 度；
可以
在同一部電腦主機中，也可以由一部電腦主機擔任SOM，管理其他做為 SOC 的電 腦。
B. 網路伺服器
負責網路應用程式（Web Application）的運作，網路應用程式是透過網路瀏覽 器在網際網路上使用的軟體，廣泛運用於生活的各種層面，例如電子郵件信箱。
ArcGIS Server 架構中的網路伺服器是透過傳遞指令給 GIS 伺服器，由伺服器執行 GIS 功能，並將結果送回網路伺服器，然後再傳送到用戶端。
C. 客戶端軟體
包括單機版ArcGIS 軟體、ArcGIS Explorer 等，客戶端可以直接使用這些軟體，
無需自備資料或功能擴充模組，透過網路存取位於GIS 伺服器的資料和各類服務。
因為這兩種軟體由於同屬ESRI 產品，所以和較複雜的向量或網格資料是相容的，
無須經過轉換即可正常讀取。
D. 網路瀏覽器
例如微軟IE、Google 瀏覽器、Firefox 等，無法取得客戶端軟體的使用者也能 透過網路瀏覽器存取來自網路伺服器的資料來使用網路GIS 系統，兩者的差異在 於瀏覽器無法支援shapefile 和網格資料這類複雜的資料格式，所以必須經由 GIS 伺服器將資料轉換為.jpg、.svg 或 GML（地理標記語言，Geography Markup Language）、.kml 等相對較為輕量的資料格式才能供瀏覽器使用。
雖然ArcGIS Server 如前述架構可以經由分散式架構提升效率，但是在本研究 中，GIS 伺服器之 SOM、SOC 和網路伺服器實際上都集中配置於前述位於台大地 理系地圖與多媒體研究室之主機，位址為140.112.63.87。這是因為本研究著重於 系統開發，原型系統研發階段的優先考量在於研究目標的實現，同時囿於資源與 設備，亦無法進行商業規模之配置。本研究使用之ArcGIS Server 為台灣大學購置 之授權版本，選用該套裝軟體的考量如下：
A. ArcGIS Server 所發佈的服務涵蓋單機版 ArcGIS 的大部分主要功能，包括地圖 服務、地理編碼、地理資料管理、地理處理服務（Geo-processing service）、路
網分析服務等等，本研究可以針對高中地理資訊教學的需求，設計並發布各 種網路服務。
B. 上述由 ArcGIS Server 發佈的服務不僅可以讓使用者透過網路存取，在使用者 的單機版ArcGIS 中使用，也可以透過簡單物件存取協定（Simple Object Access Protocol，SOAP）和應用程式介面（Application Programming Interface，API）
藉由網路瀏覽器和行動裝置存取使用。這在本研究中至關緊要，因為前言提 及的高中教學現場的其中一個困境就是單機版ArcGIS 軟體在使用地點和教學 資源上的局限性，所以使用ArcGIS Server 針對高一 GIS 單元建構網路 GIS 的 一大突破在於使教師和學生如果可以在課間或課餘時間使用網路，就能透過 瀏覽器立即使用網路GIS 服務，不需使用技術門檻較高且較難學習的專業軟 體。配合Google Maps API 的操作介面，更能夠將 GIS 的空間資訊內涵和生活 環境相結合。
C. 上述的服務都符合開放式地理資訊協會（Open Geospatial Consortium，OGC）
定義的標準，包括將瀏覽器可支援的地圖圖檔發佈給服務使用者的網路地圖 服務（Web Map Service，WMS）、使用者可以透過網路由伺服器取得並更新 GIS 資料的網路圖徵服務（Web Feature Service，WFS）和 KML & KMZ 格式。
這些統一的開放格式不僅能使教師和學生可以更容易取得地理資訊，而且能 夠將之運用在其他的開放網路資源，例如Google Earth & Maps，對於不同服 務和資料來源的互操作性（Interoperability）有較大的彈性，遠優於商業 GIS 軟體。
在本研究中，透過ArcGIS Server 發佈的網路 GIS 服務大致可分為兩大類，分 別是地圖服務（map service）與地理處理服務（geo-processing service）。地圖服務 是將各種GIS 圖資發佈為網路服務，使用者可以透過 GIS 軟體或瀏覽器檢視這些 圖層，並對圖資進行空間或屬性查詢。地理處理服務則是將GIS 功能根據預先設 計好的處理流程組合成模型（model）並發佈為網路服務，和地圖服務的不同在於 地理處理服務通常是為了處理特定問題而設計，可以由使用者輸入變數，此變數
可以是數值、文字或使用者指定的位置，經過模型處理之後將成果傳回至使用者。
另一方面，ESRI 亦有發佈一系列基礎的幾何分析功能，例如環域分析、面積 與周長計算等。所有開發者皆可以由ESRI 之 ArcGIS Server 官方伺服器免費取用 這些服務，或是和本研究中發佈的服務相結合，設計出更複雜完整的網路GIS 功 能。以下的列表為本研究中使用與發佈的網路GIS 服務清單，這些服務皆是考量 教學的角度和需要而設計的：
表3.1 本研究發佈之地圖服務一覽
台灣鄉鎮市區行政區
圖資的屬性資料包含鄉鎮名、隸屬縣市、行政區全名 與代碼、土地面積、人口統計（含總數、男女性人口 數、幼壯老年人口數、性別比例）
台灣村里行政區
圖資的屬性資料包含村里名、隸屬鄉鎮、隸屬縣市、
行政區全名與代碼、人口統計（含家戶數、總人口數、
男女性人口數、移入移出人口數）
台灣各級學校點位 圖資的屬性資料包含學校代碼、校名、所在縣市、地 址、學校類型
台北市大安區土地利用
使用內政部國土測繪中心之民國96 年台北市國土利 用調查資料，可查詢詳細的土地利用現況；並備有向 量式、網格式（解析度5M、10M、20M）兩種格式 供教學時進行比較
台灣地區數值地形模型 使用ASTER 衛星量測之台灣地區 DEM，網格解析 度為30M，並將網格像素根據海拔高度分層設色 台灣地區向量等高線 由上述之ASTER DEM 經 contour 工具處理而得，共
有50M 和 100M 兩種間隔
台灣地區地形黑白暈渲 由上述之ASTER DEM 經 hillshade 工具處理而得，
用於立體化的地形展示效果
台灣地區坡度圖 由上述之ASTER DEM 經 slope 工具處理而得，作為 GIS 地形分析之範例
