人工智能对高中地理教学影响探析

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［摘要］以人工智能（AI）为代表的技术正在引领第四次工业革命，在各行业中发挥着不可或缺的作用。如何开展人工智能教育成为目前我国中小学需要面对的迫切问题。本文通过文献总结和分析的方式，根据地理学科教学特点，对人工智能在未来高中地理教学中的影响和应用进行了分析和探索。人工智能可以帮助教师实现个性化教学，并提高学生的空间思维能力。同时，基于大数据的机器学习和虚拟现实技术在高中地理学科中的应用，可以激发学生学习的主动性，从而提高教学质量。

［关键词］人工智能；高中地理教学；个性化教学；地理空间思维能力

一、引言

人工智能（artificialintelligence）简称AI，是诞生于20世纪50年代的一门融合了计算机、物理学、心理学等多学科的新兴交叉学科。人工智能领域主要研究用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统，即通过了解人的思考和行为的本质，产生出一种智能机器，使其具有类似于人类的某些思维和行为方式。［1］以深度学习技术为代表的新一代AI在语音、图像及自然语言理解等领域取得一系列重大进展，并已广泛应用到社会的各行各业，人们的生活、工作方式也因此发生了极大转变。［2］人工智能在教育领域已有广泛的影响，包括教师的教学方式、学生的学习方式。其中，教学方式较以往更加注重培养模式的个性化发展，教师从知识传授者的角色转变为学习的引导者，而学生的学习方式则从被动学习转为主动学习，从单向学习转为开放学习，从知识学习为主转为思维能力培养为主。［3］本文针对人工智能对地理学科的影响和应用分别进行分析和探索，将为如何更好地培养学生的地理核心素养以及进一步提升高中地理教学质量提供参考。

二、人工智能对高中地理教学的影响

（一）实现个性化的学习方式

学习方式指个体在进行学习活动时表现出的具有偏好性的行为方式与特征。在“人工智能＋教育”背景下，学生的学习方式由集体型转向个人型，传授型转向交互型。［4］传统的学习方式不再适应时展的潮流，而学习方式的转变是培养创新型人才的关键。教师需要转变教学理念，改变以往强调死记硬背、被动接受、机械训练的现状，鼓励学生主动参与、相互合作、不断探究，培养学生地理核心素养，同时提高学生解决各种问题的能力。在“AI＋教育”的背景下，教师可以借助人工智能系统改变传统的中学地理学科的教学方式。人工智能导学系统支持的个性化教学可分为个性化安排服务、个性化互动服务两个方面。个性化安排服务是以学生为中心，通过大数据分析导出个性化学习计划，学生可根据自己的需要设定、修改或者调整计划，它为学生提供了自由选择的机会，学生由被动学习转变为主动学习。同时，人工智能会根据每个同学的不同需求为学生提供不同的服务，如学习方法、学习环境、学习喜好等方面。个性化互动服务中的学生不受时间空间限制，可随时进行人机交互，系统可根据学生互动的时长、内容、状态等，通过大数据分析进一步了解学生的学习需求与学习困难，为学生提供全方位的服务。［5］在人工智能技术支持下，教师可采用大数据技术分析学生的兴趣爱好、对学习环境的喜好以及知识的薄弱点，根据学生的学习方式进行针对性知识点的推送，从而增强学生对地理课程学习的兴趣和积极性，实现个性化教学，提高学生解决问题的能力，这也有利于培养学生的地理核心素养。

（二）转变教学方式，提高学生的空间思维能力

教学方式是指教师在要求学生获取知识、提高能力以及获取学习方法的过程中所采用的方式。当前地理教学面临的最主要矛盾是教学方式无法完全匹配教学内容与教学目标。当前，教师采用教案与现代化教育技术辅助教学为主、板书为辅的技术教学［6］，一方面，书上或幻灯片上的图像是二维的，不能展现三维空间［7］；另一方面，由于教学条件的限制，教师也无法经常带学生到各地进行地理考察活动。地理学科以培养学生的空间思维为教学目标之一，即培养学生通过空间事物具体表象的观察思考上升到理性的一种思维活动的能力，学生仅靠教师传授课本知识无法很好地掌握具有复杂空间性质的地理知识及提高地理综合能力。而在“AI＋教育”的背景下，教师可以将传统的地理学科教学方式转变为以“AI＋地理”为核心的新教学方式。具体来说，AI可帮助学生提高地理空间定位思维能力、地理空间想象思维能力以及地理空间综合分析思维能力。［8］在大数据技术的支持下，AI可融合不同属性的地理数据，帮助学生同时掌握地理对象的绝对位置和相对位置，从而完善对地理对象的认识和理解，提高地理空间定位思维能力。［9］同时，AI借助虚拟现实技术将地理信息从二维平面（图像、表格等）提升到三维空间，模拟出气象、水文、地质等地理对象，并辅以时间维度，形成四维可视化的资料，这样就可以模拟地理对象的出现直至消亡的整个过程。这种多维表达的方式拓宽了学生的认知渠道，让学生获取了更多的地理空间信息，可以培养学生的地理空间想象思维能力。［10］并且，通过小组课题研究的方式，学生可以结合人工智能中大数据和深度学习等技术对地理学环境要素如气候、地形、水文等进行分析，获取要素间的关系，将其应用于解决实际生活中的问题，提高自身地理空间综合分析思维能力。

三、人工智能在高中地理教学中的应用探索

（一）基于大数据的机器学习在高中地理

教学中的应用探索机器学习是人工智能技术的核心，是一门涉及统计学、优化理论、计算机科学、脑科学等领域的交叉学科。［4］对它的研究主要从数据出发寻找规律，利用这些规律对未来的数据或无法观测的数据进行预测。近年来，大数据的发展为机器学习提供了海量的数据燃料，不断推动其在各个领域的应用与发展。通过基于大数据的机器学习可实现学习的个性化安排和个性化互动。［5］具体来说，人工智能系统可以记录学生在学习过程当中出现的一些行为特征，然后通过大数据分析为学生安排个性化的学习。由于家庭环境、学习基础以及学习能力等方面的差异，每个学生在相同时间段内学习同一内容，其学习效果也会出现明显的差异。人工智能系统可以根据后台积累的数据分析不同学生的学习需求，为其制订个性化的学习方案，让学生及时查漏补缺。例如，教师可以通过人工智能系统实时捕捉学生在课堂上的表情和动作，分析每个学生对当前知识点的接受情况，适时针对学生反馈的问题进一步阐释，从而实现个性化互动。下文将以“气压带和风带”的教学为例，探索基于大数据的机器学习在高中地理教学中的应用。1．课前个性化安排教师可以在课前根据教材内容和教学经验录制好入门视频。例如，在本次课程的视频中依次介绍热力环流的形成过程、单圈环流的形成过程以及三圈环流的形成过程，并将该视频以及相关的测试问题上传到有人工智能系统支撑的学校网站。学生按要求在该系统使用之前上传的视频提前进行预习并完成测试问题。后台会根据学生回答的情况进行大数据分析，分析得到每个学生的画像特征。［11］后台在向任课教师反馈的同时，会针对每个学生进行学习方案设计，从而保证每个学生都能循序渐进地掌握本次课程的学习内容、达成学习目标。2．课中个性化互动首先，教师可以播放世界各地气候差异的视频，如炎热干燥的非洲撒哈拉沙漠、一年四季高温多雨且椰林密布的东南亚、终年温和湿润的西欧，以及常年冰雪覆盖的俄罗斯北冰洋沿海等，以此引出一个地区的气候形成除了太阳辐射因素，还与大气运动密切相关等知识点：北半球不同纬度的地区形成不同的高、低气压带，并盛行不同方向的风；在南半球，同样存在着三个不同纬度的环流圈，由于地转偏向力方向不同，南北半球的环流圈存在差异。其次，教师在讲授“七个气压带和六个风带”时，伸开左手，手背朝向学生，用手指表示高压，指缝表示低压，手指旁边表示风的流向。在教师点击系统提供的功能按键“行为捕捉”后，学生进行学习和模仿的过程会被人工智能系统自动捕捉。该系统通过手势识别技术实时地判断学生动作的正确性并在学生桌面屏幕上提示正确的动作示范。最后，教师可以安排学生在电脑软件中画出南半球略图，并根据各气压带、风带形成和分布的原因及规律标注出不同纬度地区形成的气压带及各气压带之间盛行的风带名称。人工智能系统可以实时对学生所画的半球略图进行打分并提出修改建议。在人工智能系统的辅助下，教师可以实时、有效地与学生进行互动，使其更好地掌握气压带、风带在地球上分布的规律。

（二）虚拟现实技术在高中地理教学中的应用探索

虚拟现实技术（VR）是一项计算机综合技术，融合了计算机图形技术、多媒体技术、传感技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术、心理学、计算机仿真技术等多种科学技术。人机协同与虚拟环境的交互作用，可以生成一种逼真的三维虚拟环境，使学生同时获得视觉、听觉、触觉等多种感知，从而增强学生地理空间定位思维能力以及地理空间想象思维能力。［12］由于地理学科实践性较强的特点，教师板书、口头讲解知识的教学方式难以满足学生地理学习的需求。虚拟现实技术可以解决这个问题，让学生直观地看到地理现象发生的过程，生动、直观的展现方式让学生更容易理解与内化地理知识。下文将以“地球运动规律”和“河流地貌发育过程”为例，探索虚拟现实技术在高中地理教学中的应用。在讲授“地球的运动”时，教师可以利用虚拟现实技术辅助学生分析地球自转和公转的运动方向。通过情境创设，让学生直观看到地球自转产生的昼夜更替现象、日月星辰的东升西落以及不同经度出现时间上的差异。教师也可通过虚拟现实技术让学生直接观察到地球公转的整个过程，包括二分二至日太阳直射点位置的变化规律、太阳直射点的明暗带来昼夜长短的变化规律，以及极昼极夜的出现规律。这种直观的展示，使学生在脑海中形成一个立体动态的地球模型，这很好地培养了学生的地理空间定位思维能力。同时，为了提高教学效率和高效利用学习时间，教师对于简单的知识点不需要采用虚拟现实技术。而在自然地理环境中，有很多地貌的形成和变化的周期比较长，一些自然地理环境遭受了一定程度上的破坏，但这种变化的过程一般都非常缓慢，学生无法直接观测演变的过程。例如，河流地貌在发育中的外力作用：侵蚀、风化、搬运等对地表造成的影响，这些景观的形成需要很长的一段时间。而在VR技术的支持下，教师可以通过智能化结合虚拟化的方式去扩展教学空间。［12］例如，教师在讲授“地貌的发育”这个知识点的时候，要求学生以小组为单位进行合作探究式学习。通过智能语音交互系统提示，学生带上VR眼镜，就可以看到一个三维世界。学生可身临其境般整体感知河流侵蚀的过程，并观察探究溯源侵蚀、下蚀、侧蚀各种不同侵蚀过程和类型对地貌产生的各种影响，观察地貌形成的整个过程，最终对河流地貌的产生有了直观的认识。在体验结束后，学生可以根据观察到的现象进行小组合作讨论并思考教学任务所提出的问题。这种直观的、感性的体验方式，从时间和空间角度同时扩宽了学生视野，培养了学生的地理空间想象思维能力。

四、结语

人工智能可以使学生根据自身特点和兴趣进行差异化学习，获得地理知识学习的主动权。同时，人工智能可以使传统地理教学方式变得更加智能，打破空间的限制，提升学生空间思维能力。

作者:卢素姣 董玉芝 单位:延边大学师范学院 延边大学地理与海洋科学学院