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［摘要］以人工智能（AI）為代表的技術(shù)正在引領(lǐng)第四次工業(yè)革命，在各行業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。如何開展人工智能教育成為目前我國中小學(xué)需要面對的迫切問題。本文通過文獻(xiàn)總結(jié)和分析的方式，根據(jù)地理學(xué)科教學(xué)特點(diǎn)，對人工智能在未來高中地理教學(xué)中的影響和應(yīng)用進(jìn)行了分析和探索。人工智能可以幫助教師實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)，并提高學(xué)生的空間思維能力。同時(shí)，基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中地理學(xué)科中的應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］人工智能；高中地理教學(xué)；個(gè)性化教學(xué)；地理空間思維能力

一、引言

人工智能（artificialintelligence）簡稱AI，是誕生于20世紀(jì)50年代的一門融合了計(jì)算機(jī)、物理學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科的新興交叉學(xué)科。人工智能領(lǐng)域主要研究用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)，即通過了解人的思考和行為的本質(zhì)，產(chǎn)生出一種智能機(jī)器，使其具有類似于人類的某些思維和行為方式。［1］以深度學(xué)習(xí)技術(shù)為代表的新一代AI在語音、圖像及自然語言理解等領(lǐng)域取得一系列重大進(jìn)展，并已廣泛應(yīng)用到社會(huì)的各行各業(yè)，人們的生活、工作方式也因此發(fā)生了極大轉(zhuǎn)變。［2］人工智能在教育領(lǐng)域已有廣泛的影響，包括教師的教學(xué)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。其中，教學(xué)方式較以往更加注重培養(yǎng)模式的個(gè)性化發(fā)展，教師從知識傳授者的角色轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，而學(xué)生的學(xué)習(xí)方式則從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，從單向?qū)W習(xí)轉(zhuǎn)為開放學(xué)習(xí)，從知識學(xué)習(xí)為主轉(zhuǎn)為思維能力培養(yǎng)為主。［3］本文針對人工智能對地理學(xué)科的影響和應(yīng)用分別進(jìn)行分析和探索，將為如何更好地培養(yǎng)學(xué)生的地理核心素養(yǎng)以及進(jìn)一步提升高中地理教學(xué)質(zhì)量提供參考。

二、人工智能對高中地理教學(xué)的影響

（一）實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式

學(xué)習(xí)方式指個(gè)體在進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出的具有偏好性的行為方式與特征。在“人工智能＋教育”背景下，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式由集體型轉(zhuǎn)向個(gè)人型，傳授型轉(zhuǎn)向交互型。［4］傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式不再適應(yīng)時(shí)展的潮流，而學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵。教師需要轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，改變以往強(qiáng)調(diào)死記硬背、被動(dòng)接受、機(jī)械訓(xùn)練的現(xiàn)狀，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與、相互合作、不斷探究，培養(yǎng)學(xué)生地理核心素養(yǎng)，同時(shí)提高學(xué)生解決各種問題的能力。在“AI＋教育”的背景下，教師可以借助人工智能系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的中學(xué)地理學(xué)科的教學(xué)方式。人工智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)支持的個(gè)性化教學(xué)可分為個(gè)性化安排服務(wù)、個(gè)性化互動(dòng)服務(wù)兩個(gè)方面。個(gè)性化安排服務(wù)是以學(xué)生為中心，通過大數(shù)據(jù)分析導(dǎo)出個(gè)性化學(xué)習(xí)計(jì)劃，學(xué)生可根據(jù)自己的需要設(shè)定、修改或者調(diào)整計(jì)劃，它為學(xué)生提供了自由選擇的機(jī)會(huì)，學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。同時(shí)，人工智能會(huì)根據(jù)每個(gè)同學(xué)的不同需求為學(xué)生提供不同的服務(wù)，如學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)喜好等方面。個(gè)性化互動(dòng)服務(wù)中的學(xué)生不受時(shí)間空間限制，可隨時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互，系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)生互動(dòng)的時(shí)長、內(nèi)容、狀態(tài)等，通過大數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求與學(xué)習(xí)困難，為學(xué)生提供全方位的服務(wù)。［5］在人工智能技術(shù)支持下，教師可采用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析學(xué)生的興趣愛好、對學(xué)習(xí)環(huán)境的喜好以及知識的薄弱點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行針對性知識點(diǎn)的推送，從而增強(qiáng)學(xué)生對地理課程學(xué)習(xí)的興趣和積極性，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)，提高學(xué)生解決問題的能力，這也有利于培養(yǎng)學(xué)生的地理核心素養(yǎng)。

（二）轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，提高學(xué)生的空間思維能力

教學(xué)方式是指教師在要求學(xué)生獲取知識、提高能力以及獲取學(xué)習(xí)方法的過程中所采用的方式。當(dāng)前地理教學(xué)面臨的最主要矛盾是教學(xué)方式無法完全匹配教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)。當(dāng)前，教師采用教案與現(xiàn)代化教育技術(shù)輔助教學(xué)為主、板書為輔的技術(shù)教學(xué)［6］，一方面，書上或幻燈片上的圖像是二維的，不能展現(xiàn)三維空間［7］；另一方面，由于教學(xué)條件的限制，教師也無法經(jīng)常帶學(xué)生到各地進(jìn)行地理考察活動(dòng)。地理學(xué)科以培養(yǎng)學(xué)生的空間思維為教學(xué)目標(biāo)之一，即培養(yǎng)學(xué)生通過空間事物具體表象的觀察思考上升到理性的一種思維活動(dòng)的能力，學(xué)生僅靠教師傳授課本知識無法很好地掌握具有復(fù)雜空間性質(zhì)的地理知識及提高地理綜合能力。而在“AI＋教育”的背景下，教師可以將傳統(tǒng)的地理學(xué)科教學(xué)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴癆I＋地理”為核心的新教學(xué)方式。具體來說，AI可幫助學(xué)生提高地理空間定位思維能力、地理空間想象思維能力以及地理空間綜合分析思維能力。［8］在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，AI可融合不同屬性的地理數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生同時(shí)掌握地理對象的絕對位置和相對位置，從而完善對地理對象的認(rèn)識和理解，提高地理空間定位思維能力。［9］同時(shí)，AI借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將地理信息從二維平面（圖像、表格等）提升到三維空間，模擬出氣象、水文、地質(zhì)等地理對象，并輔以時(shí)間維度，形成四維可視化的資料，這樣就可以模擬地理對象的出現(xiàn)直至消亡的整個(gè)過程。這種多維表達(dá)的方式拓寬了學(xué)生的認(rèn)知渠道，讓學(xué)生獲取了更多的地理空間信息，可以培養(yǎng)學(xué)生的地理空間想象思維能力。［10］并且，通過小組課題研究的方式，學(xué)生可以結(jié)合人工智能中大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)對地理學(xué)環(huán)境要素如氣候、地形、水文等進(jìn)行分析，獲取要素間的關(guān)系，將其應(yīng)用于解決實(shí)際生活中的問題，提高自身地理空間綜合分析思維能力。

三、人工智能在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用探索

（一）基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)在高中地理

教學(xué)中的應(yīng)用探索機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能技術(shù)的核心，是一門涉及統(tǒng)計(jì)學(xué)、優(yōu)化理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、腦科學(xué)等領(lǐng)域的交叉學(xué)科。［4］對它的研究主要從數(shù)據(jù)出發(fā)尋找規(guī)律，利用這些規(guī)律對未來的數(shù)據(jù)或無法觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。近年來，大數(shù)據(jù)的發(fā)展為機(jī)器學(xué)習(xí)提供了海量的數(shù)據(jù)燃料，不斷推動(dòng)其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。通過基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)可實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的個(gè)性化安排和個(gè)性化互動(dòng)。［5］具體來說，人工智能系統(tǒng)可以記錄學(xué)生在學(xué)習(xí)過程當(dāng)中出現(xiàn)的一些行為特征，然后通過大數(shù)據(jù)分析為學(xué)生安排個(gè)性化的學(xué)習(xí)。由于家庭環(huán)境、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)以及學(xué)習(xí)能力等方面的差異，每個(gè)學(xué)生在相同時(shí)間段內(nèi)學(xué)習(xí)同一內(nèi)容，其學(xué)習(xí)效果也會(huì)出現(xiàn)明顯的差異。人工智能系統(tǒng)可以根據(jù)后臺(tái)積累的數(shù)據(jù)分析不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，為其制訂個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案，讓學(xué)生及時(shí)查漏補(bǔ)缺。例如，教師可以通過人工智能系統(tǒng)實(shí)時(shí)捕捉學(xué)生在課堂上的表情和動(dòng)作，分析每個(gè)學(xué)生對當(dāng)前知識點(diǎn)的接受情況，適時(shí)針對學(xué)生反饋的問題進(jìn)一步闡釋，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化互動(dòng)。下文將以“氣壓帶和風(fēng)帶”的教學(xué)為例，探索基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用。1．課前個(gè)性化安排教師可以在課前根據(jù)教材內(nèi)容和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)錄制好入門視頻。例如，在本次課程的視頻中依次介紹熱力環(huán)流的形成過程、單圈環(huán)流的形成過程以及三圈環(huán)流的形成過程，并將該視頻以及相關(guān)的測試問題上傳到有人工智能系統(tǒng)支撐的學(xué)校網(wǎng)站。學(xué)生按要求在該系統(tǒng)使用之前上傳的視頻提前進(jìn)行預(yù)習(xí)并完成測試問題。后臺(tái)會(huì)根據(jù)學(xué)生回答的情況進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，分析得到每個(gè)學(xué)生的畫像特征。［11］后臺(tái)在向任課教師反饋的同時(shí)，會(huì)針對每個(gè)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)方案設(shè)計(jì)，從而保證每個(gè)學(xué)生都能循序漸進(jìn)地掌握本次課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容、達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。2．課中個(gè)性化互動(dòng)首先，教師可以播放世界各地氣候差異的視頻，如炎熱干燥的非洲撒哈拉沙漠、一年四季高溫多雨且椰林密布的東南亞、終年溫和濕潤的西歐，以及常年冰雪覆蓋的俄羅斯北冰洋沿海等，以此引出一個(gè)地區(qū)的氣候形成除了太陽輻射因素，還與大氣運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)等知識點(diǎn)：北半球不同緯度的地區(qū)形成不同的高、低氣壓帶，并盛行不同方向的風(fēng)；在南半球，同樣存在著三個(gè)不同緯度的環(huán)流圈，由于地轉(zhuǎn)偏向力方向不同，南北半球的環(huán)流圈存在差異。其次，教師在講授“七個(gè)氣壓帶和六個(gè)風(fēng)帶”時(shí)，伸開左手，手背朝向?qū)W生，用手指表示高壓，指縫表示低壓，手指旁邊表示風(fēng)的流向。在教師點(diǎn)擊系統(tǒng)提供的功能按鍵“行為捕捉”后，學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和模仿的過程會(huì)被人工智能系統(tǒng)自動(dòng)捕捉。該系統(tǒng)通過手勢識別技術(shù)實(shí)時(shí)地判斷學(xué)生動(dòng)作的正確性并在學(xué)生桌面屏幕上提示正確的動(dòng)作示范。最后，教師可以安排學(xué)生在電腦軟件中畫出南半球略圖，并根據(jù)各氣壓帶、風(fēng)帶形成和分布的原因及規(guī)律標(biāo)注出不同緯度地區(qū)形成的氣壓帶及各氣壓帶之間盛行的風(fēng)帶名稱。人工智能系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對學(xué)生所畫的半球略圖進(jìn)行打分并提出修改建議。在人工智能系統(tǒng)的輔助下，教師可以實(shí)時(shí)、有效地與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，使其更好地掌握氣壓帶、風(fēng)帶在地球上分布的規(guī)律。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用探索

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是一項(xiàng)計(jì)算機(jī)綜合技術(shù)，融合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)、心理學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)。人機(jī)協(xié)同與虛擬環(huán)境的交互作用，可以生成一種逼真的三維虛擬環(huán)境，使學(xué)生同時(shí)獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，從而增強(qiáng)學(xué)生地理空間定位思維能力以及地理空間想象思維能力。［12］由于地理學(xué)科實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，教師板書、口頭講解知識的教學(xué)方式難以滿足學(xué)生地理學(xué)習(xí)的需求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以解決這個(gè)問題，讓學(xué)生直觀地看到地理現(xiàn)象發(fā)生的過程，生動(dòng)、直觀的展現(xiàn)方式讓學(xué)生更容易理解與內(nèi)化地理知識。下文將以“地球運(yùn)動(dòng)規(guī)律”和“河流地貌發(fā)育過程”為例，探索虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用。在講授“地球的運(yùn)動(dòng)”時(shí)，教師可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助學(xué)生分析地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。通過情境創(chuàng)設(shè)，讓學(xué)生直觀看到地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的晝夜更替現(xiàn)象、日月星辰的東升西落以及不同經(jīng)度出現(xiàn)時(shí)間上的差異。教師也可通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓學(xué)生直接觀察到地球公轉(zhuǎn)的整個(gè)過程，包括二分二至日太陽直射點(diǎn)位置的變化規(guī)律、太陽直射點(diǎn)的明暗帶來晝夜長短的變化規(guī)律，以及極晝極夜的出現(xiàn)規(guī)律。這種直觀的展示，使學(xué)生在腦海中形成一個(gè)立體動(dòng)態(tài)的地球模型，這很好地培養(yǎng)了學(xué)生的地理空間定位思維能力。同時(shí)，為了提高教學(xué)效率和高效利用學(xué)習(xí)時(shí)間，教師對于簡單的知識點(diǎn)不需要采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。而在自然地理環(huán)境中，有很多地貌的形成和變化的周期比較長，一些自然地理環(huán)境遭受了一定程度上的破壞，但這種變化的過程一般都非常緩慢，學(xué)生無法直接觀測演變的過程。例如，河流地貌在發(fā)育中的外力作用：侵蝕、風(fēng)化、搬運(yùn)等對地表造成的影響，這些景觀的形成需要很長的一段時(shí)間。而在VR技術(shù)的支持下，教師可以通過智能化結(jié)合虛擬化的方式去擴(kuò)展教學(xué)空間。［12］例如，教師在講授“地貌的發(fā)育”這個(gè)知識點(diǎn)的時(shí)候，要求學(xué)生以小組為單位進(jìn)行合作探究式學(xué)習(xí)。通過智能語音交互系統(tǒng)提示，學(xué)生帶上VR眼鏡，就可以看到一個(gè)三維世界。學(xué)生可身臨其境般整體感知河流侵蝕的過程，并觀察探究溯源侵蝕、下蝕、側(cè)蝕各種不同侵蝕過程和類型對地貌產(chǎn)生的各種影響，觀察地貌形成的整個(gè)過程，最終對河流地貌的產(chǎn)生有了直觀的認(rèn)識。在體驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可以根據(jù)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行小組合作討論并思考教學(xué)任務(wù)所提出的問題。這種直觀的、感性的體驗(yàn)方式，從時(shí)間和空間角度同時(shí)擴(kuò)寬了學(xué)生視野，培養(yǎng)了學(xué)生的地理空間想象思維能力。

四、結(jié)語

人工智能可以使學(xué)生根據(jù)自身特點(diǎn)和興趣進(jìn)行差異化學(xué)習(xí)，獲得地理知識學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)。同時(shí)，人工智能可以使傳統(tǒng)地理教學(xué)方式變得更加智能，打破空間的限制，提升學(xué)生空間思維能力。

作者:盧素姣 董玉芝 單位:延邊大學(xué)師范學(xué)院 延邊大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院