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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。本文通過文獻總結(jié)和分析的方式，根據(jù)地理學(xué)科教學(xué)特點，對人工智能在未來高中地理教學(xué)中的影響和應(yīng)用進行了分析和探索。人工智能可以幫助教師實現(xiàn)個性化教學(xué)，并提高學(xué)生的空間思維能力。同時，基于大數(shù)據(jù)的機器學(xué)習(xí)和虛擬現(xiàn)實技術(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50年代的一門融合了計算機、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展，并已廣泛應(yīng)用到社會的各行各業(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)方式則從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動學(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）實現(xiàn)個性化的學(xué)習(xí)方式

學(xué)習(xí)方式指個體在進行學(xué)習(xí)活動時表現(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，改變以往強調(diào)死記硬背、被動接受、機械訓(xùn)練的現(xiàn)狀，鼓勵學(xué)生主動參與、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)支持的個性化教學(xué)可分為個性化安排服務(wù)、個性化互動服務(wù)兩個方面。個性化安排服務(wù)是以學(xué)生為中心，通過大數(shù)據(jù)分析導(dǎo)出個性化學(xué)習(xí)計劃，學(xué)生可根據(jù)自己的需要設(shè)定、修改或者調(diào)整計劃，它為學(xué)生提供了自由選擇的機會，學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。同時，人工智能會根據(jù)每個同學(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。個性化互動服務(wù)中的學(xué)生不受時間空間限制，可隨時進行人機交互，系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)生互動的時長、內(nèi)容、狀態(tài)等，通過大數(shù)據(jù)分析進一步了解學(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，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式進行針對性知識點的推送，從而增強學(xué)生對地理課程學(xué)習(xí)的興趣和積極性，實現(xiàn)個性化教學(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。當前，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)生到各地進行地理考察活動。地理學(xué)科以培養(yǎng)學(xué)生的空間思維為教學(xué)目標之一，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識和理解，提高地理空間定位思維能力。［9］同時，AI借助虛擬現(xiàn)實技術(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)直至消亡的整個過程。這種多維表達的方式拓寬了學(xué)生的認知渠道，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、水文等進行分析，獲取要素間的關(guān)系，將其應(yīng)用于解決實際生活中的問題，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)的機器學(xué)習(xí)在高中地理

教學(xué)中的應(yīng)用探索機器學(xué)習(xí)是人工智能技術(shù)的核心，是一門涉及統(tǒng)計學(xué)、優(yōu)化理論、計算機科學(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)進行預(yù)測。近年來，大數(shù)據(jù)的發(fā)展為機器學(xué)習(xí)提供了海量的數(shù)據(jù)燃料，不斷推動其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。通過基于大數(shù)據(jù)的機器學(xué)習(xí)可實現(xiàn)學(xué)習(xí)的個性化安排和個性化互動。［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，每個學(xué)生在相同時間段內(nèi)學(xué)習(xí)同一內(nèi)容，其學(xué)習(xí)效果也會出現(xiàn)明顯的差異。人工智能系統(tǒng)可以根據(jù)后臺積累的數(shù)據(jù)分析不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，為其制訂個性化的學(xué)習(xí)方案，讓學(xué)生及時查漏補缺。例如，教師可以通過人工智能系統(tǒng)實時捕捉學(xué)生在課堂上的表情和動作，分析每個學(xué)生對當前知識點的接受情況，適時針對學(xué)生反饋的問題進一步闡釋，從而實現(xiàn)個性化互動。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)的機器學(xué)習(xí)在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用。1．課前個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行預(yù)習(xí)并完成測試問題。后臺會根據(jù)學(xué)生回答的情況進行大數(shù)據(jù)分析，分析得到每個學(xué)生的畫像特征。［11］后臺在向任課教師反饋的同時，會針對每個學(xué)生進行學(xué)習(xí)方案設(shè)計，從而保證每個學(xué)生都能循序漸進地掌握本次課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容、達成學(xué)習(xí)目標。2．課中個性化互動首先，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，以此引出一個地區(qū)的氣候形成除了太陽輻射因素，還與大氣運動密切相關(guān)等知識點：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“七個氣壓帶和六個風(fēng)帶”時，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。在教師點擊系統(tǒng)提供的功能按鍵“行為捕捉”后，學(xué)生進行學(xué)習(xí)和模仿的過程會被人工智能系統(tǒng)自動捕捉。該系統(tǒng)通過手勢識別技術(shù)實時地判斷學(xué)生動作的正確性并在學(xué)生桌面屏幕上提示正確的動作示范。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)可以實時對學(xué)生所畫的半球略圖進行打分并提出修改建議。在人工智能系統(tǒng)的輔助下，教師可以實時、有效地與學(xué)生進行互動，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)實技術(shù)在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用探索

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是一項計算機綜合技術(shù)，融合了計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、立體顯示技術(shù)、心理學(xué)、計算機仿真技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)。人機協(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)生同時獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，從而增強學(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)科實踐性較強的特點，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)實技術(shù)可以解決這個問題，讓學(xué)生直觀地看到地理現(xiàn)象發(fā)生的過程，生動、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“地球運動規(guī)律”和“河流地貌發(fā)育過程”為例，探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中地理教學(xué)中的應(yīng)用。在講授“地球的運動”時，教師可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助學(xué)生分析地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的運動方向。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)時間上的差異。教師也可通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓學(xué)生直接觀察到地球公轉(zhuǎn)的整個過程，包括二分二至日太陽直射點位置的變化規(guī)律、太陽直射點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立體動態(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，為了提高教學(xué)效率和高效利用學(xué)習(xí)時間，教師對于簡單的知識點不需要采用虛擬現(xiàn)實技術(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、搬運等對地表造成的影響，這些景觀的形成需要很長的一段時間。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展教學(xué)空間。［12］例如，教師在講授“地貌的發(fā)育”這個知識點的時候，要求學(xué)生以小組為單位進行合作探究式學(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過程，最終對河流地貌的產(chǎn)生有了直觀的認識。在體驗結(jié)束后，學(xué)生可以根據(jù)觀察到的現(xiàn)象進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、感性的體驗方式，從時間和空間角度同時擴寬了學(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)自身特點和興趣進行差異化學(xué)習(xí)，獲得地理知識學(xué)習(xí)的主動權(quán)。同時，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