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［摘要］以人工智能（AI）為代表的技術正在引領第四次工業革命，在各行業中發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需要面對的迫切問題。本文通過文獻總結和分析的方式，根據地理學科教學特點，對人工智能在未來高中地理教學中的影響和應用進行了分析和探索。人工智能可以幫助教師實現個性化教學，并提高學生的空間思維能力。同時，基于大數據的機器學習和虛擬現實技術在高中地理學科中的應用，可以激發學生學習的主動性，從而提高教學質量。

［關鍵詞］人工智能；高中地理教學；個性化教學；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、心理學等多學科的新興交叉學科。人工智能領域主要研究用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統，即通過了解人的思考和行為的本質，產生出一種智能機器，使其具有類似于人類的某些思維和行為方式。［1］以深度學習技術為代表的新一代AI在語音、圖像及自然語言理解等領域取得一系列重大進展，并已廣泛應用到社會的各行各業，人們的生活、工作方式也因此發生了極大轉變。［2］人工智能在教育領域已有廣泛的影響，包括教師的教學方式、學生的學習方式。其中，教學方式較以往更加注重培養模式的個性化發展，教師從知識傳授者的角色轉變為學習的引導者，而學生的學習方式則從被動學習轉為主動學習，從單向學習轉為開放學習，從知識學習為主轉為思維能力培養為主。［3］本文針對人工智能對地理學科的影響和應用分別進行分析和探索，將為如何更好地培養學生的地理核心素養以及進一步提升高中地理教學質量提供參考。

二、人工智能對高中地理教學的影響

（一）實現個性化的學習方式

學習方式指個體在進行學習活動時表現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，學生的學習方式由集體型轉向個人型，傳授型轉向交互型。［4］傳統的學習方式不再適應時展的潮流，而學習方式的轉變是培養創新型人才的關鍵。教師需要轉變教學理念，改變以往強調死記硬背、被動接受、機械訓練的現狀，鼓勵學生主動參與、相互合作、不斷探究，培養學生地理核心素養，同時提高學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改變傳統的中學地理學科的教學方式。人工智能導學系統支持的個性化教學可分為個性化安排服務、個性化互動服務兩個方面。個性化安排服務是以學生為中心，通過大數據分析導出個性化學習計劃，學生可根據自己的需要設定、修改或者調整計劃，它為學生提供了自由選擇的機會，學生由被動學習轉變為主動學習。同時，人工智能會根據每個同學的不同需求為學生提供不同的服務，如學習方法、學習環境、學習喜好等方面。個性化互動服務中的學生不受時間空間限制，可隨時進行人機交互，系統可根據學生互動的時長、內容、狀態等，通過大數據分析進一步了解學生的學習需求與學習困難，為學生提供全方位的服務。［5］在人工智能技術支持下，教師可采用大數據技術分析學生的興趣愛好、對學習環境的喜好以及知識的薄弱點，根據學生的學習方式進行針對性知識點的推送，從而增強學生對地理課程學習的興趣和積極性，實現個性化教學，提高學生解決問題的能力，這也有利于培養學生的地理核心素養。

（二）轉變教學方式，提高學生的空間思維能力

教學方式是指教師在要求學生獲取知識、提高能力以及獲取學習方法的過程中所采用的方式。當前地理教學面臨的最主要矛盾是教學方式無法完全匹配教學內容與教學目標。當前，教師采用教案與現代化教育技術輔助教學為主、板書為輔的技術教學［6］，一方面，書上或幻燈片上的圖像是二維的，不能展現三維空間［7］；另一方面，由于教學條件的限制，教師也無法經常帶學生到各地進行地理考察活動。地理學科以培養學生的空間思維為教學目標之一，即培養學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，學生僅靠教師傳授課本知識無法很好地掌握具有復雜空間性質的地理知識及提高地理綜合能力。而在“AI＋教育”的背景下，教師可以將傳統的地理學科教學方式轉變為以“AI＋地理”為核心的新教學方式。具體來說，AI可幫助學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］在大數據技術的支持下，AI可融合不同屬性的地理數據，幫助學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借助虛擬現實技術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直至消亡的整個過程。這種多維表達的方式拓寬了學生的認知渠道，讓學生獲取了更多的地理空間信息，可以培養學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，學生可以結合人工智能中大數據和深度學習等技術對地理學環境要素如氣候、地形、水文等進行分析，獲取要素間的關系，將其應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中的應用探索

（一）基于大數據的機器學習在高中地理

教學中的應用探索機器學習是人工智能技術的核心，是一門涉及統計學、優化理論、計算機科學、腦科學等領域的交叉學科。［4］對它的研究主要從數據出發尋找規律，利用這些規律對未來的數據或無法觀測的數據進行預測。近年來，大數據的發展為機器學習提供了海量的數據燃料，不斷推動其在各個領域的應用與發展。通過基于大數據的機器學習可實現學習的個性化安排和個性化互動。［5］具體來說，人工智能系統可以記錄學生在學習過程當中出現的一些行為特征，然后通過大數據分析為學生安排個性化的學習。由于家庭環境、學習基礎以及學習能力等方面的差異，每個學生在相同時間段內學習同一內容，其學習效果也會出現明顯的差異。人工智能系統可以根據后臺積累的數據分析不同學生的學習需求，為其制訂個性化的學習方案，讓學生及時查漏補缺。例如，教師可以通過人工智能系統實時捕捉學生在課堂上的表情和動作，分析每個學生對當前知識點的接受情況，適時針對學生反饋的問題進一步闡釋，從而實現個性化互動。下文將以“氣壓帶和風帶”的教學為例，探索基于大數據的機器學習在高中地理教學中的應用。1．課前個性化安排教師可以在課前根據教材內容和教學經驗錄制好入門視頻。例如，在本次課程的視頻中依次介紹熱力環流的形成過程、單圈環流的形成過程以及三圈環流的形成過程，并將該視頻以及相關的測試問題上傳到有人工智能系統支撐的學校網站。學生按要求在該系統使用之前上傳的視頻提前進行預習并完成測試問題。后臺會根據學生回答的情況進行大數據分析，分析得到每個學生的畫像特征。［11］后臺在向任課教師反饋的同時，會針對每個學生進行學習方案設計，從而保證每個學生都能循序漸進地掌握本次課程的學習內容、達成學習目標。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，以此引出一個地區的氣候形成除了太陽輻射因素，還與大氣運動密切相關等知識點：北半球不同緯度的地區形成不同的高、低氣壓帶，并盛行不同方向的風；在南半球，同樣存在著三個不同緯度的環流圈，由于地轉偏向力方向不同，南北半球的環流圈存在差異。其次，教師在講授“七個氣壓帶和六個風帶”時，伸開左手，手背朝向學生，用手指表示高壓，指縫表示低壓，手指旁邊表示風的流向。在教師點擊系統提供的功能按鍵“行為捕捉”后，學生進行學習和模仿的過程會被人工智能系統自動捕捉。該系統通過手勢識別技術實時地判斷學生動作的正確性并在學生桌面屏幕上提示正確的動作示范。最后，教師可以安排學生在電腦軟件中畫出南半球略圖，并根據各氣壓帶、風帶形成和分布的原因及規律標注出不同緯度地區形成的氣壓帶及各氣壓帶之間盛行的風帶名稱。人工智能系統可以實時對學生所畫的半球略圖進行打分并提出修改建議。在人工智能系統的輔助下，教師可以實時、有效地與學生進行互動，使其更好地掌握氣壓帶、風帶在地球上分布的規律。

（二）虛擬現實技術在高中地理教學中的應用探索

虛擬現實技術（VR）是一項計算機綜合技術，融合了計算機圖形技術、多媒體技術、傳感技術、人機交互技術、網絡技術、立體顯示技術、心理學、計算機仿真技術等多種科學技術。人機協同與虛擬環境的交互作用，可以生成一種逼真的三維虛擬環境，使學生同時獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，從而增強學生地理空間定位思維能力以及地理空間想象思維能力。［12］由于地理學科實踐性較強的特點，教師板書、口頭講解知識的教學方式難以滿足學生地理學習的需求。虛擬現實技術可以解決這個問題，讓學生直觀地看到地理現象發生的過程，生動、直觀的展現方式讓學生更容易理解與內化地理知識。下文將以“地球運動規律”和“河流地貌發育過程”為例，探索虛擬現實技術在高中地理教學中的應用。在講授“地球的運動”時，教師可以利用虛擬現實技術輔助學生分析地球自轉和公轉的運動方向。通過情境創設，讓學生直觀看到地球自轉產生的晝夜更替現象、日月星辰的東升西落以及不同經度出現時間上的差異。教師也可通過虛擬現實技術讓學生直接觀察到地球公轉的整個過程，包括二分二至日太陽直射點位置的變化規律、太陽直射點的明暗帶來晝夜長短的變化規律，以及極晝極夜的出現規律。這種直觀的展示，使學生在腦海中形成一個立體動態的地球模型，這很好地培養了學生的地理空間定位思維能力。同時，為了提高教學效率和高效利用學習時間，教師對于簡單的知識點不需要采用虛擬現實技術。而在自然地理環境中，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，學生無法直接觀測演變的過程。例如，河流地貌在發育中的外力作用：侵蝕、風化、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技術的支持下，教師可以通過智能化結合虛擬化的方式去擴展教學空間。［12］例如，教師在講授“地貌的發育”這個知識點的時候，要求學生以小組為單位進行合作探究式學習。通過智能語音交互系統提示，學生帶上VR眼鏡，就可以看到一個三維世界。學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、側蝕各種不同侵蝕過程和類型對地貌產生的各種影響，觀察地貌形成的整個過程，最終對河流地貌的產生有了直觀的認識。在體驗結束后，學生可以根據觀察到的現象進行小組合作討論并思考教學任務所提出的問題。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生視野，培養了學生的地理空間想象思維能力。

四、結語

人工智能可以使學生根據自身特點和興趣進行差異化學習，獲得地理知識學習的主動權。同時，人工智能可以使傳統地理教學方式變得更加智能，打破空間的限制，提升學生空間思維能力。

作者:盧素姣 董玉芝 單位:延邊大學師范學院 延邊大學地理與海洋科學學院