大模型驅動的初中地理跨學科實踐探索

摘 要：人工智能大模型作為“機師”在教育中扮演著重要角色。本文以“海綿校園”作為學習支架，提出大模型驅動的初中地理跨學科實踐活動方案，探索“大模型+教師”的雙師課堂協作路徑。通過大模型實現多學科知識深度有序串聯、學科間互通互融，促進學生地理實踐力、綜合思維、人地協調觀與新時代生態文明價值觀的全面培育。

關鍵詞：跨學科主題學習；海綿校園；大模型；教學設計

中圖分類號：G633.55 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5207（2024）10-0020-04

隨著ChatGPT的問世，國內外迎來了人工智能（AI）大模型的熱潮。大模型在自然語言處理與跨模態生成等領域展現出非凡能力，呈現出“觸類旁通”與“智能涌現”的能力特征，深刻改變著教育模式與形態［1］。大模型作為“機師”在教育中扮演著重要角色，其強大的跨學科融合能力，能夠整合多學科知識，創造出一種讓人類與人工智能共同學習、共同成長、共同進步的新型教育范式。

與此同時，《義務教育地理課程標準（2022年版）》指出地理課程跨學科主題學習的課時容量不少于總課時的10%，且應立足于核心素養的培育，突出實踐性和可操作性，引導學生走進自然和社會大課堂［2］。黨的二十大報告也對推動綠色發展、促進人與自然和諧共生做出重大戰略部署，強調對新時代生態文明價值觀的培育和踐行。本文以“海綿校園”作為學習支架，提出人工智能大模型驅動的初中地理跨學科實踐活動方案，探索“大模型+教師”的雙師課堂協作培養路徑。

一、海綿校園跨學科實踐活動的意義

海綿校園作為新一代城市雨洪管理的理念，致力于通過自然積存、自然滲透和自然凈化等方式來應對城市雨水引發的自然災害，并改善城市微氣候［3］。隨著我國城市化發展邁入后半程階段，該理念的實施顯得尤為重要。建設海綿校園，能夠有效降低暴雨災害對師生安全和學校設施的影響，減少面源污染，同時，提升校園景觀環境與生態的可持續性［4］。

傳統的地理教學實踐活動多以單學科為主，涉及的跨學科內容也存在“跨而不融”的問題［5］。在此背景下，如何將實踐活動情境與跨學科知識、技能更真實、有效地進行融合成為關鍵。海綿校園跨學科主題實踐活動依托人工智能大模型技術，構筑一個多學科智融情境的教學平臺，通過將地理、生物d3a3387d6e7c835955c2a5a8741b238eef77fa10fee85e08660eabd5bc56fff8、哲學、化學和信息技術等多學科有效整合，實現了多學科知識的深度有序串聯、促進了學科間的互通互融［6］。此外，人工智能大模型的應用為學生提供了豐富的信息來源和多元化的視角［7］，激勵他們突破常規思維的束縛，從多角度深入探究問題，從而發展其綜合思維。通過參與海綿校園的規劃和實施，學生能夠直觀地感受到人與自然相互依存的關系；能夠增強可持續發展意識與全球公民意識；能夠樹立人地協調觀與新時代生態文明價值觀。綜上，該學習活動不僅提升了學生在人工智能時代下的地理實踐力，更是對學生“全人教育”的有效實踐，具有深遠的教育和社會意義。

二、 海綿校園跨學科實踐活動的設計

1. 活動構思

本次跨學科主題實踐活動的主體為八年級學生，其認知發展水平和學科知識儲備良好。該活動以“未來綠色使者：與AI共建海綿校園”為主題，通過整合地理學、生物學、化學、植物學與人工智能等多學科視角，為學生創造一個創新性的沉浸式學習體驗，活動流程如圖1所示。活動采用理論與實踐相結合的教學方式，重點內容包括海綿校園多學科知識學習、地圖基本要素學習與繪制、人工智能大模型工具的使用和數據可視化呈現等。旨在使學生理解多學科知識、提升對人工智能大模型的應用能力，并在科學探究過程中發展發散性思維與批判性思維。海綿校園活動內容及核心要素如表1所示。

[表1 海綿校園活動內容及核心要素

[章節 內容 跨學科融合 大模型賦能 活動1 生態思辨：為何選擇海綿校園 蘇格拉底式思辨；信息檢索技能 海綿校園可行性分析；思辨指導 活動2 生態偵察兵：海綿校園的現場調查 地圖繪制；植物生物分析 植株圖片識別 活動3 植被編織者：植被設計與生態平衡 環境工程 智能分析與模擬 活動4 校園雨水使者：打造生態綠洲 滲透性實驗；多維數據處理；控制變量法 土壤成分分析 活動5 綠色守護者：校園雨水再生計劃 過濾器制作；pH試紙/濁度測試；雨水量回收建模 水樣圖片識別；污染物成分分析；雨水利用最優化計算 活動6 基于人工智能大模型的海綿校園成果展示 美學設計；信息技術 生成式AI仿真渲染 ] ]

2. 學情分析

八年級學生正處于中學教育的關鍵時期，認知發展已逐步過渡到形式運算階段，具備處理復雜概念和抽象思維的能力，為理解和應用人工智能大模型提供了堅實的心理發展基礎。同時，該學段學生已在地理、生物、信息等學科上積累了相應知識，具備對跨學科知識的理解能力，能夠較好地整合地理生態學、植物生物學與人工智能等領域知識，能夠為解決復雜生態問題提供多元視角。尤為關鍵的是，八年級學生正處于積極探索和形成個人興趣的階段，具有較強的好奇心和探究欲望，參與此類跨學科主題實踐活動能有效激發其科學探究精神和創新思維，對于培養解決實際問題的能力至關重要［8］。

3. 學習目標

①通過實地考察，深入了解校園及周邊的地理環境和生態特征，學會收集和分析地理數據，學會使用大模型AI工具進行數據分析與可視化呈現。②通過AI大模型提供的豐富信息和多元視角，突破常規思維束縛，從多樣化的角度深入審視問題，勇于提出具有創新性的解決方案；學會批判性地分析和解讀數據，評估AI大模型的局限性，反思整個決策過程。③學會將地理、生物、化學和信息技術等多學科知識方法有效融合運用，掌握空間分析、植被辨識、土壤分析和水質測試等技能，實現多學科知識深度有序串聯，達到科目間互通互融、相互促進的目的，提升跨學科綜合能力素質。④通過海綿校園實踐活動，認識到人與自然和諧共生的重要意義，增強可持續發展意識與全球公民意識，樹立人地協調觀與新時代生態文明價值觀。

4. 活動設計

（1） 思維火花：自主學習的大模型驅動課程

在基于大模型的實踐力培養理念中，引導學生利用大模型進行自主學習。通過設計集成AI大模型的實踐性學習活動，引導學生利用“文心一言”等大模型工具，創建一個“蘇格拉底式”問答環境（圖2），圍繞“海綿校園”等議題進行自主學習。學生運用哲學思維進行價值判斷和價值選擇，從而樹立人地協調觀。通過AI大模型提出開放性問題，激勵學生深入思考。同時，教師監督交互過程，提供必要指導和個性化反饋，幫助學生明確學習與探究目標。在技能習得階段，學生在大模型指導下掌握地圖軟件的操作技能，并運用人工智能輔助識別關鍵地點、植被或建筑特征。

【設計意圖】大模型的互動性和實時反饋機制不僅增強了學生的參與感和探索欲，也幫助他們理性認識技術工具的價值，進而提升其自主學習意識與能力。教師通過挖掘和轉化人機對話的育人價值，促使學生在“深度思考—辨析—反思”的過程中實現思維深化。

（2） 智能提效：大模型激發科研探究新活力

在地理實踐探究中，教師著重引導學生有效運用人工智能大模型以提升科學探究的效率和深度。在活動中融入生物學科，開展校園生物種類科學調查，在學生直接參與觀察、實地操作和采樣后，進一步利用大模型技術對實驗數據進行高效處理與定向分析。通過與人工智能的交互式反饋，學生的理解能力得以發展，使他們能洞察校園生物與環境生態系統中更為復雜的科學現象，從而培養其綜合思維能力，并正確地解讀實驗數據。

【設計意圖】該過程不僅大幅度提高了學生的實踐力和科學研究的效率，更是一種跨學科的學習方式，提升了學生的綜合分析能力和批判性思維。在此過程中，教師發揮關鍵作用，引導學生高效利用人工智能工具，在實踐力的培養上實現認知和技能的雙重飛躍。

學生首先對校園的植被進行詳細調查，識別出需要改進的區域，然后通過兩項關鍵實驗，探索雨水的最佳管理方法。引導學生在更寬廣的學科背景下認識物質及其化學變化規律，構建模型認知，發展邏輯推理能力，培養創新意識與科學探究精神。

【活動1】校園雨水使者——打造生態綠洲

學習不同類型土壤（如壤土、粘土、沙土）的基本特性（如粒徑、有機質含量和pH值，這些因素直接影響土壤的滲透性和蓄水能力）。

土壤滲透性和蓄水能力測試：測試不同類型土壤的滲透性和蓄水能力，使用AI大模型技術分析土壤樣本（圖3），獲取土壤組成和質地的詳細數據，并模擬不同條件下的水流動態。

不同材料滲水速率比較：通過物理學中的控制變量法，多次重復實驗，比較校園中不同材料的滲水速率，然后結合AI技術進行數據對比分析，分析不同材料的化學組成與物理結構對水流影響的機理。

樓頂花園方案論證：討論樓頂花園如何提供生態系統服務，基于生物學知識選擇適合樓頂生長的植物，考慮植物對環境的適應性（如耐旱、根系深度）和對本地生態系統的貢獻。

樓頂花園方案制定：基于收集的數據和分析結果，制定一個打造樓頂花園的方案，綜合考慮材料選擇和層次結構，旨在最大化地收集和利用雨水。

【活動2】綠色守護者——校園雨水再生計劃

該活動著重引導學生深入理解并參與雨水收集與凈化的全過程，雨水收集與凈化共分為以下5個階段。

階段1：構建簡易雨水收集裝置。負責構建簡易雨水收集裝置，并學習通過化學實驗（使用pH試紙和濁度儀）對收集的雨水樣本進行初步污染分析，了解酸堿度、硬度和有機物含量如何影響水的使用安全性。

階段2：利用大模型識別污染物。借助大模型AI工具，深入識別水樣中的污染物圖像，了解污染物來源及影響。

階段3：自制簡易過濾器。自行組裝由沙、石和活性炭組成的過濾系統，開展實驗以分析不同材料對凈化效果的具體影響。

階段4：評估過濾前后的水對植物生長的影響。通過設置控制實驗，比較不同處理方式的水灌溉的植物的生長情況，觀察水質變化如何影響植物的生長與健康狀態。

階段5：大模型輔助數據分析。利用大模型AI技術，分析實驗數據及結果，理解不同過濾組合的效果，確定最佳方案。

【方案設計】設計綜合性雨水回收再利用方案，探討如何將凈化后的雨水有效用于校園綠化或清潔，并結合大模型開展重用策略的可行性評估。

（3） 視覺敘事：大模型推動數據可視化呈現

在該環節中，教師將指導初中生借助人工智能大模型，將抽象的概念和數據以直觀的可視化效果進行呈現。借助其強大的深度學習與多模態生成能力，大模型能夠將相應實驗數據結果形成圖表、地圖與其他可視化元素，從而揭示背后的模式、趨勢和關系。學生在該過程中可結合大模型的實時交互反饋能力，創建出富有視覺沖擊力的圖形或模型（圖4）。該環節提升了學生在美學設計和技術運用方面的綜合素養，教授其如何有效地將數據故事化，并使用設計思維和人工智能技術以增強觀點的表達。

三、 結語

本文圍繞“海綿校園”主題，深入探索人工智能大模型驅動的初中地理跨學科主題學習實踐，初步構建了“雙師協同，交互育人”的地理實踐力培養范式。通過“機師”的大模型協同育人，引導學生高效利用人工智能工具，從而實現認知和技能的雙重飛躍。通過挖掘和轉化人機對話的育人價值，促進學生在人機對話中特有的思維能力、情感能力與審美能力的發展。

該范式通過大模型實現多學科知識深度有序串聯、學科間互通互融，利用人機互動性與實時反饋機制，為學生提供動態、豐富的跨學科主題學習體驗，使其理性認識技術工具的價值，提升自主學習意識與能力。該實踐活動有助于促進對學生地理實踐力、綜合思維、人地協調觀與新時代生態文明價值觀的全面培育，也是對“全人教育”的有效實踐，為人工智能賦能中小學教育的形態變革做出探索。

參考文獻：

［1］ 孫旭，趙越.機遇與挑戰：ChatGPT在高中地理教學中的實踐應用［J］.地理教學，2023（14）：50-53，64.

［2］ 中華人民共和國教育部.義務教育地理課程標準（2022年版）［M］. 北京：北京師范大學出版社， 2022.

［3］ 宋雪.基于地理實踐力培養的高中地理實驗教學課例設計——以“從水循環看城市內澇”為例［J］.中學地理教學參考，2020（18）：34-37.

［4］ 雷澤鑫，羅俊杰，許濤，等.基于徑流路徑優化的校園景觀海綿化改造研究——以天津大學青年湖片區為例［J］.中國園林，2022，38（7）：103-108.

［5］ 劉杰，馮麗霞，萬杰，等.依托鄉土情境的高中地理跨學科研學課程設計——以興文石海世界地質公園為例［J］.地理教育，2024（S1）：198-201.

［6］ 高慶雪，劉璇，胡蓉.“探秘冬至”地理跨學科主題教學設計［J］.地理教育，2023（S1）：80-84.

［7］ 周翔，朱麗東.ChatGPT應用背景下中學地理教師的機遇、挑戰與新發展［J］.地理教育，2024（1）：61-65.

［8］ 盧從生，周青，史兵.初中地理跨學科主題學習活動設計探索——以“定向越野”為例［J］.中學地理教學參考，2022（21）：10-15.