基于人工智能的地理翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐路徑研究

摘 要：數(shù)字化背景下，人工智能的快速發(fā)展促使高中地理翻轉(zhuǎn)課堂全方位轉(zhuǎn)型。人工智能應(yīng)用于地理翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢突出，能夠在保障技術(shù)資源的同時(shí)便于個(gè)性化學(xué)習(xí)、助力實(shí)時(shí)評價(jià)與協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)。本文以人教版必修一第四章第一節(jié)“常見的地貌類型”中的喀斯特地貌為例，利用人工智能在課前、課中、課后開展地理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，探尋基于人工智能的地理翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)踐路徑。

關(guān)鍵詞：人工智能；高中地理課程；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號：G633.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-5207（2025）01-0008-05

一、引言

人工智能自1956年提出以來，就受到了社會各界的關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人工智能逐漸有接近甚至超過人類智能的趨勢，因其能夠處理更多復(fù)雜情景，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、司法等行業(yè)并取得顯著成就。教育作為與人才培養(yǎng)和社會發(fā)展密切相關(guān)的行業(yè)，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注社會新動向，及時(shí)應(yīng)用新成果，通過具有數(shù)據(jù)化、具身性的人工智能讓課堂教學(xué)煥發(fā)新活力。2023年5月，教育部明確提出“深入推進(jìn)教育數(shù)字化，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合”，這為教育教學(xué)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型指明了方向。

翻轉(zhuǎn)課堂是指將傳統(tǒng)教學(xué)的實(shí)施地點(diǎn)和方式進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的教學(xué)模式。把原本由教師在課堂上教授的部分提至課前完成，讓學(xué)生通過自學(xué)的方式掌握知識；原本需要學(xué)生自己在課后學(xué)習(xí)鞏固的內(nèi)容，則通過在課堂上設(shè)置情境等方式讓學(xué)生內(nèi)化吸收。地理學(xué)作為初高中的必修科目，將先進(jìn)的教學(xué)理論運(yùn)用于地理教學(xué)實(shí)踐是廣大地理教育工作者不斷追求的目標(biāo)，因此，翻轉(zhuǎn)課堂一度成為地理教育研究熱點(diǎn)［1］。研究表明，翻轉(zhuǎn)課堂的研究大部分與如何利用翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)有關(guān)，如胡文靜等人以“全球氣候變化”為例，探究勞動教育視角下的高中地理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)［2］。進(jìn)一步研究其實(shí)施成果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前翻轉(zhuǎn)課堂仍存在一些問題，如朱文輝等人利用翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)施效果評價(jià)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)問卷，調(diào)查了學(xué)生在翻轉(zhuǎn)課堂中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)84.61%的學(xué)生在課前自主擴(kuò)展學(xué)習(xí)的頻率較低，這主要是由于學(xué)生接觸電腦的機(jī)會較少，且沒有可使用的其他設(shè)備，制約了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性［3］；許琴、李俊峰等人則指出部分教師在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)時(shí)忽略了個(gè)性化關(guān)注和學(xué)習(xí)支持［4］。

由此可見，翻轉(zhuǎn)課堂的落實(shí)離不開豐富的教學(xué)資源和以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)活動，而人工智能的運(yùn)用恰好能對此提供幫助。基于人工智能的地理翻轉(zhuǎn)課堂利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）等，營造直觀、實(shí)時(shí)、生動的地理教學(xué)環(huán)境，設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心的地理教學(xué)過程，從而彌補(bǔ)過去翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的不足，更好地培養(yǎng)學(xué)生的地理學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、人工智能應(yīng)用于地理翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢

人工智能的信息檢索能力與語言交互能力強(qiáng)，利用人工智能可豐富教學(xué)內(nèi)容、精細(xì)教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)形成性評價(jià)，使教學(xué)設(shè)計(jì)更符合每位學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂由以教師為中心向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變。

1.人工智能保障技術(shù)資源——“資源庫”

地理學(xué)科因涉及尺度大小、動態(tài)演變、空間想象，對學(xué)生的抽象思維能力要求較高。因而學(xué)生在地理翻轉(zhuǎn)課堂中不僅需要借助書本和地圖冊，更需要優(yōu)質(zhì)的視頻資源、3D影像，甚至是VR眼鏡等虛擬現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備，使學(xué)生對某一區(qū)域的認(rèn)知從二維平面向三維和四維時(shí)空轉(zhuǎn)變，從而豐富其對時(shí)空觀念的認(rèn)知。人工智能在教師創(chuàng)設(shè)情境方面也具有極大幫助。一方面，人工智能使情境更加生動，讓學(xué)生產(chǎn)生身臨其境之感，這能夠在激發(fā)他們學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)提高解決實(shí)際問題的能力，真正實(shí)現(xiàn)情境構(gòu)建的目標(biāo)；另一方面，地理學(xué)的空間屬性在地理研究中不可或缺，人工智能使學(xué)生對地理事物的認(rèn)知更加立體化，從而能夠從空間視角看待事物，既熟悉某區(qū)域的空間位置，了解區(qū)域在空間中的格局，又能模擬區(qū)域的演變過程并尋找這一區(qū)域與其他區(qū)域間的空間聯(lián)系（表1）。

2.人工智能便于個(gè)性化學(xué)習(xí)——“小助手”

傳統(tǒng)的教學(xué)模式采用大班教學(xué)，“生多師少”是課堂常態(tài)。在這種教學(xué)環(huán)境下，教師的注意力很難長時(shí)間聚焦于個(gè)體，更多的是考慮大部分學(xué)生，而學(xué)生的認(rèn)知差異則會對教學(xué)效果產(chǎn)生影響。地理翻轉(zhuǎn)課堂的核心是讓學(xué)生在課前對知識進(jìn)行提前學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)的教學(xué)課堂中這些學(xué)習(xí)資料都是教師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或由班級中等水平學(xué)生統(tǒng)一提供，而每位學(xué)生的個(gè)體差異在各種因素的限制下很難納入考量范圍，這極大影響了翻轉(zhuǎn)課堂的落實(shí)。人工智能的應(yīng)用相當(dāng)于為每位學(xué)生配備了專屬學(xué)習(xí)“小助手”，能夠結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)為其提供個(gè)性化指導(dǎo)，從而使地理學(xué)習(xí)更具針對性、科學(xué)性。對于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生應(yīng)先從生活中的簡單情境出發(fā)，助其夯實(shí)基礎(chǔ)，建立地理學(xué)習(xí)的信心和熱情，發(fā)現(xiàn)地理之美；對于基礎(chǔ)較好的學(xué)生應(yīng)為其提供大量優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源，學(xué)生可根據(jù)自身興趣了解千姿百態(tài)的地理世界，以書本知識為基礎(chǔ)探尋更廣闊的天地，拓寬學(xué)習(xí)廣度，挖掘?qū)W習(xí)深度。

3.人工智能助力實(shí)時(shí)評價(jià)——“監(jiān)管員”

傳統(tǒng)的地理翻轉(zhuǎn)課堂雖會將教學(xué)步驟顛倒，但并沒有課前評價(jià)這一步，而人工智能的應(yīng)用使得課前評價(jià)成為可能。不同于一般診斷性評價(jià)，基于人工智能的前測是在教學(xué)活動開展前對學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)、學(xué)習(xí)動機(jī)、學(xué)習(xí)風(fēng)格等開展調(diào)查，其中既包含了本節(jié)課中的必備知識，同時(shí)也涉及對學(xué)生描述地理事物等地理素養(yǎng)的考查。此外，依靠傳統(tǒng)批閱方式往往需要一定時(shí)間，而依托人工智能的機(jī)器閱卷則極大加快了閱卷速度，減輕教師壓力的同時(shí)還可對學(xué)生的作答情況進(jìn)行畫像，突出疑難問題，這種全方位的評價(jià)為之后的個(gè)性化學(xué)習(xí)指明了方向。人工智能不僅將學(xué)生回答內(nèi)容作為評價(jià)依據(jù)，也將學(xué)習(xí)過程中的行為作為評價(jià)依據(jù)，如聲音的語音語調(diào)、不同學(xué)習(xí)行為時(shí)的姿態(tài)、眼睛的注視范圍和眨動頻率等面部活動、腦電心電等生理信號［5］。相較于試題評價(jià)而言，這些在學(xué)習(xí)過程中收集的評價(jià)數(shù)據(jù)更具全面性、準(zhǔn)確性和客觀性。

4.人工智能協(xié)同教學(xué)設(shè)計(jì)——“好幫手”

地理翻轉(zhuǎn)課堂的落實(shí)離不開教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施。以ChatGPT為代表的一系列生成式訓(xùn)練模型能夠依據(jù)人類指令自主生成復(fù)雜語言對象，從而輔助教師開展教學(xué)設(shè)計(jì)。一方面，教師可通過向ChatGPT提供課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容等模塊化指令，使其生成符合教—學(xué)—評一致性的教學(xué)目標(biāo)；另一方面，ChatGPT還能夠進(jìn)行角色扮演，充當(dāng)不同類型、性格的學(xué)生。教師可與ChatGPT對話，模擬與學(xué)生的交流，了解他們對任務(wù)的理解程度、困惑和問題所在。通過與ChatGPT交流，教師可獲得來自不同類型學(xué)生的模擬答案和反饋，這有助于教師詳細(xì)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況并及時(shí)調(diào)整任務(wù)難度和教學(xué)方法，以更好地滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需求。

三、基于人工智能的地理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐

本文以人教版必修一第四章第一節(jié)“常見地貌類型”中喀斯特地貌為例，探究基于人工智能的地理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的實(shí)踐路徑（圖1）。《普通高中地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對本節(jié)課的要求是“通過野外觀察或運(yùn)用視頻、圖像，識別喀斯特地貌，描述其景觀的主要特點(diǎn)”［6］。

1.課前階段

（1）依托智能化手段，評估現(xiàn)有認(rèn)識水平

本節(jié)課中，人工智能的前測主要包括了解學(xué)生是否曾前往過喀斯特風(fēng)景區(qū)旅游、印象當(dāng)中的喀斯特景觀是怎樣的、是否知道喀斯特地貌的演變過程等問題。借助大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)對學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行全方位了解，從而評估其關(guān)于喀斯特地貌的認(rèn)知水平。根據(jù)SOLO分類理論，可將學(xué)生的思維水平由低到高分為5個(gè)不同層次——前結(jié)構(gòu)、單點(diǎn)結(jié)構(gòu)、多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)、拓展抽象結(jié)構(gòu)（表2）。

（2）利用智能平臺資源，開展個(gè)性化學(xué)習(xí)

科學(xué)的前測能為學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)提供強(qiáng)有力的支撐。首先，本節(jié)課根據(jù)前測時(shí)學(xué)生的表現(xiàn)，利用人工智能從互聯(lián)網(wǎng)中搜尋最合適的視頻、圖像等資源。在此過程中，學(xué)生可借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）對喀斯特地貌產(chǎn)生直觀的印象（圖2），從而對這一地理概念建立初步認(rèn)知。其次，模擬地表、地下喀斯特地貌的演變過程，讓學(xué)生切身感受動態(tài)演變過程。最后，通過Google earth定位到喀斯特地貌廣布的云貴川地區(qū)，并借助Weather Now了解該地區(qū)的氣溫、降水等地理要素（圖3），引導(dǎo)學(xué)生探尋喀斯特地貌的形成原因，綜合思考地區(qū)間各要素的相互作用與影響。對于學(xué)有余力的學(xué)生，還可補(bǔ)充其他地貌類型知識，促使其舉一反三。

2.課中階段

（1）借助人工智能，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)

【發(fā)出指令】人教版高中地理必修二“喀斯特地貌”一節(jié)的課程標(biāo)準(zhǔn)為“通過野外觀察或運(yùn)用視頻、圖像，識別喀斯特地貌，描述其景觀的主要特點(diǎn)”。學(xué)習(xí)對象為高一年級學(xué)生，請據(jù)此從地理學(xué)科核心素養(yǎng)（綜合思維、區(qū)域認(rèn)知、地理實(shí)踐力、人地協(xié)調(diào)觀）角度出發(fā)，撰寫本課教學(xué)目標(biāo)。

【ChatGPT回答】①綜合思維能力：通過對喀斯特地貌的野外觀察或視頻、圖像的運(yùn)用，學(xué)生將提高整合、分析、判斷地理信息的能力，從而形成對地貌特征的系統(tǒng)認(rèn)識；②區(qū)域認(rèn)知能力：學(xué)生將通過學(xué)習(xí)喀斯特地貌，理解其在地理環(huán)境中的位置、形成原因及其對區(qū)域發(fā)展的影響，進(jìn)而提升對不同地理區(qū)域的認(rèn)知水平；③地理實(shí)踐能力：通過野外觀察或觀看相關(guān)視頻、圖像，學(xué)生將掌握實(shí)地調(diào)查的基本方法，提高地理實(shí)踐操作能力，包括觀察、記錄、分析和總結(jié)；④人地協(xié)調(diào)觀：學(xué)生將在觀察喀斯特地貌的過程中，體會人類與地理環(huán)境的相互關(guān)系，增強(qiáng)保護(hù)環(huán)境、合理利用地質(zhì)資源的意識，培養(yǎng)珍惜和保護(hù)地球的情感。

【發(fā)出指令】請扮演學(xué)習(xí)能力欠缺的學(xué)生，結(jié)合以上教學(xué)目標(biāo)，分析這節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

【ChatGPT回答】教學(xué)重點(diǎn)包括以下2個(gè)方面。

①理解喀斯特地貌的基本概念和特征：我需要著重理解喀斯特地貌的定義、形成原因及主要特點(diǎn)，包括地上喀斯特和地下喀斯特的區(qū)別和聯(lián)系；②實(shí)地觀察和數(shù)據(jù)收集：我需要通過實(shí)地觀察喀斯特地貌，記錄所見所聞，包括地表景觀和地下溶蝕地貌的特點(diǎn)，以便后續(xù)的總結(jié)和討論。

教學(xué)難點(diǎn)包括以下3個(gè)方面。

①形成機(jī)制的理解：對于我來說，理解喀斯特地貌的形成機(jī)制可能是一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)槠渲猩婕皬?fù)雜的地質(zhì)過程和概念，我可能需要更多的解釋和實(shí)例來幫助理解；②地理實(shí)踐能力的培養(yǎng)：雖然教師提到了通過野外觀察和圖像識別來培養(yǎng)地理實(shí)踐能力，但我可能缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技能，需要更多的指導(dǎo)和實(shí)踐機(jī)會來提高我的技能水平；③人地協(xié)調(diào)觀的培養(yǎng)：對于理解人類活動對喀斯特地貌的影響以及環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系，我可能會感到困惑，因?yàn)檫@需要我具備一定綜合思維能力和地理知識，而我在這方面還存在欠缺。

翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施離不開教學(xué)目標(biāo)，而ChatGPT能夠依據(jù)課標(biāo)在極短的時(shí)間內(nèi)生成基于地理核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，簡化教師教學(xué)的流程。此外，當(dāng)前人工智能還可與操作者進(jìn)行對話，通過對話可模擬出學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的困難。對本節(jié)課而言，重難點(diǎn)一方面是喀斯特地貌的特點(diǎn)及形成機(jī)制；另一方面，由于課標(biāo)要求“結(jié)合野外觀察或運(yùn)用視頻、圖像”，這對學(xué)生的數(shù)據(jù)收集能力、地理實(shí)踐能力都提出了更高的要求。因此，教師在設(shè)計(jì)教學(xué)活動時(shí)要加強(qiáng)這方面的培育，從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)（圖4）。

情境創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生在實(shí)踐中加深對知識的理解，而情境的選取對翻轉(zhuǎn)課堂尤為重要，應(yīng)以貼近生活、難度適中、培育能力為宜。案例選取歐洲南部的什科茨揚(yáng)溶洞群，引導(dǎo)學(xué)生通過小組合作、交流討論，并借助地圖及人工智能工具，找到什科茨揚(yáng)溶洞群所在位置，識別景觀特點(diǎn)，分析當(dāng)?shù)厝芏吹男纬稍颍M(jìn)一步探究其造成的影響，從而加深學(xué)生對喀斯特地貌的理解，促使學(xué)生化知識為素養(yǎng)，提高問題解決能力。

（2）通過人機(jī)對話，及時(shí)解決疑惑

對話式教學(xué)自古以來便是授業(yè)解惑的重要方式，無論是我國先賢孔子的“啟發(fā)”藝術(shù)還是西方蘇格拉底的“產(chǎn)婆術(shù)”思想，都強(qiáng)調(diào)在與學(xué)生對話追問的過程中依據(jù)學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)知識傳遞。現(xiàn)如今，生成式人工智能同樣具有與使用者對話的功能，其強(qiáng)大的交互功能可隨時(shí)隨地為學(xué)生提供學(xué)習(xí)幫助，這為翻轉(zhuǎn)課堂的個(gè)性化教學(xué)提供了支撐。在實(shí)際開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)時(shí)，學(xué)生可通過連續(xù)追問“喀斯特地貌在形態(tài)上有哪些特點(diǎn)”及“為什么會形成這些特點(diǎn)”的方式，將人工智能視作一個(gè)知識淵博的學(xué)習(xí)伴侶，彌補(bǔ)教師在翻轉(zhuǎn)課堂上無法同時(shí)面對多個(gè)學(xué)生的局限，使得學(xué)生的問題能夠得到及時(shí)解決和個(gè)性化反饋。

3.課后階段

課后生成測評試題，參與課后評價(jià)。

【發(fā)出指令】根據(jù)上述教學(xué)目標(biāo)和重難點(diǎn)，設(shè)計(jì)2道選擇題和1道簡答題，檢驗(yàn)學(xué)生對喀斯特地貌的學(xué)習(xí)情況。

【ChatGPT回答】①喀斯特地貌形成的主要機(jī)制是：A.水的沖刷作用，B.冰川侵蝕作用，C.風(fēng)的風(fēng)化作用，D.巖溶作用；②以下哪種地貌特征是喀斯特地貌的典型特點(diǎn)？A.U型谷，B.冰川湖，C.河流三角洲，D.溶洞和地下河道；③請簡要描述喀斯特地貌的形成過程和主要特征。

在翻轉(zhuǎn)課堂課后，教師可通過與生成式人工智能對話設(shè)計(jì)測評試題，多維度檢驗(yàn)學(xué)生本節(jié)課的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，利用機(jī)器閱卷，生成不同學(xué)生的智能畫像，并以此為依據(jù)分層布置課后作業(yè)。對于掌握程度較高的學(xué)生，鼓勵(lì)其將喀斯特地貌的學(xué)習(xí)方法遷移至其他常見的地貌類型；而對于掌握程度較低的學(xué)生，則根據(jù)畫像幫助其進(jìn)一步夯實(shí)本節(jié)課知識。

四、結(jié)論

人工智能促使高中地理翻轉(zhuǎn)課堂在數(shù)字化背景下全方位轉(zhuǎn)型，將先進(jìn)的軟硬件設(shè)備運(yùn)用于課堂教學(xué)，豐富教學(xué)媒介、輔助教學(xué)設(shè)計(jì)、科學(xué)實(shí)施評價(jià)、實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)。然而，在實(shí)際操作人工智能進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)時(shí)，要注意盡管人工智能存在諸多優(yōu)點(diǎn)，但并不意味著教師能夠被仿真機(jī)器所取代。因?yàn)榻逃皇呛唵蔚貍鬟f知識，而是受教育者與教育者的靈魂碰撞。因此，在使用人工智能時(shí)要以人為中心，理性把握人工智能的使用界限，在教學(xué)活動中建立良好和諧的師生關(guān)系。

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通信作者：蔣連飛