芻議人工智能與未來中學(xué)地理教學(xué)

楊林茂 閆曉玲

摘 要：人工智能經(jīng)過六十余載的曲折發(fā)展現(xiàn)已初露鋒芒，在各行業(yè)中都發(fā)揮著不可或缺的作用。文章通過問卷調(diào)查的方式，根據(jù)未來地理教學(xué)的特點(diǎn)，對(duì)人工智能在未來中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：人工智能；未來教育；中學(xué)地理教學(xué)

一、 人工智能及其影響

1.人工智能的內(nèi)涵

人工智能（Artificial Intelligence，AI）的概念最早是在1956年夏季由麥卡錫（John McCarthy）教授等學(xué)者提出的，旨在讓計(jì)算機(jī)像人一樣思考和學(xué)習(xí)。人工智能自誕生以來便受到各國科學(xué)研究人員的追捧，但是由于人的認(rèn)知以及技術(shù)條件的限制，發(fā)展相對(duì)緩慢。直到1997年，IBM公司對(duì)第一代超級(jí)計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”進(jìn)行改良，擊敗國際象棋世界冠軍。2016年初谷歌公司設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)圍棋程序Alpha Go先后擊敗世界圍棋冠軍李世石、柯潔，2017年谷歌團(tuán)隊(duì)基于Alpha Go的原理對(duì)圍棋程序進(jìn)行升級(jí)，Alpha Go Zero由此問世，最終以100∶0的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)擊敗Alpha Go[1]。

2.人工智能對(duì)未來中學(xué)地理教育教學(xué)的影響

目前人工智能已經(jīng)在交通、醫(yī)療、教育、娛樂、就業(yè)、科技等方面產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，2017年7月8日國務(wù)院頒布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》，提出智能教育的概念，利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系。開發(fā)智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系統(tǒng)。建立以學(xué)習(xí)者為中心的教育環(huán)境，提供精準(zhǔn)推送的教育服務(wù)，實(shí)現(xiàn)日常教育和終身教育定制化[2]。

近年來基于大數(shù)據(jù)的云計(jì)算發(fā)展勢(shì)頭迅猛，人工智能順應(yīng)時(shí)代的步伐，不斷提升自身的更新迭代能力。機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人機(jī)交互是人工智能應(yīng)用的三個(gè)階段，通過機(jī)器學(xué)習(xí)以及“互聯(lián)網(wǎng)+教育”模式，在一定程度上打破了時(shí)空、地域、經(jīng)濟(jì)的界限，將海量的優(yōu)質(zhì)地理教學(xué)資源與先進(jìn)的教/學(xué)經(jīng)驗(yàn)通過移動(dòng)終端的方式傳遞給地理學(xué)習(xí)者，提高教/學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)教育公平。

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域一個(gè)新興的研究方向，它通過模仿人腦結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜輸入數(shù)據(jù)的高效處理，智能地學(xué)習(xí)不同知識(shí)，而且能有效解決多類復(fù)雜的智能問題[3]。在地理教學(xué)過程中，人工智能會(huì)對(duì)教師的教學(xué)過程和學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行長(zhǎng)期的智能統(tǒng)計(jì)與分析，根據(jù)用戶的行為習(xí)慣提供個(gè)性化的指導(dǎo)意見。對(duì)于高中地理比較抽象的必修一部分內(nèi)容，人工智能會(huì)根據(jù)每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)程度分別推送適合每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)資料以及學(xué)習(xí)方法，有助于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)積極性，掌握學(xué)習(xí)方法，從而進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

人機(jī)交互是人工智能在教育領(lǐng)域的理想狀態(tài)，個(gè)人助理機(jī)器人系統(tǒng)可以對(duì)師生起到很好的輔助作用。系統(tǒng)會(huì)基于海量的優(yōu)質(zhì)地理教育資源、快速的計(jì)算能力和深度學(xué)習(xí)，對(duì)用戶做一個(gè)精準(zhǔn)測(cè)評(píng)，根據(jù)自身?xiàng)l件制定個(gè)性化學(xué)習(xí)計(jì)劃。因此，地理教師無需再擔(dān)心抽象的課程需要怎么進(jìn)行導(dǎo)入來激發(fā)學(xué)生興趣，更不用擔(dān)心怎么實(shí)施分層教學(xué)，孔子所提倡的“有教無類，因材施教”教育思想會(huì)得到充分的利用和發(fā)揮。未來的地理課堂將會(huì)更加開放化、智能化、個(gè)性化，地理教師需要做的就是發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，貫徹落實(shí)地理核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)形式。

本文從中學(xué)地理教學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)110名地理教師進(jìn)行問卷調(diào)查，回收有效問卷109份，以此為基礎(chǔ)分析人工智能在中學(xué)地理教學(xué)中的可能應(yīng)用途徑和前景。

二、未來中學(xué)地理教學(xué)的特點(diǎn)

1.高度重視學(xué)生地理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

學(xué)科核心素養(yǎng)的提出以及《地理教育國際憲章（2016）》的出臺(tái)，既是對(duì)過去地理教育教學(xué)改革的認(rèn)可，同時(shí)也為未來地理教育教學(xué)改革提供了可參考的依據(jù)。中學(xué)地理課程理念強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)對(duì)生活和終身發(fā)展有用的地理，新憲章明確了“地理并非學(xué)習(xí)大量的事實(shí)和概念”以及提出“地理學(xué)是唯一關(guān)注空間分析的科學(xué)”，這是對(duì)區(qū)域認(rèn)知和地理實(shí)踐力的最好詮釋[4]。地理核心素養(yǎng)與社會(huì)發(fā)展以及變革密切相關(guān)，體現(xiàn)了社會(huì)發(fā)展對(duì)人的根本需求[5]，全球化背景下人地關(guān)系依然是地理學(xué)研究的主線，需要學(xué)生運(yùn)用綜合思維來看待和思考地理問題，樹立可持續(xù)發(fā)展觀念，地理教學(xué)目標(biāo)也重視對(duì)學(xué)生情感態(tài)度與價(jià)值觀的培養(yǎng)。因此，重視對(duì)學(xué)生地理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是未來地理教育教學(xué)的重要特點(diǎn)，我國目前所進(jìn)行的一系列教育教學(xué)改革（中招、高考、新課改）將對(duì)教育事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)而重大的影響。

2.學(xué)生課堂參與和師生互動(dòng)更加廣泛深入

以高新技術(shù)為代表的人工智能技術(shù)的出現(xiàn)在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂參與度方面發(fā)揮著獨(dú)特的作用。人工智能自誕生以來就被定義為一臺(tái)能夠獨(dú)立做決定的機(jī)器人，利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算平臺(tái)提供精準(zhǔn)化服務(wù)，解決一些復(fù)雜的難題，基于人工智能開發(fā)的教學(xué)系統(tǒng)可以把因材施教的個(gè)性化教學(xué)理念惠及每個(gè)學(xué)生。傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)逐漸不適應(yīng)社會(huì)和學(xué)生發(fā)展的需求，未來的地理教學(xué)會(huì)更加突出學(xué)生的主體地位和教師的主導(dǎo)作用?，F(xiàn)在部分學(xué)校已經(jīng)開始實(shí)行雙板教學(xué)，例如，地理教學(xué)中比較抽象的必修一：地球的運(yùn)動(dòng)、大氣運(yùn)動(dòng)、地表形態(tài)的塑造等內(nèi)容，地理教師可以把相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容制作成視頻或者微課形式的小文件推送到學(xué)生的平板電腦上，學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以課后反復(fù)觀看。這種新穎的教學(xué)方式能夠有效吸引學(xué)生的注意力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生課堂參與度。課后教師可以把每個(gè)章節(jié)的練習(xí)題發(fā)到學(xué)生的平板電腦上，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成以后，教師能及時(shí)獲取答題反饋，從而做出正確的評(píng)價(jià)。

3.地理課堂教學(xué)形式更加靈活多樣

傳統(tǒng)的地理教學(xué)是在固定的時(shí)間、地點(diǎn)學(xué)習(xí)固定的內(nèi)容，一定程度上限制了學(xué)生的思維發(fā)展，而隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式會(huì)被徹底打破。例如，現(xiàn)在比較知名的MOOC、微課以及滬江網(wǎng)等在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，可以突破時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容、教師的限制，優(yōu)質(zhì)教育資源得到合理配置，“泛在學(xué)習(xí)”這種教學(xué)形式會(huì)成為主流，同時(shí)也跟國家所提倡的終身學(xué)習(xí)相符合?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展，人工智能在教育教學(xué)上的運(yùn)用，已經(jīng)使得泛在學(xué)習(xí)可以真正實(shí)現(xiàn)。但現(xiàn)在的教育體制、考試錄取招生制度限制了現(xiàn)代信息技術(shù)在教育上的運(yùn)用，已經(jīng)到了陳舊生產(chǎn)關(guān)系束縛先進(jìn)生產(chǎn)力的時(shí)候了[6]。

三、人工智能在未來中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域及前景

1.人工智能將使學(xué)習(xí)者更便捷地獲取豐富的學(xué)習(xí)資源

基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”能在最大程度上消除時(shí)空、地域、經(jīng)濟(jì)、文化等因素對(duì)教育帶來的不利影響，均衡教育資源，實(shí)現(xiàn)教育的相對(duì)公平。在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)有80%的地理教師認(rèn)為人工智能可以幫助學(xué)習(xí)者獲取更多的資源：豐富的圖片、視頻等（圖1），所以他們能學(xué)得更好。例如，現(xiàn)在比較流行的MOOC和微課等互聯(lián)網(wǎng)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)受到高校教師和教育者的一致好評(píng)，市場(chǎng)上有關(guān)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的產(chǎn)品如雨后春筍般涌現(xiàn)，學(xué)生能夠更加方便地獲取其感興趣的教學(xué)資源，使線上自主學(xué)習(xí)模式成為傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)的有效補(bǔ)充[7]。

2.人工智能將大大縮短學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)周期

地理學(xué)是一門綜合性學(xué)科，有較強(qiáng)的實(shí)踐性、開放性和邏輯性。中學(xué)地理教學(xué)內(nèi)容廣泛，大致包括自然地理學(xué)（氣候、地貌、水文等）和人文地理學(xué)（經(jīng)濟(jì)、文化、旅游等）兩大類，需要識(shí)記和理解的內(nèi)容相對(duì)較多，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往死記硬背，沒有采用合理科學(xué)的學(xué)習(xí)方式，容易失去學(xué)習(xí)興趣。

人工智能憑借其超強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和運(yùn)算能力可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的實(shí)際情況為其制定個(gè)性化的教學(xué)方式。81.7%的教師認(rèn)為人工智能可以幫助學(xué)習(xí)者縮短學(xué)習(xí)周期，學(xué)得更快（表1）。國內(nèi)很多在線學(xué)習(xí)平臺(tái)運(yùn)用人工智能系統(tǒng)分析學(xué)情，記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，基于這些學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)，為每位學(xué)習(xí)者推送個(gè)性化、量身定制的學(xué)習(xí)內(nèi)容[8]，并結(jié)合個(gè)性化的教學(xué)方式，在最大程度上縮短學(xué)習(xí)周期，提高學(xué)習(xí)效率。

3.人工智能將明顯提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)質(zhì)量

中學(xué)地理內(nèi)容廣泛并且知識(shí)點(diǎn)較多，高考形式也已經(jīng)不是考查學(xué)生對(duì)概念或者原理的掌握程度，而是建立在掌握基礎(chǔ)概念和原理的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)去解決生活中的實(shí)際問題?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+教育”的學(xué)習(xí)方式有利于均衡教育資源，使優(yōu)質(zhì)的教育資源得到合理的配置，但是學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力和接受知識(shí)的能力層次不齊。65%的教師認(rèn)為人工智能可以提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)質(zhì)量，學(xué)得更好（圖2）。人工智能系統(tǒng)充分尊重師生人性，能依據(jù)教師、學(xué)生的特征和需求，提供精細(xì)、富有實(shí)效的個(gè)性化教育服務(wù)[9]。人工智能還能分析學(xué)習(xí)者行為特征，當(dāng)學(xué)習(xí)效果不適合或者效率低下時(shí)，系統(tǒng)自適應(yīng)功能通過算法或者學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)反饋并給出合理化建議，不斷矯正學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為，從而提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

4.人工智能將有效推進(jìn)個(gè)性化教育

核心素養(yǎng)引領(lǐng)下的中學(xué)地理教學(xué)將更加重視學(xué)生能力和個(gè)性的養(yǎng)成，而不是僅限于分?jǐn)?shù)的高低。個(gè)性化教育不僅是時(shí)代進(jìn)步和教育轉(zhuǎn)型發(fā)展的客觀要求，更是未來教育改革和發(fā)展的重要趨勢(shì)[10]。82%的教師認(rèn)為人工智能可以發(fā)展到根據(jù)學(xué)習(xí)者的不同層次，設(shè)置不同的學(xué)習(xí)方案的水平（圖3），大大提升教育教學(xué)的有效性。

鑒于當(dāng)下地理分層教學(xué)進(jìn)展緩慢，互聯(lián)網(wǎng)可以將各種場(chǎng)景連接起來，云計(jì)算則提供各種資源、各種數(shù)據(jù)服務(wù)，人工智能在中間起到穿針引線的作用，可以進(jìn)行輔助性或決策性的分析[11]。人工智能系統(tǒng)借助自身的深度學(xué)習(xí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行智能分析和評(píng)價(jià)，把每個(gè)學(xué)生分成不同的層次，從海量的數(shù)據(jù)庫中利用云計(jì)算技術(shù)為學(xué)習(xí)者精準(zhǔn)推送合適的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法，設(shè)置不同的學(xué)習(xí)方案。

人工智能發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，在教育領(lǐng)域已經(jīng)有所突破與創(chuàng)新，但是整體發(fā)展態(tài)勢(shì)還屬于初級(jí)階段，距離大規(guī)模商用階段還相差甚遠(yuǎn)。即便如此，人工智能對(duì)教育行業(yè)產(chǎn)生的沖擊也不容小覷，教師應(yīng)該切實(shí)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念，以客觀的態(tài)度看待人工智能在語音識(shí)別、圖像識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析、自定義學(xué)習(xí)等方面發(fā)揮的作用。人工智能在自定義方面的能力是人腦所不能相比的，特別是在教育領(lǐng)域的應(yīng)用更有著天然優(yōu)勢(shì)，因材施教學(xué)習(xí)理念會(huì)得到最完美的詮釋。隨著人工智能技術(shù)的不斷更新迭代，在不久的將來可能將徹底顛覆傳統(tǒng)的教育模式，在提高教/學(xué)效率、滿足學(xué)生個(gè)性化發(fā)展等方面將發(fā)揮不可替代的作用。

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