大模型驅(qū)動的初中地理跨學(xué)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(xué)習(xí)支架，提出大模型驅(qū)動的初中地理跨學(xué)科實踐活動方案，探索“大模型+教師”的雙師課堂協(xié)作路徑。通過大模型實現(xiàn)多學(xué)科知識深度有序串聯(lián)、學(xué)科間互通互融，促進學(xué)生地理實踐力、綜合思維、人地協(xié)調(diào)觀與新時代生態(tài)文明價值觀的全面培育。

關(guān)鍵詞：跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)；海綿校園；大模型；教學(xué)設(shè)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(nèi)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(tài)生成等領(lǐng)域展現(xiàn)出非凡能力，呈現(xiàn)出“觸類旁通”與“智能涌現(xiàn)”的能力特征，深刻改變著教育模式與形態(tài)［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(xué)科融合能力，能夠整合多學(xué)科知識，創(chuàng)造出一種讓人類與人工智能共同學(xué)習(xí)、共同成長、共同進步的新型教育范式。

與此同時，《義務(wù)教育地理課程標準（2022年版）》指出地理課程跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的課時容量不少于總課時的10%，且應(yīng)立足于核心素養(yǎng)的培育，突出實踐性和可操作性，引導(dǎo)學(xué)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(fā)展、促進人與自然和諧共生做出重大戰(zhàn)略部署，強調(diào)對新時代生態(tài)文明價值觀的培育和踐行。本文以“海綿校園”作為學(xué)習(xí)支架，提出人工智能大模型驅(qū)動的初中地理跨學(xué)科實踐活動方案，探索“大模型+教師”的雙師課堂協(xié)作培養(yǎng)路徑。

一、海綿校園跨學(xué)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(yīng)對城市雨水引發(fā)的自然災(zāi)害，并改善城市微氣候［3］。隨著我國城市化發(fā)展邁入后半程階段，該理念的實施顯得尤為重要。建設(shè)海綿校園，能夠有效降低暴雨災(zāi)害對師生安全和學(xué)校設(shè)施的影響，減少面源污染，同時，提升校園景觀環(huán)境與生態(tài)的可持續(xù)性［4］。

傳統(tǒng)的地理教學(xué)實踐活動多以單學(xué)科為主，涉及的跨學(xué)科內(nèi)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(xué)科知識、技能更真實、有效地進行融合成為關(guān)鍵。海綿校園跨學(xué)科主題實踐活動依托人工智能大模型技術(shù)，構(gòu)筑一個多學(xué)科智融情境的教學(xué)平臺，通過將地理、生物d3a3387d6e7c835955c2a5a8741b238eef77fa10fee85e08660eabd5bc56fff8、哲學(xué)、化學(xué)和信息技術(shù)等多學(xué)科有效整合，實現(xiàn)了多學(xué)科知識的深度有序串聯(lián)、促進了學(xué)科間的互通互融［6］。此外，人工智能大模型的應(yīng)用為學(xué)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(guī)思維的束縛，從多角度深入探究問題，從而發(fā)展其綜合思維。通過參與海綿校園的規(guī)劃和實施，學(xué)生能夠直觀地感受到人與自然相互依存的關(guān)系；能夠增強可持續(xù)發(fā)展意識與全球公民意識；能夠樹立人地協(xié)調(diào)觀與新時代生態(tài)文明價值觀。綜上，該學(xué)習(xí)活動不僅提升了學(xué)生在人工智能時代下的地理實踐力，更是對學(xué)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(xué)科實踐活動的設(shè)計

1. 活動構(gòu)思

本次跨學(xué)科主題實踐活動的主體為八年級學(xué)生，其認知發(fā)展水平和學(xué)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(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、植物學(xué)與人工智能等多學(xué)科視角，為學(xué)生創(chuàng)造一個創(chuàng)新性的沉浸式學(xué)習(xí)體驗，活動流程如圖1所示?；顒硬捎美碚撆c實踐相結(jié)合的教學(xué)方式，重點內(nèi)容包括海綿校園多學(xué)科知識學(xué)習(xí)、地圖基本要素學(xué)習(xí)與繪制、人工智能大模型工具的使用和數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)等。旨在使學(xué)生理解多學(xué)科知識、提升對人工智能大模型的應(yīng)用能力，并在科學(xué)探究過程中發(fā)展發(fā)散性思維與批判性思維。海綿校園活動內(nèi)容及核心要素如表1所示。

[表1 海綿校園活動內(nèi)容及核心要素

[章節(jié) 內(nèi)容 跨學(xué)科融合 大模型賦能 活動1 生態(tài)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(dǎo) 活動2 生態(tài)偵察兵：海綿校園的現(xiàn)場調(diào)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(shè)計與生態(tài)平衡 環(huán)境工程 智能分析與模擬 活動4 校園雨水使者：打造生態(tài)綠洲 滲透性實驗；多維數(shù)據(jù)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(yōu)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(xué)設(shè)計；信息技術(shù) 生成式AI仿真渲染 ] ]

2. 學(xué)情分析

八年級學(xué)生正處于中學(xué)教育的關(guān)鍵時期，認知發(fā)展已逐步過渡到形式運算階段，具備處理復(fù)雜概念和抽象思維的能力，為理解和應(yīng)用人工智能大模型提供了堅實的心理發(fā)展基礎(chǔ)。同時，該學(xué)段學(xué)生已在地理、生物、信息等學(xué)科上積累了相應(yīng)知識，具備對跨學(xué)科知識的理解能力，能夠較好地整合地理生態(tài)學(xué)、植物生物學(xué)與人工智能等領(lǐng)域知識，能夠為解決復(fù)雜生態(tài)問題提供多元視角。尤為關(guān)鍵的是，八年級學(xué)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(xué)科主題實踐活動能有效激發(fā)其科學(xué)探究精神和創(chuàng)新思維，對于培養(yǎng)解決實際問題的能力至關(guān)重要［8］。

3. 學(xué)習(xí)目標

①通過實地考察，深入了解校園及周邊的地理環(huán)境和生態(tài)特征，學(xué)會收集和分析地理數(shù)據(jù)，學(xué)會使用大模型AI工具進行數(shù)據(jù)分析與可視化呈現(xiàn)。②通過AI大模型提供的豐富信息和多元視角，突破常規(guī)思維束縛，從多樣化的角度深入審視問題，勇于提出具有創(chuàng)新性的解決方案；學(xué)會批判性地分析和解讀數(shù)據(jù)，評估AI大模型的局限性，反思整個決策過程。③學(xué)會將地理、生物、化學(xué)和信息技術(shù)等多學(xué)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(zhì)測試等技能，實現(xiàn)多學(xué)科知識深度有序串聯(lián)，達到科目間互通互融、相互促進的目的，提升跨學(xué)科綜合能力素質(zhì)。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(xù)發(fā)展意識與全球公民意識，樹立人地協(xié)調(diào)觀與新時代生態(tài)文明價值觀。

4. 活動設(shè)計

（1） 思維火花：自主學(xué)習(xí)的大模型驅(qū)動課程

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

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

（2） 智能提效：大模型激發(fā)科研探究新活力

在地理實踐探究中，教師著重引導(dǎo)學(xué)生有效運用人工智能大模型以提升科學(xué)探究的效率和深度。在活動中融入生物學(xué)科，開展校園生物種類科學(xué)調(diào)查，在學(xué)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(shù)對實驗數(shù)據(jù)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(xué)生的理解能力得以發(fā)展，使他們能洞察校園生物與環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中更為復(fù)雜的科學(xué)現(xiàn)象，從而培養(yǎng)其綜合思維能力，并正確地解讀實驗數(shù)據(jù)。

【設(shè)計意圖】該過程不僅大幅度提高了學(xué)生的實踐力和科學(xué)研究的效率，更是一種跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式，提升了學(xué)生的綜合分析能力和批判性思維。在此過程中，教師發(fā)揮關(guān)鍵作用，引導(dǎo)學(xué)生高效利用人工智能工具，在實踐力的培養(yǎng)上實現(xiàn)認知和技能的雙重飛躍。

學(xué)生首先對校園的植被進行詳細調(diào)查，識別出需要改進的區(qū)域，然后通過兩項關(guān)鍵實驗，探索雨水的最佳管理方法。引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認識物質(zhì)及其化學(xué)變化規(guī)律，構(gòu)建模型認知，發(fā)展邏輯推理能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識與科學(xué)探究精神。

【活動1】校園雨水使者——打造生態(tài)綠洲

學(xué)習(xí)不同類型土壤（如壤土、粘土、沙土）的基本特性（如粒徑、有機質(zhì)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(shù)分析土壤樣本（圖3），獲取土壤組成和質(zhì)地的詳細數(shù)據(jù)，并模擬不同條件下的水流動態(tài)。

不同材料滲水速率比較：通過物理學(xué)中的控制變量法，多次重復(fù)實驗，比較校園中不同材料的滲水速率，然后結(jié)合AI技術(shù)進行數(shù)據(jù)對比分析，分析不同材料的化學(xué)組成與物理結(jié)構(gòu)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)，基于生物學(xué)知識選擇適合樓頂生長的植物，考慮植物對環(huán)境的適應(yīng)性（如耐旱、根系深度）和對本地生態(tài)系統(tǒng)的貢獻。

樓頂花園方案制定：基于收集的數(shù)據(jù)和分析結(jié)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)學(xué)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(gòu)建簡易雨水收集裝置。負責構(gòu)建簡易雨水收集裝置，并學(xué)習(xí)通過化學(xué)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(tǒng)，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(shè)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(zhì)變化如何影響植物的生長與健康狀態(tài)。

階段5：大模型輔助數(shù)據(jù)分析。利用大模型AI技術(shù)，分析實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果，理解不同過濾組合的效果，確定最佳方案。

【方案設(shè)計】設(shè)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(jié)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(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)

在該環(huán)節(jié)中，教師將指導(dǎo)初中生借助人工智能大模型，將抽象的概念和數(shù)據(jù)以直觀的可視化效果進行呈現(xiàn)。借助其強大的深度學(xué)習(xí)與多模態(tài)生成能力，大模型能夠?qū)⑾鄳?yīng)實驗數(shù)據(jù)結(jié)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(guān)系。學(xué)生在該過程中可結(jié)合大模型的實時交互反饋能力，創(chuàng)建出富有視覺沖擊力的圖形或模型（圖4）。該環(huán)節(jié)提升了學(xué)生在美學(xué)設(shè)計和技術(shù)運用方面的綜合素養(yǎng)，教授其如何有效地將數(shù)據(jù)故事化，并使用設(shè)計思維和人工智能技術(shù)以增強觀點的表達。

三、 結(jié)語

本文圍繞“海綿校園”主題，深入探索人工智能大模型驅(qū)動的初中地理跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)實踐，初步構(gòu)建了“雙師協(xié)同，交互育人”的地理實踐力培養(yǎng)范式。通過“機師”的大模型協(xié)同育人，引導(dǎo)學(xué)生高效利用人工智能工具，從而實現(xiàn)認知和技能的雙重飛躍。通過挖掘和轉(zhuǎn)化人機對話的育人價值，促進學(xué)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(fā)展。

該范式通過大模型實現(xiàn)多學(xué)科知識深度有序串聯(lián)、學(xué)科間互通互融，利用人機互動性與實時反饋機制，為學(xué)生提供動態(tài)、豐富的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)體驗，使其理性認識技術(shù)工具的價值，提升自主學(xué)習(xí)意識與能力。該實踐活動有助于促進對學(xué)生地理實踐力、綜合思維、人地協(xié)調(diào)觀與新時代生態(tài)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(xué)教育的形態(tài)變革做出探索。

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