基于人工智能的個性化高中地理教案編寫探索

摘 要：傳統(tǒng)的教案編寫模式雖然有助于規(guī)范化教學(xué)，但難以滿足地理學(xué)科的多學(xué)科交叉特性和教育發(fā)展水平的區(qū)域性差異。本文探索了基于人工智能的個性化高中地理教案編寫方法，以ChatGPT為例，詳細(xì)闡述了如何利用其優(yōu)化高中地理教案的流程和步驟。首先，通過優(yōu)化邏輯結(jié)構(gòu)，使教案條理清晰、邏輯嚴(yán)密；其次，基于新課標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)，融入地理信息技術(shù)等現(xiàn)代教學(xué)資源，以實現(xiàn)新課標(biāo)與新教材的緊密銜接；再次，根據(jù)地區(qū)差異，融入地方教學(xué)資源，豐富教學(xué)內(nèi)容；最后，針對學(xué)情，提供定制化教學(xué)建議，以實現(xiàn)個性化教學(xué)。結(jié)果表明，ChatGPT在高中地理教案編寫中具有顯著效果，可為教師提供個性化的教案優(yōu)化服務(wù)，為提高教學(xué)質(zhì)量提供支撐。

關(guān)鍵詞：ChatGPT；教案優(yōu)化；人工智能；地理

中圖分類號：G633.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-5207（2024）12-0017-06

一、引言

教案在指導(dǎo)教師課堂教學(xué)，保證教學(xué)質(zhì)量方面扮演著舉足輕重的作用。通過事先編寫和準(zhǔn)備教案，教師可合理分配教學(xué)資源，并根據(jù)實際學(xué)情調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)計劃，從而優(yōu)化課堂教學(xué)。在現(xiàn)代教育體系中，地理學(xué)科因其獨特的跨學(xué)科特性和地域性特點，對教案編寫提出了更高要求。通過分析近年高中地理教學(xué)的參考資料［1-3］可知，傳統(tǒng)地理教案多采用固定的結(jié)構(gòu)模式。如“課程標(biāo)準(zhǔn)—教學(xué)目標(biāo)—教學(xué)重難點—教學(xué)方法—教學(xué)過程—板書設(shè)計—教案反思”。這種模式在協(xié)助教師規(guī)范化組織課堂、完成教學(xué)評估、傳遞知識體系等方面具有獨特優(yōu)勢。但地理學(xué)的知識體系具有多學(xué)科交叉、地域特色顯著的特點，長久以來的教育體系中還存在教育發(fā)展水平的區(qū)域性差異、學(xué)校差異、班級差異，千篇一律的教案編寫模式側(cè)重于單一學(xué)科知識的線性傳授，無法有效融入跨學(xué)科知識、地域特色、學(xué)情特點等形成有效的案例教學(xué)、項目式學(xué)習(xí)、實地考察等多樣化教學(xué)方案，在促進(jìn)學(xué)生對自然地理和人文地理領(lǐng)域的深入理解，培養(yǎng)其批判性思維和綜合分析能力等方面存在一定局限。

此外，“新課標(biāo)”“新教材”“新高考”應(yīng)時代和社會發(fā)展的需求而生，三者理應(yīng)緊密銜接，全方位指導(dǎo)教師實施學(xué)校教育教學(xué)，但事實卻并非如此。例如，在地理教學(xué)指導(dǎo)中，新課標(biāo)對必修課程內(nèi)容的每一章節(jié)均要求學(xué)生能夠了解并應(yīng)用地理信息技術(shù)［4］，但在各版本的“新教材”中卻沒有提供足夠的信息和案例以支持學(xué)生對地理信息技術(shù)的學(xué)習(xí)及應(yīng)用；新課標(biāo)的基本理念提出：教師要充分利用地理信息技術(shù)，營造直觀、實時、生動的地理教學(xué)環(huán)境［4］，卻未見有明確的指導(dǎo)方案給予支持。在實施教學(xué)的過程中，三者銜接的重?fù)?dān)就落到了教案編寫上，但固定結(jié)構(gòu)模式的教案編寫并不能有效解決這一問題。

基于上述問題，將教案編寫轉(zhuǎn)化為智能化輔助勞動，在充分銜接“新課標(biāo)”“新教材”“新高考”的基礎(chǔ)上，又能體現(xiàn)地理學(xué)知識特點和教育發(fā)展水平差異的個性化教案則成為目前切實提高教育教學(xué)質(zhì)量的新需求?；诖?，本文擬引入人工智能技術(shù)，通過設(shè)計教案優(yōu)化方案并通過具體案例分析其可行性，實現(xiàn) “新課標(biāo)”“新教材”“新高考”充分銜接并體現(xiàn)學(xué)科特點和各類差異特點的個性化教案優(yōu)化，以期為輔助教師提高教學(xué)質(zhì)量提供有力保障。

二、高中地理教學(xué)需求與人工智能

高中地理是一門研究地表自然環(huán)境、人類活動及其相互關(guān)系的學(xué)科，具有綜合性和區(qū)域性的特點。新課標(biāo)要求高中地理通過地理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，從地理教育的角度落實立德樹人根本任務(wù)［4］；新教材要求高中課程要促進(jìn)學(xué)生全面而有個性的發(fā)展［5］；新高考要求高中地理改變傳統(tǒng)教學(xué)模式、豐富教學(xué)內(nèi)容，以優(yōu)化教學(xué)理念、創(chuàng)新施教方式，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，在培養(yǎng)學(xué)生良好地理核心素養(yǎng)的同時，為其備戰(zhàn)高考夯實基礎(chǔ)［6］；而現(xiàn)實是基礎(chǔ)教育水平存在區(qū)域差異、學(xué)校差異以及班級差異，既能體現(xiàn)學(xué)科特點，又能有效銜接“新課標(biāo)”“新教材”“新高考”相關(guān)要求且融合地方、學(xué)校、班級學(xué)情實際的高質(zhì)量教案就顯得尤為重要。在實際教學(xué)實施中，這一重任落在了教師個人或教研團(tuán)隊身上，因此，亟需科學(xué)、便捷、有效的手段輔助教師實現(xiàn)契合“‘三新’+具體學(xué)情”的高質(zhì)量教案優(yōu)化，人工智能的深化應(yīng)用為此提供了便捷有效的新契機。

人工智能是計算機系統(tǒng)通過模擬、復(fù)制或執(zhí)行類似于人類智能行為的一種技術(shù)。目前，已在交通、醫(yī)療、教育、娛樂、就業(yè)、科技等方面產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響［7］， 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， 并倡導(dǎo)利用智能技術(shù)加快推動人才培養(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)［8］。在教育領(lǐng)域，人工智能能依據(jù)教師、學(xué)生的特征和需求， 提供精細(xì)、富有實效的個性化教育服務(wù)［8］，還因其高效自主、協(xié)同適應(yīng)、開放創(chuàng)新的特性及在記憶和思維能力等方面的優(yōu)勢，無論在輔助教師“教”，還是在指導(dǎo)學(xué)生“學(xué)”的過程中，都可作為個性化的助手。以ChatGPT（Chat Generative Pre-trained Transformer）為典型代表的人工智能技術(shù)在實現(xiàn)個性化教學(xué)領(lǐng)域已有了應(yīng)用探索，如個性化學(xué)習(xí)路徑制定、個性化問題解答和輔導(dǎo)等［7-15］。在輔助教師“教”的過程中，一方面，可模擬教師學(xué)習(xí)“新課標(biāo)”“新教材”“新高考”的具體要求，同時，對大量教育資源進(jìn)行挖掘和分析，整合教材、課件、多媒體等資料，為教師提供豐富的教學(xué)素材和案例幫助，實現(xiàn)“新課標(biāo)”“新教材”“新高考”中相關(guān)教學(xué)要求在教學(xué)過程中的有效銜接；另一方面，可利用ChatGPT強大的分析能力，根據(jù)學(xué)科本身特征、教育水平區(qū)域差異、教師教學(xué)風(fēng)格、學(xué)生學(xué)情等，為教師提供個性化教學(xué)輔助，具體包括分析學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)質(zhì)量和興趣愛好，為教師提供針對性教育教學(xué)建議。因此，針對高中地理的教學(xué)需求，使用以ChatGPT為代表的人工智能技術(shù)優(yōu)化高中地理教案具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

三、基于ChatGPT的高中地理教案優(yōu)化方案

基于ChatGPT對高中地理教案進(jìn)行優(yōu)化的前提是教師個人或教研組已獲取了一份或多份任意結(jié)構(gòu)形式的參考教案，將該教案完整地發(fā)送給ChatGPT，并設(shè)定利用ChatGPT進(jìn)行教案優(yōu)化的具體要求，ChatGPT根據(jù)口令進(jìn)行分析并優(yōu)化生成一份符合教師具體教學(xué)需求的全新教案，具體流程框架如圖1所示。據(jù)圖1可知，在實際操作中有兩種實現(xiàn)過程：第一種是ChatGPT根據(jù)教師指令逐一輸入、輸出，將教案分內(nèi)容逐步優(yōu)化，最后再檢查并定稿；第二種是教師將所有要求一同輸入ChatGPT，ChatGPT分析后直接輸出完整教案，然后由教師檢查，將不滿意的部分重新輸入ChatGPT進(jìn)行優(yōu)化，最后定稿。

第一種過程的具體操作如下：①ChatGPT根據(jù)教師要求，對教案邏輯框架進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化，確保其條理清晰、邏輯嚴(yán)密；②依據(jù)“三新”要求，由ChatGPT分析教案是否符合“三新”要求或是否存在“三新”內(nèi)容銜接不暢的情況，并進(jìn)行精準(zhǔn)優(yōu)化；③鑒于不同地區(qū)的教學(xué)資源存在差異，ChatGPT會巧妙地將地方教學(xué)資源融入教案中，打造出具有當(dāng)?shù)靥厣膫€性化教案；④ChatGPT會深入分析教師提供的學(xué)情信息，并據(jù)此提供針對性教學(xué)建議，使個性化教案的內(nèi)容更加突出；⑤將優(yōu)化后的教案再次輸入ChatGPT，進(jìn)行知識體系的全面檢查與進(jìn)一步優(yōu)化，待教師最終檢查無誤后，即可定稿實施。第二種過程涉及在優(yōu)化工作開始前，先將教案編寫框架、“三新”內(nèi)容、地方教學(xué)資源、學(xué)情等具體要求一次性預(yù)先告知ChatGPT；隨后，ChatGPT會進(jìn)行深入分析，并直接輸出優(yōu)化后的教案；最后，教師對輸出的教案進(jìn)行檢查，以確保其質(zhì)量和適用性。這一流程旨在提高教案的優(yōu)化效率，同時，確保最終成果符合教學(xué)要求。

上述第一種過程的優(yōu)勢在于ChatGPT優(yōu)化當(dāng)前內(nèi)容后，教師可及時對不滿意的地方進(jìn)行反饋并修改，直至達(dá)到教師需求，最后輸出的教案的每一部分都是教師滿意并通過的，因此，該方案輸出的教案更能滿足教師的需求；但由于該方案每一步都要重新輸入，可能會導(dǎo)致ChatGPT混淆上下內(nèi)容，此外，還會因多次輸入消耗大量時間，導(dǎo)致工作效率較低。第二種過程的優(yōu)勢在于舍去每一步輸入，節(jié)省了大量時間，在檢查修改時也只需將ChatGPT最終輸出的教案中不滿意的地方重新輸入并輸出；但該方案可能出現(xiàn)ChatGPT輸出的大多內(nèi)容都不符合教師期望的問題，進(jìn)而重返第一種過程進(jìn)行分內(nèi)容修改。實際操作中，教案中的所有內(nèi)容都必須在滿足教師需求的同時保證質(zhì)量，而第一種過程逐一輸入、輸出的方式雖消耗了一定時間，但能保障教學(xué)需求和質(zhì)量，因此，建議在優(yōu)化教案工作時采用第一種過程。

四、案例應(yīng)用及結(jié)果對比——以“地球的圈層結(jié)構(gòu)”為例

為進(jìn)一步說明人工智能技術(shù)在優(yōu)化高中地理教案中的應(yīng)用效果，下文將利用ChatGPT對人教版必修一“地球的圈層結(jié)構(gòu)”教案進(jìn)行優(yōu)化。筆者選擇的參考教案來源于線上教學(xué)資源，采用了課程題目、學(xué)情分析、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點、教學(xué)方法、教學(xué)過程的傳統(tǒng)教案框架，是一個普適性教案，在實際應(yīng)用過程中可能存在框架結(jié)構(gòu)單薄、內(nèi)容設(shè)計過于傳統(tǒng)、與“新課標(biāo)”脫節(jié)、不能體現(xiàn)地方教學(xué)資源、未能考慮教學(xué)班級學(xué)情等問題，因此，按照前文的方案設(shè)計，下面將采用第一種過程進(jìn)行優(yōu)化。

1.邏輯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先，提交完整教案給ChatGPT進(jìn)行全面審查。ChatGPT將細(xì)致分析教案的每個部分，確保目標(biāo)明確、步驟具體。通過表1的對比分析可知，ChatGPT指出了缺失內(nèi)容并提出改進(jìn)建議。針對教案的結(jié)構(gòu)缺陷，ChatGPT推薦增加“教材分析”和“教學(xué)反思”等部分，以提升教案的深度和實用性。此外，ChatGPT會逐句審查教案，確保語言表達(dá)清晰準(zhǔn)確，同時，修正語法、拼寫錯誤和模糊表述，以提升教案的專業(yè)性和易讀性。

2.“三新”教學(xué)內(nèi)容整合優(yōu)化

為符合新課標(biāo)要求，利用ChatGPT優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)時先輸入新課標(biāo)要求，然后指示ChatGPT基于此指令設(shè)計出融入地理信息技術(shù)的地球圈層結(jié)構(gòu)教學(xué)目標(biāo)。如表2所示，ChatGPT細(xì)致審視并重構(gòu)了原有目標(biāo)，確保教學(xué)目標(biāo)與地理核心素養(yǎng)及新課標(biāo)要求一致，并巧妙融入地理信息技術(shù)，增強了實用性和互動性，為學(xué)生提供了豐富的動態(tài)學(xué)習(xí)體驗，同時，在教學(xué)創(chuàng)新和技術(shù)應(yīng)用上取得新進(jìn)展。

教學(xué)過程需緊扣教學(xué)目標(biāo)，確保每個環(huán)節(jié)有效助力學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)?；谙惹皩虒W(xué)目標(biāo)的優(yōu)化，ChatGPT已將其作為后續(xù)工作的基礎(chǔ)。據(jù)表3可知，ChatGPT為教案提出了3項關(guān)鍵建議，并設(shè)計了2個教育活動：①利用GIS技術(shù)直觀展示地球圈層結(jié)構(gòu)，通過互動操作促進(jìn)學(xué)生理解，使學(xué)生更加直觀地識別地球圈層結(jié)構(gòu)以培養(yǎng)其區(qū)域認(rèn)知能力；②通過GIS軟件分析地球數(shù)據(jù)，讓學(xué)生實踐操作，不僅可深化他們對地球科學(xué)的理解，培養(yǎng)實踐與數(shù)據(jù)處理技能，還可將新課標(biāo)中所要求的培養(yǎng)學(xué)生地理實踐力巧妙地融于教學(xué)之中。

經(jīng)過ChatGPT的優(yōu)化，教學(xué)活動與新課標(biāo)更為契合，通過實驗等互動性學(xué)習(xí)活動，加深學(xué)生對地球圈層結(jié)構(gòu)的理解。這種方法不僅提升了學(xué)生對地球科學(xué)的興趣，還培養(yǎng)了他們的空間思維和科學(xué)探究能力。針對新高考“能夠說明地球的圈層結(jié)構(gòu)及各圈層的主要特點”的要求，學(xué)生可通過練習(xí)基于地理信息技術(shù)的地球圈層結(jié)構(gòu)題型更加清晰地認(rèn)識并掌握該考點，但現(xiàn)有題型較為單一，因此，ChatGPT同步增設(shè)了相關(guān)的練習(xí)題。將這些習(xí)題巧妙地融入教學(xué)過程中，既能鞏固學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，又能滿足新高考所提出的考點要求。

如表4所示，ChatGPT根據(jù)具體指令設(shè)計題目，與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，并明確指出每個題目對應(yīng)的高考知識點。這種設(shè)計能夠提高教學(xué)的針對性和效率，為學(xué)生高考取得好成績打下基礎(chǔ)。

3.地方教學(xué)資源的融入優(yōu)化

在地方教學(xué)資源的開發(fā)與整合方面，不同地區(qū)擁有各自獨特的教育資源。以青海省西寧市為例，利用ChatGPT設(shè)計和融入具有地方特色的教學(xué)資源。如表5所示，ChatGPT提出了青海省獨特的地質(zhì)背景，還巧妙地將青海湖這一自然奇觀作為一項寶貴的教學(xué)資源。這些資源被精心融入教學(xué)過程的多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，例如，在“導(dǎo)入新課”的階段，通過介紹學(xué)生腳下最熟悉的土地吸引注意力，在講解時將保護(hù)自然環(huán)境內(nèi)容融入其中，以增強學(xué)生人地協(xié)調(diào)的核心素養(yǎng)；在“講解地震波的傳播”這一環(huán)節(jié)，利用青海湖的地理特性直觀展示地震波在不同介質(zhì)中的傳播差異。這樣的教學(xué)設(shè)計不僅能夠?qū)崿F(xiàn)地方教學(xué)資源與教學(xué)過程的有機結(jié)合，豐富課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，也能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。

4.基于學(xué)情的優(yōu)化

鑒于學(xué)生群體的多樣性及教學(xué)過程中的不確定性，教學(xué)實踐中難免會遇到一系列學(xué)情問題。教師可主動與ChatGPT溝通學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，從而獲得針對性反饋和建議。如在表6中，作者向ChatGPT反映了學(xué)生在理解某一概念上的困難，ChatGPT對此進(jìn)行了深入分析，并識別出3個潛在原因：知識的抽象性、缺少直觀體驗以及學(xué)生認(rèn)知水平的影響?；诖耍珻hatGPT對“新課講授”和“讀圖練習(xí)”2個教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了有效調(diào)整和優(yōu)化，以更好地適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

5.知識體系的整體檢查優(yōu)化

為確保教案質(zhì)量，需對優(yōu)化后的教案進(jìn)行整體檢查并改進(jìn)。首先，將經(jīng)過優(yōu)化后的教案提交給ChatGPT進(jìn)行最終分析，在ChatGPT對教案進(jìn)行全面分析后，它提出了2項進(jìn)一步的改進(jìn)建議：①對教學(xué)中的重難點進(jìn)行更細(xì)致的處理；②增強教學(xué)反思的持續(xù)性。針對這些反饋，ChatGPT進(jìn)行了討論和調(diào)整，最終實現(xiàn)了教案質(zhì)量的顯著提升，具體優(yōu)化措施如表7所示。通過這一系列的精細(xì)化改進(jìn)，該教案KJw0Fxnbh8D9s5290KE4Zw==在內(nèi)容和結(jié)構(gòu)上均得到了顯著增強，更加符合教學(xué)的實際需求。

五、結(jié)語

本文探討了基于人工智能技術(shù)的個性化高中地理教案編寫方案，并以ChatGPT為例，展示了其在優(yōu)化教案方面的潛力和實際應(yīng)用。在邏輯結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，ChatGPT對教案框架進(jìn)行了細(xì)致的審查和改進(jìn)，確保教案的條理清晰和邏輯嚴(yán)密；在“三新”教學(xué)內(nèi)容整合方面，ChatGPT依據(jù)最新的課程標(biāo)準(zhǔn)，對教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)活動進(jìn)行了重新評估和設(shè)計，確保教學(xué)內(nèi)容與“新課標(biāo)”“新教材”“新高考”緊密銜接。同時，ChatGPT還根據(jù)教師需求增加了一系列與新課標(biāo)緊密聯(lián)系的高考知識點與練習(xí)題，以增強教學(xué)的針對性和效率；在地方教學(xué)資源融入方面，ChatGPT展示了如何將具有地方特色的教學(xué)資源巧妙地整合到教學(xué)過程中，不僅能夠豐富課程內(nèi)容，還有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度；針對學(xué)生的學(xué)情，ChatGPT進(jìn)行了細(xì)致分析，并提出了定制化的教學(xué)建議，以促進(jìn)個性化教學(xué)的實現(xiàn)。

教師可根據(jù)個人需求或課堂實際情況，選擇并調(diào)整出最合適的教學(xué)方案。若在教學(xué)實施過程中遇到難題，ChatGPT隨時可提供進(jìn)一步的教學(xué)優(yōu)化建議。教師可根據(jù)自身和課堂的實際情況，對教案進(jìn)行最后的審查，并在教學(xué)中付諸實踐。若在教學(xué)過程中遇到任何挑戰(zhàn)或發(fā)現(xiàn)教案內(nèi)容未達(dá)預(yù)期，教師依然可向ChatGPT尋求專業(yè)的優(yōu)化建議。

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通信作者：夏興生