AI賦能地理教材數(shù)智化的邏輯框架與實踐策略

【摘" 要】地理教材數(shù)智化對于促進教育公平、支持個性化學(xué)習(xí)、推動“導(dǎo)-學(xué)-評”一體化、助力地理核心素養(yǎng)培育具有重要價值。結(jié)合AI技術(shù)，圍繞地理教材內(nèi)容的選擇、組織和表征，構(gòu)建AI賦能地理教材數(shù)智化建設(shè)的“三主六次”邏輯框架，并聚焦邏輯框架中指向教師的問題，基于AI的基本功能提出“創(chuàng)建智能體+公式化提問”“厘清多級節(jié)點+明確邏輯邊”“多平臺協(xié)作+虛擬人生成”等實踐策略，有助于加快地理教材數(shù)智化進程，發(fā)揮其應(yīng)有價值。

【關(guān)鍵詞】教材數(shù)智化；地理教材；邏輯框架；實踐策略

教材數(shù)智化指教材研制者或教師按照課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)要求，借助AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，以文字、圖像、視頻、虛擬仿真、AI助教等形式對教材內(nèi)容進行重組與表征，建構(gòu)具有“導(dǎo)-學(xué)-評”一體化功能以及一定智能的新形態(tài)教材。數(shù)智化教材在教材數(shù)字化之上疊加智能化，具備更強的個性化學(xué)習(xí)輔助功能和自動化內(nèi)容更新功能。這里的教材取其廣義，涵蓋一切助力學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的材料與資源。生成式AI為教材數(shù)智化建設(shè)提供了有力工具，對學(xué)生核心素養(yǎng)的培育具有重要價值。

一、AI賦能地理教材數(shù)智化的價值定位

當(dāng)前，地理教材數(shù)智化發(fā)展與AI的融合不斷深化。我們從以下四個層面分析AI賦能地理教材數(shù)智化的價值。

在社會層面，AI賦能地理教材數(shù)智化有助于促進區(qū)域教育公平，推動城鄉(xiāng)地理教育高質(zhì)量一體化發(fā)展。數(shù)智化地理教材通過AI技術(shù)獲取與分析海量的地理教學(xué)資源，提取與統(tǒng)整優(yōu)質(zhì)的地理教學(xué)資源，并借助大數(shù)據(jù)和5G等技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源的動態(tài)更新和實時共享，從而打破紙質(zhì)教科書等傳統(tǒng)地理教材的時空局限性，使優(yōu)質(zhì)地理教育資源覆蓋到偏遠地區(qū)和農(nóng)村學(xué)校。

在學(xué)生層面，AI賦能地理教材數(shù)智化有助于學(xué)生個性化學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)地理教材的靜態(tài)性使其難以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與需求，而數(shù)智化地理教材可融合VR、AR等技術(shù)創(chuàng)設(shè)沉浸式地理學(xué)習(xí)環(huán)境，幫助學(xué)生更好地建立空間聯(lián)系與組合思維，突破地理認知方面的困難。如，AI可在記錄和分析學(xué)生學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，為其精準(zhǔn)推送適合其學(xué)習(xí)進度和能力水平的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并根據(jù)其興趣點輔助制訂個性化學(xué)習(xí)方案，提供個性化學(xué)習(xí)策略，助力其課后自主學(xué)習(xí)；課堂教學(xué)中，AI可為學(xué)生答疑解惑，將個性化學(xué)習(xí)有機嵌入日常課堂學(xué)習(xí)中。

在教師層面，AI賦能地理教材數(shù)智化有助于推動“導(dǎo)-學(xué)-評”一體化。當(dāng)前，教師在備課、授課和學(xué)習(xí)評價等環(huán)節(jié)面臨著較大壓力，AI可提供教學(xué)資源、生成教學(xué)方案、充當(dāng)助教，還可精準(zhǔn)地為學(xué)生畫像，幫助教師據(jù)此開展過程性評價，并通過比較不同時間點學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)的達成度，落實增值評價。

在學(xué)科層面，AI賦能地理教材數(shù)智化有助于地理核心素養(yǎng)的培育。紙質(zhì)教科書等傳統(tǒng)地理教材內(nèi)容模態(tài)的豐富性、交互性有所不足。數(shù)智化地理教材可通過視頻動態(tài)呈現(xiàn)地理過程，也可通過知識圖譜結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)地理知識，使學(xué)生的符號學(xué)習(xí)活動更加直觀和系統(tǒng)，助力其綜合思維、區(qū)域認知等核心素養(yǎng)的生成。此外，學(xué)生可借助數(shù)智化地理教材進行虛擬仿真實驗，與AI助教交流互動，獲得更加豐富的操作類與交往類活動機會，發(fā)展地理實踐力、人地協(xié)調(diào)觀等核心素養(yǎng)。[1]

二、AI賦能地理教材數(shù)智化的邏輯框架

AI賦能地理教材數(shù)智化的要義是，在AI等現(xiàn)代信息技術(shù)的輔助下完成地理課程要素的選擇、組織與表征。因此，AI賦能地理教材數(shù)智化的邏輯框架可從以下三方面建構(gòu)。

1.運用檢索生成增強等技術(shù)共建高質(zhì)量教材內(nèi)容

如何借助AI等技術(shù)選擇地理教材內(nèi)容，這個主問題派生出兩個子問題。指向教材研制者的問題是：如何借助AI前沿技術(shù)生成更加科學(xué)、準(zhǔn)確的數(shù)智化地理教材內(nèi)容？教材研制者借助檢索生成增強技術(shù)可有效解決這個問題——該技術(shù)能依托專用知識向量數(shù)據(jù)庫提高生成內(nèi)容的準(zhǔn)確性，因此教材研制者要著力探索將檢索生成增強技術(shù)有機融入數(shù)智化地理教材內(nèi)容建構(gòu)的有效方法。指向教師的問題是：如何使用AI工具生成更高質(zhì)量的內(nèi)容？為有效解決這個問題，教師有必要探究AI工具的應(yīng)用范式，確保在現(xiàn)有工具水平下生成更高水平的地理教材內(nèi)容，如教師要關(guān)注專業(yè)化智能體的訓(xùn)練、向AI提問的最佳方式等。

2.運用知識追蹤等技術(shù)個性化組織教材內(nèi)容

如何借助AI等技術(shù)組織地理教材內(nèi)容，這個主問題也派生出兩個子問題。教材研制者要解決如何利用AI生成個性化學(xué)習(xí)路徑的問題。個性化學(xué)習(xí)是數(shù)智化地理教材的根本指向，其實現(xiàn)主要依托知識追蹤技術(shù)。如何利用此技術(shù)有效收集和分析課堂教學(xué)過程中的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，全面描述學(xué)生學(xué)習(xí)的信息，進而發(fā)揮教材支持學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的價值，是教材研制者亟需解決的問題。教師要解決如何借助AI構(gòu)建地理知識圖譜的問題。知識圖譜能幫助學(xué)生構(gòu)建知識體系，使地理課程要素的次第化順序更好地轉(zhuǎn)化為學(xué)生頭腦中的網(wǎng)絡(luò)化知識結(jié)構(gòu)。因此，教師有必要探索借助AI生成準(zhǔn)確的地理知識圖譜的途徑。

3.運用思維鏈提示等技術(shù)動態(tài)化呈現(xiàn)教材內(nèi)容

如何借助AI等技術(shù)表征地理教材內(nèi)容，這個主問題同樣派生出兩個子問題。指向教材研制者的問題是：如何構(gòu)建一個能夠反向提問的AI工具？常規(guī)的AI工具往往只能回答學(xué)生的問題，難以主動提出引導(dǎo)學(xué)生思考的問題，這導(dǎo)致AI時常扮演代替學(xué)生思維參與的“寫手”，而思維鏈提示等技術(shù)可分解學(xué)生的問題，并將之轉(zhuǎn)化為若干子問題反饋給學(xué)生，促使他們在逐步深化的思考過程中得到答案。因此，教材研制者應(yīng)深入探索思維鏈提示技術(shù)融入數(shù)智化地理教材的機制。指向教師的問題是：如何合理運用AI生成高質(zhì)量的地理微課？微課可使地理教材內(nèi)容表征由靜態(tài)進階為動態(tài)，輔助學(xué)生更好地進行課前預(yù)習(xí)、課中探究、課后復(fù)習(xí)和課外拓展?？傊珹I工具的有效利用可使微課開發(fā)工作變得十分便捷。

教材數(shù)智化建設(shè)的主體既包括數(shù)智化教材研制者，又包括一線師生。上述主次問題共同構(gòu)成AI賦能地理教材數(shù)智化建設(shè)的“三主六次”邏輯框架。

三、AI賦能地理教材數(shù)智化的實踐策略

在“三主六次”邏輯框架指導(dǎo)下，我們以AI的基本功能為抓手，面向一線教師提出AI賦能地理教材數(shù)智化的實踐策略，助力地理教材內(nèi)容質(zhì)量和個性化水平的提升。

1.創(chuàng)建智能體+公式化提問：生成優(yōu)質(zhì)地理內(nèi)容

AI可生成文本、圖片、音頻、視頻等不同模態(tài)的內(nèi)容，創(chuàng)建智能體和公式化提問可提高AI生成地理內(nèi)容的質(zhì)量。一方面，教師可借助AI平臺創(chuàng)建專業(yè)化智能體，并通過“明確身份”和“投喂資料”不斷調(diào)試和優(yōu)化智能體。例如，教師可創(chuàng)建一個“地理學(xué)家”智能體，并上傳地理課程標(biāo)準(zhǔn)、電子版地理教科書、地理學(xué)專著、地理教研論文等作為訓(xùn)練材料，提升智能體的專業(yè)性。另一方面，提問語言公式化是提高內(nèi)容生成質(zhì)量的有力手段，教師通?？捎谩霸O(shè)定任務(wù)背景+布置任務(wù)內(nèi)容+給出詳細指示+詢問是否理解”的公式提問。例如，教師在上傳訓(xùn)練材料后給出如下指令：您是一名初中地理教師，正在教學(xué)科普版初中地理七年級上冊“海陸變遷”的內(nèi)容，請檢索兩個關(guān)于海陸變遷證據(jù)的案例，要求不能與教科書中的案例重復(fù)，您明白嗎？基于這個指令，AI給出湖北省十堰市發(fā)現(xiàn)泥盆紀(jì)珊瑚化石和重慶市發(fā)現(xiàn)菊石化石兩個案例，案例內(nèi)容科學(xué)、準(zhǔn)確。

2.厘清多級節(jié)點+明確邏輯邊：構(gòu)建地理知識圖譜

知識圖譜的基本單位是節(jié)點和邊，節(jié)點用于表示具體概念或?qū)ο螅呌糜诿枋龉?jié)點間的關(guān)系。構(gòu)建邏輯清晰且科學(xué)準(zhǔn)確的地理知識圖譜有賴于多級節(jié)點的正確選擇和節(jié)點關(guān)系的精準(zhǔn)描繪。AI具備強大的語言理解和邏輯推理功能，是地理知識圖譜構(gòu)建的有力工具。首先，教師可將電子版地理教科書上傳至AI平臺，要求AI梳理出構(gòu)成知識圖譜的各級節(jié)點。AI可基于語言理解功能比較準(zhǔn)確地遴選節(jié)點。以人教版初中地理《天氣與氣候》一章為例，AI可生成以天氣與氣候為一級節(jié)點，以多變的天氣、氣溫的變化與分布、降水的變化與分布、世界的氣候為二級節(jié)點，另有11個三級節(jié)點的知識圖譜節(jié)點體系。其次，教師可要求AI指出不同節(jié)點間的邏輯關(guān)系。AI可基于邏輯推理能力給出比較規(guī)范的節(jié)點關(guān)系，如將氣溫的變化與分布、降水的變化與分布兩個二級節(jié)點與氣候的地區(qū)差異這個三級節(jié)點關(guān)聯(lián)起來，以體現(xiàn)氣溫和降水在不同地區(qū)的組合差異導(dǎo)致氣候的地區(qū)差異這一因果關(guān)系。此外，教師可參考AI生成的內(nèi)容繪制知識圖譜或要求AI獨立生成知識圖譜。例如，教師可下達如下指令：請生成一張高中地理“水循環(huán)”知識圖譜，要求以mermaid的mindmap格式生成。AI生成的內(nèi)容如圖1所示。該圖譜從類型、過程、人類活動對其影響、意義四個方面比較全面且準(zhǔn)確地呈現(xiàn)了“水循環(huán)”的知識體系，有助于學(xué)生形成整體認知。

3.多平臺協(xié)作+虛擬人生成：制作數(shù)字地理微課

AI具有內(nèi)容創(chuàng)作功能，教師可利用該功能和多模態(tài)生成功能制作數(shù)字地理微課。數(shù)字地理微課由講稿、課件、視頻等要素構(gòu)成。教師可根據(jù)微課的實際用途要求AI創(chuàng)作微課講稿，也可要求其對自己創(chuàng)作的微課講稿潤色，潤色后的講稿在互動性、語言表達、教學(xué)總結(jié)與拓展等方面會得到優(yōu)化。例如，教師需要一節(jié)輔助學(xué)生預(yù)習(xí)的微課時，可向AI提出如下要求：您是一名微課制作師，請生成一篇以“陸地與海洋”為主題的3分鐘微課講稿，該微課的用途是輔助學(xué)生預(yù)習(xí)，講稿內(nèi)容要包括海陸分布、七大洲、四大洋的基本知識，您理解嗎？生成的講稿在教師所要求的內(nèi)容基礎(chǔ)上補充了開場語、互動測驗和總結(jié)語，各部分內(nèi)容均由畫面、旁白及對應(yīng)時間構(gòu)成。關(guān)于課件，教師可借助AI生成，也可要求AI指出自己制作的課件存在的問題。此外，教師可借助微課制作平臺將講稿與課件內(nèi)容結(jié)合起來，并選擇虛擬人作為數(shù)字教師，形成微課視頻；也可運用AI的多模態(tài)生成功能直接生成虛擬人微課視頻，如要求AI“生成一段以‘走進地理學(xué)’為主題的3分鐘微課視頻，視頻內(nèi)容為地理學(xué)的研究對象和學(xué)科特點，要有導(dǎo)入、新課講授和總結(jié)等環(huán)節(jié)”。從生成的資源看，數(shù)字教師能較好地把握各環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，如在新課講授環(huán)節(jié)重點講解地理學(xué)的概念、研究對象、特點等。

參考文獻

[1]陳實，程健.原則·結(jié)構(gòu)·設(shè)計：地理教科書的建設(shè)思想與實踐——以科普版義務(wù)教育地理教科書為例[J].地理教學(xué)，2024，（17）：4-10.

（作者單位：華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院）

文字編輯" 劉佳