芻議人工智能與未來中學地理教學

楊林茂 閆曉玲

摘 要：人工智能經過六十余載的曲折發展現已初露鋒芒，在各行業中都發揮著不可或缺的作用。文章通過問卷調查的方式，根據未來地理教學的特點，對人工智能在未來中學地理教學中的應用進行分析研究。

關鍵詞：人工智能；未來教育；中學地理教學

一、 人工智能及其影響

1.人工智能的內涵

人工智能（Artificial Intelligence，AI）的概念最早是在1956年夏季由麥卡錫（John McCarthy）教授等學者提出的，旨在讓計算機像人一樣思考和學習。人工智能自誕生以來便受到各國科學研究人員的追捧，但是由于人的認知以及技術條件的限制，發展相對緩慢。直到1997年，IBM公司對第一代超級計算機“深藍”進行改良，擊敗國際象棋世界冠軍。2016年初谷歌公司設計的計算機圍棋程序Alpha Go先后擊敗世界圍棋冠軍李世石、柯潔，2017年谷歌團隊基于Alpha Go的原理對圍棋程序進行升級，Alpha Go Zero由此問世，最終以100∶0的絕對優勢擊敗Alpha Go[1]。

2.人工智能對未來中學地理教育教學的影響

目前人工智能已經在交通、醫療、教育、娛樂、就業、科技等方面產生了深遠影響，2017年7月8日國務院頒布《新一代人工智能發展規劃的通知》，提出智能教育的概念，利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系。開發智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系統。建立以學習者為中心的教育環境，提供精準推送的教育服務，實現日常教育和終身教育定制化[2]。

近年來基于大數據的云計算發展勢頭迅猛，人工智能順應時代的步伐，不斷提升自身的更新迭代能力。機器學習、深度學習、人機交互是人工智能應用的三個階段，通過機器學習以及“互聯網+教育”模式，在一定程度上打破了時空、地域、經濟的界限，將海量的優質地理教學資源與先進的教/學經驗通過移動終端的方式傳遞給地理學習者，提高教/學效率，實現教育公平。

深度學習是機器學習領域一個新興的研究方向，它通過模仿人腦結構，實現對復雜輸入數據的高效處理，智能地學習不同知識，而且能有效解決多類復雜的智能問題[3]。在地理教學過程中，人工智能會對教師的教學過程和學生的學習過程進行長期的智能統計與分析，根據用戶的行為習慣提供個性化的指導意見。對于高中地理比較抽象的必修一部分內容，人工智能會根據每個學生的學習程度分別推送適合每個學生的學習資料以及學習方法，有助于激發學習興趣，提高學習積極性，掌握學習方法，從而進行自主學習。

人機交互是人工智能在教育領域的理想狀態，個人助理機器人系統可以對師生起到很好的輔助作用。系統會基于海量的優質地理教育資源、快速的計算能力和深度學習，對用戶做一個精準測評，根據自身條件制定個性化學習計劃。因此，地理教師無需再擔心抽象的課程需要怎么進行導入來激發學生興趣，更不用擔心怎么實施分層教學，孔子所提倡的“有教無類，因材施教”教育思想會得到充分的利用和發揮。未來的地理課堂將會更加開放化、智能化、個性化，地理教師需要做的就是發揮教師的主導作用，貫徹落實地理核心素養，實現以學生為中心的教學形式。

本文從中學地理教學的角度出發，對110名地理教師進行問卷調查，回收有效問卷109份，以此為基礎分析人工智能在中學地理教學中的可能應用途徑和前景。

二、未來中學地理教學的特點

1.高度重視學生地理核心素養的培養

學科核心素養的提出以及《地理教育國際憲章（2016）》的出臺，既是對過去地理教育教學改革的認可，同時也為未來地理教育教學改革提供了可參考的依據。中學地理課程理念強調學習對生活和終身發展有用的地理，新憲章明確了“地理并非學習大量的事實和概念”以及提出“地理學是唯一關注空間分析的科學”，這是對區域認知和地理實踐力的最好詮釋[4]。地理核心素養與社會發展以及變革密切相關，體現了社會發展對人的根本需求[5]，全球化背景下人地關系依然是地理學研究的主線，需要學生運用綜合思維來看待和思考地理問題，樹立可持續發展觀念，地理教學目標也重視對學生情感態度與價值觀的培養。因此，重視對學生地理核心素養的培養是未來地理教育教學的重要特點，我國目前所進行的一系列教育教學改革（中招、高考、新課改）將對教育事業的發展產生深遠而重大的影響。

2.學生課堂參與和師生互動更加廣泛深入

以高新技術為代表的人工智能技術的出現在激發學生學習興趣、調動學生課堂參與度方面發揮著獨特的作用。人工智能自誕生以來就被定義為一臺能夠獨立做決定的機器人，利用大數據和云計算平臺提供精準化服務，解決一些復雜的難題，基于人工智能開發的教學系統可以把因材施教的個性化教學理念惠及每個學生。傳統的教學方式已經逐漸不適應社會和學生發展的需求，未來的地理教學會更加突出學生的主體地位和教師的主導作用。現在部分學校已經開始實行雙板教學，例如，地理教學中比較抽象的必修一：地球的運動、大氣運動、地表形態的塑造等內容，地理教師可以把相對應的內容制作成視頻或者微課形式的小文件推送到學生的平板電腦上，學生根據自己的實際情況進行學習，也可以課后反復觀看。這種新穎的教學方式能夠有效吸引學生的注意力，培養學習興趣，提高學生課堂參與度。課后教師可以把每個章節的練習題發到學生的平板電腦上，學生在規定時間內完成以后，教師能及時獲取答題反饋，從而做出正確的評價。

3.地理課堂教學形式更加靈活多樣

傳統的地理教學是在固定的時間、地點學習固定的內容，一定程度上限制了學生的思維發展，而隨著互聯網、人工智能、大數據等新技術的發展，傳統的教學方式會被徹底打破。例如，現在比較知名的MOOC、微課以及滬江網等在線學習平臺，可以突破時間、地點、內容、教師的限制，優質教育資源得到合理配置，“泛在學習”這種教學形式會成為主流，同時也跟國家所提倡的終身學習相符合。互聯網的發展，人工智能在教育教學上的運用，已經使得泛在學習可以真正實現。但現在的教育體制、考試錄取招生制度限制了現代信息技術在教育上的運用，已經到了陳舊生產關系束縛先進生產力的時候了[6]。

三、人工智能在未來中學地理教學中的應用領域及前景

1.人工智能將使學習者更便捷地獲取豐富的學習資源

基于大數據和云計算的“互聯網+教育”能在最大程度上消除時空、地域、經濟、文化等因素對教育帶來的不利影響，均衡教育資源，實現教育的相對公平。在調查過程中發現有80%的地理教師認為人工智能可以幫助學習者獲取更多的資源：豐富的圖片、視頻等（圖1），所以他們能學得更好。例如，現在比較流行的MOOC和微課等互聯網在線學習平臺受到高校教師和教育者的一致好評，市場上有關在線學習平臺的產品如雨后春筍般涌現，學生能夠更加方便地獲取其感興趣的教學資源，使線上自主學習模式成為傳統課堂學習的有效補充[7]。

2.人工智能將大大縮短學習者的學習周期

地理學是一門綜合性學科，有較強的實踐性、開放性和邏輯性。中學地理教學內容廣泛，大致包括自然地理學（氣候、地貌、水文等）和人文地理學（經濟、文化、旅游等）兩大類，需要識記和理解的內容相對較多，學生在學習過程中往往死記硬背，沒有采用合理科學的學習方式，容易失去學習興趣。

人工智能憑借其超強的學習能力和運算能力可以根據學習者的實際情況為其制定個性化的教學方式。81.7%的教師認為人工智能可以幫助學習者縮短學習周期，學得更快（表1）。國內很多在線學習平臺運用人工智能系統分析學情，記錄學生的學習行為，基于這些學習過程數據，為每位學習者推送個性化、量身定制的學習內容[8]，并結合個性化的教學方式，在最大程度上縮短學習周期，提高學習效率。

3.人工智能將明顯提高學習者的學習質量

中學地理內容廣泛并且知識點較多，高考形式也已經不是考查學生對概念或者原理的掌握程度，而是建立在掌握基礎概念和原理的基礎上，學會運用知識去解決生活中的實際問題。“互聯網+教育”的學習方式有利于均衡教育資源，使優質的教育資源得到合理的配置，但是學習者的學習能力和接受知識的能力層次不齊。65%的教師認為人工智能可以提高學習者的學習質量，學得更好（圖2）。人工智能系統充分尊重師生人性，能依據教師、學生的特征和需求，提供精細、富有實效的個性化教育服務[9]。人工智能還能分析學習者行為特征，當學習效果不適合或者效率低下時，系統自適應功能通過算法或者學習數據進行分析，及時反饋并給出合理化建議，不斷矯正學習者的學習行為，從而提高學習質量。

4.人工智能將有效推進個性化教育

核心素養引領下的中學地理教學將更加重視學生能力和個性的養成，而不是僅限于分數的高低。個性化教育不僅是時代進步和教育轉型發展的客觀要求，更是未來教育改革和發展的重要趨勢[10]。82%的教師認為人工智能可以發展到根據學習者的不同層次，設置不同的學習方案的水平（圖3），大大提升教育教學的有效性。

鑒于當下地理分層教學進展緩慢，互聯網可以將各種場景連接起來，云計算則提供各種資源、各種數據服務，人工智能在中間起到穿針引線的作用，可以進行輔助性或決策性的分析[11]。人工智能系統借助自身的深度學習和深度神經網絡對學習者進行智能分析和評價，把每個學生分成不同的層次，從海量的數據庫中利用云計算技術為學習者精準推送合適的學習內容和學習方法，設置不同的學習方案。

人工智能發展勢頭強勁，在教育領域已經有所突破與創新，但是整體發展態勢還屬于初級階段，距離大規模商用階段還相差甚遠。即便如此，人工智能對教育行業產生的沖擊也不容小覷，教師應該切實轉變傳統觀念，以客觀的態度看待人工智能在語音識別、圖像識別、大數據分析、自定義學習等方面發揮的作用。人工智能在自定義方面的能力是人腦所不能相比的，特別是在教育領域的應用更有著天然優勢，因材施教學習理念會得到最完美的詮釋。隨著人工智能技術的不斷更新迭代，在不久的將來可能將徹底顛覆傳統的教育模式，在提高教/學效率、滿足學生個性化發展等方面將發揮不可替代的作用。

參考文獻：

[1]Silver D，Schrittwieser J，Simonyan K，et al.Mastering the Game of Go without Human Knowledge[J].Nature，2017，550（7676）：354.

[2]國務院.新一代人工智能發展規劃[DB/OL].[2017-08-24].http：//www.gov.cn/zhengce/content/ 2017-07/20/content_5211996.htm.

[3]孫志遠，魯成祥，史忠植，等.深度學習研究與進展[J].計算機科學，2016，43（2）：1-8.

[4]胡望舒，張瑩.從地理教育國際憲章看未來地理教育[J].中學地理教學參考，2016（21）：11-13.

[5]李家清，常珊珊.核心素養：深化地理課程改革的新指向[J].地理教育，2015（04）：4-6.

[6]伏彩瑞，關新，朱華勇，等.“人工智能與未來教育”筆談（下）[J].華東師范大學學報（教育科學版），2017，35（05）：13-29.

[7]李昭涵，金樺，劉越.人工智能開啟“互聯網+教育”新模式[J].電信網技術，2016（12）：6-10.

[8]陳凱泉，沙俊宏，何瑤，等.人工智能2.0重塑學習的技術路徑與實踐探索——兼論智能教學系統的功能升級[J].遠程教育雜志，2017，35（05）：40-53.

[9]吳永和，劉博文，馬曉玲.構筑“人工智能+教育”的生態系統[J].遠程教育雜志，2017，35（05）：27-39.

[10]郅庭瑾，尚偉偉.個性化教育實踐概況與未來發展思考[J].教育發展研究，2016，36（06）：53-57.

[11]朱永新，徐子望，魯白，等.“人工智能與未來教育”筆談（上）[J].華東師范大學學報（教育科學版），2017，35（04）：15-30.