基于人工智能的地理翻轉課堂實踐路徑研究

摘 要：數字化背景下，人工智能的快速發展促使高中地理翻轉課堂全方位轉型。人工智能應用于地理翻轉課堂的優勢突出，能夠在保障技術資源的同時便于個性化學習、助力實時評價與協同教學設計。本文以人教版必修一第四章第一節“常見的地貌類型”中的喀斯特地貌為例，利用人工智能在課前、課中、課后開展地理翻轉課堂教學，探尋基于人工智能的地理翻轉課堂實踐路徑。

關鍵詞：人工智能；高中地理課程；翻轉課堂

中圖分類號：G633.55 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5207（2025）01-0008-05

一、引言

人工智能自1956年提出以來，就受到了社會各界的關注。隨著科學技術的進一步發展，人工智能逐漸有接近甚至超過人類智能的趨勢，因其能夠處理更多復雜情景，被廣泛應用于計算機、醫療、司法等行業并取得顯著成就。教育作為與人才培養和社會發展密切相關的行業，應時刻關注社會新動向，及時應用新成果，通過具有數據化、具身性的人工智能讓課堂教學煥發新活力。2023年5月，教育部明確提出“深入推進教育數字化，促進信息技術與教育教學深度融合”，這為教育教學的數字化轉型指明了方向。

翻轉課堂是指將傳統教學的實施地點和方式進行翻轉的教學模式。把原本由教師在課堂上教授的部分提至課前完成，讓學生通過自學的方式掌握知識；原本需要學生自己在課后學習鞏固的內容，則通過在課堂上設置情境等方式讓學生內化吸收。地理學作為初高中的必修科目，將先進的教學理論運用于地理教學實踐是廣大地理教育工作者不斷追求的目標，因此，翻轉課堂一度成為地理教育研究熱點［1］。研究表明，翻轉課堂的研究大部分與如何利用翻轉課堂進行教學設計有關，如胡文靜等人以“全球氣候變化”為例，探究勞動教育視角下的高中地理翻轉課堂教學設計［2］。進一步研究其實施成果，發現當前翻轉課堂仍存在一些問題，如朱文輝等人利用翻轉課堂實施效果評價指標體系設計問卷，調查了學生在翻轉課堂中的表現，發現84.61%的學生在課前自主擴展學習的頻率較低，這主要是由于學生接觸電腦的機會較少，且沒有可使用的其他設備，制約了學生的學習積極性［3］；許琴、李俊峰等人則指出部分教師在翻轉課堂教學時忽略了個性化關注和學習支持［4］。

由此可見，翻轉課堂的落實離不開豐富的教學資源和以學生為主導的教學活動，而人工智能的運用恰好能對此提供幫助。基于人工智能的地理翻轉課堂利用大數據、云計算技術、人機交互技術、虛擬現實技術（VR）以及增強現實技術（AR）等，營造直觀、實時、生動的地理教學環境，設計以學生為中心的地理教學過程，從而彌補過去翻轉課堂教學中的不足，更好地培養學生的地理學科核心素養。

二、人工智能應用于地理翻轉課堂的優勢

人工智能的信息檢索能力與語言交互能力強，利用人工智能可豐富教學內容、精細教學設計，實現形成性評價，使教學設計更符合每位學生的學習特點，從而實現翻轉課堂由以教師為中心向以學生為中心的轉變。

1.人工智能保障技術資源——“資源庫”

地理學科因涉及尺度大小、動態演變、空間想象，對學生的抽象思維能力要求較高。因而學生在地理翻轉課堂中不僅需要借助書本和地圖冊，更需要優質的視頻資源、3D影像，甚至是VR眼鏡等虛擬現實顯示設備，使學生對某一區域的認知從二維平面向三維和四維時空轉變，從而豐富其對時空觀念的認知。人工智能在教師創設情境方面也具有極大幫助。一方面，人工智能使情境更加生動，讓學生產生身臨其境之感，這能夠在激發他們學習興趣的同時提高解決實際問題的能力，真正實現情境構建的目標；另一方面，地理學的空間屬性在地理研究中不可或缺，人工智能使學生對地理事物的認知更加立體化，從而能夠從空間視角看待事物，既熟悉某區域的空間位置，了解區域在空間中的格局，又能模擬區域的演變過程并尋找這一區域與其他區域間的空間聯系（表1）。

2.人工智能便于個性化學習——“小助手”

傳統的教學模式采用大班教學，“生多師少”是課堂常態。在這種教學環境下，教師的注意力很難長時間聚焦于個體，更多的是考慮大部分學生，而學生的認知差異則會對教學效果產生影響。地理翻轉課堂的核心是讓學生在課前對知識進行提前學習，傳統的教學課堂中這些學習資料都是教師根據經驗或由班級中等水平學生統一提供，而每位學生的個體差異在各種因素的限制下很難納入考量范圍，這極大影響了翻轉課堂的落實。人工智能的應用相當于為每位學生配備了專屬學習“小助手”，能夠結合學生特點為其提供個性化指導，從而使地理學習更具針對性、科學性。對于基礎薄弱的學生應先從生活中的簡單情境出發，助其夯實基礎，建立地理學習的信心和熱情，發現地理之美；對于基礎較好的學生應為其提供大量優質學習資源，學生可根據自身興趣了解千姿百態的地理世界，以書本知識為基礎探尋更廣闊的天地，拓寬學習廣度，挖掘學習深度。

3.人工智能助力實時評價——“監管員”

傳統的地理翻轉課堂雖會將教學步驟顛倒，但并沒有課前評價這一步，而人工智能的應用使得課前評價成為可能。不同于一般診斷性評價，基于人工智能的前測是在教學活動開展前對學生的已有經驗、學習動機、學習風格等開展調查，其中既包含了本節課中的必備知識，同時也涉及對學生描述地理事物等地理素養的考查。此外，依靠傳統批閱方式往往需要一定時間，而依托人工智能的機器閱卷則極大加快了閱卷速度，減輕教師壓力的同時還可對學生的作答情況進行畫像，突出疑難問題，這種全方位的評價為之后的個性化學習指明了方向。人工智能不僅將學生回答內容作為評價依據，也將學習過程中的行為作為評價依據，如聲音的語音語調、不同學習行為時的姿態、眼睛的注視范圍和眨動頻率等面部活動、腦電心電等生理信號［5］。相較于試題評價而言，這些在學習過程中收集的評價數據更具全面性、準確性和客觀性。

4.人工智能協同教學設計——“好幫手”

地理翻轉課堂的落實離不開教學設計與實施。以ChatGPT為代表的一系列生成式訓練模型能夠依據人類指令自主生成復雜語言對象，從而輔助教師開展教學設計。一方面，教師可通過向ChatGPT提供課程標準內容等模塊化指令，使其生成符合教—學—評一致性的教學目標；另一方面，ChatGPT還能夠進行角色扮演，充當不同類型、性格的學生。教師可與ChatGPT對話，模擬與學生的交流，了解他們對任務的理解程度、困惑和問題所在。通過與ChatGPT交流，教師可獲得來自不同類型學生的模擬答案和反饋，這有助于教師詳細了解學生的學習情況并及時調整任務難度和教學方法，以更好地滿足學生學習需求。

三、基于人工智能的地理翻轉課堂教學實踐

本文以人教版必修一第四章第一節“常見地貌類型”中喀斯特地貌為例，探究基于人工智能的地理翻轉課堂教學的實踐路徑（圖1）。《普通高中地理課程標準（2017年版2020年修訂）》對本節課的要求是“通過野外觀察或運用視頻、圖像，識別喀斯特地貌，描述其景觀的主要特點”［6］。

1.課前階段

（1）依托智能化手段，評估現有認識水平

本節課中，人工智能的前測主要包括了解學生是否曾前往過喀斯特風景區旅游、印象當中的喀斯特景觀是怎樣的、是否知道喀斯特地貌的演變過程等問題。借助大數據和云計算技術對學生的已有經驗進行全方位了解，從而評估其關于喀斯特地貌的認知水平。根據SOLO分類理論，可將學生的思維水平由低到高分為5個不同層次——前結構、單點結構、多點結構、關聯結構、拓展抽象結構（表2）。

（2）利用智能平臺資源，開展個性化學習

科學的前測能為學生的個性化學習提供強有力的支撐。首先，本節課根據前測時學生的表現，利用人工智能從互聯網中搜尋最合適的視頻、圖像等資源。在此過程中，學生可借助虛擬現實技術（VR）對喀斯特地貌產生直觀的印象（圖2），從而對這一地理概念建立初步認知。其次，模擬地表、地下喀斯特地貌的演變過程，讓學生切身感受動態演變過程。最后，通過Google earth定位到喀斯特地貌廣布的云貴川地區，并借助Weather Now了解該地區的氣溫、降水等地理要素（圖3），引導學生探尋喀斯特地貌的形成原因，綜合思考地區間各要素的相互作用與影響。對于學有余力的學生，還可補充其他地貌類型知識，促使其舉一反三。

2.課中階段

（1）借助人工智能，優化教學設計

【發出指令】人教版高中地理必修二“喀斯特地貌”一節的課程標準為“通過野外觀察或運用視頻、圖像，識別喀斯特地貌，描述其景觀的主要特點”。學習對象為高一年級學生，請據此從地理學科核心素養（綜合思維、區域認知、地理實踐力、人地協調觀）角度出發，撰寫本課教學目標。

【ChatGPT回答】①綜合思維能力：通過對喀斯特地貌的野外觀察或視頻、圖像的運用，學生將提高整合、分析、判斷地理信息的能力，從而形成對地貌特征的系統認識；②區域認知能力：學生將通過學習喀斯特地貌，理解其在地理環境中的位置、形成原因及其對區域發展的影響，進而提升對不同地理區域的認知水平；③地理實踐能力：通過野外觀察或觀看相關視頻、圖像，學生將掌握實地調查的基本方法，提高地理實踐操作能力，包括觀察、記錄、分析和總結；④人地協調觀：學生將在觀察喀斯特地貌的過程中，體會人類與地理環境的相互關系，增強保護環境、合理利用地質資源的意識，培養珍惜和保護地球的情感。

【發出指令】請扮演學習能力欠缺的學生，結合以上教學目標，分析這節課的教學重點和難點。

【ChatGPT回答】教學重點包括以下2個方面。

①理解喀斯特地貌的基本概念和特征：我需要著重理解喀斯特地貌的定義、形成原因及主要特點，包括地上喀斯特和地下喀斯特的區別和聯系；②實地觀察和數據收集：我需要通過實地觀察喀斯特地貌，記錄所見所聞，包括地表景觀和地下溶蝕地貌的特點，以便后續的總結和討論。

教學難點包括以下3個方面。

①形成機制的理解：對于我來說，理解喀斯特地貌的形成機制可能是一個難點，因為其中涉及復雜的地質過程和概念，我可能需要更多的解釋和實例來幫助理解；②地理實踐能力的培養：雖然教師提到了通過野外觀察和圖像識別來培養地理實踐能力，但我可能缺乏相關經驗和技能，需要更多的指導和實踐機會來提高我的技能水平；③人地協調觀的培養：對于理解人類活動對喀斯特地貌的影響以及環境保護與可持續發展之間的關系，我可能會感到困惑，因為這需要我具備一定綜合思維能力和地理知識，而我在這方面還存在欠缺。

翻轉課堂的實施離不開教學目標，而ChatGPT能夠依據課標在極短的時間內生成基于地理核心素養的教學目標，簡化教師教學的流程。此外，當前人工智能還可與操作者進行對話，通過對話可模擬出學生在學習過程中遇到的困難。對本節課而言，重難點一方面是喀斯特地貌的特點及形成機制；另一方面，由于課標要求“結合野外觀察或運用視頻、圖像”，這對學生的數據收集能力、地理實踐能力都提出了更高的要求。因此，教師在設計教學活動時要加強這方面的培育，從而提升學生的核心素養（圖4）。

情境創設有利于學生在實踐中加深對知識的理解，而情境的選取對翻轉課堂尤為重要，應以貼近生活、難度適中、培育能力為宜。案例選取歐洲南部的什科茨揚溶洞群，引導學生通過小組合作、交流討論，并借助地圖及人工智能工具，找到什科茨揚溶洞群所在位置，識別景觀特點，分析當地溶洞的形成原因，進一步探究其造成的影響，從而加深學生對喀斯特地貌的理解，促使學生化知識為素養，提高問題解決能力。

（2）通過人機對話，及時解決疑惑

對話式教學自古以來便是授業解惑的重要方式，無論是我國先賢孔子的“啟發”藝術還是西方蘇格拉底的“產婆術”思想，都強調在與學生對話追問的過程中依據學生特點進行個性化指導，從而實現知識傳遞。現如今，生成式人工智能同樣具有與使用者對話的功能，其強大的交互功能可隨時隨地為學生提供學習幫助，這為翻轉課堂的個性化教學提供了支撐。在實際開展翻轉課堂教學時，學生可通過連續追問“喀斯特地貌在形態上有哪些特點”及“為什么會形成這些特點”的方式，將人工智能視作一個知識淵博的學習伴侶，彌補教師在翻轉課堂上無法同時面對多個學生的局限，使得學生的問題能夠得到及時解決和個性化反饋。

3.課后階段

課后生成測評試題，參與課后評價。

【發出指令】根據上述教學目標和重難點，設計2道選擇題和1道簡答題，檢驗學生對喀斯特地貌的學習情況。

【ChatGPT回答】①喀斯特地貌形成的主要機制是：A.水的沖刷作用，B.冰川侵蝕作用，C.風的風化作用，D.巖溶作用；②以下哪種地貌特征是喀斯特地貌的典型特點？A.U型谷，B.冰川湖，C.河流三角洲，D.溶洞和地下河道；③請簡要描述喀斯特地貌的形成過程和主要特征。

在翻轉課堂課后，教師可通過與生成式人工智能對話設計測評試題，多維度檢驗學生本節課的學習效果。同時，利用機器閱卷，生成不同學生的智能畫像，并以此為依據分層布置課后作業。對于掌握程度較高的學生，鼓勵其將喀斯特地貌的學習方法遷移至其他常見的地貌類型；而對于掌握程度較低的學生，則根據畫像幫助其進一步夯實本節課知識。

四、結論

人工智能促使高中地理翻轉課堂在數字化背景下全方位轉型，將先進的軟硬件設備運用于課堂教學，豐富教學媒介、輔助教學設計、科學實施評價、實現個性化學習。然而，在實際操作人工智能進行翻轉課堂教學時，要注意盡管人工智能存在諸多優點，但并不意味著教師能夠被仿真機器所取代。因為教育不是簡單地傳遞知識，而是受教育者與教育者的靈魂碰撞。因此，在使用人工智能時要以人為中心，理性把握人工智能的使用界限，在教學活動中建立良好和諧的師生關系。

參考文獻：

［1］ 竇同宇， 龔倩. 近十年我國地理教育研究進展與展望［J］. 地理教學， 2019（19）： 4Slkzzg9SmXA9WK290hYnpQ==-8.

［2］ 胡文靜， 綦昕瑤， 邱彬. 勞動教育視角下的高中地理翻轉課堂教學設計——以“全球氣候變化”為例［J］. 地理教育， 2022（S1）： 133-135.

［3］ 朱文輝. 中學翻轉課堂實施效果的調查研究［J］. 教育理論與實踐， 2020， 40（5）： 42-45.

［4］ 許琴， 李俊峰. 高中地理翻轉課堂實施存在問題及改進策略［J］. 地理教育， 2018（3）： 46-48.

［5］ 吳立寶， 曹雅楠， 曹一鳴. 人工智能賦能課堂教學評價改革與技術實現的框架構建［J］. 中國電化教育， 2021（5）： 94-101.

［6］ 中華人民共和國教育部. 普通高中地理課程標準（2017年版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

通信作者：蔣連飛