基于人工智能的地理翻转课堂实践路径研究

摘 要：数字化背景下，人工智能的快速发展促使高中地理翻转课堂全方位转型。人工智能应用于地理翻转课堂的优势突出，能够在保障技术资源的同时便于个性化学习、助力实时评价与协同教学设计。本文以人教版必修一第四章第一节“常见的地貌类型”中的喀斯特地貌为例，利用人工智能在课前、课中、课后开展地理翻转课堂教学，探寻基于人工智能的地理翻转课堂实践路径。

关键词：人工智能；高中地理课程；翻转课堂

中图分类号：G633.55       文献标识码：A       文章编号：1005-5207（2025）01-0008-05

一、引言

人工智能自1956年提出以来，就受到了社会各界的关注。随着科学技术的进一步发展，人工智能逐渐有接近甚至超过人类智能的趋势，因其能够处理更多复杂情景，被广泛应用于计算机、医疗、司法等行业并取得显著成就。教育作为与人才培养和社会发展密切相关的行业，应时刻关注社会新动向，及时应用新成果，通过具有数据化、具身性的人工智能让课堂教学焕发新活力。2023年5月，教育部明确提出“深入推进教育数字化，促进信息技术与教育教学深度融合”，这为教育教学的数字化转型指明了方向。

翻转课堂是指将传统教学的实施地点和方式进行翻转的教学模式。把原本由教师在课堂上教授的部分提至课前完成，让学生通过自学的方式掌握知识；原本需要学生自己在课后学习巩固的内容，则通过在课堂上设置情境等方式让学生内化吸收。地理学作为初高中的必修科目，将先进的教学理论运用于地理教学实践是广大地理教育工作者不断追求的目标，因此，翻转课堂一度成为地理教育研究热点［1］。研究表明，翻转课堂的研究大部分与如何利用翻转课堂进行教学设计有关，如胡文静等人以“全球气候变化”为例，探究劳动教育视角下的高中地理翻转课堂教学设计［2］。进一步研究其实施成果，发现当前翻转课堂仍存在一些问题，如朱文辉等人利用翻转课堂实施效果评价指标体系设计问卷，调查了学生在翻转课堂中的表现，发现84.61%的学生在课前自主扩展学习的频率较低，这主要是由于学生接触电脑的机会较少，且没有可使用的其他设备，制约了学生的学习积极性［3］；许琴、李俊峰等人则指出部分教师在翻转课堂教学时忽略了个性化关注和学习支持［4］。

由此可见，翻转课堂的落实离不开丰富的教学资源和以学生为主导的教学活动，而人工智能的运用恰好能对此提供帮助。基于人工智能的地理翻转课堂利用大数据、云计算技术、人机交互技术、虚拟现实技术（VR）以及增强现实技术（AR）等，营造直观、实时、生动的地理教学环境，设计以学生为中心的地理教学过程，从而弥补过去翻转课堂教学中的不足，更好地培养学生的地理学科核心素养。

二、人工智能应用于地理翻转课堂的优势

人工智能的信息检索能力与语言交互能力强，利用人工智能可丰富教学内容、精细教学设计，实现形成性评价，使教学设计更符合每位学生的学习特点，从而实现翻转课堂由以教师为中心向以学生为中心的转变。

1.人工智能保障技术资源——“资源库”

地理学科因涉及尺度大小、动态演变、空间想象，对学生的抽象思维能力要求较高。因而学生在地理翻转课堂中不仅需要借助书本和地图册，更需要优质的视频资源、3D影像，甚至是VR眼镜等虚拟现实显示设备，使学生对某一区域的认知从二维平面向三维和四维时空转变，从而丰富其对时空观念的认知。人工智能在教师创设情境方面也具有极大帮助。一方面，人工智能使情境更加生动，让学生产生身临其境之感，这能够在激发他们学习兴趣的同时提高解决实际问题的能力，真正实现情境构建的目标；另一方面，地理学的空间属性在地理研究中不可或缺，人工智能使学生对地理事物的认知更加立体化，从而能够从空间视角看待事物，既熟悉某区域的空间位置，了解区域在空间中的格局，又能模拟区域的演变过程并寻找这一区域与其他区域间的空间联系（表1）。

2.人工智能便于个性化学习——“小助手”

传统的教学模式采用大班教学，“生多师少”是课堂常态。在这种教学环境下，教师的注意力很难长时间聚焦于个体，更多的是考虑大部分学生，而学生的认知差异则会对教学效果产生影响。地理翻转课堂的核心是让学生在课前对知识进行提前学习，传统的教学课堂中这些学习资料都是教师根据经验或由班级中等水平学生统一提供，而每位学生的个体差异在各种因素的限制下很难纳入考量范围，这极大影响了翻转课堂的落实。人工智能的应用相当于为每位学生配备了专属学习“小助手”，能够结合学生特点为其提供个性化指导，从而使地理学习更具针对性、科学性。对于基础薄弱的学生应先从生活中的简单情境出发，助其夯实基础，建立地理学习的信心和热情，发现地理之美；对于基础较好的学生应为其提供大量优质学习资源，学生可根据自身兴趣了解千姿百态的地理世界，以书本知识为基础探寻更广阔的天地，拓宽学习广度，挖掘学习深度。

3.人工智能助力实时评价——“监管员”

传统的地理翻转课堂虽会将教学步骤颠倒，但并没有课前评价这一步，而人工智能的应用使得课前评价成为可能。不同于一般诊断性评价，基于人工智能的前测是在教学活动开展前对学生的已有经验、学习动机、学习风格等开展调查，其中既包含了本节课中的必备知识，同时也涉及对学生描述地理事物等地理素养的考查。此外，依靠传统批阅方式往往需要一定时间，而依托人工智能的机器阅卷则极大加快了阅卷速度，减轻教师压力的同时还可对学生的作答情况进行画像，突出疑难问题，这种全方位的评价为之后的个性化学习指明了方向。人工智能不仅将学生回答内容作为评价依据，也将学习过程中的行为作为评价依据，如声音的语音语调、不同学习行为时的姿态、眼睛的注视范围和眨动频率等面部活动、脑电心电等生理信号［5］。相较于试题评价而言，这些在学习过程中收集的评价数据更具全面性、准确性和客观性。

4.人工智能协同教学设计——“好帮手”

地理翻转课堂的落实离不开教学设计与实施。以ChatGPT为代表的一系列生成式训练模型能够依据人类指令自主生成复杂语言对象，从而辅助教师开展教学设计。一方面，教师可通过向ChatGPT提供课程标准内容等模块化指令，使其生成符合教—学—评一致性的教学目标；另一方面，ChatGPT还能够进行角色扮演，充当不同类型、性格的学生。教师可与ChatGPT对话，模拟与学生的交流，了解他们对任务的理解程度、困惑和问题所在。通过与ChatGPT交流，教师可获得来自不同类型学生的模拟答案和反馈，这有助于教师详细了解学生的学习情况并及时调整任务难度和教学方法，以更好地满足学生学习需求。

三、基于人工智能的地理翻转课堂教学实践

本文以人教版必修一第四章第一节“常见地貌类型”中喀斯特地貌为例，探究基于人工智能的地理翻转课堂教学的实践路径（图1）。《普通高中地理课程标准（2017年版2020年修订）》对本节课的要求是“通过野外观察或运用视频、图像，识别喀斯特地貌，描述其景观的主要特点”［6］。

1.课前阶段

（1）依托智能化手段，评估现有认识水平

本节课中，人工智能的前测主要包括了解学生是否曾前往过喀斯特风景区旅游、印象当中的喀斯特景观是怎样的、是否知道喀斯特地貌的演变过程等问题。借助大数据和云计算技术对学生的已有经验进行全方位了解，从而评估其关于喀斯特地貌的认知水平。根据SOLO分类理论，可将学生的思维水平由低到高分为5个不同层次——前结构、单点结构、多点结构、关联结构、拓展抽象结构（表2）。

（2）利用智能平台资源，开展个性化学习

科学的前测能为学生的个性化学习提供强有力的支撑。首先，本节课根据前测时学生的表现，利用人工智能从互联网中搜寻最合适的视频、图像等资源。在此过程中，学生可借助虚拟现实技术（VR）对喀斯特地貌产生直观的印象（图2），从而对这一地理概念建立初步认知。其次，模拟地表、地下喀斯特地貌的演变过程，让学生切身感受动态演变过程。最后，通过Google earth定位到喀斯特地貌广布的云贵川地区，并借助Weather Now了解该地区的气温、降水等地理要素（图3），引导学生探寻喀斯特地貌的形成原因，综合思考地区间各要素的相互作用与影响。对于学有余力的学生，还可补充其他地貌类型知识，促使其举一反三。

2.课中阶段

（1）借助人工智能，优化教学设计

【发出指令】人教版高中地理必修二“喀斯特地貌”一节的课程标准为“通过野外观察或运用视频、图像，识别喀斯特地貌，描述其景观的主要特点”。学习对象为高一年级学生，请据此从地理学科核心素养（综合思维、区域认知、地理实践力、人地协调观）角度出发，撰写本课教学目标。

【ChatGPT回答】①综合思维能力：通过对喀斯特地貌的野外观察或视频、图像的运用，学生将提高整合、分析、判断地理信息的能力，从而形成对地貌特征的系统认识；②区域认知能力：学生将通过学习喀斯特地貌，理解其在地理环境中的位置、形成原因及其对区域发展的影响，进而提升对不同地理区域的认知水平；③地理实践能力：通过野外观察或观看相关视频、图像，学生将掌握实地调查的基本方法，提高地理实践操作能力，包括观察、记录、分析和总结；④人地协调观：学生将在观察喀斯特地貌的过程中，体会人类与地理环境的相互关系，增强保护环境、合理利用地质资源的意识，培养珍惜和保护地球的情感。

【发出指令】请扮演学习能力欠缺的学生，结合以上教学目标，分析这节课的教学重点和难点。

【ChatGPT回答】教学重点包括以下2个方面。

①理解喀斯特地貌的基本概念和特征：我需要着重理解喀斯特地貌的定义、形成原因及主要特点，包括地上喀斯特和地下喀斯特的区别和联系；②实地观察和数据收集：我需要通过实地观察喀斯特地貌，记录所见所闻，包括地表景观和地下溶蚀地貌的特点，以便后续的总结和讨论。

教学难点包括以下3个方面。

①形成机制的理解：对于我来说，理解喀斯特地貌的形成机制可能是一个难点，因为其中涉及复杂的地质过程和概念，我可能需要更多的解释和实例来帮助理解；②地理实践能力的培养：虽然教师提到了通过野外观察和图像识别来培养地理实践能力，但我可能缺乏相关经验和技能，需要更多的指导和实践机会来提高我的技能水平；③人地协调观的培养：对于理解人类活动对喀斯特地貌的影响以及环境保护与可持续发展之间的关系，我可能会感到困惑，因为这需要我具备一定综合思维能力和地理知识，而我在这方面还存在欠缺。

翻转课堂的实施离不开教学目标，而ChatGPT能够依据课标在极短的时间内生成基于地理核心素养的教学目标，简化教师教学的流程。此外，当前人工智能还可与操作者进行对话，通过对话可模拟出学生在学习过程中遇到的困难。对本节课而言，重难点一方面是喀斯特地貌的特点及形成机制；另一方面，由于课标要求“结合野外观察或运用视频、图像”，这对学生的数据收集能力、地理实践能力都提出了更高的要求。因此，教师在设计教学活动时要加强这方面的培育，从而提升学生的核心素养（图4）。

情境创设有利于学生在实践中加深对知识的理解，而情境的选取对翻转课堂尤为重要，应以贴近生活、难度适中、培育能力为宜。案例选取欧洲南部的什科茨扬溶洞群，引导学生通过小组合作、交流讨论，并借助地图及人工智能工具，找到什科茨扬溶洞群所在位置，识别景观特点，分析当地溶洞的形成原因，进一步探究其造成的影响，从而加深学生对喀斯特地貌的理解，促使学生化知识为素养，提高问题解决能力。

（2）通过人机对话，及时解决疑惑

对话式教学自古以来便是授业解惑的重要方式，无论是我国先贤孔子的“启发”艺术还是西方苏格拉底的“产婆术”思想，都强调在与学生对话追问的过程中依据学生特点进行个性化指导，从而实现知识传递。现如今，生成式人工智能同样具有与使用者对话的功能，其强大的交互功能可随时随地为学生提供学习帮助，这为翻转课堂的个性化教学提供了支撑。在实际开展翻转课堂教学时，学生可通过连续追问“喀斯特地貌在形态上有哪些特点”及“为什么会形成这些特点”的方式，将人工智能视作一个知识渊博的学习伴侣，弥补教师在翻转课堂上无法同时面对多个学生的局限，使得学生的问题能够得到及时解决和个性化反馈。