基于人工智能的个性化高中地理教案编写探索

摘 要：传统的教案编写模式虽然有助于规范化教学，但难以满足地理学科的多学科交叉特性和教育发展水平的区域性差异。本文探索了基于人工智能的个性化高中地理教案编写方法，以ChatGPT为例，详细阐述了如何利用其优化高中地理教案的流程和步骤。首先，通过优化逻辑结构，使教案条理清晰、逻辑严密；其次，基于新课标，优化教学目标，融入地理信息技术等现代教学资源，以实现新课标与新教材的紧密衔接；再次，根据地区差异，融入地方教学资源，丰富教学内容；最后，针对学情，提供定制化教学建议，以实现个性化教学。结果表明，ChatGPT在高中地理教案编写中具有显著效果，可为教师提供个性化的教案优化服务，为提高教学质量提供支撑。

关键词：ChatGPT；教案优化；人工智能；地理

中图分类号：G633.55       文献标识码：A       文章编号：1005-5207（2024）12-0017-06

一、引言

教案在指导教师课堂教学，保证教学质量方面扮演着举足轻重的作用。通过事先编写和准备教案，教师可合理分配教学资源，并根据实际学情调整和改进教学计划，从而优化课堂教学。在现代教育体系中，地理学科因其独特的跨学科特性和地域性特点，对教案编写提出了更高要求。通过分析近年高中地理教学的参考资料［1-3］可知，传统地理教案多采用固定的结构模式。如“课程标准—教学目标—教学重难点—教学方法—教学过程—板书设计—教案反思”。这种模式在协助教师规范化组织课堂、完成教学评估、传递知识体系等方面具有独特优势。但地理学的知识体系具有多学科交叉、地域特色显著的特点，长久以来的教育体系中还存在教育发展水平的区域性差异、学校差异、班级差异，千篇一律的教案编写模式侧重于单一学科知识的线性传授，无法有效融入跨学科知识、地域特色、学情特点等形成有效的案例教学、项目式学习、实地考察等多样化教学方案，在促进学生对自然地理和人文地理领域的深入理解，培养其批判性思维和综合分析能力等方面存在一定局限。

此外，“新课标”“新教材”“新高考”应时代和社会发展的需求而生，三者理应紧密衔接，全方位指导教师实施学校教育教学，但事实却并非如此。例如，在地理教学指导中，新课标对必修课程内容的每一章节均要求学生能够了解并应用地理信息技术［4］，但在各版本的“新教材”中却没有提供足够的信息和案例以支持学生对地理信息技术的学习及应用；新课标的基本理念提出：教师要充分利用地理信息技术，营造直观、实时、生动的地理教学环境［4］，却未见有明确的指导方案给予支持。在实施教学的过程中，三者衔接的重担就落到了教案编写上，但固定结构模式的教案编写并不能有效解决这一问题。

基于上述问题，将教案编写转化为智能化辅助劳动，在充分衔接“新课标”“新教材”“新高考”的基础上，又能体现地理学知识特点和教育发展水平差异的个性化教案则成为目前切实提高教育教学质量的新需求。基于此，本文拟引入人工智能技术，通过设计教案优化方案并通过具体案例分析其可行性，实现 “新课标”“新教材”“新高考”充分衔接并体现学科特点和各类差异特点的个性化教案优化，以期为辅助教师提高教学质量提供有力保障。

二、高中地理教学需求与人工智能

高中地理是一门研究地表自然环境、人类活动及其相互关系的学科，具有综合性和区域性的特点。新课标要求高中地理通过地理学科核心素养的培养，从地理教育的角度落实立德树人根本任务［4］；新教材要求高中课程要促进学生全面而有个性的发展［5］；新高考要求高中地理改变传统教学模式、丰富教学内容，以优化教学理念、创新施教方式，促进学生全面发展，在培养学生良好地理核心素养的同时，为其备战高考夯实基础［6］；而现实是基础教育水平存在区域差异、学校差异以及班级差异，既能体现学科特点，又能有效衔接“新课标”“新教材”“新高考”相关要求且融合地方、学校、班级学情实际的高质量教案就显得尤为重要。在实际教学实施中，这一重任落在了教师个人或教研团队身上，因此，亟需科学、便捷、有效的手段辅助教师实现契合“‘三新’+具体学情”的高质量教案优化，人工智能的深化应用为此提供了便捷有效的新契机。

人工智能是计算机系统通过模拟、复制或执行类似于人类智能行为的一种技术。目前，已在交通、医疗、教育、娱乐、就业、科技等方面产生了深远影响［7］， 2017年7月8日，国务院颁布《新一代人工智能发展规划的通知》，提出“智能教育”的概念， 并倡导利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革， 构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。开发智能教育助理， 建立智能、快速、全面的教育分析系统［8］。在教育领域，人工智能能依据教师、学生的特征和需求， 提供精细、富有实效的个性化教育服务［8］，还因其高效自主、协同适应、开放创新的特性及在记忆和思维能力等方面的优势，无论在辅助教师“教”，还是在指导学生“学”的过程中，都可作为个性化的助手。以ChatGPT（Chat Generative Pre-trained Transformer）为典型代表的人工智能技术在实现个性化教学领域已有了应用探索，如个性化学习路径制定、个性化问题解答和辅导等［7-15］。在辅助教师“教”的过程中，一方面，可模拟教师学习“新课标”“新教材”“新高考”的具体要求，同时，对大量教育资源进行挖掘和分析，整合教材、课件、多媒体等资料，为教师提供丰富的教学素材和案例帮助，实现“新课标”“新教材”“新高考”中相关教学要求在教学过程中的有效衔接；另一方面，可利用ChatGPT强大的分析能力，根据学科本身特征、教育水平区域差异、教师教学风格、学生学情等，为教师提供个性化教学辅助，具体包括分析学生学习进度、学习质量和兴趣爱好，为教师提供针对性教育教学建议。因此，针对高中地理的教学需求，使用以ChatGPT为代表的人工智能技术优化高中地理教案具有重要的理论和现实意义。

三、基于ChatGPT的高中地理教案优化方案

基于ChatGPT对高中地理教案进行优化的前提是教师个人或教研组已获取了一份或多份任意结构形式的参考教案，将该教案完整地发送给ChatGPT，并设定利用ChatGPT进行教案优化的具体要求，ChatGPT根据口令进行分析并优化生成一份符合教师具体教学需求的全新教案，具体流程框架如图1所示。据图1可知，在实际操作中有两种实现过程：第一种是ChatGPT根据教师指令逐一输入、输出，将教案分内容逐步优化，最后再检查并定稿；第二种是教师将所有要求一同输入ChatGPT，ChatGPT分析后直接输出完整教案，然后由教师检查，将不满意的部分重新输入ChatGPT进行优化，最后定稿。

第一种过程的具体操作如下：①ChatGPT根据教师要求，对教案逻辑框架进行细致优化，确保其条理清晰、逻辑严密；②依据“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”内容衔接不畅的情况，并进行精准优化；③鉴于不同地区的教学资源存在差异，ChatGPT会巧妙地将地方教学资源融入教案中，打造出具有当地特色的个性化教案；④ChatGPT会深入分析教师提供的学情信息，并据此提供针对性教学建议，使个性化教案的内容更加突出；⑤将优化后的教案再次输入ChatGPT，进行知识体系的全面检查与进一步优化，待教师最终检查无误后，即可定稿实施。第二种过程涉及在优化工作开始前，先将教案编写框架、“三新”内容、地方教学资源、学情等具体要求一次性预先告知ChatGPT；随后，ChatGPT会进行深入分析，并直接输出优化后的教案；最后，教师对输出的教案进行检查，以确保其质量和适用性。这一流程旨在提高教案的优化效率，同时，确保最终成果符合教学要求。

上述第一种过程的优势在于ChatGPT优化当前内容后，教师可及时对不满意的地方进行反馈并修改，直至达到教师需求，最后输出的教案的每一部分都是教师满意并通过的，因此，该方案输出的教案更能满足教师的需求；但由于该方案每一步都要重新输入，可能会导致ChatGPT混淆上下内容，此外，还会因多次输入消耗大量时间，导致工作效率较低。第二种过程的优势在于舍去每一步输入，节省了大量时间，在检查修改时也只需将ChatGPT最终输出的教案中不满意的地方重新输入并输出；但该方案可能出现ChatGPT输出的大多内容都不符合教师期望的问题，进而重返第一种过程进行分内容修改。实际操作中，教案中的所有内容都必须在满足教师需求的同时保证质量，而第一种过程逐一输入、输出的方式虽消耗了一定时间，但能保障教学需求和质量，因此，建议在优化教案工作时采用第一种过程。

四、案例应用及结果对比——以“地球的圈层结构”为例

为进一步说明人工智能技术在优化高中地理教案中的应用效果，下文将利用ChatGPT对人教版必修一“地球的圈层结构”教案进行优化。笔者选择的参考教案来源于线上教学资源，采用了课程题目、学情分析、教学目标、教学重难点、教学方法、教学过程的传统教案框架，是一个普适性教案，在实际应用过程中可能存在框架结构单薄、内容设计过于传统、与“新课标”脱节、不能体现地方教学资源、未能考虑教学班级学情等问题，因此，按照前文的方案设计，下面将采用第一种过程进行优化。

1.逻辑结构优化

首先，提交完整教案给ChatGPT进行全面审查。ChatGPT将细致分析教案的每个部分，确保目标明确、步骤具体。通过表1的对比分析可知，ChatGPT指出了缺失内容并提出改进建议。针对教案的结构缺陷，ChatGPT推荐增加“教材分析”和“教学反思”等部分，以提升教案的深度和实用性。此外，ChatGPT会逐句审查教案，确保语言表达清晰准确，同时，修正语法、拼写错误和模糊表述，以提升教案的专业性和易读性。

2.“三新”教学内容整合优化

为符合新课标要求，利用ChatGPT优化教学目标时先输入新课标要求，然后指示ChatGPT基于此指令设计出融入地理信息技术的地球圈层结构教学目标。如表2所示，ChatGPT细致审视并重构了原有目标，确保教学目标与地理核心素养及新课标要求一致，并巧妙融入地理信息技术，增强了实用性和互动性，为学生提供了丰富的动态学习体验，同时，在教学创新和技术应用上取得新进展。

教学过程需紧扣教学目标，确保每个环节有效助力学生达成学习目标。基于先前对教学目标的优化，ChatGPT已将其作为后续工作的基础。据表3可知，ChatGPT为教案提出了3项关键建议，并设计了2个教育活动：①利用GIS技术直观展示地球圈层结构，通过互动操作促进学生理解，使学生更加直观地识别地球圈层结构以培养其区域认知能力；②通过GIS软件分析地球数据，让学生实践操作，不仅可深化他们对地球科学的理解，培养实践与数据处理技能，还可将新课标中所要求的培养学生地理实践力巧妙地融于教学之中。

经过ChatGPT的优化，教学活动与新课标更为契合，通过实验等互动性学习活动，加深学生对地球圈层结构的理解。这种方法不仅提升了学生对地球科学的兴趣，还培养了他们的空间思维和科学探究能力。针对新高考“能够说明地球的圈层结构及各圈层的主要特点”的要求，学生可通过练习基于地理信息技术的地球圈层结构题型更加清晰地认识并掌握该考点，但现有题型较为单一，因此，ChatGPT同步增设了相关的练习题。将这些习题巧妙地融入教学过程中，既能巩固学生对基础知识的理解，又能满足新高考所提出的考点要求。

如表4所示，ChatGPT根据具体指令设计题目，与教学内容紧密结合，并明确指出每个题目对应的高考知识点。这种设计能够提高教学的针对性和效率，为学生高考取得好成绩打下基础。

3.地方教学资源的融入优化

在地方教学资源的开发与整合方面，不同地区拥有各自独特的教育资源。以青海省西宁市为例，利用ChatGPT设计和融入具有地方特色的教学资源。如表5所示，ChatGPT提出了青海省独特的地质背景，还巧妙地将青海湖这一自然奇观作为一项宝贵的教学资源。这些资源被精心融入教学过程的多个关键环节中，例如，在“导入新课”的阶段，通过介绍学生脚下最熟悉的土地吸引注意力，在讲解时将保护自然环境内容融入其中，以增强学生人地协调的核心素养；在“讲解地震波的传播”这一环节，利用青海湖的地理特性直观展示地震波在不同介质中的传播差异。这样的教学设计不仅能够实现地方教学资源与教学过程的有机结合，丰富课程内容，培养学生的核心素养，也能够提高学生的学习兴趣和参与度。