刍议人工智能与未来中学地理教学

杨林茂 闫晓玲

摘 要：人工智能经过六十余载的曲折发展现已初露锋芒，在各行业中都发挥着不可或缺的作用。文章通过问卷调查的方式，根据未来地理教学的特点，对人工智能在未来中学地理教学中的应用进行分析研究。

关键词：人工智能；未来教育；中學地理教学

一、 人工智能及其影响

1.人工智能的内涵

人工智能（Artificial Intelligence，AI）的概念最早是在1956年夏季由麦卡锡（John McCarthy）教授等学者提出的，旨在让计算机像人一样思考和学习。人工智能自诞生以来便受到各国科学研究人员的追捧，但是由于人的认知以及技术条件的限制，发展相对缓慢。直到1997年，IBM公司对第一代超级计算机“深蓝”进行改良，击败国际象棋世界冠军。2016年初谷歌公司设计的计算机围棋程序Alpha Go先后击败世界围棋冠军李世石、柯洁，2017年谷歌团队基于Alpha Go的原理对围棋程序进行升级，Alpha Go Zero由此问世，最终以100∶0的绝对优势击败Alpha Go[1]。

2.人工智能对未来中学地理教育教学的影响

目前人工智能已经在交通、医疗、教育、娱乐、就业、科技等方面产生了深远影响，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，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。建立以学习者为中心的教育环境，提供精准推送的教育服务，实现日常教育和终身教育定制化[2]。

近年来基于大数据的云计算发展势头迅猛，人工智能顺应时代的步伐，不断提升自身的更新迭代能力。机器学习、深度学习、人机交互是人工智能应用的三个阶段，通过机器学习以及“互联网+教育”模式，在一定程度上打破了时空、地域、经济的界限，将海量的优质地理教学资源与先进的教/学经验通过移动终端的方式传递给地理学习者，提高教/学效率，实现教育公平。

深度学习是机器学习领域一个新兴的研究方向，它通过模仿人脑结构，实现对复杂输入数据的高效处理，智能地学习不同知识，而且能有效解决多类复杂的智能问题[3]。在地理教学过程中，人工智能会对教师的教学过程和学生的学习过程进行长期的智能统计与分析，根据用户的行为习惯提供个性化的指导意见。对于高中地理比较抽象的必修一部分内容，人工智能会根据每个学生的学习程度分别推送适合每个学生的学习资料以及学习方法，有助于激发学习兴趣，提高学习积极性，掌握学习方法，从而进行自主学习。

人机交互是人工智能在教育领域的理想状态，个人助理机器人系统可以对师生起到很好的辅助作用。系统会基于海量的优质地理教育资源、快速的计算能力和深度学习，对用户做一个精准测评，根据自身条件制定个性化学习计划。因此，地理教师无需再担心抽象的课程需要怎么进行导入来激发学生兴趣，更不用担心怎么实施分层教学，孔子所提倡的“有教无类，因材施教”教育思想会得到充分的利用和发挥。未来的地理课堂将会更加开放化、智能化、个性化，地理教师需要做的就是发挥教师的主导作用，贯彻落实地理核心素养，实现以学生为中心的教学形式。

本文从中学地理教学的角度出发，对110名地理教师进行问卷调查，回收有效问卷109份，以此为基础分析人工智能在中学地理教学中的可能应用途径和前景。

二、未来中学地理教学的特点

1.高度重视学生地理核心素养的培养

学科核心素养的提出以及《地理教育国际宪章（2016）》的出台，既是对过去地理教育教学改革的认可，同时也为未来地理教育教学改革提供了可参考的依据。中学地理课程理念强调学习对生活和终身发展有用的地理，新宪章明确了“地理并非学习大量的事实和概念”以及提出“地理学是唯一关注空间分析的科学”，这是对区域认知和地理实践力的最好诠释[4]。地理核心素养与社会发展以及变革密切相关，体现了社会发展对人的根本需求[5]，全球化背景下人地关系依然是地理学研究的主线，需要学生运用综合思维来看待和思考地理问题，树立可持续发展观念，地理教学目标也重视对学生情感态度与价值观的培养。因此，重视对学生地理核心素养的培养是未来地理教育教学的重要特点，我国目前所进行的一系列教育教学改革（中招、高考、新课改）将对教育事业的发展产生深远而重大的影响。

2.学生课堂参与和师生互动更加广泛深入

以高新技术为代表的人工智能技术的出现在激发学生学习兴趣、调动学生课堂参与度方面发挥着独特的作用。人工智能自诞生以来就被定义为一台能够独立做决定的机器人，利用大数据和云计算平台提供精准化服务，解决一些复杂的难题，基于人工智能开发的教学系统可以把因材施教的个性化教学理念惠及每个学生。传统的教学方式已经逐渐不适应社会和学生发展的需求，未来的地理教学会更加突出学生的主体地位和教师的主导作用。现在部分学校已经开始实行双板教学，例如，地理教学中比较抽象的必修一：地球的运动、大气运动、地表形态的塑造等内容，地理教师可以把相对应的内容制作成视频或者微课形式的小文件推送到学生的平板电脑上，学生根据自己的实际情况进行学习，也可以课后反复观看。这种新颖的教学方式能够有效吸引学生的注意力，培养学习兴趣，提高学生课堂参与度。课后教师可以把每个章节的练习题发到学生的平板电脑上，学生在规定时间内完成以后，教师能及时获取答题反馈，从而做出正确的评价。

3.地理课堂教学形式更加灵活多样

传统的地理教学是在固定的时间、地点学习固定的内容，一定程度上限制了学生的思维发展，而随着互联网、人工智能、大数据等新技术的发展，传统的教学方式会被彻底打破。例如，现在比较知名的MOOC、微课以及沪江网等在线学习平台，可以突破时间、地点、内容、教师的限制，优质教育资源得到合理配置，“泛在学习”这种教学形式会成为主流，同时也跟国家所提倡的终身学习相符合。互联网的发展，人工智能在教育教学上的运用，已经使得泛在学习可以真正实现。但现在的教育体制、考试录取招生制度限制了现代信息技术在教育上的运用，已经到了陈旧生产关系束缚先进生产力的时候了[6]。

三、人工智能在未来中学地理教学中的应用领域及前景

1.人工智能将使学习者更便捷地获取丰富的学习资源

基于大数据和云计算的“互联网+教育”能在最大程度上消除时空、地域、经济、文化等因素对教育带来的不利影响，均衡教育资源，实现教育的相对公平。在调查过程中发现有80%的地理教师认为人工智能可以帮助学习者获取更多的资源：丰富的图片、视频等（图1），所以他们能学得更好。例如，现在比较流行的MOOC和微课等互联网在线学习平台受到高校教师和教育者的一致好评，市场上有关在线学习平台的产品如雨后春笋般涌现，学生能够更加方便地获取其感兴趣的教学资源，使线上自主学习模式成为传统课堂学习的有效补充[7]。

2.人工智能将大大缩短学习者的学习周期

地理学是一门综合性学科，有较强的实践性、开放性和逻辑性。中学地理教学内容广泛，大致包括自然地理学（气候、地貌、水文等）和人文地理学（经济、文化、旅游等）两大类，需要识记和理解的内容相对较多，学生在学习过程中往往死记硬背，没有采用合理科学的学习方式，容易失去学习兴趣。

人工智能凭借其超强的学习能力和运算能力可以根据学习者的实际情况为其制定个性化的教学方式。81.7%的教师认为人工智能可以帮助学习者缩短学习周期，学得更快（表1）。国内很多在线学习平台运用人工智能系统分析学情，记录学生的学习行为，基于这些学习过程数据，为每位学习者推送个性化、量身定制的学习内容[8]，并结合个性化的教学方式，在最大程度上缩短学习周期，提高学习效率。

3.人工智能将明显提高学习者的学习质量

中学地理内容广泛并且知识点较多，高考形式也已经不是考查学生对概念或者原理的掌握程度，而是建立在掌握基础概念和原理的基础上，学会运用知识去解决生活中的实际问题。“互联网+教育”的学习方式有利于均衡教育资源，使优质的教育资源得到合理的配置，但是学习者的学习能力和接受知识的能力层次不齐。65%的教师认为人工智能可以提高学习者的学习质量，学得更好（图2）。人工智能系统充分尊重师生人性，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[9]。人工智能还能分析学习者行为特征，当学习效果不适合或者效率低下时，系统自适应功能通过算法或者学习数据进行分析，及时反馈并给出合理化建议，不断矫正学习者的学习行为，从而提高学习质量。

4.人工智能將有效推进个性化教育

核心素养引领下的中学地理教学将更加重视学生能力和个性的养成，而不是仅限于分数的高低。个性化教育不仅是时代进步和教育转型发展的客观要求，更是未来教育改革和发展的重要趋势[10]。82%的教师认为人工智能可以发展到根据学习者的不同层次，设置不同的学习方案的水平（图3），大大提升教育教学的有效性。

鉴于当下地理分层教学进展缓慢，互联网可以将各种场景连接起来，云计算则提供各种资源、各种数据服务，人工智能在中间起到穿针引线的作用，可以进行辅助性或决策性的分析[11]。人工智能系统借助自身的深度学习和深度神经网络对学习者进行智能分析和评价，把每个学生分成不同的层次，从海量的数据库中利用云计算技术为学习者精准推送合适的学习内容和学习方法，设置不同的学习方案。

人工智能发展势头强劲，在教育领域已经有所突破与创新，但是整体发展态势还属于初级阶段，距离大规模商用阶段还相差甚远。即便如此，人工智能对教育行业产生的冲击也不容小觑，教师应该切实转变传统观念，以客观的态度看待人工智能在语音识别、图像识别、大数据分析、自定义学习等方面发挥的作用。人工智能在自定义方面的能力是人脑所不能相比的，特别是在教育领域的应用更有着天然优势，因材施教学习理念会得到最完美的诠释。随着人工智能技术的不断更新迭代，在不久的将来可能将彻底颠覆传统的教育模式，在提高教/学效率、满足学生个性化发展等方面将发挥不可替代的作用。

参考文献：

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

[2]国务院.新一代人工智能发展规划[DB/OL].[2017-08-24].http：//www.gov.cn/zhengce/content/ 2017-07/20/content_5211996.htm.

[3]孙志远，鲁成祥，史忠植，等.深度学习研究与进展[J].计算机科学，2016，43（2）：1-8.

[4]胡望舒，张莹.从地理教育国际宪章看未来地理教育[J].中学地理教学参考，2016（21）：11-13.

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

[6]伏彩瑞，关新，朱华勇，等.“人工智能与未来教育”笔谈（下）[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017，35（05）：13-29.

[7]李昭涵，金桦，刘越.人工智能开启“互联网+教育”新模式[J].电信网技术，2016（12）：6-10.

[8]陈凯泉，沙俊宏，何瑶，等.人工智能2.0重塑学习的技术路径与实践探索——兼论智能教学系统的功能升级[J].远程教育杂志，2017，35（05）：40-53.

[9]吴永和，刘博文，马晓玲.构筑“人工智能+教育”的生态系统[J].远程教育杂志，2017，35（05）：27-39.

[10]郅庭瑾，尚伟伟.个性化教育实践概况与未来发展思考[J].教育发展研究，2016，36（06）：53-57.

[11]朱永新，徐子望，鲁白，等.“人工智能与未来教育”笔谈（上）[J].华东师范大学学报（教育科学版），2017，35（04）：15-30.