1. 引言
ChatGPT是一种基于自然语言处理和机器学习技术的人工智能生成应用，采用人类反馈强化学习的训练范式，拥有1750亿个模型参数，能够自动生成具有启发性的文本、图像等内容，并根据用户反馈改进输出结果以及持续化更新与学习，实现与真实对话无异的交流。在地理教学中，一方面，将大数据纳入人类语境，ChatGPT得以用自然语言与学生进行自然交流；另一方面，学生通过与ChatGPT自然交互，得以将其处理大数据的能力融入到自己的思维过程中。以这种人机协同的方式，促进学生自主建构与科学探究[1]。目前，将ChatGPT整合到教育教学环境中已经非常普遍，主要集中在有效性与可行性分析两个方面。
多数学者通过试验分析ChatGPT对教学的有效性。李毅等通过准实验研究中，将366名教育专业的本科生分为对照组和实验组，对照组接受没有ChatGPT的指令，而实验组接受ChatGPT集成的指令，并被允许使用ChatGPT进行与研究相关的活动，结果说明了学生研究技能、动机、参与度和自主学习行为水平显著受益于ChatGPT介入[2]。Shahzad等研究发现以ChatGPT和聊天机器人为代表的大型语言模型等生成式人工智能技术通过自我效能、公平与道德以及创造力显著影响学生的学习表现[3]。唐天琪等强调了ChatGPT在大规模自动化批判性思维评估中的潜力，减轻了教育工作者的负担，并增强了对同伴反馈中批判性思维的理解[4]。此外，在远程教学环境中，ChatGPT的压倒性积极态度凸显了它作为医学教育中有价值工具的潜力[5]。
仅从理论研究出发难免夸大ChatGPT带来的技术效果，在大部分地区中小学教育信息化资源并不完备的实际情况下，仍有部分学者实施了可行性研究。孙旭、赵越从学生自主学习指导、教师教学辅助和地理资源辅助开发与制作等方面详细列举了ChatGPT在多种地理教学场景中的应用价值[6]。陈胜贤通过一线教学实践，探究了AIGC在高中地理教学中对于学生个性化学学习的意义，并提出可行的使用技巧与模型[7]。陈璇璇等指出ChatGPT可高质量地协助教师实施问题式教学，以带来更加强自主性、以学生为中心的学习体验[8]。
2. ChatGPT辅助教学的理论基础
2.1. 行为主义教学理论
作为早期心理流派之一的行为主义代表华生认为，所有的行为都是通过条件作用建立新的刺激——反应(S-R)联结而形成的，学习的实质就是刺激与反应之间的联结，但忽略了人的主观能动性[9]。其理论却为教师利用ChatGPT辅助教学提供了重要理论参考，ChatGPT能提供各种“刺激”，如通过提出问题、文本信息、图片视频、角色扮演方式，在教学过程中向学生提供联系的机会，并快速联结学生的反馈信息，再生成新的“刺激”提供给学生，在不断地“强化”中帮助学生更高效地掌握知识。
2.2. 新建构主义学习理论
新建构主义在经典建构主义知识观的基础上提出了知识的三级结构假说，即感性认识、理性认识和联想三级结构，通过“嫁接”学习理论阐述，学习的过程是将前人的知识(感性认识)如同果树嫁接一样，“嫁接”到后人头脑中的二级结构知识中，而“嫁接”的目的则是创新新的知识果实，同时强调了联想是知识创新的源泉[10]。面对网络信息时代中信息超载与知识碎片化两大挑战，ChatGPT能够更准确迅速地筛选出学习者需求的一级结构知识，学习者按需进行“自嫁接”得到相对理性认识，并通过在与ChatGPT的交互中产生联想与顿悟，不断创造新的知识，提升知识掌握的高度。
3. 探究式教学的特征及其面临的问题
随着课程改革深入推进，探究式教学已成为现今中学地理教学中常用的一种教学方法。探究式教学具有以下特征：关注问题情境，思维的开放性，注重实践探索，学生主体性突出，重视能力的培养[11]。
相较于传统的填鸭式教学，探究式学习在激发学习热情与深化思维能力上展现出显著优势。然而，其应用过程中亦浮现数项挑战：情境构建常陷于表面化，缺乏深度，学生参与度与沉浸感不足，后续学习驱动力渐弱；尽管强调能力培养，但批判性思考、自我反思、创新创造及团队协作能力等核心高阶技能未获充分锻炼，致使教学效果未达预期；此外，对构建坚实知识框架及解决现实问题的忽视，导致学生知识体系松散，应对复杂情境时显得力不从心。这些问题共同构成了学生全面发展的显著障碍[12]。
而新课标强调培养学生的探究意识，传统的教学方式已经不能满足新时代下学生发展的要求，探究式教学以“科学探究”为基础，教师可以依托人工智能创设探究情景，提供智能认知工具、学习资源，丰富探究式课堂教学；学生可以借助人工智能实现探究内容的收集、分析、加工，探究形式的协作、讨论、共享、拓展，体验崭新的探究式学习体验。因此，本文尝试探索ChatGPT辅助下的高中地理探究式教学模式，并结合具体教学内容，说明其在教学中的具体运用。
4. 基于ChatGPT的高中地理探究式教学模式
通过学习了解、实践操作ChatGPT，梳理与总结其的交互命令集合，进一步从中筛选适用于地理探究式教学的教学命令集合。并划分使用工具、发出命令的主体，以及各个教学环节中所对应的客体，为模式的构建做准备(见表1)。
结合探究式教学相关理论，对何克抗教授的信息技术整合下高中地理探究式教学框架进行调整，将ChatGPT的交互命令集合运用于教学的各个环节，从而形成了人工智能辅助高中地理探究式教学模式(见图1)，该模式主要包括以ChatGPT为工具的创设情景、启发思考、自主探究、协作交流、总结提高5个教学环节的展开，教师、学生两个主体在各环节中运用ChatGPT参与课堂教学，从而完成学习目标、教学任务。
Table 1. Noun interpretation
表1. 名词解释
主体 |
教师、学生 |
客体 |
探究式教学各环节学生的学习任务、教师的教学任务 |
工具 |
生成式人工智能的相关应用，如ChatGPT、ChatBing、文心一言及其生成的相应资源 |
命令 |
是根据具体教学内容和ChatGPT的功能，解构教师和学生的角色与工作内容，由教师
与学生两个主体对工具发出的交互命令 |
Figure 1. Inquiry teaching mode of high school geography based on artificial intelligence
图1. 基于人工智能的高中地理探究式教学模式
5. 基于ChatGPT的探究式教学设计——以“问题研究：能否淡化海水以解决环渤海地区淡水短缺问题”为例
5.1. 课标分析
人教版教材问题研究栏目设置在每章章末，在地理课程标准中并无对应的内容要求，一般与其章节内容要求相关。本栏目对应人教版必修一第三章“地球上的水”，在课程标准中所对应的内容要求为“1.7运用示意图，说明水循环的过程及地理意义”与“1.8运用图表等资料，说明海水性质和运动对人类活动的影响”，行为主体是学生，行为条件是“运用示意图和图表等资料”，行为动词是说明，行为结果是能够说明水循环的过程与地理意义以及海水性质和运动对人类活动的影响。结合课程标准内容要求发现，学生在本栏目探究之前已经具备一定的分析能力，能够运用图表或示意图，说明水循环、海水的性质和运动与人类活动之间的关系。由于本栏目属于必修1相关内容，所对应的学业水平要求应为水平1、水平2。
5.2. 教材分析
“能否淡化海水以解决环渤海地区淡水短缺问题”问题研究栏目位于人教版必修一第三章“地球上的水”章末，主要内容包括渤海地区的简要介绍、研究思路、知识拓展(渤海海冰资源量、渤海海冰淡化技术)、问题探讨等内容。
1) 知识方面
本栏目内容涉及淡水资源、海冰、海冰开采、海冰淡化技术方面内容，除了淡水资源是学生在之前有所学习，其他方面知识了解过少，尤其是对于低纬、不临海地区的学生。
2) 能力层面
本栏目对学生的获取信息、分析问题等探究意识的要求较高，学生需要在分析环渤海地区淡水资源缺乏的基础上，分析环渤海地区海冰现状，以及海冰资源的开发与利用状况，并以此为基础，评判环渤海地区是否可以进行海冰的开发。
3) 核心素养层面
通过本栏目的探究，能够使学生意识到海水对人类活动的影响不局限于海水的性质和运动两方面，海洋资源开发与海洋环境保护也是值得注意的地方，全面客观地认识海洋与人类活动的关系，理解海洋资源开发与海洋环境保护的辩证关系，对于培养学生的综合思维和人地协调观具有重要意义。
5.3. 学情分析
在本栏目探究之前，学生已经了解学习了关于海水性质相关的内容，对于海水及其性质有一定的了解，结合日常学习，已具备一定的思考、分析与探究能力。通过对现实问题分析与解决方案提议，在吸引学生探究兴趣的同时能够增强学生对自身价值感的认识。
5.4. 教学目标
1) 利用渤海地区的图文资料，分析当地淡水资源短缺的原因。(综合思维、人地协调观、地理实践力)
2) 结合渤海地区年均温分布图及资料，分析渤海地区海冰分布情况。(区域认知、综合思维、地理实践力)
3) 结合海冰淡化研究分析渤海地区海冰淡化的可行性。(综合思维)
4) 结合渤海海冰分布情况与开采条件，阐述渤海地区能否利用淡化海冰解决淡水资源缺乏的意见。(综合思维、区域认知、人地协调观)
5.5. 教学重难点
重点：环渤海地区海冰资源分布状况及海冰淡化的可行性。
难点：海冰淡化方法。
5.6. 课时安排
1课时。
5.7. 教法学法
教法：问题导向法、讲授法。
学法：探究法、讨论法。
5.8. 教学过程
教学过程见表2。
Table 2. Teaching process exhibition
表2. 教学过程展示
教学
环节 |
教学
内容 |
教师活动 |
学生活动 |
设计意图 |
创设情境 |
环渤海地区水资源现状 |
【提供认知工具】 教师提出探究问题：环渤海地区水资源现状如何？提供ChatGPT工具，引导学生从位置、范围、气候、利用现状等方面获取相关信息。 |
【利用ChatGPT提问】 请从位置、范围、气候、利用现状的等方面描述中国环渤海地区水资源现状。 “环渤海地区”亦或是“环渤海经济圈”，狭义上是指京津冀、辽东半岛、山东半岛环渤海滨海经济带，同时延伸辐射到辽宁、山东、山西以及内蒙古中东部，分别约占全国国土面积的13.31%和总人口的22.2%。环渤海地区属于暖温带半湿润地区，四季分明，其中春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季冷暖适中、冬季寒冷干燥。降水量介于400 mm~1000 mm之间，主要集中与夏季。多年平均水资源总量占比少。环渤海地区地表水资源短缺，时空分布不均；地下水开采过渡，次生灾害频发；水资源污染严重，水生态恶化加剧；农业用水受挤，粮食安全面临挑战等。 为此环渤海地区采取了一下安全保障措施：展节约用水，加强工业、农业、生活节水，因地制宜节水；加强推进跨流域调水，推进南水北调、引黄济津、引黄入冀、胶东半岛的“西水东调”、大连地区的“北水南调”等跨流域调水工程，加强华北中部地区河网湖库连通工程的建设；加强海水利用力度，加强海水资源综合利用。加快产业结构调整，大力发展第三产业尤其是现代服务业；强化水资源需求管理，科学合理配置、管理水资源。 |
通过与ChatGPT交互，使学生认识到环渤海地区淡水资源严重不足的现象以及目前所采取的措施，总体感知环渤海地区的地理特征，引起学生的兴趣与关注，为开展问题研究奠定基础。 |
启发思考 |
【提问】通过阅读材料，请同学们回答以下问题 1. 为何环渤海地区淡水资源缺乏？ 2. 为缓解淡水资源缺乏，环渤海地区采取了哪些措施？你认为还应该采取哪些措施？ 【讲解】针对学生回答进行讲解，在淡水资源缺乏方面引导学生从自然和人为因素两方面进行总结；在缓解该地淡水资源缺乏引导学生从开源、节流两方面进行总结。 【过渡】由对海水采取的开发措施引入环渤海海冰资源探究部分。 |
【回答问题】结合ChatGPT呈现的信息，回答问题1和问题2。 |
在分析环渤海地区水资源的基本情况时，既涉及区域的视角也涉及综合的视角，有助于学生区域认知与综合思维培养的培养。同时学生可以认识到人类活动对水资源的影响，落实人地协调观的培养。 |
自主探究 |
探究1： 渤海海冰 资源量 |
【呈现材料】渤海海水盐度为28‰~31‰。海水在结冰过程中会析出盐分，渤海海冰融水盐度平均在4‰~13‰。据估算，在气温低于或等于−4℃时，渤海海冰每天生成1.86厘米厚。以此海冰生成速度计算，辽东湾每年冬季可采海冰7.4~13次，渤海湾可开采3.7~7.4次，莱州湾可开采1.9~3.7次。在寒冷年份，渤海海冰作为淡水的潜在可利用储量可达1000立方米，正常年份可达410亿立方米。渤海海冰多生成于岸边，离岸10千米范围资源量最大[13]。 【提问】 1. 什么是海冰资源？ 2. 渤海海冰资源的分布有何特点？ 3. 为什么渤海海冰可开采次数由北向南递减？ 4. 渤海海冰资源是否可以开采利用？ 【利用ChatGPT点评学生回答】 针对学生的回答进行讲解，关于海冰资源在材料基础上，进行补充说明；关于海冰资源分布引导学生结合材料与当地气候条件进行说明；关于开采次数，从环渤海气温分布、风向、水深等方面进行说明；关于海冰资源是否可开采利用从海冰的数量、质量和开采条件进行说明。 【过渡】由渤海海冰分布情况引入渤海海水淡化研究。 |
【阅读材料】通过材料，了解海冰资源、渤海海冰的基本分布情况。 【回答问题】根据图文内容，回答问题1~4。 【完善答案】 根据ChatGPT的点评，全面考虑问题。 |
结合图文信息及教材问题的开发，首先使学生对于海冰资源有一定的解，其次分析渤海地区海冰的基本分布情况，然后分析渤海地区开发海冰的可能性。通环渤海地区海冰资源分布特征与能否开采的分析，落实区域认知和综合思维的培养。 |
协作交流 |
探究2： 渤海海水 淡化研究 |
【呈现材料】 海水在低温环境中发生冻结时，一部分来不及排出冰体的高浓度盐水被包裹在冰块内部。海冰淡化就是通过各种方法，将高浓度盐水从海冰中分离出来。 方法1：将采集的海冰堆放在一起，控制温度，经过两三个月，海冰中的高浓度盐水会在重力作用下，沿着冰体内部的缝隙自然排出。 方法2：在低温环境下，将海冰破碎，利用离心机将坡水海冰中的高浓度盐水脱离出来。 研究表明，经过上述方法处理的海冰，融水盐度可低至1‰，符合淡水标准，而且成本低于直接淡化海水。 【提问】 上述两种方法你比较认可哪一种？为什么？ |
【按两种方法分两个小组进行讨论】 【利用ChatGPT提问】 海水淡化有以下两种方法： 方法1：将采集的海冰堆放旨在一起，控制温度，经过两三个月，海冰中的高浓度盐水会在重力作用下，沿着冰体内部的缝隙自然排出。 方法2：在低温环境下，将海冰破碎，利用离心机将坡水海冰中的高浓度盐水脱离出来。 请阐述各自的优缺点。 【根据ChatGPT回答结果完善讨论结果】 方法1的优点： 1. 自然过程：利用海冰自然的物理过程，无需额外能源，环保。 2. 低技术要求：相对简单，不需要复杂的设备和技术。 3. 成本较低：相对于一些高技术手段，该方法的实施成本相对较低。 |
通过海冰开发技术的介绍，使学生了解到海冰开发的现状，结合问题的分析，能够了解渤海地区为何没有大规模的开发海冰。结合淡化海冰产生的高浓度盐水，培养学生合、辩证看待问题的视角，同时综合思维和人地协调观的培养。 |
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方法1的缺点： 1. 时间较长：需要两三个月的时间，速度较慢。 2. 依赖天气条件：受制于天气和环境条件，效果可能不稳定。 3. 适用范围有限：仅适用于寒冷地区，不太适用于温暖地区。 方法2的优点： 1. 较快速：利用离心机可以迅速实现海水淡化，速度相对较快。 2. 适用范围广：不受地理气候限制，可以在各种环境条件下实施。 3. 可控性强：相对方法1更容易控制和调整盐水的排放。 方法2的缺点： 1. 能源消耗：需要能源来运行离心机，可能增加能源成本。 2. 设备复杂：相较于方法1，实施需要更复杂的设备和技术。 3. 成本较高：相对于自然过程，实施成本可能较高。 |
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总结提高 |
探究3： 海冰淡化 可行性 |
【组织探究活动】 学生与ChatGPT辩论——淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题是否可行。 【小结】 引导学生依据探究问题，利用ChatGPT梳理主要学习内容：一是渤海地区的水资源现状，二是渤海海冰资源；三是渤海海冰淡化研究。 板书总结如下： |
学生：我们辩论一个问题。淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题是否可行。我是反方，观点是不可行；你是正方，观点是可行。辩论现在开始。 ChatGPT：好的，我作为正方，认为淡化海冰解决环渤海地区淡水短缺问题是可行的。理由如下： 1. 自然资源充足：环渤海地区临近大海，海冰淡化提供了可再生的自然水资源，满足地区淡水需求，避免对有限淡水资源的过度依赖。 2. 技术先进性：海冰淡化技术的不断发展，尤其是利用现代技术和设备，使得在相对较短的时间内能够实现淡水生产，以应对迅速增长的淡水需求。 3. 环保可持续：与一些传统淡水生产方法相比，海冰淡化过程不涉及化学物质，减少了对环境的污染风险，更符合可持续发展的理念。 4. 多样性选择：海冰淡化是一种多样性的淡水生产方式，可以与其他淡水资源开发方式结合，形成综合的水资源供应体系，提高地区的水资源稳定性。 基于以上观点，我认为海冰淡化是解决环渤海地区淡水短缺问题的可行途径。 |
在结合探究内容讨论是否开发问题时，使学生认识到淡化海冰带来的环境问题与可能解决的现实问题，培养学生辩证看待问题，同时落实人地协调观、综合思维、区域认知的培养。 结合整体回顾，帮助学生了解分析方法与思路。 |
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学生：我反对你的观点。我反对你的观点。因为淡化海冰也需要考虑其他问题。例如，海冰资源的季节性很强；大量开采海冰会导致海水盐度升高，影响海域生态环境；海水淡化产生的大量高浓度盐水，若处理不当，则会对沿海的生态造成不良的影响。 ChatGPT：我了解你的观点，但我认为你所说的这些问题可以采取以下措施缓解： 解决提出的问题可能需要综合运用不同的方法和技术。以下是一些可能的解决方案： 1. 季节性限制：考虑采用多种淡水资源，如海水淡化、地下水开采等，并建立淡水储备系统，以弥补海冰淡化在季节性限制方面的不足。 2. 盐度升高影响生态：在海冰淡化过程中，采用技术手段减少对海水盐度的影响，可能通过混合不同来源的淡水以及在盐水排放前进行适当的稀释等方式。 3. 盐水处理问题：发展高效的盐水处理技术，例如利用盐水发电、盐水资源化等方式，以减少对沿海生态的负面影响。同时，严格监管和管理盐水排放，确保其符合环保标准。 4. 资源有限：进行详细的资源评估和规划，确保海冰淡化的可行性与可持续性。同时，推动科技创新，寻找更高效的淡水生产方法，以应对可能的资源限制。 综合考虑环境、社会和经济因素，通过科学规划和技术创新，可以在一定程度上解决海冰淡化可能带来的问题。 |
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6. 总结
综上所述，ChatGPT在地理教学的多元化场景中展现了提升教学效率与促进自主学习的潜力，为师生带来丰富资源与学习便利。但伴随其广泛应用，我们亦需清醒认识其局限性。首要问题在于信息精确度的不可控，ChatGPT的回答可能潜藏不准确的风险，包括事实谬误、知识空白、概念混淆乃至虚假信息的传播，尤其在高深领域错误频现，若不经筛选，易致误导。实例中，诸如对“生长期与生长周期”“工业分布与工业布局”“海洋与海”“石漠化与荒漠化”等概念的混淆，凸显了误导之虞。再者，过度依赖ChatGPT或削弱师生的自我学习与批判性思维，影响其独立成长与深度思考能力，长此以往，或成教育之殇。
随着ChatGPT模型数据库的持续迭代与优化，其应答精准度将日益攀升，涉足领域亦将无限拓宽。伴随时代浪潮的推进，契合新时代、新技术要求的学术准则与管理框架不断完善。故而，深化ChatGPT在教育领域的应用场景与技术探索，强化其实用效能与教学效果，是每一位教育研究者的重要任务。同时，必须对ChatGPT等数字技术的潜在弊端保持高度敏感，实施有效策略以削弱其负面影响，确保教育事业的高水平高质量发展。