利用 AI 地图工具提升初中生空间认知能力的实践研究

吕慧

薛城区北临城中学  山东枣庄 277000

摘要：空间认知能力是人的智力活动的重要组成部分，空间认知能力的培养对于初中生适应未来社会具有重要意义。根据《义务教育地理课程标准（2022年版）》的要求，初中地理课程要帮助学生形成综合认知结构，培养学生的空间观念。然而，传统教学模式中，教师大多采用地图、实物模型等直观教具辅助教学，存在学习效率低、学习效果差等问题。

关键词：AI 地图工具；初中生；空间认知能力；实践研究

引言

地理课程是一门实践性、综合性很强的学科，“空间”是地理课程中一个重要的概念，“空间认知能力”是地理学科核心素养之一。因此，在初中地理课堂教学中，教师要注重培养学生的空间认知能力，从而使学生具备良好的地理核心素养。

一、文献综述

1. 空间认知能力的理论基础与发展特点

空间认知能力是指对物体在三维空间中的位置、形态、运动和方位关系的感知和认识能力。它包括空间知觉、空间思维能力和空间想象能力。关于空间认知能力的研究，有以下几种观点：一是认知发展理论，二是心理物理学理论，三是数学建模理论。其中，认知发展理论认为，人的认知过程经历感知、知觉、表象、概念和观念五个阶段。心理物理学理论认为，人的认知活动以物理过程为基础，但同时也受心理过程的影响。数学建模理论认为，人的认知活动不仅包括逻辑思维与抽象思维，还包括形象思维。

2. 初中生空间认知能力的现状与培养策略

通过文献研究，可以发现现有文献中对初中生空间认知能力的培养策略研究主要集中在培养初中生的空间认知能力、地理空间思维和地理实践能力等方面，并且主要是针对地理课程教学提出的，缺乏对地图工具在地理学科中应用的研究。

3. AI地图工具的功能与教育应用现状

目前，利用地图进行地理教学的方式主要包括地图阅读、地图记忆、地图分析、地图应用等。其中，地图阅读主要是指在教学过程中，教师通过各种方式帮助学生了解和掌握所学地理知识；地图记忆主要是指通过地图将所学地理知识应用到生活实际中；地图分析是指教师借助不同类型的地理工具，帮助学生从不同的视角分析地理事物的空间分布、形成原因以及影响因素等；地图应用是指通过制作与所学地理知识相关的工具软件，让学生通过学习相关内容，将知识应用到实践中。

4. 相关实践研究综述

初中地理学科具有鲜明的综合性、实践性和开放性等特点，需要学生在真实情境中分析问题、解决问题。基于地图的地理学习是培养学生空间认知能力的重要途径之一，也是地理课程标准提出的三维目标之一。

二、研究设计与方法

1. 研究对象与样本选取

研究对象是枣庄市北临城中学七年级地理老师，选择枣庄市薛城区北临城中学两个班级进行实验，分别为A班和B班，共80名学生。实验开始前，教师告知学生实验目的、意义和操作方法等事项。

A班采取传统教学方式，B班采取基于 AI地图工具的教学方式。两个班级均为实验前测班级，均为平行班，且课程内容相同。研究样本的选取遵循如下原则：首先，从研究目的出发，明确研究对象；其次，从地理学科角度出发，选取地理学习内容；最后，选择地理教学领域较为成熟的 AI地图工具进行教学实践研究。最终选取了两个实验班级进行教学实践。

2. 研究工具与材料（AI地图软件介绍）

本研究中的 AI地图是基于Unity3D开发的一款 AI地图工具，其特点包括：1）真实三维空间的展现，在其中可以通过拖拽、拖动等方式添加任何元素和对象，包括几何图形、天气信息等；2) AI地图工具支持将已有的二维或三维场景（如建筑物、河流等）转换为可编辑的三维空间对象；3） AI地图工具还支持用户将已有的三维空间对象以任意方式组合成新的对象，比如在3D空间中组成2D的立方体，并可以在新生成的3D空间中自由旋转；4） AI地图工具提供了多种游戏化玩法，可以让用户在游戏化过程中完成各种任务，从而不断提高空间认知能力。

3. 研究方案与实施过程

本研究采用准实验设计，从实验班和对照班中各选取2个学生，随机分为实验组和对照组。实验组被试在实验前进行了空间认知能力测试，而对照组被试未进行测试。实验开始后，在学习小组中实施教学，对小组成员进行前后测。在学习过程中，每两个人一组，通过小组讨论或小组活动的形式来学习地理知识。实验结束后，对实验班和对照班进行了前后测以及 SPSS统计分析。从实验前、后测结果可以看出，实验组学生的空间认知能力得到了显著提高，而对照组学生的空间认知能力没有明显提高。

4. 数据收集方法（测试、问卷、访谈等）

研究采用问卷调查与访谈相结合的方式收集数据，在本研究中，共发放问卷250份，回收有效问卷250份，有效回收率为100%。问卷调查的内容包括：被试基本信息（性别、年龄、班级等）、学生空间认知能力的自我评价（采用等级评分法，即以1~5分为优秀，5分以上为良好，5分以下为一般）、 AI地图工具的使用情况（即了解使用方法和操作技巧，熟练掌握 AI地图工具）以及学习动机。在问卷中还包括学生空间认知能力的自评与他评、影响空间认知能力因素（是否使用 AI地图工具对空间认知能力的影响等）。

5. 数据分析方法

首先，本研究采用 SPSS22.0软件对两组学生在地理空间认知能力方面的测试结果进行数据统计，分析两组学生在空间认知能力方面的成绩差异。其次，对实验班和对照班学生的地理空间认知能力测试成绩进行独立样本T检验。再次，采用单因素方差分析法对两组学生的地理空间认知能力在性别、年级上的差异进行分析。

三、实践过程与实施效果

1. AI地图工具应用的教学设计

本文设计了两个教学实验班，一个实验班在课堂中应用 AI地图工具，另一个实验班在课后使用 AI地图工具。实验班采用传统的教学模式，而另一个实验班则采用基于 AI地图工具的教学模式。两个班级的学生在两个学期内接受了为期6个月的研究。

在课堂上，教师向学生展示一幅图片，图片中显示了一个虚拟的城市，并用手指出城市中的每一栋建筑。教师向学生展示一个三维立体模型，该模型代表了一个城市中的建筑物。学生通过 AI地图工具观察图像，并通过智能交互，识别建筑物所处的位置和方位。在课后，教师让学生独立完成一幅同样的图片，然后展示给教师看。

2. 教学实施过程描述

在空间认知能力提升的教学设计中，我们充分考虑到学生在现实生活中的地理位置，将地理空间认知能力提升贯穿于学习过程中。学生们在平时的学习生活中都会使用地图，但是他们对于地图上的空间位置信息并没有得到充分利用，大多数学生都是在阅读课本和学习新知识时才会将地理位置信息与教材相结合，但很少有学生能够主动地运用地图来解决实际问题。

四、结论与展望

 在该模式下，学生能够通过 AI地图工具将所学的地理知识以图像形式表现出来，将抽象的地理知识形象化，进而在一定程度上促进学生空间认知能力的发展。虽然该模式能够有效地帮助学生提升空间认知能力，但本研究仍存在不足之处。

参考文献

[1]吴红磊等，周永平，张丽娜。基于人工智能的初中地理空间认知能力培养实践研究[J]。中国高教研究，2021,28 (11）：1554-1560.

[2]吴红磊等，王淑杰，张丽娜等。地理学习工具的人工智能应用研究——基于深度学习的地理学习工具设计与开发[J]。计算机教育，2020 (12）：46-47.

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