基于人工智能的一節(jié)化學(xué)探究實驗課
———人工智能保障未來汽車中氣體環(huán)境安全

◇ 北京 晁小雨 賀 新

1 人工智能的迅速發(fā)展為中學(xué)化學(xué)教育帶來的新挑戰(zhàn)

人工智能的迅速發(fā)展將深刻改變?nèi)祟惿鐣褪澜绲拿婷?為了抓住人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略機遇,2017年7月國務(wù)院頒布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》.通知中明確指出,人工智能將成為國際競爭的新焦點,并要求中小學(xué)階段設(shè)置人工智能課程,完善針對中學(xué)生的人工智能科普.人工智能是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力,正深刻改變著人們的生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)方式,推動人類社會迎來人機協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享的智能時代.把握全球人工智能發(fā)展態(tài)勢,找準(zhǔn)突破口和主攻方向,培養(yǎng)大批具有創(chuàng)新能力和合作精神的人工智能高端人才,是教育的重要使命.“十三五”規(guī)劃綱要確定了“人才優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略”,教育培養(yǎng)的是未來人才,應(yīng)該與時俱進.教育一方面要讓學(xué)生為未來做好準(zhǔn)備,另一方面也要為國家培養(yǎng)人才.

2018 年4 月教育部印發(fā)的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》中提到高校將于2020年建成100 個“人工智能＋X”復(fù)合特色專業(yè)：重視人工智能與基礎(chǔ)學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合.因此探索中學(xué)階段如何落實“人工智能＋化學(xué)”交叉融合的創(chuàng)新人才培養(yǎng),成為當(dāng)前時代背景下化學(xué)教學(xué)的新挑戰(zhàn).

2 汽車作為學(xué)習(xí)載體體現(xiàn)學(xué)科育人價值

人工智能技術(shù)對人類及社會發(fā)展意義重大,甚至有人認(rèn)為人工智能所帶來的社會進步和改變稱得上是“第四次工業(yè)革命”.以汽車作為人工智能學(xué)習(xí)的載體,將抽象的人工智能算法問題具象化.汽車中使用人工智能可以幫助汽車實現(xiàn)自動駕駛,同時也讓汽車出行變得更加安全和有序,通過人工智能的大數(shù)據(jù)分析,汽車可以更好地應(yīng)對不能預(yù)知的意外狀況,自動采取措施保障安全.人工智能技術(shù)可以讓汽車安全性提高很多,諸如駕駛員疲勞識別、脈搏識別,可以檢測駕駛員的健康狀態(tài),并且可以在情況不嚴(yán)重的時候給出警告提示,在情況危急的時候采取強制性的措施來制止危險駕駛行為.

汽車本身是學(xué)生熟悉的生活中的素材,學(xué)生可以較為容易地從熟悉的素材中尋找和提出有探究價值的問題;了解汽車的研發(fā)歷史可以使學(xué)生深刻認(rèn)識化學(xué)對創(chuàng)造更多物質(zhì)財富和精神財富、滿足人民日益增長的美好生活需要的重大貢獻.

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”)中指出：化學(xué)教育應(yīng)立足于學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代生活和未來發(fā)展的需要,倡導(dǎo)真實問題情境的創(chuàng)設(shè),開展以化學(xué)實驗為主的探究活動,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力;結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)學(xué)科發(fā)展的趨勢,結(jié)合學(xué)生已有的經(jīng)驗和將要經(jīng)歷的社會生活實際,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類面臨的與化學(xué)有關(guān)的社會問題,培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感、參與意識和決策能力.汽車的發(fā)展歷史伴隨著化學(xué)物質(zhì)研究的發(fā)展歷史,人工智能在汽車上的應(yīng)用是未來汽車的發(fā)展趨勢,也是學(xué)生未來將面臨的真實情境,在實驗室中模擬汽車中的真實情況,建立相關(guān)模型,讓學(xué)生體驗人工智能在汽車智能系統(tǒng)中的應(yīng)用,可以幫助學(xué)生更好地解決未來汽車上可能遇到的問題,并鍛煉初步的科學(xué)研究能力.

3 教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課以未來汽車為載體,聚焦未來汽車中使用的人工智能控制系統(tǒng),圍繞化學(xué)如何支持人工智能系統(tǒng)安全性的問題進行研究.當(dāng)我們使用人工智能時,會發(fā)現(xiàn)有更多隱藏的安全問題,比如車內(nèi)的氣體環(huán)境監(jiān)控和溫度的調(diào)節(jié)等,都需要大量數(shù)據(jù)作為保障,需要傳感器進行時時監(jiān)測.這節(jié)課的重點就落在如何通過人工智能系統(tǒng)保障未來汽車的氣體環(huán)境安全.

課程內(nèi)容包含了中學(xué)常見氣體物質(zhì)的性質(zhì)分析和總結(jié)、密閉系統(tǒng)物質(zhì)變化的分析等內(nèi)容.對學(xué)生的能力要求較高,可以安排在高中化學(xué)的起始階段,作為引入課、活動課或者實驗探究課;更適合用來做氧化還原反應(yīng)(必修模塊)或者電離平衡(選擇性必修模塊1)內(nèi)容的引入課.學(xué)生在本節(jié)課前應(yīng)當(dāng)已經(jīng)具備了認(rèn)識身邊一些常見物質(zhì)的組成、性質(zhì)及其在社會生產(chǎn)和生活中應(yīng)用的能力,以及能用簡單的化學(xué)語言描述化學(xué)變化和物質(zhì)變化的能力.

“課程標(biāo)準(zhǔn)”中將高中必修化學(xué)知識劃分為5個基本主題,本課程內(nèi)容主要涉及的是“主題1：化學(xué)科學(xué)與實驗探究”,同時該課內(nèi)容可以作為“主題2：常見的無機物及其應(yīng)用”中“氧化還原反應(yīng)”內(nèi)容的引入課,幫助學(xué)生在真實情境中更好地觀察到同一種元素在不同物質(zhì)中可以呈現(xiàn)不同的價態(tài),這種價態(tài)的相互轉(zhuǎn)化可通過電子的轉(zhuǎn)移實現(xiàn).該課程內(nèi)容還涉及“課程標(biāo)準(zhǔn)”中的選擇性必修課程“模塊1化學(xué)反應(yīng)原理”中“主題3：水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”的相關(guān)知識.

4 學(xué)情分析

該課程內(nèi)容對學(xué)生知識和能力水平的要求都很高,學(xué)生在參與課程之前需要充分掌握空氣中的氣體成分、含量以及各種氣體成分的物理、化學(xué)性質(zhì).還需要學(xué)生有定量的意識,要意識到氣體濃度的變化也會對物質(zhì)的性質(zhì)和反應(yīng)的現(xiàn)象產(chǎn)生一定的影響.對學(xué)生分析和處理復(fù)雜問題的能力也有一定的要求.

汽車內(nèi)雖然是學(xué)生較為熟悉的環(huán)境,但是由于氣體看不見、摸不著,學(xué)生很難在日常生活過程中注意到密閉空間中不同氣體濃度的變化.雖然近幾年人工智能發(fā)展的勢頭非常迅猛,但是中學(xué)生接觸得較少,人工智能進課堂仍處于調(diào)研階段.而本課程的學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生不僅要理解人工智能的基本原理,還要用學(xué)過的化學(xué)知識與人工智能相結(jié)合,解決實際生活中遇到的問題.

5 教學(xué)與評價目標(biāo)

5.1 教學(xué)目標(biāo)

1)認(rèn)識人工智能在未來汽車中所起的控制作用,明確汽車中的反應(yīng)及其性質(zhì).

2)通過對汽車中涉及的化學(xué)反應(yīng)的分析,了解模型在化學(xué)學(xué)科中的運用,加強對化學(xué)現(xiàn)象與模型之間聯(lián)系的認(rèn)識,學(xué)會運用多種模型來描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象,鍛煉預(yù)測物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果的能力.

3)通過分析汽車內(nèi)環(huán)境中的氣體成分和濃度的變化,認(rèn)識科學(xué)研究是進行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造并進行應(yīng)用的科學(xué)實踐活動;理解從問題和假設(shè)出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設(shè)計方案、基于證據(jù)進行分析和推理等對于科學(xué)探究的重要性.

4)通過對空氣中二氧化碳濃度檢測方案的設(shè)計和討論,體會定量研究對化學(xué)科學(xué)的重要作用;了解科學(xué)探究過程包括提出問題和假設(shè)、設(shè)計方案、獲取證據(jù)、分析解釋或建構(gòu)模型、形成結(jié)論及交流評價等核心要素;培養(yǎng)依據(jù)實驗?zāi)康暮图僭O(shè),設(shè)計解決問題的實驗方案的能力,并能對實驗方案進行評價.

5)通過使用pH 計,檢測二氧化碳對蒸餾水的pH 的影響,運用實驗基本操作實驗方案,能觀察并如實記錄實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù),進行分析和推理,得出合理的結(jié)論.通過合作交流,對實驗過程和結(jié)果進行反思,說明假設(shè)、證據(jù)和結(jié)論之間的關(guān)系,用恰當(dāng)形式表達和展示實驗成果.

5.2 評價目標(biāo)

1)通過對未來汽車中可能遇到的安全問題的分析,發(fā)展學(xué)生在復(fù)雜問題情境中提出有價值的實驗探究課題的應(yīng)用水平.

2)通過對二氧化碳溶于水發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和碳酸電離過程的分析認(rèn)識離子反應(yīng)的本質(zhì),診斷并發(fā)展學(xué)生綜合分析和解決實際問題的能力.

3)通過二氧化碳水溶液的pH 的檢測實驗方案設(shè)計和操作過程,培養(yǎng)依據(jù)化學(xué)問題解決的需要,選擇常見的實驗儀器、裝置和試劑,完成簡單的物質(zhì)檢驗實驗的能力.診斷并發(fā)展學(xué)生對化學(xué)實驗常用儀器的使用方法,以及依據(jù)操作說明使用精密儀器進行重要化學(xué)實驗的基本操作的應(yīng)用水平.

如表1所示.

表1

7.1 基于真實情境的常規(guī)化化學(xué)教學(xué)設(shè)計

本節(jié)課的設(shè)計亮點之一是在真實化學(xué)情境下進行教學(xué)活動.隨著人們生活水平不斷提高,對汽車也提出了更高的要求.人們希望汽車越來越高速,越來越舒適,同時還要兼顧節(jié)能、環(huán)保,并能時時刻刻保護駕乘車人員的安全.

本課選題聚焦在汽車的安全性問題上.設(shè)計本課程的初衷是希望學(xué)生站在工程師的角度,設(shè)計汽車的氣體監(jiān)控系統(tǒng),保障行駛中汽車的氣體環(huán)境安全.要求學(xué)生在思考這個問題的時候,不僅要依賴現(xiàn)有的知識和已經(jīng)具備的實驗探究技能,還要能對設(shè)計的實驗方案中與安全有關(guān)的各種因素進行綜合分析、判斷和決策.

越來越多的事實表明,化學(xué)在極大程度上推動了現(xiàn)代社會的文明和進步,對人類解決當(dāng)今面臨的能源危機、環(huán)境危機、資源危機和糧食危機等一系列重大挑戰(zhàn)提供了可能的途徑.教育體制改革的根本目的是提高民族素質(zhì),培養(yǎng)出大量的新時代所需要的人才.這種人才應(yīng)該具有獨立思考的能力和勇于創(chuàng)造的科學(xué)精神.培養(yǎng)這樣的人才,就提示中學(xué)教師必須進行教育思想、教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變和更新.

在真實情境下的教學(xué),使學(xué)生將對汽車的需求轉(zhuǎn)化為科學(xué)研究的目標(biāo),運用所學(xué)知識解決科學(xué)難題,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,在課程過程中感知化學(xué)在生產(chǎn)生活中的重要應(yīng)用價值,弘揚化學(xué)的科學(xué)價值和社會價值,激發(fā)學(xué)生關(guān)注生活、關(guān)心社會的情感.

7.2 問題線索引導(dǎo)式教學(xué)為學(xué)生思維發(fā)展服務(wù)

本節(jié)課設(shè)計了一連串的問題串聯(lián)整堂課,問題設(shè)計環(huán)環(huán)相扣、層層深入,問題難度逐級提升,讓學(xué)生始終保持新鮮感和學(xué)習(xí)的積極性.從某種意義上說,教學(xué)就是不斷地提出問題、解決問題和發(fā)現(xiàn)新問題的過程.在本節(jié)課的教學(xué)過程中,教師通過示范、引導(dǎo)學(xué)生自主提出問題.通過獨立思考、動手實踐和合作交流討論的活動不斷生成新的問題.

例如,在獨立思考行駛中的汽車發(fā)生的全部化學(xué)反應(yīng)時主動想到：“是不是所有的反應(yīng)都會影響汽車內(nèi)部? 進而引起車內(nèi)氣體環(huán)境的變化?”在動手實踐操作pH 計測量溶液中酸堿性的變化時,主動思考：“二氧化碳的濃度與pH 之間為什么呈現(xiàn)的不是一次方程的線性關(guān)系?”為后面講解弱電解質(zhì)的電離平衡打下基礎(chǔ).

在一個又一個問題的解決過程中,學(xué)生主動進行思考與實踐,從而提高創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力.以問題為中心組織課堂教學(xué)符合認(rèn)知心理學(xué)的規(guī)律和高中學(xué)生的學(xué)習(xí)特點,有利于改善教與學(xué)的方式,使學(xué)生主動地學(xué)習(xí).

7.3 著眼于未來的人工智能教學(xué)嘗試

在設(shè)計這堂課的過程中最難把握的就是人工智能—汽車—化學(xué)三者之間的關(guān)系.化學(xué)是人類對于過去接觸過的物質(zhì)、現(xiàn)象和原理的總結(jié);汽車是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的結(jié)晶,也是人類不可或缺的代步工具,它的舒適性和安全性已經(jīng)得到了較為充分的改善;人工智能著眼于未來,是解放人類的一種新工業(yè)形式.三者的結(jié)合對課程設(shè)計者來說是一種新的挑戰(zhàn),如果能將理論性極強的化學(xué)知識應(yīng)用于真實的情境、未來的設(shè)計中,可以促使學(xué)生更深刻地理解化學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境之間的相互關(guān)系,感悟化學(xué)的價值,贊賞化學(xué)對社會發(fā)展的重大貢獻.

這個選題需要任課教師額外花費很多時間學(xué)習(xí)并不熟悉的人工智能領(lǐng)域的相關(guān)知識.初步了解發(fā)現(xiàn)人工智能在化學(xué)前沿的研究中起到的非常重要的作用.計算化學(xué)是理論化學(xué)的分支,也常指計算機科學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科.人工智能在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)量正在以驚人的速度增長.尤其是人工智能的分支——機器學(xué)習(xí),其核心是用計算機算法模擬人類的學(xué)習(xí)行為,這種行為的模仿過程與研究人員的培養(yǎng)過程十分相似,都是隨著訓(xùn)練而提高的,也就是說機器學(xué)習(xí)的過程也很像學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程.

這樣的教學(xué)活動,很好地拓展了教師的知識面,使教師保持終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣,動態(tài)地看待化學(xué)原理在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中的作用,也幫助學(xué)生體會到化學(xué)的廣泛應(yīng)用和在生產(chǎn)生活中的重要價值.

人工智能使科學(xué)研究的準(zhǔn)確性提高,研究的效率得以飛速進步.有了人工智能的幫助,能大概率地鎖定更有優(yōu)勢的研究方向,減少前沿研究所耗費的試錯時間.因此對于中學(xué)生的教育來說,最重要的是普及人工智能的能力和思維方式,讓學(xué)生了解人工智能在科學(xué)研究中的重要作用.

其次,對于現(xiàn)在廣泛使用的機器學(xué)習(xí)方法,由于其學(xué)習(xí)反饋和建模思路,與學(xué)生學(xué)習(xí)的過程非常相似,因此以目標(biāo)需求帶動的課堂學(xué)習(xí)方法,某種程度上就是在模仿人工智能的學(xué)習(xí)方法.讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中以科學(xué)家或設(shè)計者的思路來思考問題,將人工智能的思想引入課堂,對學(xué)生的未來學(xué)習(xí)和研究有非常大的幫助.