融合Ai學(xué)智慧教育技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐

徐志鍇

摘要：建設(shè)智慧校園，推動人工智能在教育教學(xué)的應(yīng)用是近年教育教學(xué)發(fā)展的趨勢。文章以“氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)”為例，將Ai學(xué)智慧教育技術(shù)融入到課前、課中和課后，精心設(shè)計(jì)“呈現(xiàn)經(jīng)典，初探原理——變換裝置，深挖原理——創(chuàng)設(shè)情景，運(yùn)用原理——Ai自推送，內(nèi)化原理”四個教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅提高學(xué)生核心素養(yǎng)和信息技術(shù)水平，又能推動人工智能在教育教學(xué)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：氛氣;噴泉實(shí)驗(yàn);Ai學(xué);人工智能

文章編號：1008-0546（2021）07-0025-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.007

一、問題提出

2017年，國務(wù)院印發(fā)了關(guān)于“新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知”，要求利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系。近年來，以Ai學(xué)智慧教育平臺（https：//www.ailearn100.cn/）為代表的一批人工智能智慧學(xué)習(xí)平臺興起，該平臺將人工智能、大數(shù)據(jù)、圖文識別等技術(shù)與日常教學(xué)教研深度融合，為師生、學(xué)校以及教育監(jiān)管部門提供個性化的智慧教學(xué)解決方案[1]。

氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)重要的演示實(shí)驗(yàn)，同時也是建構(gòu)學(xué)生模型認(rèn)知的極佳素材。就目前而言，關(guān)于“噴泉實(shí)驗(yàn)”這一內(nèi)容，已有很多相關(guān)案例，如王曉瑜等設(shè)計(jì)生成氨氣與引發(fā)噴泉的一體化裝置[2];燕敏等用有機(jī)玻璃設(shè)計(jì)一個三室雙氣體噴泉裝置[3]。這些教學(xué)案例主要集中在噴泉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新和裝置的改進(jìn)，但利用氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)原理即壓強(qiáng)差原理進(jìn)行知識延伸，卻是高考的熱門素材，如2015年廣東卷33題，2016年全國Ⅰ卷26題，2017年全國Ⅰ卷26題和2018年全國Ⅰ卷26題。所以在化學(xué)核心素養(yǎng)引領(lǐng)下，整合相關(guān)資源，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，深入分析噴泉實(shí)驗(yàn)原理，拓展其原理的應(yīng)用，將是一項(xiàng)富有意義的研究。

基于以上思考，以建立有效思維模型和提升實(shí)際問題解決能力為目標(biāo)，借助Ai學(xué)智慧教育技術(shù)，筆者在必修1第四章第四節(jié)的學(xué)習(xí)中設(shè)計(jì)“噴泉實(shí)驗(yàn)引發(fā)的思考”的專題課，探討在智慧教育技術(shù)引領(lǐng)的教學(xué)實(shí)踐中融入化學(xué)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和落實(shí)，為基于核心素養(yǎng)和信息技術(shù)的教學(xué)提供參考。

二、設(shè)計(jì)思路

如何準(zhǔn)確把握學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知障礙是教學(xué)過程中面臨的主要困難。前測備課是解決該困難的有效手段，前測診斷測試題的命制和評閱分析卻需要消耗教師大量的精力和時間。Ai學(xué)智慧教學(xué)平臺則很好地解決這些難題，在不改變學(xué)生紙筆書寫習(xí)慣的前提下，通過集成無線訪問接入點(diǎn)、充電柜、點(diǎn)陣數(shù)碼筆、教學(xué)平板等硬件設(shè)備;采用云—網(wǎng)—端模式，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生書寫筆跡等數(shù)據(jù)的全程記錄。Ai學(xué)平臺最具亮點(diǎn)的功能是云端批改，不僅可以對客觀題進(jìn)行批改，而且還能按步驟對主觀題批改，最后形成單次作業(yè)報告、階段性作業(yè)報告和考試報告等;基于這些報告數(shù)據(jù)，結(jié)合推薦算法，定位薄弱點(diǎn)，自動推送訓(xùn)練和復(fù)習(xí)題。由Ai學(xué)支持下的一般教學(xué)過程如圖1。

結(jié)合新課程標(biāo)準(zhǔn)、高考命題趨勢和學(xué)生特點(diǎn)，選定氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)這一主題，在Ai學(xué)平臺中挑選合適的素材，最終確定推送素材，包括3個自學(xué)材料、1個客觀性測試題和3個主觀性測試題。教師在課前通過教師端平板推送給學(xué)生端平板，學(xué)生完成后Ai學(xué)平臺將智能診斷結(jié)果反饋回教師端，其結(jié)果如表1。

從表中可知學(xué)生完成課前推送素材的平均作答時長約為11分42秒，符合預(yù)期。學(xué)生基本能夠自覺閱讀自學(xué)材料中的內(nèi)容，而客觀測試與主觀測試的結(jié)果反映出學(xué)生存在的主要思維障礙是：將自學(xué)材料內(nèi)化為核心知識能力較弱;不能理解氨氣溶解度所帶來的實(shí)際影響;知識遷移和綜合分析能力較弱;不能透過現(xiàn)象看到事物的本質(zhì)，歸納總結(jié)能力較弱?；谝陨戏治觯_定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)是：通過分析氨氣的噴泉實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng);通過變換不同的噴泉實(shí)驗(yàn)情景，提高學(xué)生解決陌生情景的能力;通過創(chuàng)設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)裝置，培養(yǎng)學(xué)生接受、吸收、整合信息的能力，發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng);通過Ai學(xué)的協(xié)助，精準(zhǔn)定位學(xué)生的知識薄弱點(diǎn)，幫助學(xué)生理解噴泉實(shí)驗(yàn)原理，提升信息技術(shù)水平。

結(jié)合學(xué)生存在的思維障礙，為了充分發(fā)揮Ai學(xué)平臺的技術(shù)優(yōu)勢，筆者精心設(shè)計(jì)四個教學(xué)環(huán)節(jié)，分別是“呈現(xiàn)經(jīng)典，初探原理——變換裝置，深挖原理——創(chuàng)設(shè)情景，運(yùn)用原理——Ai自推送，內(nèi)化原理”，從情景線索、學(xué)生活動和教師支持等維度展開教學(xué)，其設(shè)計(jì)思路如表2所示。

三、教學(xué)實(shí)施

1.環(huán)節(jié)一：呈現(xiàn)經(jīng)典，初探原理

【引入】演示氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)，如圖2。

【生】觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并思考產(chǎn)生噴泉的原理。（看到產(chǎn)生紅色噴泉后，露出驚訝的表情）

【討論】從自學(xué)材料可知道，氨氣溶于水，打開活塞后，當(dāng)擠壓膠頭滴管，則能引發(fā)噴泉。

【追問】按照你的思考，集氣瓶氣體換成CO2應(yīng)該也能形成噴泉實(shí)驗(yàn)？

【討論】兩種氣體在水中都具有一定溶解度，但氨氣在水中溶解度明顯比CO2大很多，使瓶內(nèi)壓強(qiáng)迅速減少，造成瓶內(nèi)外形成較大壓強(qiáng)差，從而形成噴泉。

【追問】還有哪些氣體在此裝置基礎(chǔ)上完成噴泉實(shí)驗(yàn)？若形成CO2噴泉實(shí)驗(yàn)，則裝置如何改進(jìn)？

【生】選擇在水中有較大溶解度的氣體，如HCl。改變?nèi)軇黾覥O2溶解度即能形成噴泉實(shí)驗(yàn)，可將膠頭滴管和燒杯中的蒸餾水改為NaOH溶液。

【過渡】圖3中圓底燒瓶中充滿氨氣，打開活塞后，引發(fā)噴泉的實(shí)驗(yàn)操作是什么？

【生】可以用熱毛巾捂住集氣瓶，并到講臺進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

【追問】熱毛巾捂住集氣瓶，本質(zhì)是什么？

【生】氨氣受熱膨脹，迅速擴(kuò)散到導(dǎo)管，氨氣溶于水，瓶內(nèi)與外界形成較大壓強(qiáng)差，從而形成噴泉。

【追問】這個方法很好。還有其他方法嗎？

【生】用毛巾包住少量冰塊再捂住集氣瓶，并演示實(shí)驗(yàn)。

【點(diǎn)評】這個方法與前面同學(xué)的原理是相同，不同的是，前者是氨氣“主動出擊”溶解，后者是氨氣“被動攻擊”溶解。

【Ai推送】H2還原CuO實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)該先撤出導(dǎo)管還是先熄滅酒精燈，說明理由？其中的原理與噴泉實(shí)驗(yàn)原理是否相似？（學(xué)生思考并作答，Ai學(xué)平臺收集數(shù)據(jù)并生成報告）

【小結(jié)】引發(fā)噴泉實(shí)驗(yàn)原理是瓶內(nèi)壓強(qiáng)小于外界大氣壓強(qiáng)，形成較大壓強(qiáng)差。而引發(fā)的方法可分為物理方法（升溫、降溫）和化學(xué)方法。

2.環(huán)節(jié)二：變換裝置，深挖原理

【過渡】如圖4所示裝置，集氣瓶中充滿空氣，錐形瓶中裝有酒精，打開活塞后，該裝置如何引發(fā)噴泉？

【生】將水槽中的水加熱，使酒精氣化，從而引發(fā)噴泉。

【追問】該裝置引發(fā)噴泉的原理是否與圖2、圖3相同？

【生】（教師引導(dǎo)）前者是使上方瓶內(nèi)壓強(qiáng)減少，瓶內(nèi)壓強(qiáng)小于外界大氣壓，下方的溶液“倒吸”進(jìn)入上方集氣瓶;而這套裝置是使下方瓶內(nèi)壓強(qiáng)增大，瓶內(nèi)壓強(qiáng)大于外界大氣壓，下方的溶液被“壓進(jìn)”上方集氣瓶中。

【追問】這位同學(xué)分析得很到位。錐形瓶中加入哪些試劑組合同樣可以引發(fā)噴泉？

【生】碳酸鹽與鹽酸產(chǎn)生C認(rèn)。

【師】在前面的學(xué)習(xí)中，我們是否有利用這一原理實(shí)現(xiàn)相關(guān)用途的裝置呢？

【生】隨關(guān)隨停裝置：如啟普發(fā)生器。

【小結(jié)】此類裝置引發(fā)噴泉實(shí)驗(yàn)原理是瓶內(nèi)壓強(qiáng)大于外界大氣壓強(qiáng)，形成較大壓強(qiáng)差。而引發(fā)的方法可分為物理方法（升溫使溶液氣化）和化學(xué)方法（產(chǎn)生氣體）。

3.環(huán)節(jié)三：創(chuàng)設(shè)情景，運(yùn)用原理

【師】為了能夠長時間看到白色Fe（OH）2沉淀，請?jiān)O(shè)計(jì)合理實(shí)驗(yàn)裝置，注明反應(yīng)裝置所選的試劑并簡述生成Fe（OH）2沉淀其操作過程。實(shí)驗(yàn)可供選的儀器有燒杯、大試管、具支試管、普通導(dǎo)管，T形導(dǎo)管、止水夾、橡膠管、橡膠塞;試劑有稀硫酸、鐵粉、NaOH溶液。

【生】小組討論，并畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖，之后進(jìn)行小組匯報。

【師】制備Fe（OH）2的反應(yīng)方程式是什么？這些原料從何而來？Fe（OH）2特點(diǎn)是什么？如何將原料混合從而制備產(chǎn)品？

【生】制備Fe（OH）2反需要Fe2+鹽與強(qiáng)堿反應(yīng)，F(xiàn)e2+鹽需要稀硫酸與鐵粉反應(yīng)所得，而強(qiáng)堿則直接使用NaOH溶液。

【生】Fe（OH）2容易被氧化而變色，因而所需試劑使用前都應(yīng)煮沸一段時間，以便除去溶解的O2。

【追問】這個做法很好?？梢猿ジ魅芤褐械难鯕猓绾纬?shí)驗(yàn)裝置中的氧氣呢？（學(xué)生困惑）

【討論】如圖5所示，先打開止水夾，利用稀硫酸與鐵粉反應(yīng)產(chǎn)生的H2排除裝置中空氣，反應(yīng)一段時間后，關(guān)閉止水夾，左側(cè)具支試管內(nèi)壓強(qiáng)增大，溶液從而進(jìn)入右側(cè)試管。

【評價】這就是噴泉原理的一個很好范例。

【小結(jié)】從噴泉實(shí)驗(yàn)裝置出發(fā)，分析其原理，明確其方法，從而實(shí)現(xiàn)其多種用途，其思維模型如圖6。

4.環(huán)節(jié)四：Ai自推送，內(nèi)化原理

【課后任務(wù)】過濾常用固液分離，但由于過濾時間較長，為其使用帶了不便。結(jié)合今天所學(xué)知識，通過改進(jìn)裝置可以加快過濾速度，你想到了什么實(shí)驗(yàn)裝置？

【生】基于學(xué)生課前、課中和課后的學(xué)習(xí)報告，Ai學(xué)平臺自動推送強(qiáng)化訓(xùn)練。

【師】查看Ai平臺報告，依據(jù)學(xué)習(xí)報告對學(xué)生個別指導(dǎo)。

四、成效與反思

在Ai學(xué)智慧教育技術(shù)幫助下，經(jīng)過本節(jié)課的思維訓(xùn)練，學(xué)生能夠較為熟練地將兩種引發(fā)噴泉實(shí)驗(yàn)的原理運(yùn)用到實(shí)際問題的解決中，并很好地完成了1個課后任務(wù)和1-2個Ai學(xué)自推送任務(wù)。課例實(shí)施后，對Ai學(xué)實(shí)驗(yàn)班的3位學(xué)生進(jìn)行訪談，學(xué)生均在以下幾個方面得到發(fā)展：第一：學(xué)會從微觀角度分析解決宏觀問題，建立了宏微結(jié)合的分析思路;第二：感受到化學(xué)學(xué)科的趣味性和價值性;第三：初步建立“裝置——原理——方法——用途”的認(rèn)知模型。

在完成課堂教學(xué)的第二天，對Ai學(xué)實(shí)驗(yàn)班與對照班進(jìn)行當(dāng)堂檢測，實(shí)驗(yàn)班檢測卷通過Ai學(xué)平臺推送給學(xué)生，而對照班則發(fā)放紙質(zhì)測試卷;考查的主要內(nèi)容是噴泉實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識點(diǎn)，測試題經(jīng)過本校資深教師審閱，符合課堂檢測的難度標(biāo)準(zhǔn)。其中，客觀題是選擇題，主觀題是實(shí)驗(yàn)題，其測試結(jié)果如表3。

從表3結(jié)果可知，Ai學(xué)實(shí)驗(yàn)班客觀題和主觀題的得分率明顯高于對照組，說明本課時的教學(xué)效果并不比傳統(tǒng)教學(xué)差，甚至有可能優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué);Ai學(xué)智慧教育技術(shù)的教學(xué)模式對課堂教學(xué)具有積極作用。另外，本班級從高一級第一學(xué)期初引入Ai學(xué)平臺，以第一次月考為成績起點(diǎn)，教師按照圖1的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，班級成績也在穩(wěn)步向前，也進(jìn)一步說明該模式對日常教學(xué)有正面影響。

新時代既要求教師具有先進(jìn)的教育科學(xué)理念和素養(yǎng)，又要求教師具有精湛的信息技術(shù)應(yīng)用能力。Ai學(xué)利用其技術(shù)優(yōu)勢滲透整個教學(xué)流程，解決多個難題。課前，教師利用豐富的平臺素材，輕松、靈活地備課，使用課前推送素材等功能可以有效掌握學(xué)生初次學(xué)習(xí)情況，在數(shù)據(jù)支持下精準(zhǔn)備課。課中，教師可以手持教師端平板進(jìn)行移動授課，拉近了學(xué)生空間距離，又根據(jù)學(xué)生掌握的情況進(jìn)行智能推送、及時反饋和互動。課后，借助平臺中電子教輔和標(biāo)簽化題庫，教師可以根據(jù)課前和課中反饋的學(xué)情報告進(jìn)行分層作業(yè)布置，人工智能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動批閱，形成完整的作業(yè)報告，讓教師及時了解學(xué)生的薄弱知識和能力點(diǎn)并改變教學(xué)策略。

參考文獻(xiàn)

[1]趙順，胡麗斌.Ai技術(shù)助力學(xué)生錯題本的建立與應(yīng)用實(shí)踐研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019（16） ：7-8+15

[2]王曉瑜，冉鳴.氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)的一體化設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教育，2018，39（19）：52-53

[3]燕敏，莫尊理，茍如虎，等.氣體噴泉實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)及應(yīng)用[J].化學(xué)教育2018，39（19）：54-56

*本文系廣州市教育研究院2019年“第十八屆特約教研員”專項(xiàng)研究課題（課題編號：GZJYTY2019-114）;廣州市教育科學(xué)規(guī)劃2018年度課題（課題編號：201811883）;廣州市教育科學(xué)規(guī)劃2020年度課題（課題編號：202012696）階段性研究成果。