“人工智能+教育”背景下高中化學智慧課堂教學實踐研究

陳小芳

(江蘇省宿遷市泗洪姜堰高級中學 江蘇 泗洪 223900)

習近平總書記在2019年《國際人工智能與教育大會》中強調(diào)：“人工智能深刻影響著教育，人工智能與教育的縱深交融正向推進教育創(chuàng)新。”“人工智能+教育”是以學生為中心，依托智能技術(shù)，通過線上線下相結(jié)合的方式，為學生提供自主學習和個性化學習環(huán)境，并能實時跟蹤反饋學生學習狀態(tài)的一種新型智能課堂。“人工智能+教育”在高中化學中的應(yīng)用，可以消除化學學習的枯燥性和乏味性，促使學生在自主合作探究過程中主動構(gòu)建化學知識，有利于提高學生化學學科核心素養(yǎng)，很好的提高了化學教學效果。下面筆者以《化學能與熱能》教學為例，具體探討“人工智能+教育”教育模式的構(gòu)建策略。

1.智慧課堂的內(nèi)涵與現(xiàn)狀

智慧課堂是隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的到來以及信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生的一種新型教學模式，目前為止，學術(shù)界對智慧課堂的概念還并未達成一致。有的學者認為：智慧課堂是讓學生在技術(shù)智能的環(huán)境中接受針對性的教育。在信息技術(shù)的輔助下，老師培養(yǎng)學生的行動能力、價值取向、創(chuàng)造能力以及思維品質(zhì)。也有學者認為：智慧課堂屬于智慧系統(tǒng)的范疇，具有個性化、智能化、多元化三個特點，利用移動終端設(shè)備打造深度、開放、高效、自主的課堂模式。綜合各位專家學者的意見，筆者認為，智慧課堂應(yīng)該具有兩個學習條件：一是智能環(huán)境；二是智能資源。所以，智慧課堂是在信息技術(shù)的支持下開展數(shù)字化教學的新型教學模式。

2018年，我國制定了《教育信息化2.0行動計劃》，其中提到要全面推進“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的教學模式，并且在2022年初步實現(xiàn)數(shù)字化校園。智慧課堂既是時代發(fā)展的必然趨勢，也是符合新時期下青少年學習需求的一種教學模式，部分學校已經(jīng)設(shè)立了智慧課堂試點班，從實踐效果來看，深受學生們的喜愛。近年來，大數(shù)據(jù)與信息技術(shù)極大的豐富了互聯(lián)網(wǎng)學習資源，智能化的教學模式開始在課堂推廣，而且越來越受到師生的關(guān)注。智慧課堂并不是對傳統(tǒng)教學模式的徹底顛覆，而是對多種教育資源的融合與改良，吸納多元化教育資源的長處，為學生提供更加優(yōu)質(zhì)、高效的課堂教學。

2.智慧課堂對高中化學教學的影響

化學是一門實踐性很強的學科，教材中涉及了大量實驗內(nèi)容。如果只通過“板書+講解”的方式，很難讓學生真正理解化學現(xiàn)象的原理，即使是觀看老師的實驗操作，依然不如學生親自動手來得直觀，實驗和儀器設(shè)備的缺乏，成為制約高中化學教學的重要因素。智慧課堂以及信息技術(shù)的應(yīng)用很好的改善了這一局面，利用計算機軟件與信息技術(shù)，化學教學活動可以不再局限于課堂，而是動態(tài)的延伸到課前、課中、課后各個環(huán)節(jié)。教學流程也發(fā)生了相應(yīng)改變，小組合租、線上答疑以及虛擬實驗等多種新穎的、有別于傳統(tǒng)化學課堂的教學形式也隨之出現(xiàn)。

傳統(tǒng)的課堂教學主要以教科書為載體，在沒有信息技術(shù)和設(shè)備支持的情況下，老師只能圍繞教材傳授知識，學生需要記憶大量概念、公式等內(nèi)容，而且缺少在實踐中運用知識的機會。智慧課堂引入了高新科技，互聯(lián)網(wǎng)為化學教學提供了取之不盡用之不竭的資源，很好的促進了信息技術(shù)、教學資源、教學模式的相互結(jié)合。學生可以在互聯(lián)網(wǎng)上查閱相關(guān)的化學知識和新聞，整理出有疑問的內(nèi)容，集中向老師提問。利用智慧終端查詢知識，不僅節(jié)約了大量課堂教學時間，同時還能整合豐富繁雜的學習資源，讓老師從課堂教學的“主導者”轉(zhuǎn)為“引導者”和“啟發(fā)者”，在實驗教學中隨時都可以和學生探討試驗方法，培養(yǎng)學生的思維能力，促進師生交流，營造濃厚、和諧、自由的學習氛圍，改善了師生關(guān)系，讓化學教學從單向的知識傳遞轉(zhuǎn)為雙向的教學相長。

3.高中化學智慧課堂的實踐

3.1 課前自主學習，大數(shù)據(jù)學情分析。“人工智能+教育”是利用云平臺技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實現(xiàn)對學生學習過程電子化監(jiān)控的一種形式。在課前，首先需要教師對所學的教學內(nèi)容進行深度分析，并精選教學資源、制作課前導學材料與檢測題，在線上布置學生課前學習內(nèi)容，指導學生進行自主學習。學生在規(guī)定的時間內(nèi)完成預習任務(wù)，教師根據(jù)大數(shù)據(jù)學情分析，了解學生在本節(jié)課預習過程中普遍的問題，進行課中教學過程設(shè)計。

以《化學能與熱能》教學為例，本節(jié)課內(nèi)容主要包括三個部分：一是，化學鍵與能力之間的關(guān)系；二是，化學反應(yīng)過程中反應(yīng)物與生成物之間的能量關(guān)系；三是吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的化學實驗探究。教學目標是通過化學能與熱能實驗探究，幫助學生理解“能量守恒定律”，從而建立正確的能量觀。

在本節(jié)課的教學實踐中，提前制作了預習導學案和微課視頻，并將課前學習資源一并發(fā)送給學生。學生在規(guī)定時間內(nèi)完成自主課前預習。根據(jù)本節(jié)課前測的大數(shù)據(jù)分析和學生在微課討論區(qū)里的提問發(fā)現(xiàn)，學生學習難點主要分為以下兩個方面：

第一，學生雖然能夠從宏觀上理解化學反應(yīng)能量變化的原因，但還沒有從微觀上理解化學反應(yīng)為什么有能力變化。

第二，對吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)問題判斷上容易混淆。

為此，結(jié)合這兩點，有針對性的進行課堂教學設(shè)計。筆者主要采用小組實驗探究的方式開展課堂教學，以問題驅(qū)動學生實驗，在實驗中觀察現(xiàn)象、歸納總結(jié)，得出實驗結(jié)論。

3.2 實時掌控教學，小組合作探究?！叭斯ぶ悄?教育”利用電腦主機、遠程控制、視頻采集、實時監(jiān)控等系統(tǒng)，可以全自動的記錄在課堂中教師的教學與學生的聽課，而教師借助于視頻采集系統(tǒng)可以方便的掌握每個學生的上課情況，有利于實現(xiàn)在線點評，促使課堂教學效率得到有效提高。在化學智慧課堂的形成過程中，教師需要針對學生在課前預習中普遍存在的問題給予一定的指導和提示，并利用小組合作探究的形式，讓學生通過自主探究突破學習重難點，體會其中所蘊含原理與智慧，從而深化學生對核心知識的理解。

3.2.1 課堂導入，明確學習主題。在智慧課堂中，筆者首先通過平板，截圖的方式展示學生在微課討論區(qū)普遍提出的問題，這樣開門見山，直入話題，并采取問題驅(qū)動的教學方式，促使學生合作探究?！拔覀兛梢酝ㄟ^哪些方法來感受化學反應(yīng)過程中的熱變化呢？”“可以用手觸摸、可以用溫度計測量?！薄澳敲?，在什么情況下可以用手觸摸？什么情況下用溫度計測量?！薄胺艧崦黠@的時候，可以用手觸摸。”“需要定量測量時，可以用溫度計測量?！?/p>

3.2.2 實現(xiàn)項目，引導自主探究。在明確本節(jié)課的學習主題后，為進一步突破學習重難點。通過平板將實驗任務(wù)發(fā)送給學生，其中，包括：

實驗一：Mg與HCl發(fā)生化學反應(yīng)時熱量的變化。

實驗注意事項：在實驗中所取HCl的量約為1ml，當感受到明顯的熱量變化時，立即抽出Mg條停止實驗。學生在線接收實驗項目，并按照實驗項目指示，在設(shè)定時間內(nèi)以小組合作的形式完成教師設(shè)計的實驗內(nèi)容，填寫實驗報告。

教師安排學習小組共同討論與操作實驗，在小組學習過程中，教師可以利用智慧教學平臺的多屏顯示視頻監(jiān)控，觀察班級中每個學生的學習狀況，以便能夠及時的發(fā)現(xiàn)問題，給予一定的指導和幫助。學生通過實驗探究發(fā)現(xiàn)，Mg與HCl的反應(yīng)是“放熱反應(yīng)”，并從中歸納總結(jié)出規(guī)律：“大多數(shù)金屬與酸的反應(yīng)都是放熱反應(yīng)。”針對學生這一問題，筆者提出疑問：“還有大多數(shù)金屬與水的反應(yīng)也是放熱反應(yīng)，中和反應(yīng)作為化學反應(yīng)中的一類典型，是吸熱反應(yīng)，還是放熱反應(yīng)呢？”

實驗二：NaOH與HCl的化學反應(yīng)。

重復上述實驗探究步驟，學生活動發(fā)現(xiàn)酸堿中和反應(yīng)是放熱反應(yīng)。

學生通過實驗一、實驗二的探究、操作，基本掌握了放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)的實驗現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，引導學生畫出根據(jù)微課學習內(nèi)容，畫出放熱反應(yīng)體系的能量隨反應(yīng)進程的變化圖。

在此過程中，教師在課堂內(nèi)進行巡視與拍照學生所作的一些圖像，通過全班共同對圖像的分析，總結(jié)出放熱反應(yīng)體系能量隨反應(yīng)的變化情況：當反應(yīng)物想要變成生成物時，首先需要斷裂化學鍵吸收能量，吸收足夠能量后，再次成鍵，釋放能量，如果釋放的能量高于吸收的能量，所以在該化學反應(yīng)過程中放出能量。在放熱反應(yīng)體系中，是化學能向熱能的轉(zhuǎn)化，那么是否存在熱能向化學能轉(zhuǎn)化呢？

實驗三：Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl反應(yīng)過程中熱量的變化。

實驗材料：試管、棉花團、塑料杯、酚酞試液、濾紙。

學生在線接收教師提供的實驗步驟，首先在濾紙上滴幾滴酚酞試液，然后在試管中加入幾滴水，并將棉花團濕潤后套在試管外，將稱好重量的晶體導入到塑料杯中，立刻蓋上蓋子，用試管快速攪拌混合物，用手感受杯子溫度的變化。

同樣，學生實驗，教師巡查拍照，在探究過程中，學生發(fā)現(xiàn)在用試管快速攪拌混合物時，混合物逐漸呈糊狀，并產(chǎn)生了堿性氣體，這是因為滴有酚酞試液的濾紙變成了紅色，同時，用手觸摸杯子底部發(fā)現(xiàn)杯底變得冰涼。接下來，請學生根據(jù)前面我們學習過的放熱反應(yīng)體系的能量反應(yīng)進程的變化圖，聯(lián)系微課內(nèi)容，畫出吸熱反應(yīng)體系的能量反應(yīng)進程變化圖。經(jīng)過知識的遷移和運用，學生類比總結(jié)出吸熱反應(yīng)體系能力隨反應(yīng)的變化情況：當反應(yīng)物想要變成生成物時，首先需要斷裂化學鍵吸收能量，吸收足夠能量后，再次成鍵，釋放能量，如果釋放的能量低于吸收的能量，所以在該化學反應(yīng)過程中吸收能量。

通過前面對放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)能量的分析，學生已經(jīng)了解兩者各自的化學原因，此時，引導學生歸納總結(jié)放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)的類型，最后將兩者的對比總結(jié)表發(fā)送給學生，幫助學生鞏固與吸收課堂知識。

3.2.3 隨堂小測，檢驗學習效果。教師發(fā)布隨堂小測，學生在線答題。當學生完成答題后，教師調(diào)取答題數(shù)據(jù)，從大數(shù)據(jù)分析圖上，教師能清晰的知道哪些題目學生做錯了、哪些學生做錯了，這為教師進行個性化和針對性課后輔導提供了精確的數(shù)據(jù)，這也算是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”背景下智慧課堂教學模式的優(yōu)勢所在。

(1)判斷題。

①放熱反應(yīng)不需要加熱就能發(fā)生。

②吸熱反應(yīng)需要加熱才能發(fā)生。

③在化學反應(yīng)過程中都伴有能量的產(chǎn)生，那么，有能量變化就一定是化學變化。

④放熱反應(yīng)不需要吸收外界能量。

調(diào)取學生答題數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，學生第一題答題正確率為90%，其余三道題目正確率為100%，這說明大部分學生對于放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)中能量的變化情況這一知識點已經(jīng)基本掌握。

(2)選擇題。

①下列變化屬于放熱反應(yīng)的是( )

a.Zn與稀HCl的反應(yīng) b.濃H2SO4溶于水 c.CaCO3高溫分解 d.液態(tài)水氣化

A a和d

B a

C c和d

D a和b

②下列變化屬于吸熱反應(yīng)的是( )

A Mg條燃燒

B Fe與稀HCl的反應(yīng)

C H2SO4與KOH的反應(yīng)

D Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl

③下列說法正確的是( )

A 吸熱反應(yīng)需要加熱才能發(fā)生

B 吸熱反應(yīng)需要從外界獲取能量，而放熱反應(yīng)不需要

C 放熱反應(yīng)在常溫下很容易發(fā)生

D 吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的判斷是根據(jù)其反應(yīng)物、生成物所具有的總能量相對大小來決定的。

大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，學生第一題的正確率為70%，第二、三題的正確率為100%。第一題錯誤答案主要集中于選項D，這樣教師只需要針對D選項進行針對性的講解就行，這樣能夠大大提高習題講解的針對性和有效性。

3.3 勤反思勤總結(jié)，促進課堂智慧深化?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+教育”背景下的智慧課堂，對于廣大教師而言，是一種全新的教學模式，需要教師在教學實踐中不斷探索、積累經(jīng)驗。而課后勤反思、勤總結(jié)，則是促進課堂智慧深化與升華的關(guān)鍵所在。對于課堂上無法呈現(xiàn)的化學實驗，教師可以借助于信息化手段呈現(xiàn)學生，讓學生利用課余時間自主學習。教師在課后以臺賬的形式記錄課堂進程，判斷自己本節(jié)課的教學目標是否達到、化學實驗指導是否到位、學生學習效果是否顯著、教學氛圍是否良好等等，與此同時，學生也智慧平臺上看到自己本堂課的學習記錄以及教師給出的評價，這為學生接下來的復習與鞏固提供了精確的指導方向。

在《化學能與熱能》一課的教學中，筆者主要以實驗探究和問題驅(qū)動的方式，引領(lǐng)學生動手操作、小組合作、積極思考，課堂氛圍非?；钴S，大大提高了學生的學習興趣與參與度。從學生知識的建構(gòu)來看，學生在課堂上，勇于發(fā)言，隨堂檢測的正確率較高，說明大部分學生對本節(jié)課的知識內(nèi)容學習成效顯著。從總體上來說，基本已經(jīng)完成本節(jié)課的教學目標。但不足之處就是，學生在進行小組實驗探究時對于時間的把握不準、少部分學生對于在線學習教育方式運用不夠熟練等，還有待進一步的探索與改進。

結(jié)束語

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，智慧課堂、智慧教育成為教育熱點話題，結(jié)合人工智能教育的深度融合，充分運用大數(shù)據(jù)、云平臺等新興科技，引導學生對化學知識進行自主探索，帶給學生多重感覺器官刺激，有利于刺激學生大腦學習，并形成一個交流活動的課堂，這是對傳統(tǒng)教育教學模式的一種突破與創(chuàng)新。我們作為教師，只有勤于反思、善于總結(jié)，充分利用信息化手段對教學方式進行設(shè)計，才能不斷形成自己獨具特色的化學教學智慧課堂。