人工智能賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)的探索

黃郁郁 王后雄

摘? ? ? 要

隨著中學(xué)化學(xué)教學(xué)的不斷發(fā)展，人工智能賦能教學(xué)逐漸成為了一種新的教學(xué)手段。人工智能為中學(xué)化學(xué)教學(xué)個(gè)性化資源分享、多維化評(píng)價(jià)增值、特色化實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐。在“雙減”背景下，結(jié)合案例從“AI助手”“智慧評(píng)價(jià)”“特色實(shí)驗(yàn)”三個(gè)方面探討了人工智能在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的創(chuàng)新與實(shí)踐，總結(jié)了其優(yōu)勢，并在數(shù)據(jù)資源、隱私保護(hù)等方面提出了局限性，以期為一線教育工作者提供借鑒和參考。

關(guān) 鍵 詞

人工智能;中學(xué)化學(xué);深度學(xué)習(xí)

引用格式

黃郁郁，王后雄.人工智能賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)的探索[J].教學(xué)與管理，2024（19）：53-55.

2018年4月，教育部出臺(tái)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，提出“大力推進(jìn)智能教育，推動(dòng)人工智能在教學(xué)、管理等方面的全流程應(yīng)用，探索泛在、靈活、智能的教育教學(xué)新環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用模式”。人工智能技術(shù)作為新技術(shù)革命的重要驅(qū)動(dòng)力，在國家的大力支持下開始注入教育領(lǐng)域，同時(shí)也為中學(xué)化學(xué)教學(xué)的改革和創(chuàng)新賦能。隨著科技不斷進(jìn)步，人工智能賦能中學(xué)教學(xué)已成為實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)、培養(yǎng)學(xué)生高階思維的重要途徑[1]。

一、人工智能賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢

人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）是一種模擬人類智能的技術(shù)和科學(xué)，它是利用計(jì)算機(jī)等工具和技術(shù)實(shí)現(xiàn)“智能化”的一種手段。人工智能在“沿著以計(jì)算機(jī)為核心，到以互聯(lián)網(wǎng)為核心，再到以數(shù)據(jù)為核心的發(fā)展脈絡(luò)”中，推動(dòng)教與學(xué)發(fā)生了很多變化[2]。作為引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力，人工智能催生了大批新產(chǎn)品、新技術(shù)、新業(yè)態(tài)和新模式，也為教育現(xiàn)代化帶來更多可能性?！叭斯ぶ悄?教育”不斷碰撞出新的教學(xué)場景，為教育變革創(chuàng)新注入強(qiáng)勁新動(dòng)能，“人工智能+教育”即將成為教育發(fā)展主流，滿足學(xué)生個(gè)性化、動(dòng)態(tài)化的學(xué)習(xí)需求[3]。教、練、輔、考、評(píng)、管各環(huán)節(jié)增加人工智能輔助，讓教師教得更好;虛實(shí)融合多場景教學(xué)、協(xié)同育人，讓學(xué)生學(xué)得更好。

人工智能賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)，可以有效解決傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)中存在的問題。人工智能技術(shù)通過分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，為每個(gè)學(xué)生量身定制學(xué)習(xí)計(jì)劃與資源，提高學(xué)習(xí)的針對性和有效性;通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等方式，為學(xué)生提供更加真實(shí)的學(xué)習(xí)資源，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力和求知欲;通過語音識(shí)別、自然語言處理等技術(shù)，與學(xué)生進(jìn)行智能化的對話和互動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度;通過分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和行為，自適應(yīng)地調(diào)整教學(xué)策略和教學(xué)內(nèi)容;通過自動(dòng)化的方式，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行精準(zhǔn)化評(píng)估和反饋，幫助學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤;通過互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享和協(xié)作，讓更多學(xué)生受益于優(yōu)質(zhì)的教育資源等。借助人工智能提升課內(nèi)教學(xué)效率，推動(dòng)學(xué)生減負(fù)轉(zhuǎn)型之機(jī)，許多學(xué)校引入“AI助手”“智慧評(píng)價(jià)”“特色實(shí)驗(yàn)”等人工智能手段賦能化學(xué)教學(xué)，助力中學(xué)化學(xué)教師開展一系列面向未來的中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐與探索。

二、人工智能賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)的策略

1.借助AI助手，賦能化學(xué)教學(xué)

隨著人工智能的發(fā)展，AI助手將成為撬動(dòng)課堂教學(xué)變革的阿基米德點(diǎn)，如AI助手承擔(dān)的新角色、人機(jī)協(xié)同的雙師課堂、機(jī)器人賦能未來教學(xué)的創(chuàng)新與變革[4]。AI助手成為課堂教學(xué)的新要素，使傳統(tǒng)課堂教學(xué)的“人—人”雙邊關(guān)系走向了“人—機(jī)—人”多邊關(guān)系。

在教學(xué)過程中，人工智能根據(jù)學(xué)生個(gè)體差異導(dǎo)致的不同需求，為學(xué)生提供更加個(gè)性化的教學(xué)服務(wù)。AI助手根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和偏好，對學(xué)生的分析能力、綜合能力和評(píng)價(jià)能力進(jìn)行測量與診斷，發(fā)現(xiàn)學(xué)生個(gè)體的優(yōu)勢與短板，開展個(gè)性化、差異化教學(xué)和反饋。建立AI作業(yè)資源庫，根據(jù)學(xué)生的特征和需求，推薦適合的學(xué)習(xí)資源，助推學(xué)生個(gè)性化發(fā)展[5]。例如，對后進(jìn)生推送基礎(chǔ)鞏固和興趣拓展類的化學(xué)作業(yè)，對學(xué)優(yōu)生推送探究性、綜合性、實(shí)踐性的化學(xué)作業(yè)，在分層教學(xué)中使所有學(xué)生都獲得最大發(fā)展。在線檢測系統(tǒng)建立學(xué)生電子成長檔案袋，動(dòng)態(tài)監(jiān)測學(xué)生學(xué)習(xí)情況，幫助教師診斷預(yù)測和學(xué)生自我評(píng)價(jià)，從而發(fā)現(xiàn)并解決問題。

AI助手不僅可以替代教師完成繁瑣的常規(guī)程序性的工作任務(wù)，緩解教師重復(fù)性的高強(qiáng)度工作負(fù)荷，還可以獲取學(xué)生的行為數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理準(zhǔn)確把握學(xué)生的個(gè)體特征，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和教師的教學(xué)需求自動(dòng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化課程內(nèi)容和教學(xué)方式。例如，“學(xué)習(xí)化學(xué)方程式的配平”時(shí)，部分學(xué)生對配平方法沒有完全掌握，AI助手可以對部分學(xué)生一對一個(gè)性化講解，并推送相關(guān)練習(xí)題加以鞏固。對于部分學(xué)生“化合價(jià)口訣”背誦不熟練，可以借助AI助手檢查學(xué)生背誦或默寫情況。

2.探索智慧評(píng)價(jià)，助力課堂增效

隨著人工智能賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)，教學(xué)評(píng)價(jià)也逐漸科學(xué)化和智慧化，不僅促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提升，還減輕了學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)。人工智能賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)評(píng)價(jià)，為評(píng)價(jià)診斷帶來全新的視角與技術(shù)支撐。

在傳統(tǒng)的教師口頭評(píng)價(jià)、作業(yè)等級(jí)評(píng)價(jià)等定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，人工智能的賦能開創(chuàng)了實(shí)施多維評(píng)價(jià)的新局面。教師基于人工智能探索智慧評(píng)價(jià)，及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，優(yōu)化學(xué)習(xí)范式，提升教學(xué)效果?；谌斯ぶ悄艿摹敖虒W(xué)評(píng)”一體化實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)的過程性、及時(shí)性、互動(dòng)性和生成性，教師依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果及時(shí)深入學(xué)生、調(diào)整教學(xué)、查漏補(bǔ)缺，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)的增值。例如教學(xué)“酸堿中和反應(yīng)”時(shí)，教師在平臺(tái)在線發(fā)布檢測題，學(xué)生作答提交。系統(tǒng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)生“當(dāng)堂檢測”成績分檔數(shù)據(jù)，教師根據(jù)系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)了解學(xué)生對知識(shí)的掌握程度。若某題大多數(shù)學(xué)生均未掌握，教師課堂上針對該題及相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行集中講解并進(jìn)行變式鞏固;若某題只有個(gè)別學(xué)生做錯(cuò)，教師則在課后單獨(dú)輔導(dǎo)，重點(diǎn)突破。人工智能檢測、系統(tǒng)智能閱卷、學(xué)情智能分析、教學(xué)智能評(píng)價(jià)……構(gòu)建彰顯化學(xué)學(xué)科特色的多層次、多維度、綜合性、動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)體系，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

人工智能還可以為中學(xué)化學(xué)教學(xué)提供更加便捷和高效的教學(xué)管理方式。人工智能可以對學(xué)生的課堂表現(xiàn)、作業(yè)、考試成績等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為學(xué)生學(xué)業(yè)水平精確畫像，為分層教學(xué)提供更客觀、更科學(xué)、更準(zhǔn)確的依據(jù)。教師通過傳感器設(shè)備采集學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的行為數(shù)據(jù)，如學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)環(huán)境等，根據(jù)智慧評(píng)價(jià)系統(tǒng)中學(xué)生的面部表情、抬頭時(shí)長等數(shù)據(jù)信息以及系統(tǒng)生成的評(píng)價(jià)意見，更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)和認(rèn)知水平量身定制教學(xué)內(nèi)容和方法，以達(dá)到最佳教學(xué)效果。同時(shí)，智能評(píng)價(jià)還可以對學(xué)生的知識(shí)掌握程度和學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、診斷分析和預(yù)測反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)問題和困難，以提供幫助和支持。

人工智能通過多種方式實(shí)現(xiàn)化學(xué)課堂評(píng)價(jià)，提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性和客觀性，從而更好地促進(jìn)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)。人工智能支持下的化學(xué)課堂評(píng)價(jià)可以提高課堂評(píng)價(jià)的科學(xué)性、客觀性和針對性，突出評(píng)價(jià)過程的差異化、個(gè)性化和全面化，創(chuàng)新課堂評(píng)價(jià)方式。

3.開展特色實(shí)驗(yàn)，降低認(rèn)知負(fù)荷

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)習(xí)中重要的環(huán)節(jié)。人工智能在化學(xué)信息學(xué)、化學(xué)計(jì)算和化學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面助力，完美實(shí)現(xiàn)了教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)范式的轉(zhuǎn)型升級(jí)。其中，化學(xué)信息學(xué)可以幫助師生更快速地獲取和處理大量的化學(xué)信息，化學(xué)計(jì)算可以幫助師生更準(zhǔn)確地預(yù)測和分析化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)則將人工智能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)操作中，以提高實(shí)驗(yàn)效率和分析精度。

人工智能賦能中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生用化學(xué)實(shí)驗(yàn)和人工智能合力探究物質(zhì)及其變化，形成了特色化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的一般思路和方法。通過對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行追蹤和分析，可以識(shí)別實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并實(shí)時(shí)反饋給師生，以幫助其更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以預(yù)測出不同實(shí)驗(yàn)條件下的反應(yīng)結(jié)果，從而幫助師生更好地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在人工智能輔助下，虛擬實(shí)驗(yàn)輔助學(xué)生從宏觀和微觀相結(jié)合的角度認(rèn)識(shí)化學(xué)變化的本質(zhì)，加深對化學(xué)學(xué)科的認(rèn)識(shí)與理解，降低認(rèn)知負(fù)荷。人工智能還能幫助學(xué)生提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)成本與危險(xiǎn)性，為傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供有效補(bǔ)充。

VR實(shí)驗(yàn)可以提供逼真的環(huán)境，模擬危險(xiǎn)環(huán)境，如高溫、高壓、危險(xiǎn)材料等，使學(xué)生在安全的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。例如，學(xué)習(xí)“二氧化碳的性質(zhì)”時(shí)，由于火災(zāi)的真實(shí)情境具有一定危險(xiǎn)性，學(xué)生用VR實(shí)驗(yàn)?zāi)M用二氧化碳滅火的過程，激活學(xué)生已有生活經(jīng)驗(yàn)，使學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的過程，感受化學(xué)的學(xué)科魅力與現(xiàn)實(shí)價(jià)值，以促進(jìn)其科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)能力的發(fā)展。

3D虛擬實(shí)驗(yàn)可以減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間和成本，不需要清洗實(shí)驗(yàn)器具，能夠提高實(shí)驗(yàn)效率;可以避免實(shí)驗(yàn)中的危險(xiǎn)因素，減少實(shí)驗(yàn)操作中的安全隱患，保障師生的安全;可以讓學(xué)生自由探索和交互，通過對實(shí)驗(yàn)場景的自由操作提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度;可以多次操作，有助于加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作的理解和掌握;無需使用實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備，有助于節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。此外，3D虛擬實(shí)驗(yàn)還具有操作簡便、安全性高、交互性強(qiáng)、可重復(fù)性強(qiáng)、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高實(shí)驗(yàn)效率和質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的發(fā)展。例如，學(xué)習(xí)“碳的化學(xué)性質(zhì)”時(shí)，由于反應(yīng)條件等因素限制，課堂無法完成的學(xué)生實(shí)驗(yàn)可以借助3D虛擬技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，模擬木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹疤骄刻嫉倪€原性”，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，商討實(shí)驗(yàn)步驟，選擇儀器并組裝、操作實(shí)驗(yàn)、記錄現(xiàn)象……基于現(xiàn)象進(jìn)行推理，在與同學(xué)的交流與評(píng)價(jià)中形成自主、合作、探究的能力。

基于沉浸感、交互性、構(gòu)想性等特點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將有助于學(xué)生的實(shí)踐能力以及學(xué)習(xí)興趣的提升[6]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)運(yùn)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和智能分析，實(shí)現(xiàn)了人工智能與中學(xué)化學(xué)教學(xué)的有機(jī)融合。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以精確記錄每個(gè)步驟和結(jié)果，避免了實(shí)驗(yàn)誤差和數(shù)據(jù)丟失，提高了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和精度;可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和可視化展示;可以通過模擬不同實(shí)驗(yàn)條件，幫助師生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，節(jié)約時(shí)間和成本。例如，學(xué)習(xí)“復(fù)分解反應(yīng)”時(shí)，通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下基于證據(jù)進(jìn)行推理，掌握化學(xué)反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)，建立“宏觀—微觀—符號(hào)—曲線”多重表征的認(rèn)知方式，對學(xué)生思維能力、探究能力、建模能力、核心素養(yǎng)的提升有著很大的推動(dòng)作用。

三、人工智能賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)的反思

人工智能具有前沿的技術(shù)、鮮明的特征和巨大的魅力。人工智能技術(shù)賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)具有重要意義，為中學(xué)化學(xué)教學(xué)帶來更加智能化、個(gè)性化、生動(dòng)化和高效化的突破，有著廣泛的應(yīng)用前景。化學(xué)作為一門基礎(chǔ)科學(xué)，受益于人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，不僅豐富了化學(xué)教學(xué)的內(nèi)容和形式，也減輕了學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，提升其學(xué)習(xí)化學(xué)的效率。人工智能技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中將會(huì)成為一種新的手段，為中學(xué)化學(xué)教育的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

不過，人工智能賦能中學(xué)化學(xué)教學(xué)的局限性也是不可忽視的。人工智能技術(shù)的應(yīng)用需要龐大的數(shù)據(jù)集和強(qiáng)大的計(jì)算能力，而這些資源在許多學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)中并不容易獲得。由于人工智能技術(shù)的應(yīng)用通常是基于歷史數(shù)據(jù)的模型訓(xùn)練，因此在面對新的、未知的情況時(shí)，其應(yīng)用效果可能會(huì)受到限制。在涉及情感、價(jià)值觀等主觀因素的化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域中，人工智能技術(shù)的應(yīng)用也有一定的局限性，需要更多的師生參與和判斷。人工智能技術(shù)的應(yīng)用也可能引發(fā)一些倫理問題，如隱私保護(hù)、算法歧視等，需要引起足夠重視。

人工智能技術(shù)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用需要不斷地進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，以提高技術(shù)成熟度和應(yīng)用效果。隨著人工智能的發(fā)展，化學(xué)教育也將不斷地與人工智能有機(jī)融合，為學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)的化學(xué)教育。

參考文獻(xiàn)

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【責(zé)任編輯? ? 郭振玲】

*該文為華中師范大學(xué)2024年“教師教育名師工作室主持人暨重點(diǎn)項(xiàng)目培育”（CCNUTE2024-2）、2019年度教育部課程與教學(xué)哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究后期資助一般項(xiàng)目“高考改革的挑戰(zhàn)——高中教育特色化發(fā)展的路徑與策略研究”（19JHQ085）的研究成果