人工智能（AI）時(shí)代背景下“精細(xì)化工工藝學(xué)”課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐探索

摘"要：人工智能（AI）技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，近年來飛速發(fā)展，作為一項(xiàng)非常前沿的科技，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。針對(duì)以往在“精細(xì)化工工藝學(xué)”教學(xué)過程中存在的問題，如課堂缺乏創(chuàng)新性和互動(dòng)性、理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)等，本文詳細(xì)探討了將AI技術(shù)引入“精細(xì)化工工藝學(xué)”教學(xué)中的一系列改革措施，旨在提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。通過分析AI技術(shù)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評(píng)估體系等中的應(yīng)用，提出了具體的教學(xué)改革方案和教學(xué)改革目標(biāo)，以期為精細(xì)化工工藝學(xué)的教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：精細(xì)化工工藝學(xué)；人工智能（AI）；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力；實(shí)踐能力

1"概述

“精細(xì)化工工藝學(xué)”作為應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的重要專業(yè)課程，其教學(xué)內(nèi)容涵蓋了高分子材料加工助劑、表面活性劑、食品添加劑、膠黏劑、涂料、化妝品等常見精細(xì)化工產(chǎn)品的配方設(shè)計(jì)、合成路線、生產(chǎn)工藝及應(yīng)用性能。課程在幫助學(xué)生了解專業(yè)定位、掌握精細(xì)化學(xué)品種類及各單元反應(yīng)的基本原理、分析精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)控制指標(biāo)及影響因素及設(shè)計(jì)精細(xì)化學(xué)品的工藝流程等方面具有重要意義。

目前，大部分課程的教學(xué)過程采用傳統(tǒng)手段，即教師采用板書、PPT講解等方式傳授知識(shí)，課堂上缺乏創(chuàng)新性和互動(dòng)性?！熬?xì)化工工藝學(xué)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，在教學(xué)過程中，往往存在理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相脫節(jié)的情況。一方面，課堂上的理論教學(xué)過于注重知識(shí)的傳授，缺乏對(duì)實(shí)際生產(chǎn)案例的分析和討論，學(xué)生難以將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合；另一方面，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地有限，學(xué)生的實(shí)踐操作機(jī)會(huì)較少，無法真正掌握精細(xì)化工工藝的實(shí)際操作技能。傳統(tǒng)教學(xué)手段不僅很難讓學(xué)生掌握所學(xué)知識(shí)，還無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，導(dǎo)致課堂教學(xué)效果不佳。而且，“精細(xì)化工工藝學(xué)”課程涉及的領(lǐng)域廣泛，知識(shí)點(diǎn)較為分散。教材中各章節(jié)之間的聯(lián)系不夠緊密，缺乏系統(tǒng)性的整合，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以形成完整的知識(shí)體系，對(duì)精細(xì)化工工藝的理解不夠深入［12］。所以，在教學(xué)探索及改革的過程中，根據(jù)培養(yǎng)對(duì)象和培養(yǎng)目標(biāo)，在課時(shí)允許的范圍里，如何提升教學(xué)效率與質(zhì)量，如何豐富教學(xué)資源與方法，如何讓學(xué)生通過“精細(xì)化工工藝學(xué)”這門課程提升綜合能力，是本課程團(tuán)隊(duì)的教師在近年的教學(xué)過程中不斷教學(xué)反思并予以解決的問題。

人工智能（Artificial"Intelligence，簡(jiǎn)稱AI）是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，其指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠執(zhí)行通常需要人類智能才能完成的任務(wù)，如學(xué)習(xí)、推理、解決問題、理解語言、識(shí)別圖像等。AI技術(shù)能夠?yàn)榻逃I(lǐng)域帶來許多的機(jī)會(huì)與改革，從智能教學(xué)系統(tǒng)到自然語言處理，從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)到智能評(píng)估系統(tǒng)，再到數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)，AI正在引領(lǐng)一場(chǎng)全新的教育改革［34］。利用AI技術(shù)，可以豐富教學(xué)素材和教學(xué)資源，讓理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)達(dá)到更完美的契合，如利用AI技術(shù)可以從海量的網(wǎng)絡(luò)資源中獲取與“精細(xì)化工工藝學(xué)”高度相關(guān)的最新研究成果、行業(yè)動(dòng)態(tài)、案例分析等內(nèi)容，讓學(xué)生能夠及時(shí)了解和掌握精細(xì)化工領(lǐng)域的最新發(fā)展。同時(shí)，AI的智能化還可以通過自然語言處理技術(shù)與學(xué)生進(jìn)行交互答疑，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度、知識(shí)掌握情況等因素，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案和學(xué)習(xí)資源。不僅如此，AI的開放性能夠拓寬教師和學(xué)生的視野，對(duì)于教學(xué)質(zhì)量的提高有極高的促進(jìn)作用。AI背景下的多元教學(xué)模式可以發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)在教育資源配置中的優(yōu)化和集成作用，將網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與教學(xué)互動(dòng)緊密結(jié)合在一起，如此可在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“精細(xì)化工工藝學(xué)”知識(shí)體系的同時(shí)，有效推進(jìn)學(xué)生對(duì)行業(yè)發(fā)展的深入認(rèn)知，并使其充分結(jié)合信息理解相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，達(dá)到相輔相成的效果。在“精細(xì)化工工藝學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用AI技術(shù)還可以模擬一些專業(yè)實(shí)驗(yàn)中沒有涉及的化學(xué)反應(yīng)過程，提供虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，完成對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理的理解和數(shù)據(jù)的分析預(yù)測(cè)［56］。最重要的一點(diǎn)，目前，在高校的本科課程教學(xué)過程中，AI技術(shù)的應(yīng)用仍處于起步階段，其對(duì)于教學(xué)的促進(jìn)作用發(fā)展空間極大。將AI技術(shù)合理地與實(shí)際教學(xué)結(jié)合，對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行改革探索，有望為其他課程的教學(xué)改革提供一定的理論指導(dǎo)與推動(dòng)作用。

2"AI教學(xué)改革內(nèi)容

2.1"教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

目前，我校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)“精細(xì)化工工藝學(xué)”課程所采用的教材為中國(guó)石化出版社的教材《精細(xì)化工工藝學(xué)》（第三版），教材由13個(gè)章節(jié)組成，主要介紹精細(xì)化工行業(yè)涉及的代表性產(chǎn)品及其結(jié)構(gòu)、性能和生產(chǎn)工藝等。整體上看，課本內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)際的關(guān)系密切，包含的知識(shí)點(diǎn)繁雜，傳統(tǒng)的講授方式相對(duì)枯燥和乏味，而且教材雖然進(jìn)行了更新，但是與飛速發(fā)展的精細(xì)化工行業(yè)相比，其內(nèi)容略顯陳舊，無法及時(shí)向?qū)W生們傳遞領(lǐng)域內(nèi)的前沿動(dòng)態(tài)，同時(shí)缺少形象具體的影像。拋開學(xué)習(xí)的難度和強(qiáng)度，對(duì)于學(xué)生來講，這些內(nèi)容很難提起學(xué)習(xí)熱情。在不改變教學(xué)大綱授課內(nèi)容的情況下，在教學(xué)過程中利用AI技術(shù)，在海量的網(wǎng)絡(luò)資源中，尋找適合學(xué)生的相關(guān)資源和學(xué)習(xí)內(nèi)容，將其與知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)生有效學(xué)習(xí)。

2.2"教學(xué)模式創(chuàng)新

翻轉(zhuǎn)課堂：翻轉(zhuǎn)課堂是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，將傳統(tǒng)課堂上的講授環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到課后，學(xué)生在課前通過視頻、課件等資源自主學(xué)習(xí)，課堂上則進(jìn)行互動(dòng)和討論。在“精細(xì)化工工藝學(xué)”課程中，教師可以利用AI技術(shù)制作高質(zhì)量的教學(xué)視頻和課件，并提供在線答疑和智能輔導(dǎo)。學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)，了解理論知識(shí)和基本概念，課堂上則進(jìn)行小組討論和案例分析，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和問題解決能力。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)：“精細(xì)化工工藝學(xué)”中涉及的精細(xì)化工產(chǎn)品眾多，僅靠專業(yè)實(shí)驗(yàn)，無法使學(xué)生將每個(gè)類別的產(chǎn)品全部做一遍，同時(shí)，有些實(shí)驗(yàn)要使用有毒試劑或?；?，不適合學(xué)生實(shí)地操作。利用AI和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，可以創(chuàng)建虛擬的化工實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)完一些產(chǎn)品的工藝后，在虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和安全性。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)有較多試錯(cuò)機(jī)會(huì)，還可以降低實(shí)驗(yàn)成本。

2.3"評(píng)價(jià)方式改革

利用AI技術(shù)構(gòu)建智能評(píng)估系統(tǒng)，教師設(shè)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)后系統(tǒng)自動(dòng)化評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，包括作業(yè)、測(cè)試等，通過分析學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和成績(jī)趨勢(shì)，為教師提供教學(xué)反饋和改進(jìn)建議。AI智能化評(píng)估不僅節(jié)省了教師的時(shí)間，提高教學(xué)效率，還能夠更加客觀地去評(píng)價(jià)學(xué)生。此外，在AI背景下，可建立更加全面的評(píng)價(jià)體系，包括學(xué)生的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、創(chuàng)新思維能力等多個(gè)方面，以更好地評(píng)估學(xué)生的綜合素質(zhì)和應(yīng)用能力。

2.4"學(xué)習(xí)路徑個(gè)性化

每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力是完全不同的，如果用同樣的方式、同一個(gè)步調(diào)去學(xué)習(xí)，有些學(xué)生會(huì)覺得很吃力，而學(xué)習(xí)能力很強(qiáng)的同學(xué)又想獲取更有深度的知識(shí)，這樣的不同頻也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生效率低下，學(xué)習(xí)主動(dòng)性變差。利用AI技術(shù)構(gòu)建智能化教學(xué)系統(tǒng)，通過分析學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力，AI可以為每個(gè)學(xué)生制定個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑，并推薦適合每個(gè)人的學(xué)習(xí)資料，幫助他們更好地掌握知識(shí)和技能。

2.5"AI技術(shù)培訓(xùn)

師資培訓(xùn)是教學(xué)改革的另一個(gè)重要方面?，F(xiàn)有的教師往往具有傳統(tǒng)的理論知識(shí)，但對(duì)于新興的AI技術(shù)了解相對(duì)較少。因此，我們需要對(duì)教師進(jìn)行培訓(xùn)，提高他們?cè)谌斯ぶ悄芊矫娴闹R(shí)和技能?？梢酝ㄟ^組織教師參加相關(guān)研討會(huì)、學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，或者邀請(qǐng)人工智能領(lǐng)域的專家進(jìn)行講座等方式來進(jìn)行培訓(xùn)。通過系統(tǒng)的培訓(xùn)，教師將AI技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)活動(dòng)中，達(dá)到人工智能與傳統(tǒng)授課的有機(jī)結(jié)合。

在人工智能（AI）快速發(fā)展的背景下，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的“精細(xì)化工工藝學(xué)”課程需要進(jìn)行改革以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。通過以上5個(gè)方面改革的實(shí)施，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，對(duì)于行業(yè)發(fā)展進(jìn)行持續(xù)追蹤，同時(shí)，學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力得以提升。

3"AI教學(xué)改革目標(biāo)

3.1"提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率

整個(gè)教學(xué)過程中，提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率是最關(guān)鍵的。針對(duì)“精細(xì)化工工藝學(xué)”課程的教學(xué)痛點(diǎn)，通過AI技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的智能化推薦、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)等，從而豐富教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，最終達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率的目的。

3.2"培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力

在新工科背景下，精細(xì)化工行業(yè)對(duì)于人才的需求非常迫切，簡(jiǎn)單理解書本知識(shí)已經(jīng)滿足不了企業(yè)和社會(huì)對(duì)于畢業(yè)生的要求。通過AI技術(shù)，教師可將豐富的行業(yè)資訊、科研熱點(diǎn)分享給學(xué)生，學(xué)生在掌握書本知識(shí)的同時(shí)，拓寬了視野，創(chuàng)新思維得以培養(yǎng)，同時(shí)，通過AI技術(shù)提供的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模擬，學(xué)生的實(shí)踐能力能夠得到提升。

3.3"減輕教師工作負(fù)擔(dān)

利用AI技術(shù)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)能夠更為客觀。通過一些線上學(xué)習(xí)方式，學(xué)生在整個(gè)教學(xué)過程中的表現(xiàn)能夠被完整記錄，同時(shí)，AI可以對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤和不足進(jìn)行診斷分析，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議和改進(jìn)方案，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效果，同時(shí)減輕教師批改作業(yè)等負(fù)擔(dān)。教師有更多的時(shí)間和精力去關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，同時(shí)及時(shí)進(jìn)行教學(xué)反思和教學(xué)設(shè)計(jì)。

4"AI教學(xué)改革需解決的問題

4.1"AI技術(shù)保障

在學(xué)校硬件設(shè)施及項(xiàng)目資金的支持下，確保教學(xué)過程擁有足夠的計(jì)算機(jī)資源來運(yùn)行AI系統(tǒng)。首先，在運(yùn)用AI技術(shù)的過程中，需要穩(wěn)定、高速的網(wǎng)絡(luò)連接，以滿足AI技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｆ浯?，要使AI技術(shù)服務(wù)于教學(xué)，需要具備相關(guān)知識(shí)，即從學(xué)生到教師，都要進(jìn)行必要的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，能夠熟練運(yùn)用AI系統(tǒng)或軟件。在日常教學(xué)實(shí)踐過程中，要有針對(duì)性地將AI工具落實(shí)在教學(xué)改革的每一個(gè)地方，達(dá)到改革目的。

4.2"教學(xué)內(nèi)容與AI技術(shù)的有機(jī)結(jié)合

《精細(xì)化工工藝學(xué)》教材的內(nèi)容往往比現(xiàn)實(shí)中的工業(yè)發(fā)展滯后一些，相比于科技的發(fā)展，教材的更新較慢。因此，在本次教學(xué)改革的過程中，將AI技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)內(nèi)容的更新上尤為重要。利用AI可以分析大量的教材內(nèi)容，找出其中的過時(shí)信息或者表述復(fù)雜的部分，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄋ滓锥慕忉?，或利用人工智能在教學(xué)過程中篩選最新的、與授課知識(shí)相關(guān)的科研成果和技術(shù)進(jìn)展，可以有效助力教學(xué)效果，拓寬學(xué)生視野，開拓學(xué)生思維。

4.3"提供教學(xué)決策

為了更客觀、系統(tǒng)地評(píng)價(jià)學(xué)生，減輕教師工作量，為學(xué)生建立AI評(píng)價(jià)體系，利用AI為教師提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)決策支持。例如，通過分析大量的教學(xué)數(shù)據(jù)，向教師推薦最佳的教學(xué)方法、教學(xué)順序和教學(xué)資源配置，幫助教師尤其是新手教師提高教學(xué)質(zhì)量。協(xié)助教師進(jìn)行教學(xué)反思，通過對(duì)比不同班級(jí)、不同教師的教學(xué)數(shù)據(jù)，教師可以發(fā)現(xiàn)自己教學(xué)過程中的優(yōu)勢(shì)和不足，從而有針對(duì)性地改進(jìn)教學(xué)。如何準(zhǔn)確全面地提供教學(xué)決策，也是AI教學(xué)改革過程中需要解決的關(guān)鍵性問題。

結(jié)語

在AI時(shí)代背景下，“精細(xì)化工工藝學(xué)”課程的教學(xué)改革具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。通過引入AI技術(shù)和實(shí)施多元化教學(xué)模式，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和職業(yè)素養(yǎng)。同時(shí)，加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)和開展教學(xué)研究和教學(xué)改革，可以提高教師的教學(xué)水平和專業(yè)素養(yǎng)。然而，教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期而復(fù)雜的過程，需要不斷探索和實(shí)踐。未來，我們將繼續(xù)深化教學(xué)改革，探索新的教學(xué)模式和方法，推動(dòng)“精細(xì)化工工藝學(xué)”課程的不斷發(fā)展和完善，為精細(xì)化工行業(yè)的發(fā)展提供有力的人才支撐。

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基金項(xiàng)目：人工智能（AI）背景下應(yīng)用化學(xué)專業(yè)課程教學(xué)改革研究——以《精細(xì)化工工藝學(xué)》為例；廣東石油化工學(xué)院廣東聯(lián)合寶瑩生物科技有限公司科產(chǎn)教融合實(shí)踐教學(xué)基地（710135182012）；廣東省質(zhì)量工程項(xiàng)目“廣東石油化工學(xué)院——廣東奧克化學(xué)有限公司科產(chǎn)教融合實(shí)踐教學(xué)基地”

作者簡(jiǎn)介：王雅婷（1990—"），女，漢族，甘肅漳縣人，博士，講師，研究方向：納米纖維復(fù)合材料。

*通信作者：余成華（1989—"），男，漢族，福建永安人，博士，副教授，研究方向：生物質(zhì)功能材料。