人工智能賦能高中化學(xué)教學(xué)：路徑探索與范式重構(gòu)

本文通過(guò)探究高中化學(xué)教學(xué)中利用人工智能來(lái)進(jìn)行教學(xué)改革，以期能為高中生的化學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供新的助力。本文通過(guò)探究高中化學(xué)教學(xué)中存在的問(wèn)題，然后結(jié)合人工智能在高中化學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，具體分析高中教學(xué)的要求，針對(duì)性地提出在高中化學(xué)中使用人工智能的策略。人工智能的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，未來(lái)將在教學(xué)中占據(jù)重要的位置，建立技術(shù)理性與教育規(guī)律的雙向?qū)υ挋C(jī)制，才能確保人工智能賦能真正服務(wù)于學(xué)生的全面發(fā)展。

在基礎(chǔ)教育深化改革背景下，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)面臨認(rèn)知可視化不足、個(gè)性化教學(xué)缺失等現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。人工智能技術(shù)憑借其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、模式識(shí)別和自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，為破解傳統(tǒng)教學(xué)困境提供了全新路徑。本文通過(guò)系統(tǒng)梳理人工智能技術(shù)在高中化學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，結(jié)合化學(xué)學(xué)科特質(zhì)，提出具體的發(fā)展策略：一方面，揭示智能技術(shù)對(duì)微觀概念具象化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬化的支撐作用；另一方面，探討人工智能對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)改革的驅(qū)動(dòng)價(jià)值。這種技術(shù)賦能不僅指向教學(xué)效率提升，更將引發(fā)從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”到“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)范式變革，為培養(yǎng)具有數(shù)字化素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)綜述。數(shù)字化教育已經(jīng)在全球掀起了一股熱潮，尤其是中國(guó)人工智能的崛起引發(fā)了關(guān)于人工智能教育的深入研究。教育數(shù)字化發(fā)展從1990年開始在全球大致了三段過(guò)程的發(fā)展，第一階段（1990年一2010年）開始推廣信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并重點(diǎn)推進(jìn)教學(xué)資源的建設(shè)，主要以多媒體教室和網(wǎng)絡(luò)資源庫(kù)建設(shè)為主。第二階段（2011年一2020年）主要強(qiáng)調(diào)教育資源的共享與在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的發(fā)展。第三階段（2021年一至今）則是借助人工智能的大力發(fā)展，探究在人工智能的背景下能否實(shí)現(xiàn)對(duì)教育生態(tài)的重新建構(gòu)。從人工智能的發(fā)展浪潮來(lái)看，智能化已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展的主流趨勢(shì)，也將為教育帶來(lái)新的變革和機(jī)遇。我國(guó)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》就明確提出了要構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng) + 教育的大平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)和智能化引導(dǎo)教學(xué)精準(zhǔn)化實(shí)施，這一政策為教育教學(xué)改革提供了制度保障。國(guó)內(nèi)外的諸多學(xué)者已經(jīng)就人工智能和教學(xué)之間展開了深入的研究，例如，基于知識(shí)圖譜的自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從內(nèi)容推薦到認(rèn)知診斷的跨越。Baker根據(jù)所提出的動(dòng)態(tài)知識(shí)建?？蚣?，研究通過(guò)學(xué)習(xí)者的實(shí)時(shí)行為數(shù)據(jù)來(lái)更新學(xué)習(xí)者的知識(shí)狀態(tài)畫像，為教育者實(shí)施差異化教學(xué)提供新的教學(xué)依據(jù)。同時(shí)近年來(lái)該項(xiàng)研究已經(jīng)逐步同腦科學(xué)研究積極結(jié)合，基于學(xué)習(xí)者的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)真實(shí)數(shù)據(jù)開發(fā)出了認(rèn)知負(fù)荷評(píng)估模型，這能夠幫助教育工作者有效提升學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃的精準(zhǔn)度。同時(shí)，MehrotraD借助人工智能開發(fā)了化學(xué)概念解釋引擎，能幫助學(xué)生通過(guò)語(yǔ)義解釋實(shí)現(xiàn)化學(xué)抽象概念的多模態(tài)呈現(xiàn)。王阿習(xí)構(gòu)建了虛擬實(shí)驗(yàn)評(píng)分系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)捕捉學(xué)生的操作細(xì)節(jié)并生成相應(yīng)的改進(jìn)建議。并且化學(xué)教育中存在的三重表征理論（宏觀一微觀一符號(hào)）也決定了化學(xué)教育需要從傳統(tǒng)教育轉(zhuǎn)型到智能化教育的特殊需求，例如Johnstone就提出了化學(xué)教學(xué)三角理論，該理論強(qiáng)調(diào)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)需要可視化呈現(xiàn)，但是，目前的傳統(tǒng)教學(xué)手段難以展示粒子的微觀運(yùn)動(dòng)以及分子間作用力的變化過(guò)程，這個(gè)特點(diǎn)為虛擬仿真技術(shù)（VRAR）的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。

高中化學(xué)教學(xué)現(xiàn)存困境

目前高中化學(xué)教育依然以傳統(tǒng)教育為主，面臨著許多結(jié)構(gòu)性上的矛盾，這些矛盾制約著化學(xué)教育的三重特征形成，因此，本文對(duì)目前高中化學(xué)教學(xué)中存在的困境進(jìn)行了一定歸納。

知識(shí)建構(gòu)維度的現(xiàn)實(shí)困境。目前高中化學(xué)教學(xué)仍然以傳統(tǒng)課堂為主，全校基本采用統(tǒng)一教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行授課，但是這與學(xué)生的認(rèn)知會(huì)產(chǎn)生差異，導(dǎo)致部分學(xué)生無(wú)法掌握全部知識(shí)內(nèi)容。同時(shí)，在實(shí)際教學(xué)中因?yàn)槿狈σ欢ǖ慕虒W(xué)手段，一些抽象概念無(wú)法具象化展示給學(xué)生，比如微觀粒子運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容長(zhǎng)期依靠圖片等二維圖像進(jìn)行展示，造成一些學(xué)生會(huì)出現(xiàn)空間想象障礙。并且現(xiàn)行教材擴(kuò)展內(nèi)容與化學(xué)學(xué)科前沿發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生無(wú)法獲取最前沿的知識(shí)發(fā)展，且學(xué)生的課外學(xué)習(xí)大多依賴商業(yè)化的教輔資料，具有一定的局限性。

教師備課維度的系統(tǒng)挑戰(zhàn)。目前多數(shù)教師在備課環(huán)節(jié)存在一定的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，教師每周耗費(fèi)大量的時(shí)間搜集化學(xué)學(xué)科方面的資料，但是與課程匹配且優(yōu)質(zhì)的資源不多，多數(shù)教師的課件內(nèi)容并不符合教學(xué)要求。同時(shí)教材實(shí)驗(yàn)更新滯后，多數(shù)學(xué)校從未開展過(guò)例如硝化反應(yīng)、金屬鈉與水蒸氣反應(yīng)等危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)。在學(xué)情診斷過(guò)程中也存在一定的問(wèn)題，教師多依賴于傳統(tǒng)學(xué)情分析，但是傳統(tǒng)學(xué)情分析依賴教師經(jīng)驗(yàn)判斷，存在顯著主觀偏差。

教學(xué)反饋機(jī)制的運(yùn)行阻滯。在教學(xué)環(huán)節(jié)中，傳統(tǒng)課堂的反饋機(jī)制多依賴于學(xué)生的課后作業(yè)以及階段性測(cè)試，導(dǎo)致教師在學(xué)情診斷中出現(xiàn)信息延遲的現(xiàn)象，這就讓部分學(xué)生出現(xiàn)了知識(shí)漏洞。教師往往在單元測(cè)試后才能發(fā)現(xiàn)教學(xué)疏漏，錯(cuò)失最佳干預(yù)時(shí)機(jī)。并且現(xiàn)行的傳統(tǒng)課堂評(píng)價(jià)流程側(cè)重于學(xué)生的知識(shí)部分，忽視了學(xué)生的實(shí)踐能力和思維品質(zhì)考核。

思維能力培養(yǎng)的實(shí)施障礙。目前在高中化學(xué)教學(xué)中，現(xiàn)行的教材實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需要按照操作步驟實(shí)驗(yàn)即可，缺乏自主探究的空間。實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)處理停留于基礎(chǔ)計(jì)算（平均值、誤差計(jì)算），缺失建模與趨勢(shì)分析訓(xùn)練。在課堂教學(xué)中，教師喜愛(ài)的提問(wèn)環(huán)節(jié)也主要以封閉式問(wèn)題為主，教師普遍缺乏跨學(xué)科問(wèn)題設(shè)計(jì)能力，難以突破教材既定框架。

教學(xué)模式創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)性矛盾。目前多數(shù)教師主要實(shí)施以板書與PPT為主的授課方式，難以展現(xiàn)動(dòng)態(tài)化學(xué)過(guò)程。部分學(xué)校配備了采用AR技術(shù)教學(xué)的設(shè)備，但是出于設(shè)備使用的復(fù)雜性，多數(shù)教師并未掌握完整其使用技能和操作規(guī)范。虛擬實(shí)驗(yàn)室等新型教學(xué)資源呈現(xiàn)顯著地域差異，東部發(fā)達(dá)地區(qū)學(xué)校數(shù)字資源投入是西部地區(qū)的數(shù)倍。同時(shí)，翻轉(zhuǎn)課堂模式、OBE教學(xué)模式等新興的教學(xué)模式也并未被教師所廣泛應(yīng)用，多數(shù)地區(qū)的化學(xué)教學(xué)仍然以傳統(tǒng)的講授式課堂為主。

人工智能技術(shù)賦能優(yōu)勢(shì)

人工智能在高中學(xué)生知識(shí)建構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)。人工智能能夠通過(guò)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)（如答題記錄、實(shí)驗(yàn)操作反饋、知識(shí)點(diǎn)掌握程度等），動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和難度，為不同學(xué)生提供定制化的學(xué)習(xí)路徑。例如，智能教學(xué)平臺(tái)可以根據(jù)學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)推薦針對(duì)性習(xí)題或?qū)嶒?yàn)?zāi)M，幫助學(xué)生高效填補(bǔ)知識(shí)漏洞。同時(shí)人工智能技術(shù)可將抽象的化學(xué)概念（如分子結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理）通過(guò)三維模型、動(dòng)態(tài)模擬等方式直觀呈現(xiàn)，幫助學(xué)生建立空間思維和邏輯關(guān)聯(lián)。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)可展示分子間的動(dòng)態(tài)結(jié)合過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)微觀世界的理解。人工智能驅(qū)動(dòng)的化學(xué)題庫(kù)和知識(shí)庫(kù)能夠根據(jù)學(xué)生興趣和學(xué)習(xí)進(jìn)度推薦擴(kuò)展資源，如前沿科研案例或跨學(xué)科應(yīng)用實(shí)例，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。例如，部分平臺(tái)通過(guò)自然語(yǔ)言處理技術(shù)，自動(dòng)匹配學(xué)生提問(wèn)與相關(guān)文獻(xiàn)或視頻資源，支持深度自主學(xué)習(xí)。

人工智能在教師備課方面的優(yōu)勢(shì)。人工智能可快速篩選和整合網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源（如實(shí)驗(yàn)視頻、教案模板、試題庫(kù)），并通過(guò)智能分類系統(tǒng)幫助教師快速構(gòu)建課程框架。并且人工智能通過(guò)大數(shù)據(jù)分析班級(jí)整體學(xué)情（如知識(shí)點(diǎn)掌握率、錯(cuò)誤集中點(diǎn)），為教師提供精準(zhǔn)的教學(xué)策略建議。人工智能支持的虛擬仿真工具可幫助教師設(shè)計(jì)復(fù)雜或高危實(shí)驗(yàn)的模擬場(chǎng)景，如爆炸性反應(yīng)或毒性物質(zhì)操作，既保障安全，又能提升課堂吸引力。

人工智能在教學(xué)機(jī)制反饋和總結(jié)上的優(yōu)勢(shì)。人工智能系統(tǒng)可即時(shí)分析課堂互動(dòng)數(shù)據(jù)（如答題正確率、實(shí)驗(yàn)操作步驟記錄），生成實(shí)時(shí)反饋報(bào)告，幫助教師調(diào)整教學(xué)節(jié)奏。在課后檢測(cè)環(huán)節(jié)，人工智能能夠自動(dòng)批改選擇題、填空題及部分主觀題，并生成詳細(xì)的錯(cuò)誤分析報(bào)告。在反饋機(jī)制中，人工智能可以結(jié)合學(xué)生課堂參與度、實(shí)驗(yàn)完成度、知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用能力等多維度數(shù)據(jù)，提供綜合性教學(xué)評(píng)估報(bào)告，輔助教師優(yōu)化教學(xué)策略。

人工智能在化學(xué)思維能力培養(yǎng)上的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可反復(fù)嘗試不同實(shí)驗(yàn)條件，觀察變量對(duì)結(jié)果的影響，培養(yǎng)科學(xué)探究思維。例如，人工智能模擬的“催化劑對(duì)反應(yīng)速率影響”實(shí)驗(yàn)，可以允許學(xué)生自主調(diào)整參數(shù)并即時(shí)獲取數(shù)據(jù)圖表，深化對(duì)控制變量法的理解。人工智能驅(qū)動(dòng)的開放式問(wèn)題生成系統(tǒng)可設(shè)計(jì)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)答案的探究性問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合跨學(xué)科知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新性思考，并通過(guò)人工智能反饋優(yōu)化方案。同時(shí)人工智能可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和建模。

人工智能在新興教學(xué)模式上的優(yōu)勢(shì)。利用VRAR技術(shù)打造的沉浸式課堂，使學(xué)生“身臨其境”觀察化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。例如，電解水實(shí)驗(yàn)可通過(guò)AR技術(shù)展示離子遷移的微觀動(dòng)態(tài)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。在課前，人工智能支持的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)允許學(xué)生課前通過(guò)視頻和交互式課件自學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，課堂時(shí)間則用于深度討論和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)轉(zhuǎn)型。并且人工智能驅(qū)動(dòng)的云端教學(xué)平臺(tái)可連接不同學(xué)校資源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)課程共享。

高中化學(xué)教學(xué)中人工智能的發(fā)展策略

政策支持：構(gòu)建系統(tǒng)性保障體系。教育部門需制定人工智能與化學(xué)教育融合的專項(xiàng)規(guī)劃，明確技術(shù)應(yīng)用的倫理邊界與實(shí)施框架。建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)、智能教學(xué)資源建設(shè)等核心環(huán)節(jié)，確保技術(shù)工具與課程目標(biāo)的深度契合。推動(dòng)形成學(xué)科專家、技術(shù)團(tuán)隊(duì)、教育管理者協(xié)同參與的決策機(jī)制，定期修訂技術(shù)應(yīng)用指南，平衡創(chuàng)新探索與風(fēng)險(xiǎn)管控。同時(shí)需要設(shè)立人工智能教育專項(xiàng)基金，重點(diǎn)支持教育薄弱地區(qū)的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。建立階梯式財(cái)政補(bǔ)貼機(jī)制，對(duì)開展教學(xué)改革的學(xué)校給予持續(xù)性資金扶持。完善技術(shù)研發(fā)激勵(lì)機(jī)制，將教師開發(fā)的智能教學(xué)案例納人教研成果評(píng)價(jià)體系，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)資源的共建共享。

教師培訓(xùn)：重塑專業(yè)發(fā)展體系。教育管理部門需要構(gòu)建覆蓋全體教師的階梯式培訓(xùn)體系，設(shè)置基礎(chǔ)技能、深度應(yīng)用、創(chuàng)新開發(fā)三級(jí)課程模塊?；A(chǔ)層側(cè)重智能教學(xué)工具的操作訓(xùn)練，使教師熟練掌握學(xué)情分析、資源整合等核心功能；提高層培養(yǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的教學(xué)設(shè)計(jì)能力，幫助教師實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化教學(xué)決策；創(chuàng)新層著重培育跨學(xué)科思維，支持骨干教師參與智能教具研發(fā)與課程重構(gòu)。此外，需要推動(dòng)師范院校與科技企業(yè)建立深度合作，共建智能教育實(shí)訓(xùn)基地。通過(guò)雙師指導(dǎo)、項(xiàng)目實(shí)踐等方式，幫助教師掌握虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備運(yùn)維、智能系統(tǒng)調(diào)試等關(guān)鍵技術(shù)。建立常態(tài)化技術(shù)交流機(jī)制，促進(jìn)教育需求與技術(shù)供給的有效對(duì)接，縮短技術(shù)成果向教學(xué)場(chǎng)景轉(zhuǎn)化的周期。

教學(xué)改革：重構(gòu)教育實(shí)踐范式。學(xué)校要構(gòu)建“智能輔助 + 教師主導(dǎo)”的雙軌教學(xué)模式，在知識(shí)傳授環(huán)節(jié)充分發(fā)揮人工智能的個(gè)性化優(yōu)勢(shì)，通過(guò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)知識(shí)推送；在能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)強(qiáng)化教師的價(jià)值引領(lǐng)，聚焦高階思維訓(xùn)練與創(chuàng)新實(shí)踐。推行虛實(shí)融合的混合式教學(xué)，將虛擬實(shí)驗(yàn)、AR演示與傳統(tǒng)課堂有機(jī)結(jié)合，形成多維度學(xué)習(xí)體驗(yàn)。教師要注重重構(gòu)模塊化課程結(jié)構(gòu)，在必修課程中嵌入智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、分子模擬系統(tǒng)等數(shù)字工具，將抽象概念轉(zhuǎn)化為可交互的學(xué)習(xí)場(chǎng)景。開發(fā)拓展性課程群，引入計(jì)算化學(xué)、智能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等前沿內(nèi)容，建立學(xué)科知識(shí)與技術(shù)應(yīng)用的深度關(guān)聯(lián)。建立課程內(nèi)容動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，通過(guò)人工智能實(shí)時(shí)追蹤學(xué)科發(fā)展，及時(shí)將最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。在教學(xué)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)中要構(gòu)建基于多源數(shù)據(jù)的綜合評(píng)價(jià)體系，整合課堂互動(dòng)、實(shí)驗(yàn)操作、項(xiàng)目探究等過(guò)程性數(shù)據(jù)，突破傳統(tǒng)筆試的單一維度限制。開發(fā)智能診斷工具，從知識(shí)掌握、思維品質(zhì)、實(shí)踐能力等多角度生成學(xué)生數(shù)字畫像。建立發(fā)展性評(píng)價(jià)模型，通過(guò)持續(xù)追蹤學(xué)習(xí)軌跡為教學(xué)改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)評(píng)價(jià)從結(jié)果判定轉(zhuǎn)向成長(zhǎng)支持。建立技術(shù)應(yīng)用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制，定期評(píng)估教學(xué)效果與技術(shù)適切性，形成“實(shí)踐一反饋一優(yōu)化”的閉環(huán)改進(jìn)體系。培育示范性實(shí)踐基地，集中攻關(guān)微觀可視化、智能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。推動(dòng)跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)建設(shè)，促進(jìn)教育學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域的深度交叉融合，為技術(shù)創(chuàng)新提供持續(xù)智力支持。通過(guò)政策引導(dǎo)、師資培育、教學(xué)創(chuàng)新的協(xié)同推進(jìn)，人工智能將深度融入化學(xué)教育生態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)從知識(shí)傳遞向素養(yǎng)培育的范式轉(zhuǎn)型。

人工智能與化學(xué)教學(xué)的深度融合，正在催生“精準(zhǔn)化、個(gè)性化、智能化”的新型教育形態(tài)。這種融合不僅是技術(shù)工具的應(yīng)用，更是教育理念的革新：通過(guò)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)方式、優(yōu)化教學(xué)過(guò)程組織形態(tài)、創(chuàng)新教學(xué)評(píng)價(jià)實(shí)施路徑，最終實(shí)現(xiàn)從“知識(shí)傳授”到“素養(yǎng)培育”的范式轉(zhuǎn)變。未來(lái)研究需重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)方面：智能系統(tǒng)的學(xué)科適配性優(yōu)化、人機(jī)協(xié)同教學(xué)模式的效能驗(yàn)證、技術(shù)倫理框架的完善建設(shè)。只有建立技術(shù)理性與教育規(guī)律的雙向?qū)υ挋C(jī)制，才能確保人工智能賦能真正服務(wù)于學(xué)生的全面發(fā)展。

（作者單位：華亭一中）