基于人工智能的一節(jié)化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)課
———人工智能保障未來(lái)汽車(chē)中氣體環(huán)境安全

◇ 北京 晁小雨 賀 新

1 人工智能的迅速發(fā)展為中學(xué)化學(xué)教育帶來(lái)的新挑戰(zhàn)

人工智能的迅速發(fā)展將深刻改變?nèi)祟?lèi)社會(huì)和世界的面貌,為了抓住人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇,2017年7月國(guó)務(wù)院頒布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》.通知中明確指出,人工智能將成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn),并要求中小學(xué)階段設(shè)置人工智能課程,完善針對(duì)中學(xué)生的人工智能科普.人工智能是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力,正深刻改變著人們的生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)方式,推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)迎來(lái)人機(jī)協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享的智能時(shí)代.把握全球人工智能發(fā)展態(tài)勢(shì),找準(zhǔn)突破口和主攻方向,培養(yǎng)大批具有創(chuàng)新能力和合作精神的人工智能高端人才,是教育的重要使命.“十三五”規(guī)劃綱要確定了“人才優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略”,教育培養(yǎng)的是未來(lái)人才,應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn).教育一方面要讓學(xué)生為未來(lái)做好準(zhǔn)備,另一方面也要為國(guó)家培養(yǎng)人才.

2018 年4 月教育部印發(fā)的《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》中提到高校將于2020年建成100 個(gè)“人工智能＋X”復(fù)合特色專(zhuān)業(yè)：重視人工智能與基礎(chǔ)學(xué)科專(zhuān)業(yè)教育的交叉融合.因此探索中學(xué)階段如何落實(shí)“人工智能＋化學(xué)”交叉融合的創(chuàng)新人才培養(yǎng),成為當(dāng)前時(shí)代背景下化學(xué)教學(xué)的新挑戰(zhàn).

2 汽車(chē)作為學(xué)習(xí)載體體現(xiàn)學(xué)科育人價(jià)值

人工智能技術(shù)對(duì)人類(lèi)及社會(huì)發(fā)展意義重大,甚至有人認(rèn)為人工智能所帶來(lái)的社會(huì)進(jìn)步和改變稱(chēng)得上是“第四次工業(yè)革命”.以汽車(chē)作為人工智能學(xué)習(xí)的載體,將抽象的人工智能算法問(wèn)題具象化.汽車(chē)中使用人工智能可以幫助汽車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛,同時(shí)也讓汽車(chē)出行變得更加安全和有序,通過(guò)人工智能的大數(shù)據(jù)分析,汽車(chē)可以更好地應(yīng)對(duì)不能預(yù)知的意外狀況,自動(dòng)采取措施保障安全.人工智能技術(shù)可以讓汽車(chē)安全性提高很多,諸如駕駛員疲勞識(shí)別、脈搏識(shí)別,可以檢測(cè)駕駛員的健康狀態(tài),并且可以在情況不嚴(yán)重的時(shí)候給出警告提示,在情況危急的時(shí)候采取強(qiáng)制性的措施來(lái)制止危險(xiǎn)駕駛行為.

汽車(chē)本身是學(xué)生熟悉的生活中的素材,學(xué)生可以較為容易地從熟悉的素材中尋找和提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題;了解汽車(chē)的研發(fā)歷史可以使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)創(chuàng)造更多物質(zhì)財(cái)富和精神財(cái)富、滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要的重大貢獻(xiàn).

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課程標(biāo)準(zhǔn)”)中指出：化學(xué)教育應(yīng)立足于學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代生活和未來(lái)發(fā)展的需要,倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè),開(kāi)展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的探究活動(dòng),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力;結(jié)合人類(lèi)探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì),結(jié)合學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)和將要經(jīng)歷的社會(huì)生活實(shí)際,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類(lèi)面臨的與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感、參與意識(shí)和決策能力.汽車(chē)的發(fā)展歷史伴隨著化學(xué)物質(zhì)研究的發(fā)展歷史,人工智能在汽車(chē)上的應(yīng)用是未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì),也是學(xué)生未來(lái)將面臨的真實(shí)情境,在實(shí)驗(yàn)室中模擬汽車(chē)中的真實(shí)情況,建立相關(guān)模型,讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能在汽車(chē)智能系統(tǒng)中的應(yīng)用,可以幫助學(xué)生更好地解決未來(lái)汽車(chē)上可能遇到的問(wèn)題,并鍛煉初步的科學(xué)研究能力.

3 教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課以未來(lái)汽車(chē)為載體,聚焦未來(lái)汽車(chē)中使用的人工智能控制系統(tǒng),圍繞化學(xué)如何支持人工智能系統(tǒng)安全性的問(wèn)題進(jìn)行研究.當(dāng)我們使用人工智能時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)有更多隱藏的安全問(wèn)題,比如車(chē)內(nèi)的氣體環(huán)境監(jiān)控和溫度的調(diào)節(jié)等,都需要大量數(shù)據(jù)作為保障,需要傳感器進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).這節(jié)課的重點(diǎn)就落在如何通過(guò)人工智能系統(tǒng)保障未來(lái)汽車(chē)的氣體環(huán)境安全.

課程內(nèi)容包含了中學(xué)常見(jiàn)氣體物質(zhì)的性質(zhì)分析和總結(jié)、密閉系統(tǒng)物質(zhì)變化的分析等內(nèi)容.對(duì)學(xué)生的能力要求較高,可以安排在高中化學(xué)的起始階段,作為引入課、活動(dòng)課或者實(shí)驗(yàn)探究課;更適合用來(lái)做氧化還原反應(yīng)(必修模塊)或者電離平衡(選擇性必修模塊1)內(nèi)容的引入課.學(xué)生在本節(jié)課前應(yīng)當(dāng)已經(jīng)具備了認(rèn)識(shí)身邊一些常見(jiàn)物質(zhì)的組成、性質(zhì)及其在社會(huì)生產(chǎn)和生活中應(yīng)用的能力,以及能用簡(jiǎn)單的化學(xué)語(yǔ)言描述化學(xué)變化和物質(zhì)變化的能力.

“課程標(biāo)準(zhǔn)”中將高中必修化學(xué)知識(shí)劃分為5個(gè)基本主題,本課程內(nèi)容主要涉及的是“主題1：化學(xué)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)探究”,同時(shí)該課內(nèi)容可以作為“主題2：常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”中“氧化還原反應(yīng)”內(nèi)容的引入課,幫助學(xué)生在真實(shí)情境中更好地觀察到同一種元素在不同物質(zhì)中可以呈現(xiàn)不同的價(jià)態(tài),這種價(jià)態(tài)的相互轉(zhuǎn)化可通過(guò)電子的轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn).該課程內(nèi)容還涉及“課程標(biāo)準(zhǔn)”中的選擇性必修課程“模塊1化學(xué)反應(yīng)原理”中“主題3：水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”的相關(guān)知識(shí).

4 學(xué)情分析

該課程內(nèi)容對(duì)學(xué)生知識(shí)和能力水平的要求都很高,學(xué)生在參與課程之前需要充分掌握空氣中的氣體成分、含量以及各種氣體成分的物理、化學(xué)性質(zhì).還需要學(xué)生有定量的意識(shí),要意識(shí)到氣體濃度的變化也會(huì)對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)和反應(yīng)的現(xiàn)象產(chǎn)生一定的影響.對(duì)學(xué)生分析和處理復(fù)雜問(wèn)題的能力也有一定的要求.

汽車(chē)內(nèi)雖然是學(xué)生較為熟悉的環(huán)境,但是由于氣體看不見(jiàn)、摸不著,學(xué)生很難在日常生活過(guò)程中注意到密閉空間中不同氣體濃度的變化.雖然近幾年人工智能發(fā)展的勢(shì)頭非常迅猛,但是中學(xué)生接觸得較少,人工智能進(jìn)課堂仍處于調(diào)研階段.而本課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中,學(xué)生不僅要理解人工智能的基本原理,還要用學(xué)過(guò)的化學(xué)知識(shí)與人工智能相結(jié)合,解決實(shí)際生活中遇到的問(wèn)題.

5 教學(xué)與評(píng)價(jià)目標(biāo)

5.1 教學(xué)目標(biāo)

1)認(rèn)識(shí)人工智能在未來(lái)汽車(chē)中所起的控制作用,明確汽車(chē)中的反應(yīng)及其性質(zhì).

2)通過(guò)對(duì)汽車(chē)中涉及的化學(xué)反應(yīng)的分析,了解模型在化學(xué)學(xué)科中的運(yùn)用,加強(qiáng)對(duì)化學(xué)現(xiàn)象與模型之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí),學(xué)會(huì)運(yùn)用多種模型來(lái)描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象,鍛煉預(yù)測(cè)物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果的能力.

3)通過(guò)分析汽車(chē)內(nèi)環(huán)境中的氣體成分和濃度的變化,認(rèn)識(shí)科學(xué)研究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造并進(jìn)行應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng);理解從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)確定研究目的、依據(jù)研究目的設(shè)計(jì)方案、基于證據(jù)進(jìn)行分析和推理等對(duì)于科學(xué)探究的重要性.

4)通過(guò)對(duì)空氣中二氧化碳濃度檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)和討論,體會(huì)定量研究對(duì)化學(xué)科學(xué)的重要作用;了解科學(xué)探究過(guò)程包括提出問(wèn)題和假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、獲取證據(jù)、分析解釋或建構(gòu)模型、形成結(jié)論及交流評(píng)價(jià)等核心要素;培養(yǎng)依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮图僭O(shè),設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)方案的能力,并能對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià).

5)通過(guò)使用pH 計(jì),檢測(cè)二氧化碳對(duì)蒸餾水的pH 的影響,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)基本操作實(shí)驗(yàn)方案,能觀察并如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù),進(jìn)行分析和推理,得出合理的結(jié)論.通過(guò)合作交流,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行反思,說(shuō)明假設(shè)、證據(jù)和結(jié)論之間的關(guān)系,用恰當(dāng)形式表達(dá)和展示實(shí)驗(yàn)成果.

5.2 評(píng)價(jià)目標(biāo)

1)通過(guò)對(duì)未來(lái)汽車(chē)中可能遇到的安全問(wèn)題的分析,發(fā)展學(xué)生在復(fù)雜問(wèn)題情境中提出有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)探究課題的應(yīng)用水平.

2)通過(guò)對(duì)二氧化碳溶于水發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和碳酸電離過(guò)程的分析認(rèn)識(shí)離子反應(yīng)的本質(zhì),診斷并發(fā)展學(xué)生綜合分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

3)通過(guò)二氧化碳水溶液的pH 的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和操作過(guò)程,培養(yǎng)依據(jù)化學(xué)問(wèn)題解決的需要,選擇常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)儀器、裝置和試劑,完成簡(jiǎn)單的物質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的能力.診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器的使用方法,以及依據(jù)操作說(shuō)明使用精密儀器進(jìn)行重要化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作的應(yīng)用水平.

如表1所示.

表1

7.1 基于真實(shí)情境的常規(guī)化化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

本節(jié)課的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)之一是在真實(shí)化學(xué)情境下進(jìn)行教學(xué)活動(dòng).隨著人們生活水平不斷提高,對(duì)汽車(chē)也提出了更高的要求.人們希望汽車(chē)越來(lái)越高速,越來(lái)越舒適,同時(shí)還要兼顧節(jié)能、環(huán)保,并能時(shí)時(shí)刻刻保護(hù)駕乘車(chē)人員的安全.

本課選題聚焦在汽車(chē)的安全性問(wèn)題上.設(shè)計(jì)本課程的初衷是希望學(xué)生站在工程師的角度,設(shè)計(jì)汽車(chē)的氣體監(jiān)控系統(tǒng),保障行駛中汽車(chē)的氣體環(huán)境安全.要求學(xué)生在思考這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候,不僅要依賴(lài)現(xiàn)有的知識(shí)和已經(jīng)具備的實(shí)驗(yàn)探究技能,還要能對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案中與安全有關(guān)的各種因素進(jìn)行綜合分析、判斷和決策.

越來(lái)越多的事實(shí)表明,化學(xué)在極大程度上推動(dòng)了現(xiàn)代社會(huì)的文明和進(jìn)步,對(duì)人類(lèi)解決當(dāng)今面臨的能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)、資源危機(jī)和糧食危機(jī)等一系列重大挑戰(zhàn)提供了可能的途徑.教育體制改革的根本目的是提高民族素質(zhì),培養(yǎng)出大量的新時(shí)代所需要的人才.這種人才應(yīng)該具有獨(dú)立思考的能力和勇于創(chuàng)造的科學(xué)精神.培養(yǎng)這樣的人才,就提示中學(xué)教師必須進(jìn)行教育思想、教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變和更新.

在真實(shí)情境下的教學(xué),使學(xué)生將對(duì)汽車(chē)的需求轉(zhuǎn)化為科學(xué)研究的目標(biāo),運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決科學(xué)難題,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,在課程過(guò)程中感知化學(xué)在生產(chǎn)生活中的重要應(yīng)用價(jià)值,弘揚(yáng)化學(xué)的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值,激發(fā)學(xué)生關(guān)注生活、關(guān)心社會(huì)的情感.

7.2 問(wèn)題線(xiàn)索引導(dǎo)式教學(xué)為學(xué)生思維發(fā)展服務(wù)

本節(jié)課設(shè)計(jì)了一連串的問(wèn)題串聯(lián)整堂課,問(wèn)題設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣、層層深入,問(wèn)題難度逐級(jí)提升,讓學(xué)生始終保持新鮮感和學(xué)習(xí)的積極性.從某種意義上說(shuō),教學(xué)就是不斷地提出問(wèn)題、解決問(wèn)題和發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題的過(guò)程.在本節(jié)課的教學(xué)過(guò)程中,教師通過(guò)示范、引導(dǎo)學(xué)生自主提出問(wèn)題.通過(guò)獨(dú)立思考、動(dòng)手實(shí)踐和合作交流討論的活動(dòng)不斷生成新的問(wèn)題.

例如,在獨(dú)立思考行駛中的汽車(chē)發(fā)生的全部化學(xué)反應(yīng)時(shí)主動(dòng)想到：“是不是所有的反應(yīng)都會(huì)影響汽車(chē)內(nèi)部? 進(jìn)而引起車(chē)內(nèi)氣體環(huán)境的變化?”在動(dòng)手實(shí)踐操作pH 計(jì)測(cè)量溶液中酸堿性的變化時(shí),主動(dòng)思考：“二氧化碳的濃度與pH 之間為什么呈現(xiàn)的不是一次方程的線(xiàn)性關(guān)系?”為后面講解弱電解質(zhì)的電離平衡打下基礎(chǔ).

在一個(gè)又一個(gè)問(wèn)題的解決過(guò)程中,學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行思考與實(shí)踐,從而提高創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力.以問(wèn)題為中心組織課堂教學(xué)符合認(rèn)知心理學(xué)的規(guī)律和高中學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn),有利于改善教與學(xué)的方式,使學(xué)生主動(dòng)地學(xué)習(xí).

7.3 著眼于未來(lái)的人工智能教學(xué)嘗試

在設(shè)計(jì)這堂課的過(guò)程中最難把握的就是人工智能—汽車(chē)—化學(xué)三者之間的關(guān)系.化學(xué)是人類(lèi)對(duì)于過(guò)去接觸過(guò)的物質(zhì)、現(xiàn)象和原理的總結(jié);汽車(chē)是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的結(jié)晶,也是人類(lèi)不可或缺的代步工具,它的舒適性和安全性已經(jīng)得到了較為充分的改善;人工智能著眼于未來(lái),是解放人類(lèi)的一種新工業(yè)形式.三者的結(jié)合對(duì)課程設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一種新的挑戰(zhàn),如果能將理論性極強(qiáng)的化學(xué)知識(shí)應(yīng)用于真實(shí)的情境、未來(lái)的設(shè)計(jì)中,可以促使學(xué)生更深刻地理解化學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境之間的相互關(guān)系,感悟化學(xué)的價(jià)值,贊賞化學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的重大貢獻(xiàn).

這個(gè)選題需要任課教師額外花費(fèi)很多時(shí)間學(xué)習(xí)并不熟悉的人工智能領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí).初步了解發(fā)現(xiàn)人工智能在化學(xué)前沿的研究中起到的非常重要的作用.計(jì)算化學(xué)是理論化學(xué)的分支,也常指計(jì)算機(jī)科學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科.人工智能在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)量正在以驚人的速度增長(zhǎng).尤其是人工智能的分支——機(jī)器學(xué)習(xí),其核心是用計(jì)算機(jī)算法模擬人類(lèi)的學(xué)習(xí)行為,這種行為的模仿過(guò)程與研究人員的培養(yǎng)過(guò)程十分相似,都是隨著訓(xùn)練而提高的,也就是說(shuō)機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程也很像學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程.

這樣的教學(xué)活動(dòng),很好地拓展了教師的知識(shí)面,使教師保持終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣,動(dòng)態(tài)地看待化學(xué)原理在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中的作用,也幫助學(xué)生體會(huì)到化學(xué)的廣泛應(yīng)用和在生產(chǎn)生活中的重要價(jià)值.

人工智能使科學(xué)研究的準(zhǔn)確性提高,研究的效率得以飛速進(jìn)步.有了人工智能的幫助,能大概率地鎖定更有優(yōu)勢(shì)的研究方向,減少前沿研究所耗費(fèi)的試錯(cuò)時(shí)間.因此對(duì)于中學(xué)生的教育來(lái)說(shuō),最重要的是普及人工智能的能力和思維方式,讓學(xué)生了解人工智能在科學(xué)研究中的重要作用.

其次,對(duì)于現(xiàn)在廣泛使用的機(jī)器學(xué)習(xí)方法,由于其學(xué)習(xí)反饋和建模思路,與學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程非常相似,因此以目標(biāo)需求帶動(dòng)的課堂學(xué)習(xí)方法,某種程度上就是在模仿人工智能的學(xué)習(xí)方法.讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中以科學(xué)家或設(shè)計(jì)者的思路來(lái)思考問(wèn)題,將人工智能的思想引入課堂,對(duì)學(xué)生的未來(lái)學(xué)習(xí)和研究有非常大的幫助.