人工智能賦能中學化學教學的探索

黃郁郁 王后雄

摘? ? ? 要

隨著中學化學教學的不斷發展，人工智能賦能教學逐漸成為了一種新的教學手段。人工智能為中學化學教學個性化資源分享、多維化評價增值、特色化實驗創新提供了技術支撐。在“雙減”背景下，結合案例從“AI助手”“智慧評價”“特色實驗”三個方面探討了人工智能在中學化學教學中的創新與實踐，總結了其優勢，并在數據資源、隱私保護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 鍵 詞

人工智能;中學化學;深度學習

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

2018年4月，教育部出臺《教育信息化2.0行動計劃》，提出“大力推進智能教育，推動人工智能在教學、管理等方面的全流程應用，探索泛在、靈活、智能的教育教學新環境建設與應用模式”。人工智能技術作為新技術革命的重要驅動力，在國家的大力支持下開始注入教育領域，同時也為中學化學教學的改革和創新賦能。隨著科技不斷進步，人工智能賦能中學教學已成為實現深度學習、培養學生高階思維的重要途徑[1]。

一、人工智能賦能中學化學教學的優勢

人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）是一種模擬人類智能的技術和科學，它是利用計算機等工具和技術實現“智能化”的一種手段。人工智能在“沿著以計算機為核心，到以互聯網為核心，再到以數據為核心的發展脈絡”中，推動教與學發生了很多變化[2]。作為引領新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力，人工智能催生了大批新產品、新技術、新業態和新模式，也為教育現代化帶來更多可能性。“人工智能+教育”不斷碰撞出新的教學場景，為教育變革創新注入強勁新動能，“人工智能+教育”即將成為教育發展主流，滿足學生個性化、動態化的學習需求[3]。教、練、輔、考、評、管各環節增加人工智能輔助，讓教師教得更好;虛實融合多場景教學、協同育人，讓學生學得更好。

人工智能賦能中學化學教學，可以有效解決傳統化學教學中存在的問題。人工智能技術通過分析學生的學習情況，為每個學生量身定制學習計劃與資源，提高學習的針對性和有效性;通過虛擬實驗平臺等方式，為學生提供更加真實的學習資源，激發學生的內驅力和求知欲;通過語音識別、自然語言處理等技術，與學生進行智能化的對話和互動，提高學生的學習興趣和參與度;通過分析學生的學習數據和行為，自適應地調整教學策略和教學內容;通過自動化的方式，對學生的學習情況進行精準化評估和反饋，幫助學生及時發現和糾正錯誤;通過互聯網和云計算技術，實現教學資源的共享和協作，讓更多學生受益于優質的教育資源等。借助人工智能提升課內教學效率，推動學生減負轉型之機，許多學校引入“AI助手”“智慧評價”“特色實驗”等人工智能手段賦能化學教學，助力中學化學教師開展一系列面向未來的中學化學教學實踐與探索。

二、人工智能賦能中學化學教學的策略

1.借助AI助手，賦能化學教學

隨著人工智能的發展，AI助手將成為撬動課堂教學變革的阿基米德點，如AI助手承擔的新角色、人機協同的雙師課堂、機器人賦能未來教學的創新與變革[4]。AI助手成為課堂教學的新要素，使傳統課堂教學的“人—人”雙邊關系走向了“人—機—人”多邊關系。

在教學過程中，人工智能根據學生個體差異導致的不同需求，為學生提供更加個性化的教學服務。AI助手根據學生的學習數據，分析學生的學習習慣和偏好，對學生的分析能力、綜合能力和評價能力進行測量與診斷，發現學生個體的優勢與短板，開展個性化、差異化教學和反饋。建立AI作業資源庫，根據學生的特征和需求，推薦適合的學習資源，助推學生個性化發展[5]。例如，對后進生推送基礎鞏固和興趣拓展類的化學作業，對學優生推送探究性、綜合性、實踐性的化學作業，在分層教學中使所有學生都獲得最大發展。在線檢測系統建立學生電子成長檔案袋，動態監測學生學習情況，幫助教師診斷預測和學生自我評價，從而發現并解決問題。

AI助手不僅可以替代教師完成繁瑣的常規程序性的工作任務，緩解教師重復性的高強度工作負荷，還可以獲取學生的行為數據，通過對數據的處理準確把握學生的個體特征，根據學生的學習情況和教師的教學需求自動設計和優化課程內容和教學方式。例如，“學習化學方程式的配平”時，部分學生對配平方法沒有完全掌握，AI助手可以對部分學生一對一個性化講解，并推送相關練習題加以鞏固。對于部分學生“化合價口訣”背誦不熟練，可以借助AI助手檢查學生背誦或默寫情況。

2.探索智慧評價，助力課堂增效

隨著人工智能賦能中學化學教學，教學評價也逐漸科學化和智慧化，不僅促進了教學質量的提升，還減輕了學生的學業負擔。人工智能賦能中學化學教學評價，為評價診斷帶來全新的視角與技術支撐。

在傳統的教師口頭評價、作業等級評價等定性評價的基礎上，人工智能的賦能開創了實施多維評價的新局面。教師基于人工智能探索智慧評價，及時調整教學內容，轉變教學模式，優化學習范式，提升教學效果。基于人工智能的“教學評”一體化實現了評價的過程性、及時性、互動性和生成性，教師依據評價結果及時深入學生、調整教學、查漏補缺，實現評價的增值。例如教學“酸堿中和反應”時，教師在平臺在線發布檢測題，學生作答提交。系統實時統計學生“當堂檢測”成績分檔數據，教師根據系統的各項數據實時了解學生對知識的掌握程度。若某題大多數學生均未掌握，教師課堂上針對該題及相應知識點進行集中講解并進行變式鞏固;若某題只有個別學生做錯，教師則在課后單獨輔導，重點突破。人工智能檢測、系統智能閱卷、學情智能分析、教學智能評價……構建彰顯化學學科特色的多層次、多維度、綜合性、動態的評價體系，促進學生化學學科核心素養的發展。

人工智能還可以為中學化學教學提供更加便捷和高效的教學管理方式。人工智能可以對學生的課堂表現、作業、考試成績等數據進行分析，為學生學業水平精確畫像，為分層教學提供更客觀、更科學、更準確的依據。教師通過傳感器設備采集學生在學習過程中的行為數據，如學習時間、學習環境等，根據智慧評價系統中學生的面部表情、抬頭時長等數據信息以及系統生成的評價意見，更好地了解學生的學習情況，從而結合學生學習特點和認知水平量身定制教學內容和方法，以達到最佳教學效果。同時，智能評價還可以對學生的知識掌握程度和學習進度進行數據統計、診斷分析和預測反饋，及時發現學生的學習問題和困難，以提供幫助和支持。

人工智能通過多種方式實現化學課堂評價，提高評價的準確性、及時性和客觀性，從而更好地促進學生的化學學習。人工智能支持下的化學課堂評價可以提高課堂評價的科學性、客觀性和針對性，突出評價過程的差異化、個性化和全面化，創新課堂評價方式。

3.開展特色實驗，降低認知負荷

化學是一門以實驗為基礎的科學，化學實驗是化學學習中重要的環節。人工智能在化學信息學、化學計算和化學實驗等方面助力，完美實現了教師教學方式和學生學習范式的轉型升級。其中，化學信息學可以幫助師生更快速地獲取和處理大量的化學信息，化學計算可以幫助師生更準確地預測和分析化學反應，化學實驗則將人工智能應用于實驗操作中，以提高實驗效率和分析精度。

人工智能賦能中學化學實驗教學，學生用化學實驗和人工智能合力探究物質及其變化，形成了特色化學實驗探究的一般思路和方法。通過對實驗過程進行追蹤和分析，可以識別實驗中的關鍵環節，并實時反饋給師生，以幫助其更好地進行實驗操作。通過對實驗數據進行分析和處理，可以預測出不同實驗條件下的反應結果，從而幫助師生更好地分析實驗結果。在人工智能輔助下，虛擬實驗輔助學生從宏觀和微觀相結合的角度認識化學變化的本質，加深對化學學科的認識與理解，降低認知負荷。人工智能還能幫助學生提升化學實驗動手能力，降低化學實驗成本與危險性，為傳統化學實驗提供有效補充。

VR實驗可以提供逼真的環境，模擬危險環境，如高溫、高壓、危險材料等，使學生在安全的環境下進行實驗。例如，學習“二氧化碳的性質”時，由于火災的真實情境具有一定危險性，學生用VR實驗模擬用二氧化碳滅火的過程，激活學生已有生活經驗，使學生身臨其境地體驗用化學知識解決實際問題的過程，感受化學的學科魅力與現實價值，以促進其科學思維、科學態度和科學能力的發展。

3D虛擬實驗可以減少實驗時間和成本，不需要清洗實驗器具，能夠提高實驗效率;可以避免實驗中的危險因素，減少實驗操作中的安全隱患，保障師生的安全;可以讓學生自由探索和交互，通過對實驗場景的自由操作提高學生的學習興趣和參與度;可以多次操作，有助于加深學生對實驗原理和實驗操作的理解和掌握;無需使用實驗材料和設備，有助于節約資源，保護環境。此外，3D虛擬實驗還具有操作簡便、安全性高、交互性強、可重復性強、環保節能等優點，有利于提高實驗效率和質量，促進學生的學習和實踐能力的發展。例如，學習“碳的化學性質”時，由于反應條件等因素限制，課堂無法完成的學生實驗可以借助3D虛擬技術進行補充，模擬木炭還原氧化銅實驗。學生根據實驗目的“探究碳的還原性”，設計實驗方案，商討實驗步驟，選擇儀器并組裝、操作實驗、記錄現象……基于現象進行推理，在與同學的交流與評價中形成自主、合作、探究的能力。

基于沉浸感、交互性、構想性等特點的虛擬現實技術將有助于學生的實踐能力以及學習興趣的提升[6]。數字化實驗運用實時數據采集和智能分析，實現了人工智能與中學化學教學的有機融合。數字化實驗可以精確記錄每個步驟和結果，避免了實驗誤差和數據丟失，提高了實驗的可重復性和精度;可以將數據存儲在計算機中，方便進行數據分析和可視化展示;可以通過模擬不同實驗條件，幫助師生進行實驗設計和優化，節約時間和成本。例如，學習“復分解反應”時，通過數字化實驗，學生在教師的引導下基于證據進行推理，掌握化學反應的微觀實質，建立“宏觀—微觀—符號—曲線”多重表征的認知方式，對學生思維能力、探究能力、建模能力、核心素養的提升有著很大的推動作用。

三、人工智能賦能中學化學教學的反思

人工智能具有前沿的技術、鮮明的特征和巨大的魅力。人工智能技術賦能中學化學教學具有重要意義，為中學化學教學帶來更加智能化、個性化、生動化和高效化的突破，有著廣泛的應用前景。化學作為一門基礎科學，受益于人工智能技術的發展與應用，不僅豐富了化學教學的內容和形式，也減輕了學生的學業負擔，提升其學習化學的效率。人工智能技術在中學化學教學中將會成為一種新的手段，為中學化學教育的發展帶來新的機遇和挑戰。

不過，人工智能賦能中學化學教學的局限性也是不可忽視的。人工智能技術的應用需要龐大的數據集和強大的計算能力，而這些資源在許多學校和教育機構中并不容易獲得。由于人工智能技術的應用通常是基于歷史數據的模型訓練，因此在面對新的、未知的情況時，其應用效果可能會受到限制。在涉及情感、價值觀等主觀因素的化學教學領域中，人工智能技術的應用也有一定的局限性，需要更多的師生參與和判斷。人工智能技術的應用也可能引發一些倫理問題，如隱私保護、算法歧視等，需要引起足夠重視。

人工智能技術在中學化學教學中的應用需要不斷地進行技術研發和創新，以提高技術成熟度和應用效果。隨著人工智能的發展，化學教育也將不斷地與人工智能有機融合，為學生提供更加優質的化學教育。

參考文獻

[1] 崔向平，趙龍，盧彩晨，等.人工智能整合教學研究的熱點、主題與趨勢分析——基于圖譜分析和技術整合的視角[J].現代教育技術，2022，32（08）：83-91.

[2] 趙健.技術時代的教師負擔：理解教育數字化轉型的一個新視角[J].教育研究，2021，42（11）：151-159.

[3] 陳志雄.人機協同語文寫作教學在中職學校的應用研究[J].新疆職業大學學報，2021，29（02）：16-21.

[4] 王緒強，胡凡剛.AI教師賦能課堂教學的限度與超越[J].電化教育研究，2022，43（08）：29-35.

[5] 龐茗月，胡凡剛.從賦能教育向尊崇成長轉變：教育大數據的倫理省思[J].電化教育研究，2019，40（07）：30-36+45.

[6] 李中強.虛擬現實技術支持下高中化學實驗教學的開展[J].教學與管理，2018（31）：61-63.

【責任編輯? ? 郭振玲】

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