教育智能體在中學化學實驗教學中的應用研究

【摘 要】教育智能體在教育教學中的應用示范，是當下教學數字化轉型與新課改亟待研究的重要議題。文章結合教育智能體的技術優勢，提出了教育智能體賦能中學化學實驗教學的應用策略，并以初中化學“二氧化碳的制取與性質”為例，開展了教學設計，以期為教育智能體在化學實驗教學中的示范應用提供借鑒和參考。

【關鍵詞】教育智能體；化學實驗教學；教學難題；教學策略

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）010-014-04

《義務教育化學課程標準（2022年版）》明確提出“要以培養學生的化學核心素養為宗旨，強調化學觀念、科學思維、探究與實踐能力等的多維發展”[1]，為新時代化學實驗教學的改革與創新指明了方向。當前，中學化學實驗教學過程仍較多地關注強化實驗知識或訓練實驗技能。大部分教師仍依賴于傳統的實驗教學模式，要求學生按照既定的實驗手冊機械地完成實驗操作，并在實驗結束后根據實驗手冊進行標準化評分[2]。然而，這種傳統的實驗教學模式存在學生對化學知識理解深度不夠，科學思維訓練不足[3]，以及探究性實驗實施困難等問題[4]。這不僅影響了智能時代化學學科育人目標的實現，也不利于我國科學教育的高質量發展。

近年來，以ChatGPT為代表的生成式人工智能技術，在啟發性內容生成、對話情境理解、序列任務執行等領域展現出卓越的性能[5]。教育智能體是指借助于生成式人工智能技術，針對教育領域的多場景需求和多角色服務特點，而創建的智能工具[6]。其能夠在特定的教學場景中扮演專家、同伴、評價者等角色，并通過文本、語音、圖像等形式與學習者進行實時互動[7]。教育智能體具備豐富的教學資源和教學技能，能夠更好地適應教育教學的需求。如何利用教育智能體破解中學化學教學面臨的現實挑戰，是化學新課改亟待解決的關鍵問題之一。本研究旨在探討教育智能體賦能下的中學化學實驗教學策略，并設計切實可行的實驗教學案例，以期為教育智能體助力個性化、精準化的化學實驗教學提供參考和借鑒。

教育智能體對中學化學實驗教學的賦能策略

教育智能體作為生成式人工智能技術在教育領域的重要應用，在破解中學化學教學難題、革新教學樣態上具有巨大潛力。為了更好地將教育智能體的技術優勢與中學化學實驗教學有機融合，本研究提出三種典型的應用策略。

1.輔助教師指導學生實驗探究

教育智能體具備海量的多模態數字資源，能夠作為智能助教輔助教師開展實驗教學。實驗教學前，學生可通過與教育智能體的交互，解答預習過程產生的疑惑，以實現對基礎性知識的全面把握，為教師課上實施實驗探究預留更多時間。實驗教學中，學生可通過與教育智能體的交互獲得實時反饋，確保每位學生在實驗探究過程中能夠獲得及時有效的回復，這破解了傳統實驗教學中探究性實驗個性化實施不充分的困境。實驗結束后，教師可以結合教育智能體的評價，對每位學生的實驗操作水平形成初步的把控，不需要再耗費過多時間去批改實驗報告，從而使教師能夠更多專注于實驗探究的實施過程。此外，教育智能體還提供了實驗教案寫作輔助、教學資源智能檢索、課程知識答疑等功能板塊，有效地解決了部分教師在設計與指導探究性實驗方面能力不足的問題。

2.助力學生科學思維訓練與養成

教育智能體能夠利用生成式人工智能卓越的自然語言處理能力和豐富的語料庫，在實驗教學中充當學生的課外導師。首先，教育智能體在輔助學生自主開展化學實驗設計方面發揮著重要作用。學生在自發探索化學實驗時，可先將預設的實驗情景和目標嵌入教育智能體平臺，平臺能夠快速精準地檢索到高度相關的學習資料并提供給學生。依托這些資源，學生能夠對實驗過程形成初步的認知，并在此基礎上向教育智能體發起更深入的追問。通過反復多次地提問交互與修改迭代，學生的實驗設計能力不斷增強，對化學知識的理解也不斷加深。其次，教師可以通過指導學生進行科學的人機對話，來訓練學生的質疑能力和批判意識。具體而言，學生能夠根據自己的興趣偏好設定不同的實驗情景，在這個過程中學生可以主動承擔不同角色，如化學研究員、辯論家、學習伙伴等，不斷向教育智能體發起提問和對話。在對話過程中學生要自發判斷教育智能體的回復是否準確全面，同時，教師要引導學生掌握對話的主動權，而不是被動地全部接受。

3.推進化學實驗技能智能評估與反饋

教育智能體的引入為推進中學化學實驗技能評估與反饋向智能化轉型提供了有力支撐。首先，教育智能體可以輔助教師設計化學實驗評價標準。在化學實驗教學準備階段，教師可向教育智能體提供實驗教學內容、教學目標以及學科核心素養等關鍵信息，教育智能體依托生成式人工智能技術強大的內容解析與學習能力，能夠迅速定位實驗過程的重點與難點，并進一步輔助教師設計出系統科學的質量評價標準。其次，教育智能體能夠為學生提供切實可行的智能反饋。在化學實驗教學實施結束后，教師可要求教育智能體按照既定的實驗評價標準，對學生提交的實驗報告和操作視頻進行精準分析，有效識別出學生在實驗操作步驟、流程規范性等方面存在的問題，并據此提供個性化的反饋與改進建議。這一過程有助于解決傳統化學實驗教學個性化反饋缺失的問題，促進學生實驗技能的持續提升。

教育智能體賦能中學化學實驗教學的案例

本研究以九年級上冊第2章“基礎實驗2：二氧化碳的制取與性質”為例，借助人工智能工具，探討人工智能在初中化學實驗教學中的創新應用。二氧化碳的制取與性質，作為基礎實驗是典型的學生分組實驗，在整個初中化學實驗教學中占有重要地位。在這個實驗之前，學生已經了解了氧氣的制取，初步掌握了實驗室制取氣體的裝置設計、收集方法及氣體性質檢驗方法。通過學習本實驗，在知識層面使學生掌握在實驗室中制取二氧化碳的方法，深入了解二氧化碳的基本性質和應用。同時教師借助人工智能幫助學生開展個性化的實驗探究，培養學生科學思維，激發學生創新潛能。

1.實驗教學設計

（1）實驗準備。教育智能體可以根據教師要求制訂實驗教學計劃，包括教學目標、實驗步驟、注意事項等。根據學生的知識水平和學習特點，教育智能體可以為學生生成個性化的預習資料，解釋實驗原理、介紹實驗器材的使用方法等，幫助學生更好地進行預習。利用虛擬現實（VR）或增強現實（AR）技術，教育智能體還可以為學生提供虛擬的實驗環境，讓學生在虛擬空間進行實驗操作和觀察實驗現象，提前熟悉實驗流程，減少實際實驗中的錯誤和風險。

（2）教學方法選擇。根據學生的年齡特點、學習水平和實驗內容，教育智能體可以為教師提供多樣化的教學策略建議，如探究式教學、啟發式教學、合作學習等。教育智能體還能夠協助教師設計豐富多樣的教學活動，如實驗演示、小組討論、實驗探究比賽等，以提高學生的參與度和學習效果。

（3）實驗安全保障。教育智能體可以對二氧化碳的制取與性質實驗中可能存在的安全風險進行評估，如二氧化碳泄漏、酸液飛濺等，并提供相應的防范措施和應急預案；也可以為教師生成安全教育資料，如安全操作規程、事故案例分析等，加強學生的安全意識和自我保護能力。

2.實驗教學實施

初中化學基礎實驗旨在為學生提供一個實踐和探索的平臺。在實驗教學過程中，教師不僅要關注學生的實驗技能，更要注重培養學生的探究能力。

（1）教師講授環節。教師講授是實驗教學的起始環節，教師根據課程目標，結合學生的預習情況選擇重點講解內容，其目的是讓學生在充分理解實驗原理的基礎上，更加有效地進行實驗操作，并從實驗中獲得有價值的結果。

（2）學生實踐環節。學生實踐是實驗教學的核心環節，它是學生將理論知識轉化為實際操作能力的重要過程。通過親自動手進行實驗操作，學生能夠更加深入地理解實驗原理，掌握實驗技能，培養動手能力和團隊合作精神。學生在實踐過程中，可能會遇到各種各樣的問題，教師在學生實踐過程中可以進行巡視和指導，但在有限的課堂時間內無法詳細指導每位學生。而教育智能體可以實時回答學生在實踐過程中遇到的問題，例如，學生對碳酸鈣和稀鹽酸反應制取二氧化碳的原理理解不透徹，不清楚為什么選擇碳酸鈣和稀鹽酸作為反應試劑。在組裝實驗裝置時，學生不清楚如何選擇合適的儀器，如長頸漏斗和分液漏斗的區別和使用方法，以及如何檢查裝置的氣密性。在實驗操作過程中，學生在藥品的添加順序、反應的控制條件（如溫度、濃度等）以及實驗過程中的安全注意事項等方面存在困惑。學生對實驗中觀察到的現象描述不準確，無法正確解釋實驗現象產生的原因，如二氧化碳通入澄清石灰水變渾濁的原理。教育智能體可以作為教師的助手，為學生順利開展實踐提供支持。

（3）學生探究環節。學生探究是實驗教學的升華環節，它要求學生在完成基礎實驗的基礎上，進一步思考和探索實驗中的問題，培養創新思維和科學素養。然而，學生在實驗探究過程中常常會遇到各種疑問和困難，影響實驗的順利進行和學習效果。教育智能體作為一種新興的工具，具有智能問答、知識推薦、模擬實驗等功能，可以為學生解決實驗探究過程中的疑問提供幫助。在探究環節，學生的各種“奇思妙想”都可以通過隨時向教育智能體提問互動，也可以從教育智能體得到很多啟發。

下面是一組學生在實驗探究中與教育智能體的互動，在教師和教育智能體共同的幫助下，學生大膽提出假設、設計實驗方案并進行驗證，像科學家一樣體驗完整的探究過程。

學生提問：能否用碳酸鈣和稀硫酸來制取二氧化碳？

智能體回答：一般不使用碳酸鈣和稀硫酸來制取CqHdCxjbm+Zk4Opk8488bQ==二氧化碳。原因主要有兩點：其一，碳酸鈣與稀硫酸反應會生成微溶于水的硫酸鈣，硫酸鈣會覆蓋在碳酸鈣的表面，阻止反應的進一步進行，導致無法持續產生二氧化碳氣體；其二，從反應速率和氣體收集的角度來看，這種反應難以控制且效率較低。通常制取二氧化碳氣體，采用的是大理石（主要成分是碳酸鈣）與稀鹽酸反應。

學生追問：碳酸鈣和稀硫酸反應的化學方程式是怎樣的？

智能體再回答：碳酸鈣與稀硫酸反應的化學方程式為：CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + H2O + CO2↑。然而，這個反應通常不能持續進行，因為生成的硫酸鈣微溶于水，會覆蓋在碳酸鈣表面，阻止反應的進一步進行。

學生思考后再提問：能否通過改變實驗條件，使用碳酸鈣和稀硫酸反應制取二氧化碳？

智能體再回答：在理論上，通過改變實驗條件來使用碳酸鈣和稀硫酸制取二氧化碳是具有一定可能性的。例如，可以采用不斷攪拌的方式，使生成的硫酸鈣及時分散，減少其在碳酸鈣表面的覆蓋，從而促進反應持續進行；或者使用較大顆粒的碳酸鈣，減緩硫酸鈣的覆蓋速度。但即便如此，這些方法在實際操作中仍存在諸多困難和不確定性，相比之下，使用大理石和稀鹽酸制取二氧化碳仍是更為簡便、高效和穩定的方法。

學生再追問：使用碳酸鈣和稀硫酸反應制取二氧化碳需要注意什么？

智能體再回答：使用碳酸鈣和稀硫酸反應制取二氧化碳時，需要注意以下幾點。一是反應速率問題：該反應生成的硫酸鈣微溶于水，會覆蓋在碳酸鈣表面，阻止反應的進一步進行，導致反應速率逐漸減慢甚至停止。二是氣體收集問題：由于反應不能持續穩定地產生二氧化碳氣體，可能會影響氣體的收集效果。如果在實驗室中進行這個反應，可能會出現一開始有二氧化碳產生，但很快反應就幾乎停止的情況，無法得到預期量的二氧化碳氣體。三是安全問題：稀硫酸具有腐蝕性，操作時要避免其接觸皮膚和衣物。

學生整理、判斷以上問答信息：改變實驗條件防止微溶的硫酸鈣附著在碳酸鈣表面；使用大小合適的碳酸鈣顆粒，減緩硫酸鈣的覆蓋速度；稀硫酸具有腐蝕性，操作時要避免其接觸皮膚和衣物。

學生在教師指導下形成探究實驗方案：在原有實驗室制取二氧化碳的裝置中增加磁力攪拌器進行對比實驗；使用大、中、小三種不同體積的碳酸鈣顆粒進行對比實驗；使用強、中、弱三種濃度的硫酸溶液進行對比實驗；用優化后的碳酸鈣和稀硫酸制取二氧化碳與碳酸鈣和稀鹽酸制取二氧化碳進行對比。學生按照探究實驗方案開展實驗。

3.實驗教學評價

設計科學合理的化學實驗評價標準對于準確評估學生的實驗能力和促進教學質量提升具有重要意義，教育智能體為教師提供了新的輔助手段。教育智能體首先利用數據分析與模式識別功能，收集大量過往學生實驗的相關數據，分析出常見的錯誤類型、優秀操作的特點等，并整合國內外化學教育領域的權威評價標準和相關研究成果，確保所設計的評價標準具有科學性和前沿性。然后智能生成評價標準初步框架，包括實驗操作、實驗數據處理、實驗安全、實驗報告等方面的大致要點。最后對教師初步制定的評價標準進行細致分析，提出具體的細化和優化建議，形成如下基礎實驗2的實驗評價標準。

（1）實驗操作評價（40分）：儀器組裝的正確性（如發生裝置和收集裝置的連接是否緊密、導管的插入位置是否恰當等），15分；試劑添加的順序和量的控制（先加固體碳酸鈣，再緩慢加入稀鹽酸，鹽酸的量不應過多或過少），10分；實驗操作的規范性（如點燃酒精燈的方法、熄滅酒精燈的時機等），15分。

（2）實驗數據評價（30分）：收集氣體體積的準確性（與理論值進行對比），15分；反應時間的記錄和分析（反應時間過長或過短，需要分析原因），15分。

（3）實驗安全評價（10分）：是否正確佩戴防護眼鏡和手套，5分；實驗過程中有無違規操作導致安全隱患，5分。

（4）實驗報告評價（20分）：實驗目的和原理的闡述是否清晰準確，8分；實驗步驟的記錄是否完整詳細，5分；對實驗結果的分析和討論是否深入合理，7分。

在學生實驗過程中，教育智能體可以作為教師的助手為學生提供及時有效的反饋，有助于提高實驗教與學的效率。在實驗過程中，一旦發現學生的錯誤操作或不合理的數據，立即通過語音或文字提示學生進行糾正。例如，學生A在添加稀鹽酸時，速度過快且量過多，系統會立即發出提醒：“請注意添加稀鹽酸的速度要緩慢，量應按照實驗要求控制，以免產生過多的氣體導致實驗危險。”教育智能體可以根據每位學生的實驗表現和特點，生成個性化的反饋報告。Qf+fqYWWTSzZJc1hLhPUGA==對于操作不熟練的學生，重點強調操作技巧的訓練；對于數據分析能力較弱的學生，提供更多關于數據處理和誤差分析的指導。學生B記錄的二氧化碳產生的體積明顯小于理論值。系統分析后反饋：“你的實驗數據可能存在誤差，建議檢查裝置的氣密性是否良好，或者重新測量。”學生C實驗報告中對實驗結果的分析部分不夠深入。系統給出建議：“可以進一步探討實驗結果與理論值的差異原因，思考如何改進實驗方法以提高實驗的準確性?！苯逃悄荏w可以結合實驗內容，為學生提供相關的拓展知識和前沿研究成果。

總結與展望

教育智能體在協助學生進行化學實驗學習和實驗探究方面具有顯著的優勢，能夠有效解決學生在實驗過程中的疑問，提高學生的學習興趣和實驗探究能力。然而，教育智能體在教育領域的應用仍處于發展階段，還存在一些不足之處，如知識的準確性和權威性有待進一步提高，與實際教學的融合還需要不斷優化。未來，隨著技術的不斷進步和教育理念的更新，教育智能體有望在實驗教學中發揮更大的作用，為學生提供更加個性化、高效的學習支持。

參考文獻

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