人工智能輔助下基礎化學自主學習模式建設

摘要：針對醫學院校基礎化學課時數較少但課程內容較多的現狀，以及傳統教學模式中“以教師為中心”的不足，探索并構建了符合本課程特色的自主學習教學實施框架，創新性采用人工智能工具全面輔助課前導學、課堂互動、課后作業及拓展學習的各個教學環節。這一模式創新不僅有效減輕了教師的備課負擔，還極大地提高了學生的學習動力和課堂參與度。實踐結果顯示，相較于往屆學生，采用此模式的學生在作業完成和期末考試中均取得了顯著進步，驗證了該學習模式在提升教學效果方面的有效性。在此基礎上，本團隊進一步針對采用人工智能工具進行輔助學習時遇到的具體問題進行了深入的剖析并提出具體解決方法，以期為醫學院校基礎化學教育改革提供有益的參考和啟示。

關鍵詞：自主學習；人工智能工具；基礎化學；教學實施框架構建；教學改革

DOI：10.13555/j.cnki.c.m.e.2025.01.008

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-3181（2025）01-0049-06

基金項目：海軍軍醫大學校級課題（2022QN27）；海軍軍醫大學教學成果培育項目（JPY2024B08）

Construction of a Self-Directed Learning Model for Basic Chemistry Assisted with Artificial Intelligence Technology

CHEN Tianheng，MA Zhiqiang，ZHANG Yunchang，SHE Lan，GUO Beibei，YANG Feng

School of Pharmacy， Naval Medical University， Shanghai 200433， China

Abstract： In view of the current situation where the course Basic Chemistry is assigned limited class hours but has extensive content， coupled with the deficiency in traditional teacher-centered teaching method at medical colleges and universities， our teaching team has explored and designed a student-centered learning framework for Basic Chemistry. Additionally， artificial intelligence tools are employed as assistance throughout the entire teaching and learning processes， including pre-class guidance， in-class interactive communication， comple？ tion of homework and extensive learning. This innovative approach can not only effectively reduce the pres？ sure on teachers in preparing lessons but also greatly stimulate students’ interest in learning and enhance their participation in class. Results showed that after adopting this learning model， students’ homework comple？ tion and final exam scores have significantly improved compared to those in previous years， which fully demonstrates the effectiveness of this learning model in enhancing teaching outcomes. Furthermore， we delve into potential solutions to addressing challenges encountered during the utilization of artificial intelligence tools for assisted learning， aiming to provide valuable insights and guidance for the educational reform of Basic Chemistry at medical colleges and universities.

Keywords： Self-directed learning； Artificial intelligence tool； Basic Chemistry； Construction of teaching imple？ mentation framework； Teaching reform

“基礎化學”是醫學院校各醫藥相關專業必修的一門基礎課程，該課程針對本科一年級學生設置，其主要教學任務為教授學生化學基礎知識，使得學生形成良好的思維模式，為后續相關專業課程的學習打好基礎。然而，由于課時限制和傳統課堂教學模式的局限，在進行“基礎化學”課堂教學時，學生對課程內容存在學習壓力，對課程內容的理解往往停留于表面。對于新生而言，在學習過程中沿用高中時期的學習習慣，機械地接受知識，缺乏自主學習的動力。這些問題導致學習效果受到影響，因此在基礎化學課程中建立自主學習教學實施框架，實現學生自主學習模式的構建，有效提升教學效果顯得尤為重要。

在當前教育教學改革中，學生自主學習模式的建立正逐步成為焦點。該模式以學生為中心，學生獨立進行分析、探索、實踐，并靈活運用多樣化的學習資源，實現對學習過程的主動管理[1-2]。這一模式不僅促進了學生對于課堂知識地深入理解，而且拓展了學生的課外知識視野。自主學習模式還可以巧妙地融入思想政治教育元素，使學生在此過程中，不僅加深了對于知識點的學習，而且在潛移默化中實現“立德樹人”的根本任務，培育了學生終身學習的能力，為學生未來成長，也為國家培育具有創新精神和實踐能力的人才打下了堅實的基礎[3-4]。

在基礎化學課程自主學習模式的創新探索中，已有多位學者進行了有益的嘗試[5-8]。但是在當前科學技術快速發展的背景下，將人工智能技術應用至基礎化學課程自主學習模式構建的創新研究尤為稀缺[9-10]。面對這一挑戰，設計符合基礎化學特色的自主學習教學實施框架并探索應用人工智能工具對現有基礎化學課程的教學實施過程進行全面更新和優化，以實現基礎化學課程自主學習模式的構建。期望通過課程教學制度改革以提高課程整體教學質量，培養學生自主學習能力和創新精神。

1 基礎化學課程自主學習教學實施框架構建

在基礎化學課程中，原子結構章節以其內容的復雜性、知識點的豐富性，成為本課程教學中一塊難啃的“硬骨頭”[11-12]。傳統的課程教學方法多聚焦于課堂內對于重點知識的闡釋，而對于學生進行自主學習模式的課程設計則有缺失。這一教學現狀造成學生學習該章節內容時興趣缺失，學習動力減弱，影響本章節的整體教學效果。因此，本研究以該章節為例，設計并建立自主學習教學實施框架（見圖1），通過應用人工智能工具賦能本章節教學全過程以構建學生自主學習模式，進行具體的教學實施，全面提升本章節教學效果。

2 人工智能技術賦能基礎化學課堂內自主學習模式構建

“基礎化學”課堂內自主學習依靠教師的教學設計進行展開。主要包括教師的課前準備與導學內容及課堂教學。在具體實踐中，課前教師根據學情準備課堂講授知識并布置導學任務，課上教師進行課程講授并積極引導學生進行自主學習。

2.1 課前準備與導學

教師在授課前首先明確本章節教學目標并采用人工智能工具輔助對該章節的教學內容進行準備。例如，可以采用生成式人工智能工具幫助進行雙語教案翻譯，實現雙語授課，人工智能工具可以幫助提供關鍵詞、專業術語的準確翻譯，授課語句相較于普通的翻譯軟件更符合口語表達習慣，使學生更容易理解，提高雙語教學效果。同時，采用人工智能工具對部分經典的多課程媒體資源進行智能化修復及高清化處理，增強多媒體資源吸引力，提升學習效果。

為進一步提升學生的課堂參與度，提高自主學習能力，教師可根據教學內容與學生已有知識基礎安排課前導學任務。本章節中，原子結構的認知歷程是科學發展史上的重要篇章，其過程體現了從直觀感知到理性分析的科學探索過程。通過對這一認知過程的學習，不僅對后續原子結構知識的教學夯實基礎，培養學生科學精神和思政意識[13-14]。然而，傳統教學模式因課時限制而難以充分展現這一科學探索的豐富歷程，導致本章節知識導入較為生硬，學生學習興趣不濃。授課前，教師指導學生分組搜集關于原子結構認知過程的資料并制作雙語幻燈片進行課堂展示。在此過程中，鼓勵學生利用生成式人工智能工具輔助完成雙語內容的制作與校對。在完成該部分知識自主學習的同時，鍛煉學生的英語能力及熟悉相關專業詞匯。學生在此環節中制作幻燈片并根據制作的內容制作思維導圖，系統梳理原子結構認知的演進過程，形成清晰的知識脈絡，有助于加深對知識的理解，有助于提高學生的自主學習能力和批判性思維能力。課堂上，教師將展示優秀作品并進行點評，強調知識重點與制作亮點，促進學生之間的交流和互動，進一步加深學生對該知識點的理解。通過上述教學設計的改革，不僅在相同的學時內實現了更為豐富和深入的教學內容授課，使學生能夠全面了解原子結構認知的歷史背景與現狀，提升教學效果。同時，教學過程中融入了人工智能工具的應用，有效減輕了學生在資料搜集整理、英語翻譯及寫作時的壓力，增強了學生對本章節后續內容的學習興趣。此外，學生在團隊合作與課堂展示的過程中，還能夠提升自身的自主學習能力、團隊協作能力以及思政素養。

2.2 課程講授

在課堂授課環節中，針對自主學習模式的構建需求及教學實施框架的設計，對部分重難點內容采用以精選實例與人工智能工具輔助下學生自主探索相結合的方式開展。在本章節中，多電子原子的核外電子排布作為核心知識板塊對于學生后續元素周期律及相關性質知識的學習起到鋪墊作用，同時有效培養學生的邏輯思維能力。因此，為了使學生能夠更好地理解和掌握多電子原子的核外電子排布的規律，依照提出的自主學習模式構建教學實施框架對這部分內容授課過程進行優化。

教師在課堂上采用精選實例方法系統闡述核外電子排布所遵循的三大基本原則：能量最低原理、泡利不相容原理及洪特規則。通過對比分析鈣與鈧的核外電子排布差異；氫、氦、鋰的核外電子排布區別講解泡利不相容原理；碳、氮、氧的核外電子排布區別分別講解核外電子排布所遵循的三大基本原則。并通過銅的電子排布式為[Ar]3d¹⁰4s¹而不是[Ar]3d⁹4s²講解洪特規則的特例情況，加深學生對這些核心概念的具體認知與重難點的掌握。

學生在課堂上的自主探索環節主要圍繞教師設計的問題進行開展。教師在課堂上提出以下幾個典型問題供學生進行討論解答：某基態的第三電子層上有10個電子，該原子的外層電子構型是什么？一個電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p¹的元素最有可能的價態是什么？If there are 2 electrons in the fourth shell of some electron in ground state， how many elec？ trons does the third shell have？ 學生可以利用人工智能工具及時進行翻譯及名詞解釋輔助理解題干，降低解題時的畏難情緒，同時強化了專業英語名詞的學習。在課堂上進行問題的討論解答有助于激發學生在課堂上的表達欲與分享欲，讓學生主動探索討論知識，提高了學生對于知識點的理解，培養了學生的思考能力。

3 人工智能技術賦能基礎化學課堂外自主學習模式構建

基礎化學課堂外自主學習主要依托建設的學習平臺進行開展。學習平臺內容包括課后習題和課后拓展知識閱讀兩個主要部分。在具體實踐中，鼓勵學生利用人工智能工具輔助完成平臺上所布置的任務，學有余力的學生可以繼續完成平臺上拓展知識的學習。

3.1 課后作業布置

以往課后作業常依賴于教材內課后習題，這些問題側重于對于知識點的直接考查，內容較為單調，導致學生對于完成習題的積極性、主動性不高。因此，教師采用生成式人工智能工具對課后作業進行重新設計。利用工具幫助教師設計情景式問題，構建題目背景，吸引學生解題興趣，設計題目由簡至難，降低學生解題時的畏難情緒，逐步進入解題狀態，鞏固課堂教學知識點。學生在線上平臺完成課后習題，教師可以同步在線上進行答疑并在平臺上完成作業批改，提高批改效率的同時有效降低激發學生的學習興趣和動力，促進學生形成良好的學習習慣。

同時，課后作業作為學生課堂外進行自主學習的重要環節，巧妙的作業設計可以充分發揮學生的主觀能動性。教師可在線上平臺設立研究型學習任務，鼓勵學生根據興趣選擇課堂講授舉例以外的其他族及周期的元素的周期律進行深入探索，觀察并總結同族中元素隨原子序數變化，元素的金屬性、非金屬性、原子半徑變化的規律及同周期中元素隨原子序數變化，電離能、電子親合能及電負性的變化規律。完成思維導圖繪制。學生可以根據課堂上所學案例的分析方法，采用生成式人工智能工具進行輔助搜索相關數據、自主總結歸納所選元素的周期性規律，并通過繪制思維導圖的過程將所學知識進行系統化、網絡化整理，構建個人的知識體系。在此過程中，教師積極推薦學生使用如Merck PTE等手機程序，這些工具憑借其豐富的元素性質數據庫與便捷的信息檢索功能，為學生提供了強大的自主學習支持，幫助他們快速獲取、整合并分析元素相關信息，并與人工智能工具提供的相關數據進行對照，確保知識點的準確性與科學性。

3.2 知識拓展

學生在完成習題練習后可以進行知識拓展閱讀部分。在線平臺上提供章節教學內容相關的參考資料及最新科研文獻，供學生進行閱讀學習，開闊學生的科學視野，培養學生的科研興趣。但是，文獻閱讀部分需要保證時效性，同時部分文獻內容與教師自身研究方向存在差異，僅憑教師自身進行文獻整理與發布導致教師工作量增加，提供的文獻數量較少，無法達到預期目標。因此，教師可以探索采用生成式人工智能工具輔助進行該部分內容更新，教師只需要閱讀相關文獻摘要，確認文獻主題與課程內容相關即可將文獻導入工具中，由工具生成該篇文獻的梗概并對全文加以翻譯，極大減輕教師工作量。同時，鼓勵學生對感興趣的文章進行原文閱讀，在閱讀過程中采用生成式人工智能工具輔助翻譯，降低閱讀難度，提高英語水平，為未來閱讀科研文獻打下基礎。

同時，在章節授課結束時，教師組織學生在教學平臺上完成拓展任務訓練。學生分組后遵循學術論文撰寫規范，共同完成一篇聚焦于稀土元素應用領域的綜述性論文并探討稀土元素在醫藥學方面應用的前景。在此任務中，教師鼓勵學生利用人工智能工具輔助進行資料搜索，論文框架構建等基礎性工作。在論文撰寫中，學生不僅完成了對于稀土元素知識部分的自主學習過程，掌握了知識點，更培養了信息檢索能力及科研論文撰寫能力，為后續課程學習及未來大創項目的轉化打下良好的基礎。

4 教學實施評價與反饋

在基礎化學課程中采用自主學習教學實施框架后，學生的自主學習效果評價與反饋是后續課程教學及教學實施框架調整與優化的關鍵環節。因此教師設計多個考核點全面評估學生自主學習效果，并針對學生掌握不牢固的知識點進行精準補強，持續提升課程授課質量。

4.1 學習效果評價

教師利用在線平臺上批改學生作業，以此掌握學生對知識點的理解情況程度，并針對錯題在課堂上進行細致講解，強化學生對于易錯、易混淆知識點的掌握。教師通過評閱學生課后論文作業，檢查其課外自主學習情況，實現對學生的自主學習全過程有效監控。同時，教師可以根據作業完成情況，在平臺上為學生提供針對性復習資料，進一步鞏固重難點知識的學習。對采用自主學習模式構建的基礎化學課程教學的2023級生物技術專業本科生的形成性考核情況調查發現，學生積極完成線上布置的作業，對研究性任務興趣較高，課后主動與教師探討任務相關問題，且作業完成質量普遍較高，11名學生形成性考試總成績均在90分以上，平均分為94. 2分。相較之下，未采用此教學模式的2022級同專業本科生對于布置的傳統課后習題作業積極性不足，作業中存在題目漏做、少做的現象，14名學生中有3名學生形成性考試總成績在90分以下，平均分為90. 6分。通過深入分析發現，新設計的作業豐富的背景內容有效激發學生探索欲，同時在人工智能工具的輔助下，有效緩解學生學習焦慮，顯著提升了學生課后學習的內在動力與效果。在期末考試中，2023級生物技術專業本科生的卷面成績較好，在85分以上有4人，平均分為78. 9分，主要失分點集中于難度較大的拓展性問題，學生對于基礎知識及進行過的自主學習的知識點掌握牢固。而2022級同專業本科生則無人卷面成績在85分以上，卷面成績不及格2人，平均分為70. 1分，考核結果反映學生對于基礎知識掌握不牢固。考核結果表明，本研究設計的自主學習模式有效提高了學生對基礎化學課程知識的學習動力，有效提升了學生的自主學習能力，強化了重難點知識的內化與遷移，在課后學習與期末考核中均展現出顯著的教學成效。

4.2 學生反饋

學生可通過在線平臺向教師反饋授課中存在的疑點以及相關問題，有助于教師及時調整和改進基礎化學自主學習模式的側重點，進而提高教學效果。教師也可于在線平臺上及時對學生反饋的相關問題進行及時解答，加強師生溝通。期末時，教師通過問卷星針采用不記名方式對2023級生物技術專業本科生展開問卷調查，問題聚焦于學生對于本研究構建的自主教學模式框架中課前導學、課程講授、課后自主學習三個環節的評價及未來進行第二課堂科研探索的意愿調查，全面掌握學生對本課程教學的總體評價。本次調查共收集有效問卷11份。調查結果顯示，90. 9%的學生認為設計的課前導學可以有效幫助課堂學習理解，僅一名學生反饋導學內容偏多，造成學習負擔加重。因此，在后續課程中教師可對任務進行適度精簡。所有學生認為在課堂引入自主探索環節有效增強了課程互動性與參與感。90. 9%的學生認為采用人工智能工具輔助修改完善的課堂教學內容吸引力強，一名學生希望課堂教學拓展內容增加更多生物技術專業相關知識點。所有學生認為教師采用設計的課后作業及知識拓展部分對于自主學習能力的提高具有積極作用。此外，6名學生明確表達了通過本次課程學習產生了進入相關教研室進行第二課堂科研學習的意向。總體而言，學生對于基礎化學課程采用人工智能工具輔助的自主學習模式進行授課滿意程度較高，該教學方式有助于提升學生對課堂的學習興趣及課程教學質量，同時也激發了學生的科研興趣，為未來的科研、工作打下良好的基礎。

5 人工智能技術在自主學習模式構建中存在的問題及對應解決辦法

在基礎化學課程自主學習模式的構建中，生成式人工智能工具的應用展現出了巨大的潛力，能夠為學生提供即時反饋、歸納總結、雙語翻譯等強大的功能。但是這一工具在自主學習模式構建的應用過程中仍然存在若干問題與挑戰需要教師采用合理的教學方法進行解決。

5.1 生成內容準確性與科學性

生成式人工智能技術因技術原因在專業學科領域應用中無法完全保證生成內容的準確性與科學性[15]。由于化學知識的復雜性與嚴謹性，人工智能工具給出的解答中任何細微的偏差都可能導致學生錯誤理解知識點。例如在利用生成式人工智能工具解答原子結構章節的一道習題時：某元素陽離子M2+的3d軌道中有5個電子，寫出M原子的核外電子排布式。部分人工智能工具給出的解答會錯誤地認為M原子的3d軌道在失去電子前應該有7個電子，因此給出錯誤答案為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²。同時這些工具通常還會給出了看似合理的解釋，增強了錯誤答案的迷惑性。但是實際上原子的3d軌道上的電子在能量相近情況下，受到屏蔽作用的影響導致其不容易失去，所以本題的正確答案應為1s22s22p63s23p63d54s2。當學生進行課程預習或對知識點掌握不牢固時，很容易接受人工智能工具提供的解答為正確答案，從而導致知識點理解上的混亂，影響教學效果。因此在課程教學中對學生如何使用人工智能技術進行正確引導十分關鍵。具體而言，在課程實施過程中，教師可以在對應章節授課習題講解部分現場演示利用生成式人工智能工具解答相關習題，并展示工具給出的錯誤答案。并讓學生討論并指出解答過程中的錯誤點并給出正確答案。這一措施不僅可以增強學生對于知識點的理解，同時能夠有效地引導學生認識到人工智能工具的優勢與限制，促使學生在使用這類工具時更加謹慎，并學會如何從多個角度審視問題，培養批判性思維，確保自主學習的質量和深度。

5.2 工具的使用方式

在學生自主學習模式的構建過程中，培養其獨立思考與自主探究的能力尤為重要，這也是促進學生深度學習、形成科學思維體系的關鍵環節。但是學生若過度依賴人工智能工具直接解答相關習題或自動生成課程論文，無疑會淪為“知識的搬運工”，而非“知識的學習者”，嚴重削弱其自主學習、批判性思考及問題解決的能力。因在教學設計中，教師需要合理引導與規范學生對于人工智能工具的使用方式。在具體實施時，教師可以在課堂上提供正確使用人工智能技術的范例。例如，教師可以引導學生利用生成式人工智能工具對課程相關英文化學文獻進行全文翻譯。這種方法不僅有助于學生突破閱讀英文文獻時的畏難心理，有效拓寬學生的學術視野，使學生能夠接觸到更多國際前沿的研究成果與理論進展，從而深化課程知識的學習。而且還能在此過程中加深學生對專業英語詞匯的理解與記憶，提升學生的英文文獻閱讀與寫作能力，為未來的學術研究與交流奠定堅實的基礎。在此過程中，教師同時可以推薦劍橋詞典、DeepL等幾款權威的翻譯軟件，并指導學生評估人工智能工具翻譯質量。通過對比原文與譯文，理解專業術語的精準含義，進一步培養學生批判性思維，精準學習專業相關知識。另一方面，為確保學生利用人工智能工具進行自主學習的真實性與有效性，教師應建立健全的監管體系。在教學實施中，教師可以利用相關工具定期檢查學生的作業與論文的原創性，識別是否存在直接復制粘貼或過度依賴人工智能工具生成內容的行為。同時，設計一系列探究式學習任務與課堂展示與匯報環節，鼓勵學生展示學習成果，促進師生互動與交流，以此檢驗學生在自主學習過程中對知識的理解與應用能力。同時，明確告知學生不當使用人工智能工具的嚴重后果，增強學生的自律意識與學術道德觀念，營造一個健康、積極的自主學習環境。

5.3 課程思政內容

人工智能工具提供的課程輔導核心功能在于對學生的提問給予即時且精確的反饋。雖然此類“即問即答”模式有效提升了自主學習效率和針對性，但也可能削弱授課時課程思政的教育的深度。尤其對于醫學院校的基礎化學課程而言，思政教育不僅僅聚焦于培養學生對于科學真理的探究與對探索前沿科技的興趣，更重點培養學生的家國情懷，并深刻理解作為醫務工作者所肩負的救死扶傷、甘于奉獻、大愛無疆的崇高使命[16]。因此，為了實現上述思政教育目標，彌補人工智能工具在思政教育方面的不足，教師需要采取一系列創新性的教學策略。例如設計并實施小組討論和案例分析的課堂活動，有效地將人工智能工具的優勢與思政教育相互結合，在強化學生自主學習能力的同時提高思政教育的效果。例如在溶膠章節的教學過程中設置“免疫膠體金技術在生物醫學領域的實際應用”為小組討論議題，不僅可以引導學生自主探索溶膠的醫學應用前沿，增強對科技進步的理解，還能激發學生思考該技術背后的社會意義及對醫療行業變革的深遠影響，自然融入醫者精神的培養。通過這種綜合性的教學策略的運用，可以在充分發揮了人工智能工具在提高學習效率方面的優勢的同時又通過豐富的課堂活動強化思政教育，為學生的全面發展及未來成為具有高尚醫德的專業醫學人才奠定了堅實的基礎。

6 結語

人工智能技術輔助學生進行自主學習是未來教學改革的一大趨勢。在此背景下，面對醫學院校的基礎化學課程理論性強，授課內容多，課時數較少的特點，通過建設具有特色的自主學習模式下的課程實施框架，合理融合人工智能工具于課程教學環節中，不僅能夠促進學生知識學習的效率與知識掌握廣度，而且提高了學生的自主學習能力，進而優化總體教學效果。但是人工智能工具在教育教學領域的應用仍處于起步階段，具體應用中存在許多關鍵性問題與挑戰。希望在未來的教學實踐中，通過持續實踐探索，不斷深化人工智能工具在課程教學中的全面應用，構建一個更加成熟、完善且高效的基礎化學課程自主學習體系，為學生的終身學習與發展奠定堅實基礎。

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（編輯：楊雪瑩 趙伊昕）