基于人工智能的一节化学探究实验课———人工智能保障未来汽车中气体环境安全

◇ 北京 晁小雨 贺 新

1 人工智能的迅速发展为中学化学教育带来的新挑战

人工智能的迅速发展将深刻改变人类社会和世界的面貌,为了抓住人工智能发展的战略机遇,2017年7月国务院颁布了《新一代人工智能发展规划的通知》.通知中明确指出,人工智能将成为国际竞争的新焦点,并要求中小学阶段设置人工智能课程,完善针对中学生的人工智能科普.人工智能是引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力,正深刻改变着人们的生产、生活、学习方式,推动人类社会迎来人机协同、跨界融合、共创分享的智能时代.把握全球人工智能发展态势,找准突破口和主攻方向,培养大批具有创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”规划纲要确定了“人才优先发展战略”,教育培养的是未来人才,应该与时俱进.教育一方面要让学生为未来做好准备,另一方面也要为国家培养人才.

2018 年4 月教育部印发的《高等学校人工智能创新行动计划》中提到高校将于2020年建成100 个“人工智能＋X”复合特色专业：重视人工智能与基础学科专业教育的交叉融合.因此探索中学阶段如何落实“人工智能＋化学”交叉融合的创新人才培养,成为当前时代背景下化学教学的新挑战.

2 汽车作为学习载体体现学科育人价值

人工智能技术对人类及社会发展意义重大,甚至有人认为人工智能所带来的社会进步和改变称得上是“第四次工业革命”.以汽车作为人工智能学习的载体,将抽象的人工智能算法问题具象化.汽车中使用人工智能可以帮助汽车实现自动驾驶,同时也让汽车出行变得更加安全和有序,通过人工智能的大数据分析,汽车可以更好地应对不能预知的意外状况,自动采取措施保障安全.人工智能技术可以让汽车安全性提高很多,诸如驾驶员疲劳识别、脉搏识别,可以检测驾驶员的健康状态,并且可以在情况不严重的时候给出警告提示,在情况危急的时候采取强制性的措施来制止危险驾驶行为.

汽车本身是学生熟悉的生活中的素材,学生可以较为容易地从熟悉的素材中寻找和提出有探究价值的问题;了解汽车的研发历史可以使学生深刻认识化学对创造更多物质财富和精神财富、满足人民日益增长的美好生活需要的重大贡献.

《普通高中化学课程标准(2017年版)》(以下简称“课程标准”)中指出：化学教育应立足于学生适应现代生活和未来发展的需要,倡导真实问题情境的创设,开展以化学实验为主的探究活动,激发学生学习化学的兴趣,培养学生的创新精神和实践能力;结合人类探索物质及其变化的历史与化学学科发展的趋势,结合学生已有的经验和将要经历的社会生活实际,引导学生关注人类面临的与化学有关的社会问题,培养学生的责任感、参与意识和决策能力.汽车的发展历史伴随着化学物质研究的发展历史,人工智能在汽车上的应用是未来汽车的发展趋势,也是学生未来将面临的真实情境,在实验室中模拟汽车中的真实情况,建立相关模型,让学生体验人工智能在汽车智能系统中的应用,可以帮助学生更好地解决未来汽车上可能遇到的问题,并锻炼初步的科学研究能力.

3 教学内容分析

本节课以未来汽车为载体,聚焦未来汽车中使用的人工智能控制系统,围绕化学如何支持人工智能系统安全性的问题进行研究.当我们使用人工智能时,会发现有更多隐藏的安全问题,比如车内的气体环境监控和温度的调节等,都需要大量数据作为保障,需要传感器进行时时监测.这节课的重点就落在如何通过人工智能系统保障未来汽车的气体环境安全.

课程内容包含了中学常见气体物质的性质分析和总结、密闭系统物质变化的分析等内容.对学生的能力要求较高,可以安排在高中化学的起始阶段,作为引入课、活动课或者实验探究课;更适合用来做氧化还原反应(必修模块)或者电离平衡(选择性必修模块1)内容的引入课.学生在本节课前应当已经具备了认识身边一些常见物质的组成、性质及其在社会生产和生活中应用的能力,以及能用简单的化学语言描述化学变化和物质变化的能力.

“课程标准”中将高中必修化学知识划分为5个基本主题,本课程内容主要涉及的是“主题1：化学科学与实验探究”,同时该课内容可以作为“主题2：常见的无机物及其应用”中“氧化还原反应”内容的引入课,帮助学生在真实情境中更好地观察到同一种元素在不同物质中可以呈现不同的价态,这种价态的相互转化可通过电子的转移实现.该课程内容还涉及“课程标准”中的选择性必修课程“模块1化学反应原理”中“主题3：水溶液中的离子反应与平衡”的相关知识.

4 学情分析

该课程内容对学生知识和能力水平的要求都很高,学生在参与课程之前需要充分掌握空气中的气体成分、含量以及各种气体成分的物理、化学性质.还需要学生有定量的意识,要意识到气体浓度的变化也会对物质的性质和反应的现象产生一定的影响.对学生分析和处理复杂问题的能力也有一定的要求.

汽车内虽然是学生较为熟悉的环境,但是由于气体看不见、摸不着,学生很难在日常生活过程中注意到密闭空间中不同气体浓度的变化.虽然近几年人工智能发展的势头非常迅猛,但是中学生接触得较少,人工智能进课堂仍处于调研阶段.而本课程的学习过程中,学生不仅要理解人工智能的基本原理,还要用学过的化学知识与人工智能相结合,解决实际生活中遇到的问题.

5 教学与评价目标

5.1 教学目标

1)认识人工智能在未来汽车中所起的控制作用,明确汽车中的反应及其性质.

2)通过对汽车中涉及的化学反应的分析,了解模型在化学学科中的运用,加强对化学现象与模型之间联系的认识,学会运用多种模型来描述和解释化学现象,锻炼预测物质及其变化的可能结果的能力.

3)通过分析汽车内环境中的气体成分和浓度的变化,认识科学研究是进行科学解释和发现、创造并进行应用的科学实践活动;理解从问题和假设出发确定研究目的、依据研究目的设计方案、基于证据进行分析和推理等对于科学探究的重要性.

4)通过对空气中二氧化碳浓度检测方案的设计和讨论,体会定量研究对化学科学的重要作用;了解科学探究过程包括提出问题和假设、设计方案、获取证据、分析解释或建构模型、形成结论及交流评价等核心要素;培养依据实验目的和假设,设计解决问题的实验方案的能力,并能对实验方案进行评价.

5)通过使用pH 计,检测二氧化碳对蒸馏水的pH 的影响,运用实验基本操作实验方案,能观察并如实记录实验现象和数据,进行分析和推理,得出合理的结论.通过合作交流,对实验过程和结果进行反思,说明假设、证据和结论之间的关系,用恰当形式表达和展示实验成果.

5.2 评价目标

1)通过对未来汽车中可能遇到的安全问题的分析,发展学生在复杂问题情境中提出有价值的实验探究课题的应用水平.

2)通过对二氧化碳溶于水发生的化学反应和碳酸电离过程的分析认识离子反应的本质,诊断并发展学生综合分析和解决实际问题的能力.

3)通过二氧化碳水溶液的pH 的检测实验方案设计和操作过程,培养依据化学问题解决的需要,选择常见的实验仪器、装置和试剂,完成简单的物质检验实验的能力.诊断并发展学生对化学实验常用仪器的使用方法,以及依据操作说明使用精密仪器进行重要化学实验的基本操作的应用水平.

如表1所示.

表1

7.1 基于真实情境的常规化化学教学设计

本节课的设计亮点之一是在真实化学情境下进行教学活动.随着人们生活水平不断提高,对汽车也提出了更高的要求.人们希望汽车越来越高速,越来越舒适,同时还要兼顾节能、环保,并能时时刻刻保护驾乘车人员的安全.

本课选题聚焦在汽车的安全性问题上.设计本课程的初衷是希望学生站在工程师的角度,设计汽车的气体监控系统,保障行驶中汽车的气体环境安全.要求学生在思考这个问题的时候,不仅要依赖现有的知识和已经具备的实验探究技能,还要能对设计的实验方案中与安全有关的各种因素进行综合分析、判断和决策.

越来越多的事实表明,化学在极大程度上推动了现代社会的文明和进步,对人类解决当今面临的能源危机、环境危机、资源危机和粮食危机等一系列重大挑战提供了可能的途径.教育体制改革的根本目的是提高民族素质,培养出大量的新时代所需要的人才.这种人才应该具有独立思考的能力和勇于创造的科学精神.培养这样的人才,就提示中学教师必须进行教育思想、教学方法的转变和更新.

在真实情境下的教学,使学生将对汽车的需求转化为科学研究的目标,运用所学知识解决科学难题,激发学生的学习积极性,在课程过程中感知化学在生产生活中的重要应用价值,弘扬化学的科学价值和社会价值,激发学生关注生活、关心社会的情感.

7.2 问题线索引导式教学为学生思维发展服务

本节课设计了一连串的问题串联整堂课,问题设计环环相扣、层层深入,问题难度逐级提升,让学生始终保持新鲜感和学习的积极性.从某种意义上说,教学就是不断地提出问题、解决问题和发现新问题的过程.在本节课的教学过程中,教师通过示范、引导学生自主提出问题.通过独立思考、动手实践和合作交流讨论的活动不断生成新的问题.

例如,在独立思考行驶中的汽车发生的全部化学反应时主动想到：“是不是所有的反应都会影响汽车内部? 进而引起车内气体环境的变化?”在动手实践操作pH 计测量溶液中酸碱性的变化时,主动思考：“二氧化碳的浓度与pH 之间为什么呈现的不是一次方程的线性关系?”为后面讲解弱电解质的电离平衡打下基础.

在一个又一个问题的解决过程中,学生主动进行思考与实践,从而提高创新意识和创新能力.以问题为中心组织课堂教学符合认知心理学的规律和高中学生的学习特点,有利于改善教与学的方式,使学生主动地学习.

7.3 着眼于未来的人工智能教学尝试

在设计这堂课的过程中最难把握的就是人工智能—汽车—化学三者之间的关系.化学是人类对于过去接触过的物质、现象和原理的总结;汽车是现代工业技术的结晶,也是人类不可或缺的代步工具,它的舒适性和安全性已经得到了较为充分的改善;人工智能着眼于未来,是解放人类的一种新工业形式.三者的结合对课程设计者来说是一种新的挑战,如果能将理论性极强的化学知识应用于真实的情境、未来的设计中,可以促使学生更深刻地理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系,感悟化学的价值,赞赏化学对社会发展的重大贡献.

这个选题需要任课教师额外花费很多时间学习并不熟悉的人工智能领域的相关知识.初步了解发现人工智能在化学前沿的研究中起到的非常重要的作用.计算化学是理论化学的分支,也常指计算机科学与化学的交叉学科.人工智能在化学领域的应用数量正在以惊人的速度增长.尤其是人工智能的分支——机器学习,其核心是用计算机算法模拟人类的学习行为,这种行为的模仿过程与研究人员的培养过程十分相似,都是随着训练而提高的,也就是说机器学习的过程也很像学生学习知识的过程.

这样的教学活动,很好地拓展了教师的知识面,使教师保持终身学习的习惯,动态地看待化学原理在现代生产生活中的作用,也帮助学生体会到化学的广泛应用和在生产生活中的重要价值.

人工智能使科学研究的准确性提高,研究的效率得以飞速进步.有了人工智能的帮助,能大概率地锁定更有优势的研究方向,减少前沿研究所耗费的试错时间.因此对于中学生的教育来说,最重要的是普及人工智能的能力和思维方式,让学生了解人工智能在科学研究中的重要作用.

其次,对于现在广泛使用的机器学习方法,由于其学习反馈和建模思路,与学生学习的过程非常相似,因此以目标需求带动的课堂学习方法,某种程度上就是在模仿人工智能的学习方法.让学生在学习过程中以科学家或设计者的思路来思考问题,将人工智能的思想引入课堂,对学生的未来学习和研究有非常大的帮助.