人工智能赋能中学化学教学的探索

黄郁郁 王后雄

摘      要

随着中学化学教学的不断发展，人工智能赋能教学逐渐成为了一种新的教学手段。人工智能为中学化学教学个性化资源分享、多维化评价增值、特色化实验创新提供了技术支撑。在“双减”背景下，结合案例从“AI助手”“智慧评价”“特色实验”三个方面探讨了人工智能在中学化学教学中的创新与实践，总结了其优势，并在数据资源、隐私保护等方面提出了局限性，以期为一线教育工作者提供借鉴和参考。

关 键 词

人工智能;中学化学;深度学习

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黄郁郁，王后雄.人工智能赋能中学化学教学的探索[J].教学与管理，2024（19）：53-55.

2018年4月，教育部出台《教育信息化2.0行动计划》，提出“大力推进智能教育，推动人工智能在教学、管理等方面的全流程应用，探索泛在、灵活、智能的教育教学新环境建设与应用模式”。人工智能技术作为新技术革命的重要驱动力，在国家的大力支持下开始注入教育领域，同时也为中学化学教学的改革和创新赋能。随着科技不断进步，人工智能赋能中学教学已成为实现深度学习、培养学生高阶思维的重要途径[1]。

一、人工智能赋能中学化学教学的优势

人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是一种模拟人类智能的技术和科学，它是利用计算机等工具和技术实现“智能化”的一种手段。人工智能在“沿着以计算机为核心，到以互联网为核心，再到以数据为核心的发展脉络”中，推动教与学发生了很多变化[2]。作为引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力，人工智能催生了大批新产品、新技术、新业态和新模式，也为教育现代化带来更多可能性。“人工智能+教育”不断碰撞出新的教学场景，为教育变革创新注入强劲新动能，“人工智能+教育”即将成为教育发展主流，满足学生个性化、动态化的学习需求[3]。教、练、辅、考、评、管各环节增加人工智能辅助，让教师教得更好;虚实融合多场景教学、协同育人，让学生学得更好。

人工智能赋能中学化学教学，可以有效解决传统化学教学中存在的问题。人工智能技术通过分析学生的学习情况，为每个学生量身定制学习计划与资源，提高学习的针对性和有效性;通过虚拟实验平台等方式，为学生提供更加真实的学习资源，激发学生的内驱力和求知欲;通过语音识别、自然语言处理等技术，与学生进行智能化的对话和互动，提高学生的学习兴趣和参与度;通过分析学生的学习数据和行为，自适应地调整教学策略和教学内容;通过自动化的方式，对学生的学习情况进行精准化评估和反馈，帮助学生及时发现和纠正错误;通过互联网和云计算技术，实现教学资源的共享和协作，让更多学生受益于优质的教育资源等。借助人工智能提升课内教学效率，推动学生减负转型之机，许多学校引入“AI助手”“智慧评价”“特色实验”等人工智能手段赋能化学教学，助力中学化学教师开展一系列面向未来的中学化学教学实践与探索。

二、人工智能赋能中学化学教学的策略

1.借助AI助手，赋能化学教学

随着人工智能的发展，AI助手将成为撬动课堂教学变革的阿基米德点，如AI助手承担的新角色、人机协同的双师课堂、机器人赋能未来教学的创新与变革[4]。AI助手成为课堂教学的新要素，使传统课堂教学的“人—人”双边关系走向了“人—机—人”多边关系。

在教学过程中，人工智能根据学生个体差异导致的不同需求，为学生提供更加个性化的教学服务。AI助手根据学生的学习数据，分析学生的学习习惯和偏好，对学生的分析能力、综合能力和评价能力进行测量与诊断，发现学生个体的优势与短板，开展个性化、差异化教学和反馈。建立AI作业资源库，根据学生的特征和需求，推荐适合的学习资源，助推学生个性化发展[5]。例如，对后进生推送基础巩固和兴趣拓展类的化学作业，对学优生推送探究性、综合性、实践性的化学作业，在分层教学中使所有学生都获得最大发展。在线检测系统建立学生电子成长档案袋，动态监测学生学习情况，帮助教师诊断预测和学生自我评价，从而发现并解决问题。

AI助手不仅可以替代教师完成繁琐的常规程序性的工作任务，缓解教师重复性的高强度工作负荷，还可以获取学生的行为数据，通过对数据的处理准确把握学生的个体特征，根据学生的学习情况和教师的教学需求自动设计和优化课程内容和教学方式。例如，“学习化学方程式的配平”时，部分学生对配平方法没有完全掌握，AI助手可以对部分学生一对一个性化讲解，并推送相关练习题加以巩固。对于部分学生“化合价口诀”背诵不熟练，可以借助AI助手检查学生背诵或默写情况。

2.探索智慧评价，助力课堂增效

随着人工智能赋能中学化学教学，教学评价也逐渐科学化和智慧化，不仅促进了教学质量的提升，还减轻了学生的学业负担。人工智能赋能中学化学教学评价，为评价诊断带来全新的视角与技术支撑。

在传统的教师口头评价、作业等级评价等定性评价的基础上，人工智能的赋能开创了实施多维评价的新局面。教师基于人工智能探索智慧评价，及时调整教学内容，转变教学模式，优化学习范式，提升教学效果。基于人工智能的“教学评”一体化实现了评价的过程性、及时性、互动性和生成性，教师依据评价结果及时深入学生、调整教学、查漏补缺，实现评价的增值。例如教学“酸碱中和反应”时，教师在平台在线发布检测题，学生作答提交。系统实时统计学生“当堂检测”成绩分档数据，教师根据系统的各项数据实时了解学生对知识的掌握程度。若某题大多数学生均未掌握，教师课堂上针对该题及相应知识点进行集中讲解并进行变式巩固;若某题只有个别学生做错，教师则在课后单独辅导，重点突破。人工智能检测、系统智能阅卷、学情智能分析、教学智能评价……构建彰显化学学科特色的多层次、多维度、综合性、动态的评价体系，促进学生化学学科核心素养的发展。

人工智能还可以为中学化学教学提供更加便捷和高效的教学管理方式。人工智能可以对学生的课堂表现、作业、考试成绩等数据进行分析，为学生学业水平精确画像，为分层教学提供更客观、更科学、更准确的依据。教师通过传感器设备采集学生在学习过程中的行为数据，如学习时间、学习环境等，根据智慧评价系统中学生的面部表情、抬头时长等数据信息以及系统生成的评价意见，更好地了解学生的学习情况，从而结合学生学习特点和认知水平量身定制教学内容和方法，以达到最佳教学效果。同时，智能评价还可以对学生的知识掌握程度和学习进度进行数据统计、诊断分析和预测反馈，及时发现学生的学习问题和困难，以提供帮助和支持。

人工智能通过多种方式实现化学课堂评价，提高评价的准确性、及时性和客观性，从而更好地促进学生的化学学习。人工智能支持下的化学课堂评价可以提高课堂评价的科学性、客观性和针对性，突出评价过程的差异化、个性化和全面化，创新课堂评价方式。

3.开展特色实验，降低认知负荷

化学是一门以实验为基础的科学，化学实验是化学学习中重要的环节。人工智能在化学信息学、化学计算和化学实验等方面助力，完美实现了教师教学方式和学生学习范式的转型升级。其中，化学信息学可以帮助师生更快速地获取和处理大量的化学信息，化学计算可以帮助师生更准确地预测和分析化学反应，化学实验则将人工智能应用于实验操作中，以提高实验效率和分析精度。

人工智能赋能中学化学实验教学，学生用化学实验和人工智能合力探究物质及其变化，形成了特色化学实验探究的一般思路和方法。通过对实验过程进行追踪和分析，可以识别实验中的关键环节，并实时反馈给师生，以帮助其更好地进行实验操作。通过对实验数据进行分析和处理，可以预测出不同实验条件下的反应结果，从而帮助师生更好地分析实验结果。在人工智能辅助下，虚拟实验辅助学生从宏观和微观相结合的角度认识化学变化的本质，加深对化学学科的认识与理解，降低认知负荷。人工智能还能帮助学生提升化学实验动手能力，降低化学实验成本与危险性，为传统化学实验提供有效补充。

VR实验可以提供逼真的环境，模拟危险环境，如高温、高压、危险材料等，使学生在安全的环境下进行实验。例如，学习“二氧化碳的性质”时，由于火灾的真实情境具有一定危险性，学生用VR实验模拟用二氧化碳灭火的过程，激活学生已有生活经验，使学生身临其境地体验用化学知识解决实际问题的过程，感受化学的学科魅力与现实价值，以促进其科学思维、科学态度和科学能力的发展。

3D虚拟实验可以减少实验时间和成本，不需要清洗实验器具，能够提高实验效率;可以避免实验中的危险因素，减少实验操作中的安全隐患，保障师生的安全;可以让学生自由探索和交互，通过对实验场景的自由操作提高学生的学习兴趣和参与度;可以多次操作，有助于加深学生对实验原理和实验操作的理解和掌握;无需使用实验材料和设备，有助于节约资源，保护环境。此外，3D虚拟实验还具有操作简便、安全性高、交互性强、可重复性强、环保节能等优点，有利于提高实验效率和质量，促进学生的学习和实践能力的发展。例如，学习“碳的化学性质”时，由于反应条件等因素限制，课堂无法完成的学生实验可以借助3D虚拟技术进行补充，模拟木炭还原氧化铜实验。学生根据实验目的“探究碳的还原性”，设计实验方案，商讨实验步骤，选择仪器并组装、操作实验、记录现象……基于现象进行推理，在与同学的交流与评价中形成自主、合作、探究的能力。

基于沉浸感、交互性、构想性等特点的虚拟现实技术将有助于学生的实践能力以及学习兴趣的提升[6]。数字化实验运用实时数据采集和智能分析，实现了人工智能与中学化学教学的有机融合。数字化实验可以精确记录每个步骤和结果，避免了实验误差和数据丢失，提高了实验的可重复性和精度;可以将数据存储在计算机中，方便进行数据分析和可视化展示;可以通过模拟不同实验条件，帮助师生进行实验设计和优化，节约时间和成本。例如，学习“复分解反应”时，通过数字化实验，学生在教师的引导下基于证据进行推理，掌握化学反应的微观实质，建立“宏观—微观—符号—曲线”多重表征的认知方式，对学生思维能力、探究能力、建模能力、核心素养的提升有着很大的推动作用。

三、人工智能赋能中学化学教学的反思

人工智能具有前沿的技术、鲜明的特征和巨大的魅力。人工智能技术赋能中学化学教学具有重要意义，为中学化学教学带来更加智能化、个性化、生动化和高效化的突破，有着广泛的应用前景。化学作为一门基础科学，受益于人工智能技术的发展与应用，不仅丰富了化学教学的内容和形式，也减轻了学生的学业负担，提升其学习化学的效率。人工智能技术在中学化学教学中将会成为一种新的手段，为中学化学教育的发展带来新的机遇和挑战。

不过，人工智能赋能中学化学教学的局限性也是不可忽视的。人工智能技术的应用需要庞大的数据集和强大的计算能力，而这些资源在许多学校和教育机构中并不容易获得。由于人工智能技术的应用通常是基于历史数据的模型训练，因此在面对新的、未知的情况时，其应用效果可能会受到限制。在涉及情感、价值观等主观因素的化学教学领域中，人工智能技术的应用也有一定的局限性，需要更多的师生参与和判断。人工智能技术的应用也可能引发一些伦理问题，如隐私保护、算法歧视等，需要引起足够重视。

人工智能技术在中学化学教学中的应用需要不断地进行技术研发和创新，以提高技术成熟度和应用效果。随着人工智能的发展，化学教育也将不断地与人工智能有机融合，为学生提供更加优质的化学教育。

参考文献

[1] 崔向平，赵龙，卢彩晨，等.人工智能整合教学研究的热点、主题与趋势分析——基于图谱分析和技术整合的视角[J].现代教育技术，2022，32（08）：83-91.

[2] 赵健.技术时代的教师负担：理解教育数字化转型的一个新视角[J].教育研究，2021，42（11）：151-159.

[3] 陈志雄.人机协同语文写作教学在中职学校的应用研究[J].新疆职业大学学报，2021，29（02）：16-21.

[4] 王绪强，胡凡刚.AI教师赋能课堂教学的限度与超越[J].电化教育研究，2022，43（08）：29-35.

[5] 庞茗月，胡凡刚.从赋能教育向尊崇成长转变：教育大数据的伦理省思[J].电化教育研究，2019，40（07）：30-36+45.

[6] 李中强.虚拟现实技术支持下高中化学实验教学的开展[J].教学与管理，2018（31）：61-63.

【责任编辑    郭振玲】

*该文为华中师范大学2024年“教师教育名师工作室主持人暨重点项目培育”（CCNUTE2024-2）、2019年度教育部课程与教学哲学社会科学研究后期资助一般项目“高考改革的挑战——高中教育特色化发展的路径与策略研究”（19JHQ085）的研究成果