生成式人工智能赋能初中化学教学的创新探索

摘要： 人工智能赋能教育是当前教育改革与创新发展的重要议题。文章探讨了生成式人工智能在初中化学教学中的应用策略，并以初中化学“二氧化碳的性质及二氧化碳对生活和环境的影响”教学内容为例，借助“讯飞星火认知大模型”开展了教学案例设计，以期为生成式人工智能的教学示范应用提供借鉴和参考。

关键词：生成式人工智能；化学教学；高效互动课堂；创新设计；数字化教学

教育部于2024年3月启动人工智能赋能教育行动，推出四项具体行动，其中一项为实施教育系统人工智能大模型应用示范行动，推动大模型从课堂走向应用^[1]。作为新质生产力的代表，生成式人工智能以其丰富的语料库和强大的交互理解与对话能力，为教学革新带来了巨大机遇。初中化学是基础教育阶段开展科学教育的重要载体，在培养学生的科学素养、实验技能、逻辑思维以及解决问题的能力等方面发挥着重要作用。然而，当前初中化学教学面临教师备课任务重、学生探究不足、学生思考深度不够等现实问题，直接影响了化学教学质量。生成式人工智能为解决上述问题提供了可能，有望打造更高品质的互动型课堂。

一、生成式人工智能赋能初中化学教学的基本策略

在生成式人工智能的加持下，中小学课堂教学模式和学习方式正在从传统的“师—生”二元结构转变为“师—机—生”三元结构^[2]。机器智能作为一种新角色加入教学生态，进一步增加了教学互动的形式、广度和深度，为教学形态变革提供了更多可能性。生成式人工智能与化学教学深度融合的基本策略如下。

（一）内容生成帮助教师高效备课

教师可以利用讯飞星火、文心一言、豆包等生成式人工智能产品，高效检索教学资源、自动生成教案、智能批阅作业，进而帮助自己从烦琐、机械、重复的工作中抽身，将时间与精力投入更有价值的课程设计与学生辅导中。教师也可以将生成式人工智能当作学科专家，对自主设计的化学教案进行多维度分析评价，使自己更好地把握教学重难点，设计更有针对性的学习活动和靶向作业。此外，生成式人工智能在化学学科资源生产方面也具有独特优势，特别是随着Sora等产品的推出，各种教学短视频、动画以及3D模型等资源也可以根据教师需求自动生成，为教师提供了更强的资源定制化服务。

（二）生机对话助力学生高效探究

生成式人工智能可以驱动学生个性化探究，让学生成为积极的探索者和创造者^[3]。课前，学生梳理自学问题，利用生成式人工智能进行自主探究，尝试解答问题。课中，教师有针对性地组织课堂讨论，引导学生与生成式人工智能开展合作探究、质疑批判等，帮助学生整合知识点，澄清概念误解，加深知识理解，扩展知识边界。在追踪前沿化学知识方面，生成式人工智能可以提供全球化学领域的最新成果，引导学生勇攀科学高峰。针对知识的复杂逻辑关系，生成式人工智能可以以结构化概述或思维导图的方式展现知识脉络，帮助学生更加直观地洞悉知识内在逻辑，培养学生的化学科学思维。在助力化学实验教学方面，生成式人工智能可以通过多轮问答，对学生的实验设计与操作过程进行评价，引导学生规范化开展实验，深入探究科学原理。此外，学生还可以利用生成式人工智能辅助设计拓展性实验方案，辅助分析实验现象进而探究实验问题。

（三）角色扮演引导学生多元辩证思考

借助生成式人工智能具有的智能交互、持续对话等功能优势，教师可以帮助学生开展素养导向下的个性化探究与思辨学习。在初中化学教学中，教师可以通过三种典型的角色扮演方式引导学生深入体验与深度思考。一是化学元素角色扮演：学生和生成式人工智能扮演不同的化学元素进行互动，从而有效地帮助他们理解元素间的相互作用及化学反应过程。二是科学家角色扮演：生成式人工智能可以化身历史中杰出的化学家，并通过对话引导学生了解这些科学家的研究历程和重大成就。三是辩论角色扮演：教师可将学生和生成式人工智能分成正反两方就辩题展开探讨，如“化学肥料的使用是否利大于弊”，引导学生从多个角度审视问题，发展学生的批判性思维以及对化学学科的辩证认识。

二、生成式人工智能赋能初中化学教学的案例设计

本文以人教版九年级上册第六单元课题3 “二氧化碳和一氧化碳”一课中第一课时“二氧化碳的性质及二氧化碳对生活和环境的影响”为例，借助“讯飞星火认知大模型”，展示生成式人工智能技术在初中化学教学中的创新应用。

本课是在学习完二氧化碳的实验室制法后对二氧化碳的物理性质和化学性质进行探究，学生要根据性质推断二氧化碳的用途，讨论二氧化碳对生活和环境的影响。学生在前期已通过实验的方式完成了对氧气性质的探究，初步了解了由实验现象推断物质性质的方法。本课中对二氧化碳性质的探究同样使用实验的方式开展，以提升学生的观察能力、推断能力、概括能力和思辨能力，鼓励学生运用科学思维解决实际问题。本课的教学设计如图1所示。

（一）课前准备

1. 教师活动

大模型辅助教师在课前进行教学设计，主要包括确定教学目标、设计教学流程、明确教学重难点、选取适合的教学方法。教师完成教材中实验6-3、6-4和6-5的演示实验，并将实验视频上传至学习平台，供学生课前自学时观看。同时，教师向学生发放自学任务单，细化自学内容，明确自学方向。课前自学任务单主要设计了四个活动：活动一，阅读教材，记录阅读后收获和疑问；活动二，观看演示实验视频；活动三，记录演示实验的实验现象，推测实验结论；活动四，借助大模型查阅二氧化碳对人类生活的作用及影响。教师可以通过查看学生自学任务单的完成情况，初步判断学生在哪些知识点的学习上存在偏差或困难。

2. 学生活动

学生在课前完成自学任务单中的各项活动内容，认真填写课前自学任务单。首先通过预习教材内容、观看教师的实验演示视频，完成自学内容。由于每个学生的自学能力和思维活跃度不同，在自学过程中产生的疑问也不同，生成式人工智能可以为学生提供个性化答疑。在学习本节课的过程中，学生向生成式人工智能提出的部分问题如图2所示。从学生的提问中不难发现，“空气”“混合物” “相对分子质量”这些知识是学生已学的内容，他们通过新课的预习再次复习巩固，而“醋酸的性质”“酸雨”属于未学的知识，学生将分别在九年级下册、高中化学必修第二册进行学习。这时，学生通过提问生成式人工智能初步了解了未学知识，并完成了现有认知与将来学习知识的连接。关注实际生活和生产的学生对于碳酸饮料产生了浓厚的兴趣，在向生成式人工智能的提问中，他们会获得更多有趣且实用的知识。

知识的有效学习如同织一张结实的渔网，每个知识点就像渔网上的结，每个结都不是孤立存在的，它只有与更多的结联系在一起才能捕到鱼。而生成式人工智能犹如织网的网梭，帮助学生将已学知识、现学知识和未学知识通过知识线索有效联系在一起，织出一张结实的“知识网”。

（二）课堂教学

1. 人机互动：探究二氧化碳的性质

在中学化学教学改革过程中，从培养学生的学习兴趣、激发学生求知欲望，到提高学生的探究能力和科学思维，以及注重科学态度和创新意识的形成，学科的教学目标在逐渐进阶，教师的主导地位和学生的主体地位也在不断调整优化，但课堂上通常只有教师和学生两个“角色”，生成式人工智能作为第三个角色走进课堂，成为教师的助手、学生的伙伴，为学生开展科学探究搭建脚手架。

课堂上，学生的探究活动以小组形式开展，5～7人为一个小组，借助生成式人工智能一起探讨学习过程中的疑惑。例如，有小组在讨论实验6-5时发现，喷稀醋酸的紫色石蕊纸花变成红色，烘干后仍为红色，而喷水后的纸花放入二氧化碳中，纸花变为红色，但烘干后又变回紫色。学生思考后提问生成式人工智能：“醋酸和碳酸有什么异同？”“醋酸和碳酸的分解温度各是多少度？”“如果在纸花上喷上硫酸，烘干后颜色会变回紫色吗？”还有的小组提出疑问：“为什么二氧化碳与澄清的石灰水反应后，石灰水只是变浑浊，而不是生成白色沉淀？”对于学生提出的问题，生成式人工智能能够及时解答，学生基于解答进行组内探讨和师生探讨，或进一步开展实验验证。生成式人工智能与学生亦师亦友，提升了学生课堂问题解答率和互动参与率，同时陪伴学生在问题探索中获取知识，在实验验证中提升科学思维。生成式人工智能进入课堂提高了学生的学习效率，拓宽了知识视野，也为学生个性化学习提供了可能。

2. 人机辩论：二氧化碳存在利大于弊还是弊大于利

知识学习的最终目的是应用。这要求学生不仅能学会知识，也能将学到的知识应用于实际生活和生产中。思辨能力是学生运用学过的知识和自身的经验进行分析与判断的能力，会帮助学生建立从“学会”到“应用”的桥梁。知识和经验是思辨的素材，思辨可以增强知识学习的深度和广度，所以课堂教学中教师应注重学生思辨能力的培养。在本节课的自学任务单中，教师设置了“活动四：借助生成式人工智能查阅二氧化碳对人类生活的作用及影响”，引导学生初步了解二氧化碳在生活和生产中的广泛用途，并明晰其对环境的影响。在课堂上教师设计人机辩论赛，辩题为“二氧化碳的存在，利大于弊还是弊大于利”，正方为全班学生，反方为生成式人工智能。教师引导学生根据所学二氧化碳的性质更深入地理解二氧化碳存在的利与弊，同时请生成式人工智能提供有效的策略和建议，以减轻和消除二氧化碳排放带来的负面影响，如：二氧化碳封存法、二氧化碳资源化利用等方法。人机辩论能有效调动课堂气氛，激发学生学习兴趣，不仅可以拓展学生的知识面和认知范围，帮助学生学会批判性地分析信息，多角度地看待问题，也能使学生深刻体会科学知识的价值和人工智能的魅力。

（三）课后活动

课后练习和评价是课堂教学的重要一环。本节课教师设计的课后作业为：根据本节所学二氧化碳的性质，借助生成式人工智能，分组开展“探究二氧化碳性质”的实验设计，提交各组设计方案。如果设计方案中的材料和用品方便获取，可尝试进行实验验证并拍摄实验视频分享给其他同学。

学生利用生成式人工智能广泛查阅资料，分组讨论设计实验方案，并适当进行实验验证。教师对学生提交的方案及时评价，并组织小组之间对实验方案的合理性、科学性、规范性、可行性进行互评。学生也可以借助生成式人工智能对实验设计方案进行自评，根据评价进一步完善实验方案。教师选取几个实验方案进行现场实验，引导学生针对现场实验出现的问题开展讨论，不断优化实验方案。同时，教师在课后及时查阅分析学生与生成式人工智能的对话数据，精准把握学生的学习难点，进而有针对性地调整教学方法与策略。

三、总结与展望

数字时代对教师的数字素养提出了更高要求，教师应以“认知外包”理念为抓手，积极探索人类智慧与机器智慧相结合的“人—机智慧教与学方式”^[4]，同时确保学生在人机协作中保持主体性，在课堂的开放性、动态性、生成性等方面注入新的活力。教师应当积极拥抱生成式人工智能，快速提升自身数字素养水平，在探索实践中把握机器智能与人类智能相融相生之道，成为适应数字时代的高素养专业化教师。

注：本文系江苏高校哲学社会科学研究项目（课题编号：2024SJYB0790）和江苏师范大学教改课题（课题编号：JYKTY202306）的研究成果。

参考文献

[1] 教育部.教育部发布4项行动助推人工智能赋能教育[EB/OL].

（2024-03-28）[2024-04-29].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/xw_zt/moe_357/2024/2024_zt05/mtbd/202403/t20240329_1123025.html.

[2] 杨宗凯，王俊，吴砥，等.ChatGPT/生成式人工智能对教育的影响探析及应对策略[J].华东师范大学学报（教育科学版）， 2023（7）：26-35.

[3] 王晓波.聚焦生成式课堂 探寻AI赋能学习新样态[J].中小学信息技术教育，2024（Z1）：5.

[4] 余胜泉，王琦.“AI+教师”的协作路径发展分析[J].电化教育研究，2019（4）：14-22.

（作者邢蓓蓓系江苏师范大学化学与材料科学学院实验师；赵路瑶系江苏师范大学智慧教育学院研究生；邢小蕊系河北省沙河市第二中学教师）

责任编辑：牟艳娜