人工智能驱动的课堂分析：电化学综合利用教学实践与反思

当前，数字技术已成为人类与社会发展的新质生产力。数字是数据活化、发现教育规律性认识的基础，是人工智能赋能教育创新的基础^[1]。人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量，是研究开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的一门新的科学。AI课堂分析是对教师在教学设计及课堂组织、学生学习状态及思维发展的人工智能分析形式，旨在促进教学教研数字化。AI赋能课堂教学评价具有很强的现实性和前瞻性。随着教育思想、理论和技术的发展，学校教育和课堂教学在不断演变，但是课堂始终是改革的对象和主阵地。笔者以高三化学“资源视角下的电化学综合利用”（第三课时）的AI课堂分析为例，介绍如何利用AI等技术分析并改进课堂教学，探寻技术赋能课堂教学的可行之法。

一、传统模式下课堂教学设计与实践

（一）学情分析及课程目标设计

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）对“电化学基础”提出了明确的学业要求：认识化学能与电能相互转化的实际意义及其应用，了解原电池和电解池的构成、工作原理；认识电解在实现物质转化和能量储存方面的具体应用；了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害，以及防止金属腐蚀的措施。教师将化学与“工程技术”结合开展跨学科教学，对学生处理复杂实际问题的能力和思维能力要求较高。

从往届学生学习情况来看，普遍存在如下问题：①原电池与电解池混淆不清；②电极反应式书写不规范；③提取新情境信息能力不足。从平时课堂情况来看，学生在以下方面具有优势：①进入高三一轮复习阶段，对模块融合分析较为适应；②已适应单元整体教学的学习方式；③学习热情较高，乐于接受挑战。

根据课标要求及实际学情确定单元教学目标如下：复习原电池与电解池的基本工作基本原理、电极反应式的书写、电化学的综合应用，构建解决电化学实际问题的思维模型。其中，第三课时教学目标如下：①阅读资料（典型示例），感知金属腐蚀的巨大破坏力，借助思维导图归纳总结金属腐蚀的种类和防护方法；②了解环境污染及治理相关信息，感知电化学在环境治理中的重要作用，构建电化学在解决水体治理和大气净化等问题中的分析方法；③分组讨论分析氯碱工业原理，了解电解原理在工业生产中的主要应用，构建膜在产品制备过程中作用的分析方法，同时，在“模型建构—模型应用—化学观念形成—素养发展”进阶中发展“实验探究与创新意识”的学科素养^[2]；④课后进行AI课堂分析，了解课堂学生表现和教师整体素质情况，明确改进方向。

（二）教学关键内容及重难点

教学关键内容包括：①对学生绘制的思维导图进行分析和点评，诊断并提升学生对金属腐蚀的种类和防护方法的认识水平（孤立水平、系统水平）；②引导学生探究电化学在污水处理和空气净化方面的应用，诊断并提升学生将电化学用于环境治理的能力水平（视角水平、内涵水平）；③引导学生探究家用消毒器的制备，分析氯碱工业中离子交换膜的作用，诊断并提升学生对应用电解原理制备化工产品思路的结构化水平（视角水平、内涵水平）。教学重点为：开拓资源视角下的电化学知识网络，建构电化学综合利用视角。教学难点为：引导学生在解决实际问题的过程中融通必备知识、关键能力和正确价值观。创新之处：将AI等数字技术应用于课后分析，并依托AI课堂分析，感知教学过程存在的问题，寻找有效提升课堂教学的方向。

（三）初始设计思路

新课改强调学生的主体性，教师应适当地将主动权交给学生，变被动学习为主动学习^[3]。在高三化学第一轮复习中，教师设置问题情境开展教学，有利于学生形成解决问题的思路，加强其知识和技能储备。教师设置问题要注意培养学生化学思维能力，促进学生科学探究能力发展。在教学中，笔者设置真实问题情境，以促进学生宏观辨识与微观探析素养发展，让学生增强证据意识，通过对电化学体系知识的回顾、整理和归纳，自主构建电化学原理体系，明确高考考点，建立完整思维模型。为了让学生在课堂活动中锻炼语言表达能力和自主学习能力，笔者将给予学生充分的思维发挥空间，帮助他们系统地整理加工所学知识，理解所学知识，探寻化学本质。

（四）教学过程

1.问题导入

学习任务1：保护资源，人人有责。

评价任务1：诊断并提升学生对金属腐蚀的种类和防护方法的认识水平（孤立水平、系统水平）。笔者出示资料卡片与思维导图让学生思考金属腐蚀的主要类型有哪些，金属有哪些电化学防护方法，接着展示电化学腐蚀实验原型和码头钢管桩的电化学防腐。

2.设计核心任务开展教学与评价

学习任务2：保护环境，我来护航。

评价任务2：诊断并提升学生将电化学应用到环境治理的能力水平（视角水平、内涵水平）。笔者播放视频，引发学生思考，让他们结合电化学实际应用，分组讨论应用电化学原理治理污水、废气等环境问题，梳理分析思路，进而在展示、交流、总结、评价过程中形成认知思路。

学习任务3：利用资源，制备产品。

评价任务3：诊断并提升学生对应用电解原理制备化工产品思路的结构化水平（视角水平、内涵水平）。笔者首先引导学生探究电解饱和食盐水制作家用环保型消毒液发生器的原理，讨论将电极用铁代替为何没有得到消毒液的原因，然后回归教材，分析工业上制备氯碱过程中如何避免Cl与NaOH溶液反应，以及离子交换膜的作用，最后制备KIO和NaSO。

归纳总结：离子交换膜的种类和作用。

电化学制备物质的常见装置及思路：制备NaSO也可采用三室膜电解技术，其中SO碱吸收液中含有NaSO和NaHSO。

（五）对初始教学设计的反思及存在的困惑

教学重构单元教学，以电化学原理大概念统摄教材内容，创建实际问题链统摄教学内容，整合教学资源，使之成为有教学意义的单元整体，能够优化课堂教学。但教师仍存在以下困惑：①教学评一体化的实施效果无法有效监测：设计了评价任务及指标，帮助学生明确知识“从哪里来”“到哪里去”“带什么去”“如何去”，但无法确认“学生是否达到预期目的”。②无法确定跨学科融合备考中的问题设计是否合理且有效：“化学+工程”跨学科融合的目的是应用多学科知识和教学思维，实现知识交融、方法融通和课程资源的有机整合，更加深入地引导学生分析真实电化学装置相关问题，但无法评估课堂问题的有效性。③难以判断是否促进学生深度学习：教师根据教学目标设计了探究问题（层层推进、逻辑自洽），帮助学生在解决问题的过程中促进认识思路的结构化、模型化，形成认知思路与方法，力争实现高三复习从“双基”教学到“素养为本”的教学变迁，但对于学生是否发生深度学习行为无法准确判断。

二、AI课堂分析赋能课堂改革

带着以上困惑，笔者借助北京市东城区智慧教育云服务平台进行AI课堂分析。笔者将课堂教学视频（教师视角、学生视角）及教学设计导入平台进行分析，获取报告。以下，笔者结合报告进行综合分析。

（一）学生思维培养效果评估

报告信息：本课堂非思维问题和初级思维问题共125个。报告提示：教师可以提高问题的针对性和实效性，适当控制问题的数量，增加开放性和创造性问题，关注学生的反应和参与情况，提高问题的层次与深度，以改进课堂问题设计。

解决以上问题需要从提升教师教学能力着手。笔者参照CFS教师教学设计能力评价量规6个维度^[4]对教师的教学设计能力进行分析与改进（见表1）。

本堂课呈现出教师在教学素养能力方面发展不均衡。教师在教学进阶上需要重点关注理解技术、理解教学2个维度。在理解技术维度，技术应用表示教师信息化技术的掌握情况，以及应用是否恰当、合理、有效。在“理解教学”维度，规则与秩序表示要呈现良好的课堂秩序，能用适时、有效、灵活的行为与语言进行调控。建立有效的学科教学规则、学习规则和行为规则，学生能自觉遵守。情境创设表示教师创设的教学情境能否充分体现学科特色，匹配教学目标，紧扣教学内容，凸显学习重点。这点重在测评教师能否联系生活创设生动、具体的情境，学生是否参与积极，能否运用所学知识解决问题，并迁移运用。学生参与度表示教师要关注课堂上学生参与学习和讨论、交流的覆盖情况。

（二）学生素养发展报告

笔者利用AI平台对课堂教学过程和行为占比进行了分析。教师的教学活动除了讲授以外，还采用了独立学习、展示汇报等方式开展了创新性教学活动，但教学效果不理想，需要教师根据课标导向提升以学生为中心的课堂教学。报告显示：本堂课，课堂行为分布中时长由高到低依次为教师讲授20分钟、师生互动14分钟、独立学习7分钟、展示汇报5分钟。

在课堂教学过程中，教师除了注重知识的讲授外，还应注重与学生有效互动、启发学生思考和对话，采用多样化的教学策略引导学生积极主动地进行学习和探究。S-T师生互动情况表现为：教师讲话时长32分30秒，学生讲话时长20分30秒，互动23次。Rt-Ch教学模式反映出本堂课的教学模式是：混合型。 教师、学生均充分参与。

（三）提问有效性及学生主动性情况分析

教师应注意非思维问题不能引起学生思维，这类问题多用于激发学生的兴趣或使其集中注意力。初级思维问题考查的是学生对知识的记忆情况，关注的是学生的理解领域和简单应用。在教学中，教师应该适当提出非思维问题，减少初级思维问题，增加高阶思维问题。教师设置高阶思维问题能体现教师对学生高阶思维的培养，促进学生深度学习。报告显示：本堂课一共提问131次，其中非思维问题74个，占比最高为56%；初级思维问题53个，占比40%；高阶思维问题4个，占比3%。教师提问分析如下（见表2）。

在学生应答方面：本堂课学生应答分布中，未举手回答占比最高（100%），未举手回答中个体回答占比最高为95%。从数据来看本课教师倾向于采用点名等方式引导学生被动学习，应当思考适当采取更多样化的方式积极有效地引导学生主动参与课堂交流活动^[5]。学生应答情况：个体回答21次，班级齐答1次，未举手回答22次，举手回答0次。

本堂课的师生交流反馈数据显示，教师在学生回答问题后给出的简单鼓励占比最高为64%。简单鼓励是体现教师对学生回答的认可和肯定，除此之外教师还应当采取多样化的反馈策略激发和引导学生参与思维活动。在学生参与度和抬头度方面：本堂课学生参与度29.91%，抬头度1.75%。师生交流反馈情况：追问5次，简单鼓励9次，连续发问5次，积极反映9次。

教师应查看数据，了解本堂课学生的参与度和抬头度每分钟的变化情况，关注课堂上学生参与度较高的时段学生积极活跃的状态是否与教师组织学生进行主动学习的活动有关联。特别关注讲授时段，学生抬头听课的抬头度是否正常。学生课堂学习行为按学习主体发生的学习行为，划分为主动学习和被动学习。报告显示：本堂课学生被动学习占比56.47%。被动学习包含的分类分别为：学生听讲，占比38.35%；教师指令，占比18.12%。本堂课学生主动学习占比30.91%。主动学习包含的分类分别为：学生反馈占8.03%，合作学习占0，独立学习占13.76%，展示汇报占9.11% 。

根据学习金字塔理论和课标提出的核心素养培养要求，教师应在课堂教学时注重引导和培养学生主动学习、积极探索的习惯。相比于被动学习，教师引导学生主动学习更能激发兴趣，自发讨论、持续关注和探究相关知识点，进而使学习能力获得提升。学生主动学习更有成效。

（四）问题设置与活动模式改进

笔者依据以上三点分析确定教学设计改进方向：①增加问题的梯度和深度设计，改变设问方式和评价方式。在问题梯度和深度上可以从“你是否能正确描述电化学腐蚀模型”进阶为“描述电化学腐蚀模型→对生活中的电化学腐蚀进行举例→描述浮标电池（Al-O）工作原理”；在评价上从单一的师生对话“你为什么这么想”，改为“师生、生生”对话“你认为前一位同学这样想是否正确/完善→你是否还有其他想法”“你认为前一位同学的想法优点是什么→有哪些值得我们学习和借鉴的思考”。增加学生之间的互动，提升了学生的有效输入与输出效率，优化了课堂评价方式。②改变学习活动模式，由推动式变引领式，以引领性核心任务统摄课堂教学，在有意义、有挑战性任务的驱动下促进学生进行深度学习。例如，笔者将三个任务“电化学腐蚀与防护→电化学方法处理废水→电化学制备产品”进行合理关联，以“证据推理与模型认知”素养为暗线，以“探究电化学方法在资源保护和开发角度的核心任务：如何保护钢铁→如何保护水资源→如何更高效地生产产品”问题为明线，促进学生以小组讨论、辩论及小组汇报形式进行学习。暗线和明线的交联，使得课堂活动内容及其方式更有利于学生学科核心素养发展。

三、人工智能+教育的无限未来

笔者对AI课堂分析的整体感受：平台运行流畅，使用中未遇到困难；教师能根据平台指引看懂报告内容；课堂报告分析准确度高；报告与教学实际整体吻合度高；报告能有效帮助教师反思。关于ST课堂分析法，笔者在2023年进行过系统研究与应用，当时的想法是加入AI分析直接生成分析报告而不需要教师动手录入信息。目前这个期待已经初步实现了，下一步的发展方向可能是现场（即时）生成精确的分析报告。

笔者对报告及其评价维度的建议：建立具有学科属性的分析评价指标或维度；报告中的教师教学设计能力分析、教师教学素养能力、课堂教学行为分析、学习过程观察数据、S-T曲线、Rt-Ch图、课堂提问分析、学生参与度和抬头度、学生课堂学习行为分布、教学设计执行度分析等科学、有效。但“优秀”的定义不一定是“对话型课堂”。教师执教有些高年级的复习课更需要学生思维运动，而不一定是讨论或问答的形式，希望科研人员提供一些新的模型样本。

总体启示：使用者能理解某项指标的分析依据、某指标所反映的实际问题。但同上所述，“人工智能+教育”的特点决定了只有不断迭代发展才能真正做到智能分析。AI分析应用于教学的前景广阔、角度多样，对教师的教和学生的学有正向引导作用，需要教师充分重视并尝试运用，以适应教育数字化的新趋势。人工智能赋能课堂教学评价，创造了教育教学改革的新思维、新场景和新赛道。教师利用人工智能将课堂教学评价研究引向深入，一定会取得更多新成果。

注：本文系北京市教育学会“十四五”教育科研2023年度课题“化学新课标落实中指向核心素养提升的大单元教学研究”（项目编号：DC2023-027）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 熊璋.“人工智能+”行动赋能教育新生态的关键要素[J].中小学数字化教学，2024（4）：1.

[2] 韩建丰，高凌蕊.培养科学思维与创新能力的化学奥林匹克竞赛培训[J].化学教育（中英文），2023（23）：120-125.

[3] 陈雨青，杨路明.主动学习的教学策略研究[J].教育与现代化，2007（2）：21-27.

[4] 唐维楼.利用AI课堂行为分析支持教师专业成长的实践研究[J].中国新通信，2021（6）：173-175.

[5] 卢正芝，洪松舟.教师有效课堂提问：价值取向与标准建构[J].教育研究，2010（4）：65-70.

（作者韩建丰系北京市广渠门中学化学教师，北京市东城区学科带头人；高凌蕊系首都师范大学第二附属中学化学教师，北京市海淀区骨干教师）

责任编辑：祝元志