摘要： 人工智能賦能教育是當前教育改革與創(chuàng)新發(fā)展的重要議題。文章探討了生成式人工智能在初中化學教學中的應用策略，并以初中化學“二氧化碳的性質及二氧化碳對生活和環(huán)境的影響”教學內容為例，借助“訊飛星火認知大模型”開展了教學案例設計，以期為生成式人工智能的教學示范應用提供借鑒和參考。

關鍵詞：生成式人工智能；化學教學；高效互動課堂；創(chuàng)新設計；數字化教學

教育部于2024年3月啟動人工智能賦能教育行動，推出四項具體行動，其中一項為實施教育系統(tǒng)人工智能大模型應用示范行動，推動大模型從課堂走向應用^[1]。作為新質生產力的代表，生成式人工智能以其豐富的語料庫和強大的交互理解與對話能力，為教學革新帶來了巨大機遇。初中化學是基礎教育階段開展科學教育的重要載體，在培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)、實驗技能、邏輯思維以及解決問題的能力等方面發(fā)揮著重要作用。然而，當前初中化學教學面臨教師備課任務重、學生探究不足、學生思考深度不夠等現實問題，直接影響了化學教學質量。生成式人工智能為解決上述問題提供了可能，有望打造更高品質的互動型課堂。

一、生成式人工智能賦能初中化學教學的基本策略

在生成式人工智能的加持下，中小學課堂教學模式和學習方式正在從傳統(tǒng)的“師—生”二元結構轉變?yōu)椤皫煛獧C—生”三元結構^[2]。機器智能作為一種新角色加入教學生態(tài)，進一步增加了教學互動的形式、廣度和深度，為教學形態(tài)變革提供了更多可能性。生成式人工智能與化學教學深度融合的基本策略如下。

（一）內容生成幫助教師高效備課

教師可以利用訊飛星火、文心一言、豆包等生成式人工智能產品，高效檢索教學資源、自動生成教案、智能批閱作業(yè)，進而幫助自己從煩瑣、機械、重復的工作中抽身，將時間與精力投入更有價值的課程設計與學生輔導中。教師也可以將生成式人工智能當作學科專家，對自主設計的化學教案進行多維度分析評價，使自己更好地把握教學重難點，設計更有針對性的學習活動和靶向作業(yè)。此外，生成式人工智能在化學學科資源生產方面也具有獨特優(yōu)勢，特別是隨著Sora等產品的推出，各種教學短視頻、動畫以及3D模型等資源也可以根據教師需求自動生成，為教師提供了更強的資源定制化服務。

（二）生機對話助力學生高效探究

生成式人工智能可以驅動學生個性化探究，讓學生成為積極的探索者和創(chuàng)造者^[3]。課前，學生梳理自學問題，利用生成式人工智能進行自主探究，嘗試解答問題。課中，教師有針對性地組織課堂討論，引導學生與生成式人工智能開展合作探究、質疑批判等，幫助學生整合知識點，澄清概念誤解，加深知識理解，擴展知識邊界。在追蹤前沿化學知識方面，生成式人工智能可以提供全球化學領域的最新成果，引導學生勇攀科學高峰。針對知識的復雜邏輯關系，生成式人工智能可以以結構化概述或思維導圖的方式展現知識脈絡，幫助學生更加直觀地洞悉知識內在邏輯，培養(yǎng)學生的化學科學思維。在助力化學實驗教學方面，生成式人工智能可以通過多輪問答，對學生的實驗設計與操作過程進行評價，引導學生規(guī)范化開展實驗，深入探究科學原理。此外，學生還可以利用生成式人工智能輔助設計拓展性實驗方案，輔助分析實驗現象進而探究實驗問題。

（三）角色扮演引導學生多元辯證思考

借助生成式人工智能具有的智能交互、持續(xù)對話等功能優(yōu)勢，教師可以幫助學生開展素養(yǎng)導向下的個性化探究與思辨學習。在初中化學教學中，教師可以通過三種典型的角色扮演方式引導學生深入體驗與深度思考。一是化學元素角色扮演：學生和生成式人工智能扮演不同的化學元素進行互動，從而有效地幫助他們理解元素間的相互作用及化學反應過程。二是科學家角色扮演：生成式人工智能可以化身歷史中杰出的化學家，并通過對話引導學生了解這些科學家的研究歷程和重大成就。三是辯論角色扮演：教師可將學生和生成式人工智能分成正反兩方就辯題展開探討，如“化學肥料的使用是否利大于弊”，引導學生從多個角度審視問題，發(fā)展學生的批判性思維以及對化學學科的辯證認識。

二、生成式人工智能賦能初中化學教學的案例設計

本文以人教版九年級上冊第六單元課題3 “二氧化碳和一氧化碳”一課中第一課時“二氧化碳的性質及二氧化碳對生活和環(huán)境的影響”為例，借助“訊飛星火認知大模型”，展示生成式人工智能技術在初中化學教學中的創(chuàng)新應用。

本課是在學習完二氧化碳的實驗室制法后對二氧化碳的物理性質和化學性質進行探究，學生要根據性質推斷二氧化碳的用途，討論二氧化碳對生活和環(huán)境的影響。學生在前期已通過實驗的方式完成了對氧氣性質的探究，初步了解了由實驗現象推斷物質性質的方法。本課中對二氧化碳性質的探究同樣使用實驗的方式開展，以提升學生的觀察能力、推斷能力、概括能力和思辨能力，鼓勵學生運用科學思維解決實際問題。本課的教學設計如圖1所示。

（一）課前準備

1. 教師活動

大模型輔助教師在課前進行教學設計，主要包括確定教學目標、設計教學流程、明確教學重難點、選取適合的教學方法。教師完成教材中實驗6-3、6-4和6-5的演示實驗，并將實驗視頻上傳至學習平臺，供學生課前自學時觀看。同時，教師向學生發(fā)放自學任務單，細化自學內容，明確自學方向。課前自學任務單主要設計了四個活動：活動一，閱讀教材，記錄閱讀后收獲和疑問；活動二，觀看演示實驗視頻；活動三，記錄演示實驗的實驗現象，推測實驗結論；活動四，借助大模型查閱二氧化碳對人類生活的作用及影響。教師可以通過查看學生自學任務單的完成情況，初步判斷學生在哪些知識點的學習上存在偏差或困難。

2. 學生活動

學生在課前完成自學任務單中的各項活動內容，認真填寫課前自學任務單。首先通過預習教材內容、觀看教師的實驗演示視頻，完成自學內容。由于每個學生的自學能力和思維活躍度不同，在自學過程中產生的疑問也不同，生成式人工智能可以為學生提供個性化答疑。在學習本節(jié)課的過程中，學生向生成式人工智能提出的部分問題如圖2所示。從學生的提問中不難發(fā)現，“空氣”“混合物” “相對分子質量”這些知識是學生已學的內容，他們通過新課的預習再次復習鞏固，而“醋酸的性質”“酸雨”屬于未學的知識，學生將分別在九年級下冊、高中化學必修第二冊進行學習。這時，學生通過提問生成式人工智能初步了解了未學知識，并完成了現有認知與將來學習知識的連接。關注實際生活和生產的學生對于碳酸飲料產生了濃厚的興趣，在向生成式人工智能的提問中，他們會獲得更多有趣且實用的知識。

知識的有效學習如同織一張結實的漁網，每個知識點就像漁網上的結，每個結都不是孤立存在的，它只有與更多的結聯(lián)系在一起才能捕到魚。而生成式人工智能猶如織網的網梭，幫助學生將已學知識、現學知識和未學知識通過知識線索有效聯(lián)系在一起，織出一張結實的“知識網”。

（二）課堂教學

1. 人機互動：探究二氧化碳的性質

在中學化學教學改革過程中，從培養(yǎng)學生的學習興趣、激發(fā)學生求知欲望，到提高學生的探究能力和科學思維，以及注重科學態(tài)度和創(chuàng)新意識的形成，學科的教學目標在逐漸進階，教師的主導地位和學生的主體地位也在不斷調整優(yōu)化，但課堂上通常只有教師和學生兩個“角色”，生成式人工智能作為第三個角色走進課堂，成為教師的助手、學生的伙伴，為學生開展科學探究搭建腳手架。

課堂上，學生的探究活動以小組形式開展，5～7人為一個小組，借助生成式人工智能一起探討學習過程中的疑惑。例如，有小組在討論實驗6-5時發(fā)現，噴稀醋酸的紫色石蕊紙花變成紅色，烘干后仍為紅色，而噴水后的紙花放入二氧化碳中，紙花變?yōu)榧t色，但烘干后又變回紫色。學生思考后提問生成式人工智能：“醋酸和碳酸有什么異同？”“醋酸和碳酸的分解溫度各是多少度？”“如果在紙花上噴上硫酸，烘干后顏色會變回紫色嗎？”還有的小組提出疑問：“為什么二氧化碳與澄清的石灰水反應后，石灰水只是變渾濁，而不是生成白色沉淀？”對于學生提出的問題，生成式人工智能能夠及時解答，學生基于解答進行組內探討和師生探討，或進一步開展實驗驗證。生成式人工智能與學生亦師亦友，提升了學生課堂問題解答率和互動參與率，同時陪伴學生在問題探索中獲取知識，在實驗驗證中提升科學思維。生成式人工智能進入課堂提高了學生的學習效率，拓寬了知識視野，也為學生個性化學習提供了可能。

2. 人機辯論：二氧化碳存在利大于弊還是弊大于利

知識學習的最終目的是應用。這要求學生不僅能學會知識，也能將學到的知識應用于實際生活和生產中。思辨能力是學生運用學過的知識和自身的經驗進行分析與判斷的能力，會幫助學生建立從“學會”到“應用”的橋梁。知識和經驗是思辨的素材，思辨可以增強知識學習的深度和廣度，所以課堂教學中教師應注重學生思辨能力的培養(yǎng)。在本節(jié)課的自學任務單中，教師設置了“活動四：借助生成式人工智能查閱二氧化碳對人類生活的作用及影響”，引導學生初步了解二氧化碳在生活和生產中的廣泛用途，并明晰其對環(huán)境的影響。在課堂上教師設計人機辯論賽，辯題為“二氧化碳的存在，利大于弊還是弊大于利”，正方為全班學生，反方為生成式人工智能。教師引導學生根據所學二氧化碳的性質更深入地理解二氧化碳存在的利與弊，同時請生成式人工智能提供有效的策略和建議，以減輕和消除二氧化碳排放帶來的負面影響，如：二氧化碳封存法、二氧化碳資源化利用等方法。人機辯論能有效調動課堂氣氛，激發(fā)學生學習興趣，不僅可以拓展學生的知識面和認知范圍，幫助學生學會批判性地分析信息，多角度地看待問題，也能使學生深刻體會科學知識的價值和人工智能的魅力。

（三）課后活動

課后練習和評價是課堂教學的重要一環(huán)。本節(jié)課教師設計的課后作業(yè)為：根據本節(jié)所學二氧化碳的性質，借助生成式人工智能，分組開展“探究二氧化碳性質”的實驗設計，提交各組設計方案。如果設計方案中的材料和用品方便獲取，可嘗試進行實驗驗證并拍攝實驗視頻分享給其他同學。

學生利用生成式人工智能廣泛查閱資料，分組討論設計實驗方案，并適當進行實驗驗證。教師對學生提交的方案及時評價，并組織小組之間對實驗方案的合理性、科學性、規(guī)范性、可行性進行互評。學生也可以借助生成式人工智能對實驗設計方案進行自評，根據評價進一步完善實驗方案。教師選取幾個實驗方案進行現場實驗，引導學生針對現場實驗出現的問題開展討論，不斷優(yōu)化實驗方案。同時，教師在課后及時查閱分析學生與生成式人工智能的對話數據，精準把握學生的學習難點，進而有針對性地調整教學方法與策略。

三、總結與展望

數字時代對教師的數字素養(yǎng)提出了更高要求，教師應以“認知外包”理念為抓手，積極探索人類智慧與機器智慧相結合的“人—機智慧教與學方式”^[4]，同時確保學生在人機協(xié)作中保持主體性，在課堂的開放性、動態(tài)性、生成性等方面注入新的活力。教師應當積極擁抱生成式人工智能，快速提升自身數字素養(yǎng)水平，在探索實踐中把握機器智能與人類智能相融相生之道，成為適應數字時代的高素養(yǎng)專業(yè)化教師。

注：本文系江蘇高校哲學社會科學研究項目（課題編號：2024SJYB0790）和江蘇師范大學教改課題（課題編號：JYKTY202306）的研究成果。

參考文獻

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（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] 楊宗凱，王俊，吳砥，等.ChatGPT/生成式人工智能對教育的影響探析及應對策略[J].華東師范大學學報（教育科學版）， 2023（7）：26-35.

[3] 王曉波.聚焦生成式課堂 探尋AI賦能學習新樣態(tài)[J].中小學信息技術教育，2024（Z1）：5.

[4] 余勝泉，王琦.“AI+教師”的協(xié)作路徑發(fā)展分析[J].電化教育研究，2019（4）：14-22.

（作者邢蓓蓓系江蘇師范大學化學與材料科學學院實驗師；趙路瑤系江蘇師范大學智慧教育學院研究生；邢小蕊系河北省沙河市第二中學教師）

責任編輯：牟艷娜