摘要： 人工智能賦能教育是當(dāng)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(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略，并以初中化學(xué)“二氧化碳的性質(zhì)及二氧化碳對生活和環(huán)境的影響”教學(xué)內(nèi)容為例，借助“訊飛星火認(rèn)知大模型”開展了教學(xué)案例設(shè)計，以期為生成式人工智能的教學(xué)示范應(yīng)用提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：生成式人工智能；化學(xué)教學(xué)；高效互動課堂；創(chuàng)新設(shè)計；數(shù)字化教學(xué)

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(yīng)用示范行動，推動大模型從課堂走向應(yīng)用^[1]。作為新質(zhì)生產(chǎn)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(xué)革新帶來了巨大機遇。初中化學(xué)是基礎(chǔ)教育階段開展科學(xué)教育的重要載體，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)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(dāng)前初中化學(xué)教學(xué)面臨教師備課任務(wù)重、學(xué)生探究不足、學(xué)生思考深度不夠等現(xiàn)實問題，直接影響了化學(xué)教學(xué)質(zhì)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(zhì)的互動型課堂。

一、生成式人工智能賦能初中化學(xué)教學(xué)的基本策略

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

（一）內(nèi)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(chǎn)品，高效檢索教學(xué)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(fù)的工作中抽身，將時間與精力投入更有價值的課程設(shè)計與學(xué)生輔導(dǎo)中。教師也可以將生成式人工智能當(dāng)作學(xué)科專家，對自主設(shè)計的化學(xué)教案進行多維度分析評價，使自己更好地把握教學(xué)重難點，設(shè)計更有針對性的學(xué)習(xí)活動和靶向作業(yè)。此外，生成式人工智能在化學(xué)學(xué)科資源生產(chǎn)方面也具有獨特優(yōu)勢，特別是隨著Sora等產(chǎn)品的推出，各種教學(xué)短視頻、動畫以及3D模型等資源也可以根據(jù)教師需求自動生成，為教師提供了更強的資源定制化服務(wù)。

（二）生機對話助力學(xué)生高效探究

生成式人工智能可以驅(qū)動學(xué)生個性化探究，讓學(xué)生成為積極的探索者和創(chuàng)造者^[3]。課前，學(xué)生梳理自學(xué)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(dǎo)學(xué)生與生成式人工智能開展合作探究、質(zhì)疑批判等，幫助學(xué)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(xué)知識方面，生成式人工智能可以提供全球化學(xué)領(lǐng)域的最新成果，引導(dǎo)學(xué)生勇攀科學(xué)高峰。針對知識的復(fù)雜邏輯關(guān)系，生成式人工智能可以以結(jié)構(gòu)化概述或思維導(dǎo)圖的方式展現(xiàn)知識脈絡(luò)，幫助學(xué)生更加直觀地洞悉知識內(nèi)在邏輯，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)科學(xué)思維。在助力化學(xué)實驗教學(xué)方面，生成式人工智能可以通過多輪問答，對學(xué)生的實驗設(shè)計與操作過程進行評價，引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范化開展實驗，深入探究科學(xué)原理。此外，學(xué)生還可以利用生成式人工智能輔助設(shè)計拓展性實驗方案，輔助分析實驗現(xiàn)象進而探究實驗問題。

（三）角色扮演引導(dǎo)學(xué)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(xué)生開展素養(yǎng)導(dǎo)向下的個性化探究與思辨學(xué)習(xí)。在初中化學(xué)教學(xué)中，教師可以通過三種典型的角色扮演方式引導(dǎo)學(xué)生深入體驗與深度思考。一是化學(xué)元素角色扮演：學(xué)生和生成式人工智能扮演不同的化學(xué)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(xué)反應(yīng)過程。二是科學(xué)家角色扮演：生成式人工智能可以化身歷史中杰出的化學(xué)家，并通過對話引導(dǎo)學(xué)生了解這些科學(xué)家的研究歷程和重大成就。三是辯論角色扮演：教師可將學(xué)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(xué)肥料的使用是否利大于弊”，引導(dǎo)學(xué)生從多個角度審視問題，發(fā)展學(xué)生的批判性思維以及對化學(xué)學(xué)科的辯證認(rèn)識。

二、生成式人工智能賦能初中化學(xué)教學(xué)的案例設(shè)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(zhì)及二氧化碳對生活和環(huán)境的影響”為例，借助“訊飛星火認(rèn)知大模型”，展示生成式人工智能技術(shù)在初中化學(xué)教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用。

本課是在學(xué)習(xí)完二氧化碳的實驗室制法后對二氧化碳的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)進行探究，學(xué)生要根據(jù)性質(zhì)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(xué)生在前期已通過實驗的方式完成了對氧氣性質(zhì)的探究，初步了解了由實驗現(xiàn)象推斷物質(zhì)性質(zhì)的方法。本課中對二氧化碳性質(zhì)的探究同樣使用實驗的方式開展，以提升學(xué)生的觀察能力、推斷能力、概括能力和思辨能力，鼓勵學(xué)生運用科學(xué)思維解決實際問題。本課的教學(xué)設(shè)計如圖1所示。

（一）課前準(zhǔn)備

1. 教師活動

大模型輔助教師在課前進行教學(xué)設(shè)計，主要包括確定教學(xué)目標(biāo)、設(shè)計教學(xué)流程、明確教學(xué)重難點、選取適合的教學(xué)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(xué)習(xí)平臺，供學(xué)生課前自學(xué)時觀看。同時，教師向?qū)W生發(fā)放自學(xué)任務(wù)單，細(xì)化自學(xué)內(nèi)容，明確自學(xué)方向。課前自學(xué)任務(wù)單主要設(shè)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(xiàn)象，推測實驗結(jié)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(xué)生自學(xué)任務(wù)單的完成情況，初步判斷學(xué)生在哪些知識點的學(xué)習(xí)上存在偏差或困難。

2. 學(xué)生活動

學(xué)生在課前完成自學(xué)任務(wù)單中的各項活動內(nèi)容，認(rèn)真填寫課前自學(xué)任務(wù)單。首先通過預(yù)習(xí)教材內(nèi)容、觀看教師的實驗演示視頻，完成自學(xué)內(nèi)容。由于每個學(xué)生的自學(xué)能力和思維活躍度不同，在自學(xué)過程中產(chǎn)生的疑問也不同，生成式人工智能可以為學(xué)生提供個性化答疑。在學(xué)習(xí)本節(jié)課的過程中，學(xué)生向生成式人工智能提出的部分問題如圖2所示。從學(xué)生的提問中不難發(fā)現(xiàn)，“空氣”“混合物” “相對分子質(zhì)量”這些知識是學(xué)生已學(xué)的內(nèi)容，他們通過新課的預(yù)習(xí)再次復(fù)習(xí)鞏固，而“醋酸的性質(zhì)”“酸雨”屬于未學(xué)的知識，學(xué)生將分別在九年級下冊、高中化學(xué)必修第二冊進行學(xué)習(xí)。這時，學(xué)生通過提問生成式人工智能初步了解了未學(xué)知識，并完成了現(xiàn)有認(rèn)知與將來學(xué)習(xí)知識的連接。關(guān)注實際生活和生產(chǎn)的學(xué)生對于碳酸飲料產(chǎn)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(xué)習(xí)如同織一張結(jié)實的漁網(wǎng)，每個知識點就像漁網(wǎng)上的結(jié)，每個結(jié)都不是孤立存在的，它只有與更多的結(jié)聯(lián)系在一起才能捕到魚。而生成式人工智能猶如織網(wǎng)的網(wǎng)梭，幫助學(xué)生將已學(xué)知識、現(xiàn)學(xué)知識和未學(xué)知識通過知識線索有效聯(lián)系在一起，織出一張結(jié)實的“知識網(wǎng)”。

（二）課堂教學(xué)

1. 人機互動：探究二氧化碳的性質(zhì)

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)改革過程中，從培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生求知欲望，到提高學(xué)生的探究能力和科學(xué)思維，以及注重科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新意識的形成，學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)在逐漸進階，教師的主導(dǎo)地位和學(xué)生的主體地位也在不斷調(diào)整優(yōu)化，但課堂上通常只有教師和學(xué)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(xué)生的伙伴，為學(xué)生開展科學(xué)探究搭建腳手架。

課堂上，學(xué)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(xué)習(xí)過程中的疑惑。例如，有小組在討論實驗6-5時發(fā)現(xiàn)，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(xué)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(yīng)后，石灰水只是變渾濁，而不是生成白色沉淀？”對于學(xué)生提出的問題，生成式人工智能能夠及時解答，學(xué)生基于解答進行組內(nèi)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(xué)生亦師亦友，提升了學(xué)生課堂問題解答率和互動參與率，同時陪伴學(xué)生在問題探索中獲取知識，在實驗驗證中提升科學(xué)思維。生成式人工智能進入課堂提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，拓寬了知識視野，也為學(xué)生個性化學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)的最終目的是應(yīng)用。這要求學(xué)生不僅能學(xué)會知識，也能將學(xué)到的知識應(yīng)用于實際生活和生產(chǎn)中。思辨能力是學(xué)生運用學(xué)過的知識和自身的經(jīng)驗進行分析與判斷的能力，會幫助學(xué)生建立從“學(xué)會”到“應(yīng)用”的橋梁。知識和經(jīng)驗是思辨的素材，思辨可以增強知識學(xué)習(xí)的深度和廣度，所以課堂教學(xué)中教師應(yīng)注重學(xué)生思辨能力的培養(yǎng)。在本節(jié)課的自學(xué)任務(wù)單中，教師設(shè)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(dǎo)學(xué)生初步了解二氧化碳在生活和生產(chǎn)中的廣泛用途，并明晰其對環(huán)境的影響。在課堂上教師設(shè)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(xué)生，反方為生成式人工智能。教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)二氧化碳的性質(zhì)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(fù)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(diào)動課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不僅可以拓展學(xué)生的知識面和認(rèn)知范圍，幫助學(xué)生學(xué)會批判性地分析信息，多角度地看待問題，也能使學(xué)生深刻體會科學(xué)知識的價值和人工智能的魅力。

（三）課后活動

課后練習(xí)和評價是課堂教學(xué)的重要一環(huán)。本節(jié)課教師設(shè)計的課后作業(yè)為：根據(jù)本節(jié)所學(xué)二氧化碳的性質(zhì)，借助生成式人工智能，分組開展“探究二氧化碳性質(zhì)”的實驗設(shè)計，提交各組設(shè)計方案。如果設(shè)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(xué)。

學(xué)生利用生成式人工智能廣泛查閱資料，分組討論設(shè)計實驗方案，并適當(dāng)進行實驗驗證。教師對學(xué)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(xué)性、規(guī)范性、可行性進行互評。學(xué)生也可以借助生成式人工智能對實驗設(shè)計方案進行自評，根據(jù)評價進一步完善實驗方案。教師選取幾個實驗方案進行現(xiàn)場實驗，引導(dǎo)學(xué)生針對現(xiàn)場實驗出現(xiàn)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(xué)生與生成式人工智能的對話數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)把握學(xué)生的學(xué)習(xí)難點，進而有針對性地調(diào)整教學(xué)方法與策略。

三、總結(jié)與展望

數(shù)字時代對教師的數(shù)字素養(yǎng)提出了更高要求，教師應(yīng)以“認(rèn)知外包”理念為抓手，積極探索人類智慧與機器智慧相結(jié)合的“人—機智慧教與學(xué)方式”^[4]，同時確保學(xué)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(yīng)當(dāng)積極擁抱生成式人工智能，快速提升自身數(shù)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(yīng)數(shù)字時代的高素養(yǎng)專業(yè)化教師。

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

參考文獻

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

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