基于人工智能的一節化學探究實驗課
———人工智能保障未來汽車中氣體環境安全

◇ 北京 晁小雨 賀 新

1 人工智能的迅速發展為中學化學教育帶來的新挑戰

人工智能的迅速發展將深刻改變人類社會和世界的面貌,為了抓住人工智能發展的戰略機遇,2017年7月國務院頒布了《新一代人工智能發展規劃的通知》.通知中明確指出,人工智能將成為國際競爭的新焦點,并要求中小學階段設置人工智能課程,完善針對中學生的人工智能科普.人工智能是引領新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力,正深刻改變著人們的生產、生活、學習方式,推動人類社會迎來人機協同、跨界融合、共創分享的智能時代.把握全球人工智能發展態勢,找準突破口和主攻方向,培養大批具有創新能力和合作精神的人工智能高端人才,是教育的重要使命.“十三五”規劃綱要確定了“人才優先發展戰略”,教育培養的是未來人才,應該與時俱進.教育一方面要讓學生為未來做好準備,另一方面也要為國家培養人才.

2018 年4 月教育部印發的《高等學校人工智能創新行動計劃》中提到高校將于2020年建成100 個“人工智能＋X”復合特色專業：重視人工智能與基礎學科專業教育的交叉融合.因此探索中學階段如何落實“人工智能＋化學”交叉融合的創新人才培養,成為當前時代背景下化學教學的新挑戰.

2 汽車作為學習載體體現學科育人價值

人工智能技術對人類及社會發展意義重大,甚至有人認為人工智能所帶來的社會進步和改變稱得上是“第四次工業革命”.以汽車作為人工智能學習的載體,將抽象的人工智能算法問題具象化.汽車中使用人工智能可以幫助汽車實現自動駕駛,同時也讓汽車出行變得更加安全和有序,通過人工智能的大數據分析,汽車可以更好地應對不能預知的意外狀況,自動采取措施保障安全.人工智能技術可以讓汽車安全性提高很多,諸如駕駛員疲勞識別、脈搏識別,可以檢測駕駛員的健康狀態,并且可以在情況不嚴重的時候給出警告提示,在情況危急的時候采取強制性的措施來制止危險駕駛行為.

汽車本身是學生熟悉的生活中的素材,學生可以較為容易地從熟悉的素材中尋找和提出有探究價值的問題;了解汽車的研發歷史可以使學生深刻認識化學對創造更多物質財富和精神財富、滿足人民日益增長的美好生活需要的重大貢獻.

《普通高中化學課程標準(2017年版)》(以下簡稱“課程標準”)中指出：化學教育應立足于學生適應現代生活和未來發展的需要,倡導真實問題情境的創設,開展以化學實驗為主的探究活動,激發學生學習化學的興趣,培養學生的創新精神和實踐能力;結合人類探索物質及其變化的歷史與化學學科發展的趨勢,結合學生已有的經驗和將要經歷的社會生活實際,引導學生關注人類面臨的與化學有關的社會問題,培養學生的責任感、參與意識和決策能力.汽車的發展歷史伴隨著化學物質研究的發展歷史,人工智能在汽車上的應用是未來汽車的發展趨勢,也是學生未來將面臨的真實情境,在實驗室中模擬汽車中的真實情況,建立相關模型,讓學生體驗人工智能在汽車智能系統中的應用,可以幫助學生更好地解決未來汽車上可能遇到的問題,并鍛煉初步的科學研究能力.

3 教學內容分析

本節課以未來汽車為載體,聚焦未來汽車中使用的人工智能控制系統,圍繞化學如何支持人工智能系統安全性的問題進行研究.當我們使用人工智能時,會發現有更多隱藏的安全問題,比如車內的氣體環境監控和溫度的調節等,都需要大量數據作為保障,需要傳感器進行時時監測.這節課的重點就落在如何通過人工智能系統保障未來汽車的氣體環境安全.

課程內容包含了中學常見氣體物質的性質分析和總結、密閉系統物質變化的分析等內容.對學生的能力要求較高,可以安排在高中化學的起始階段,作為引入課、活動課或者實驗探究課;更適合用來做氧化還原反應(必修模塊)或者電離平衡(選擇性必修模塊1)內容的引入課.學生在本節課前應當已經具備了認識身邊一些常見物質的組成、性質及其在社會生產和生活中應用的能力,以及能用簡單的化學語言描述化學變化和物質變化的能力.

“課程標準”中將高中必修化學知識劃分為5個基本主題,本課程內容主要涉及的是“主題1：化學科學與實驗探究”,同時該課內容可以作為“主題2：常見的無機物及其應用”中“氧化還原反應”內容的引入課,幫助學生在真實情境中更好地觀察到同一種元素在不同物質中可以呈現不同的價態,這種價態的相互轉化可通過電子的轉移實現.該課程內容還涉及“課程標準”中的選擇性必修課程“模塊1化學反應原理”中“主題3：水溶液中的離子反應與平衡”的相關知識.

4 學情分析

該課程內容對學生知識和能力水平的要求都很高,學生在參與課程之前需要充分掌握空氣中的氣體成分、含量以及各種氣體成分的物理、化學性質.還需要學生有定量的意識,要意識到氣體濃度的變化也會對物質的性質和反應的現象產生一定的影響.對學生分析和處理復雜問題的能力也有一定的要求.

汽車內雖然是學生較為熟悉的環境,但是由于氣體看不見、摸不著,學生很難在日常生活過程中注意到密閉空間中不同氣體濃度的變化.雖然近幾年人工智能發展的勢頭非常迅猛,但是中學生接觸得較少,人工智能進課堂仍處于調研階段.而本課程的學習過程中,學生不僅要理解人工智能的基本原理,還要用學過的化學知識與人工智能相結合,解決實際生活中遇到的問題.

5 教學與評價目標

5.1 教學目標

1)認識人工智能在未來汽車中所起的控制作用,明確汽車中的反應及其性質.

2)通過對汽車中涉及的化學反應的分析,了解模型在化學學科中的運用,加強對化學現象與模型之間聯系的認識,學會運用多種模型來描述和解釋化學現象,鍛煉預測物質及其變化的可能結果的能力.

3)通過分析汽車內環境中的氣體成分和濃度的變化,認識科學研究是進行科學解釋和發現、創造并進行應用的科學實踐活動;理解從問題和假設出發確定研究目的、依據研究目的設計方案、基于證據進行分析和推理等對于科學探究的重要性.

4)通過對空氣中二氧化碳濃度檢測方案的設計和討論,體會定量研究對化學科學的重要作用;了解科學探究過程包括提出問題和假設、設計方案、獲取證據、分析解釋或建構模型、形成結論及交流評價等核心要素;培養依據實驗目的和假設,設計解決問題的實驗方案的能力,并能對實驗方案進行評價.

5)通過使用pH 計,檢測二氧化碳對蒸餾水的pH 的影響,運用實驗基本操作實驗方案,能觀察并如實記錄實驗現象和數據,進行分析和推理,得出合理的結論.通過合作交流,對實驗過程和結果進行反思,說明假設、證據和結論之間的關系,用恰當形式表達和展示實驗成果.

5.2 評價目標

1)通過對未來汽車中可能遇到的安全問題的分析,發展學生在復雜問題情境中提出有價值的實驗探究課題的應用水平.

2)通過對二氧化碳溶于水發生的化學反應和碳酸電離過程的分析認識離子反應的本質,診斷并發展學生綜合分析和解決實際問題的能力.

3)通過二氧化碳水溶液的pH 的檢測實驗方案設計和操作過程,培養依據化學問題解決的需要,選擇常見的實驗儀器、裝置和試劑,完成簡單的物質檢驗實驗的能力.診斷并發展學生對化學實驗常用儀器的使用方法,以及依據操作說明使用精密儀器進行重要化學實驗的基本操作的應用水平.

如表1所示.

表1

7.1 基于真實情境的常規化化學教學設計

本節課的設計亮點之一是在真實化學情境下進行教學活動.隨著人們生活水平不斷提高,對汽車也提出了更高的要求.人們希望汽車越來越高速,越來越舒適,同時還要兼顧節能、環保,并能時時刻刻保護駕乘車人員的安全.

本課選題聚焦在汽車的安全性問題上.設計本課程的初衷是希望學生站在工程師的角度,設計汽車的氣體監控系統,保障行駛中汽車的氣體環境安全.要求學生在思考這個問題的時候,不僅要依賴現有的知識和已經具備的實驗探究技能,還要能對設計的實驗方案中與安全有關的各種因素進行綜合分析、判斷和決策.

越來越多的事實表明,化學在極大程度上推動了現代社會的文明和進步,對人類解決當今面臨的能源危機、環境危機、資源危機和糧食危機等一系列重大挑戰提供了可能的途徑.教育體制改革的根本目的是提高民族素質,培養出大量的新時代所需要的人才.這種人才應該具有獨立思考的能力和勇于創造的科學精神.培養這樣的人才,就提示中學教師必須進行教育思想、教學方法的轉變和更新.

在真實情境下的教學,使學生將對汽車的需求轉化為科學研究的目標,運用所學知識解決科學難題,激發學生的學習積極性,在課程過程中感知化學在生產生活中的重要應用價值,弘揚化學的科學價值和社會價值,激發學生關注生活、關心社會的情感.

7.2 問題線索引導式教學為學生思維發展服務

本節課設計了一連串的問題串聯整堂課,問題設計環環相扣、層層深入,問題難度逐級提升,讓學生始終保持新鮮感和學習的積極性.從某種意義上說,教學就是不斷地提出問題、解決問題和發現新問題的過程.在本節課的教學過程中,教師通過示范、引導學生自主提出問題.通過獨立思考、動手實踐和合作交流討論的活動不斷生成新的問題.

例如,在獨立思考行駛中的汽車發生的全部化學反應時主動想到：“是不是所有的反應都會影響汽車內部? 進而引起車內氣體環境的變化?”在動手實踐操作pH 計測量溶液中酸堿性的變化時,主動思考：“二氧化碳的濃度與pH 之間為什么呈現的不是一次方程的線性關系?”為后面講解弱電解質的電離平衡打下基礎.

在一個又一個問題的解決過程中,學生主動進行思考與實踐,從而提高創新意識和創新能力.以問題為中心組織課堂教學符合認知心理學的規律和高中學生的學習特點,有利于改善教與學的方式,使學生主動地學習.

7.3 著眼于未來的人工智能教學嘗試

在設計這堂課的過程中最難把握的就是人工智能—汽車—化學三者之間的關系.化學是人類對于過去接觸過的物質、現象和原理的總結;汽車是現代工業技術的結晶,也是人類不可或缺的代步工具,它的舒適性和安全性已經得到了較為充分的改善;人工智能著眼于未來,是解放人類的一種新工業形式.三者的結合對課程設計者來說是一種新的挑戰,如果能將理論性極強的化學知識應用于真實的情境、未來的設計中,可以促使學生更深刻地理解化學、技術、社會和環境之間的相互關系,感悟化學的價值,贊賞化學對社會發展的重大貢獻.

這個選題需要任課教師額外花費很多時間學習并不熟悉的人工智能領域的相關知識.初步了解發現人工智能在化學前沿的研究中起到的非常重要的作用.計算化學是理論化學的分支,也常指計算機科學與化學的交叉學科.人工智能在化學領域的應用數量正在以驚人的速度增長.尤其是人工智能的分支——機器學習,其核心是用計算機算法模擬人類的學習行為,這種行為的模仿過程與研究人員的培養過程十分相似,都是隨著訓練而提高的,也就是說機器學習的過程也很像學生學習知識的過程.

這樣的教學活動,很好地拓展了教師的知識面,使教師保持終身學習的習慣,動態地看待化學原理在現代生產生活中的作用,也幫助學生體會到化學的廣泛應用和在生產生活中的重要價值.

人工智能使科學研究的準確性提高,研究的效率得以飛速進步.有了人工智能的幫助,能大概率地鎖定更有優勢的研究方向,減少前沿研究所耗費的試錯時間.因此對于中學生的教育來說,最重要的是普及人工智能的能力和思維方式,讓學生了解人工智能在科學研究中的重要作用.

其次,對于現在廣泛使用的機器學習方法,由于其學習反饋和建模思路,與學生學習的過程非常相似,因此以目標需求帶動的課堂學習方法,某種程度上就是在模仿人工智能的學習方法.讓學生在學習過程中以科學家或設計者的思路來思考問題,將人工智能的思想引入課堂,對學生的未來學習和研究有非常大的幫助.