融合Ai學智慧教育技術的教學實踐

徐志鍇

摘要：建設智慧校園，推動人工智能在教育教學的應用是近年教育教學發展的趨勢。文章以“氨氣噴泉實驗”為例，將Ai學智慧教育技術融入到課前、課中和課后，精心設計“呈現經典，初探原理——變換裝置，深挖原理——創設情景，運用原理——Ai自推送，內化原理”四個教學環節，不僅提高學生核心素養和信息技術水平，又能推動人工智能在教育教學的發展。

關鍵詞：氛氣;噴泉實驗;Ai學;人工智能

文章編號：1008-0546（2021）07-0025-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.007

一、問題提出

2017年，國務院印發了關于“新一代人工智能發展規劃的通知”，要求利用智能技術加快推動人才培養模式、教學方法改革，構建包含智能學習、交互式學習的新型教育體系。近年來，以Ai學智慧教育平臺（https：//www.ailearn100.cn/）為代表的一批人工智能智慧學習平臺興起，該平臺將人工智能、大數據、圖文識別等技術與日常教學教研深度融合，為師生、學校以及教育監管部門提供個性化的智慧教學解決方案[1]。

氨氣的噴泉實驗是高中化學重要的演示實驗，同時也是建構學生模型認知的極佳素材。就目前而言，關于“噴泉實驗”這一內容，已有很多相關案例，如王曉瑜等設計生成氨氣與引發噴泉的一體化裝置[2];燕敏等用有機玻璃設計一個三室雙氣體噴泉裝置[3]。這些教學案例主要集中在噴泉實驗內容的創新和裝置的改進，但利用氨氣噴泉實驗原理即壓強差原理進行知識延伸，卻是高考的熱門素材，如2015年廣東卷33題，2016年全國Ⅰ卷26題，2017年全國Ⅰ卷26題和2018年全國Ⅰ卷26題。所以在化學核心素養引領下，整合相關資源，優化教學設計，深入分析噴泉實驗原理，拓展其原理的應用，將是一項富有意義的研究。

基于以上思考，以建立有效思維模型和提升實際問題解決能力為目標，借助Ai學智慧教育技術，筆者在必修1第四章第四節的學習中設計“噴泉實驗引發的思考”的專題課，探討在智慧教育技術引領的教學實踐中融入化學核心素養的養成和落實，為基于核心素養和信息技術的教學提供參考。

二、設計思路

如何準確把握學生學習的認知障礙是教學過程中面臨的主要困難。前測備課是解決該困難的有效手段，前測診斷測試題的命制和評閱分析卻需要消耗教師大量的精力和時間。Ai學智慧教學平臺則很好地解決這些難題，在不改變學生紙筆書寫習慣的前提下，通過集成無線訪問接入點、充電柜、點陣數碼筆、教學平板等硬件設備;采用云—網—端模式，實現對學生書寫筆跡等數據的全程記錄。Ai學平臺最具亮點的功能是云端批改，不僅可以對客觀題進行批改，而且還能按步驟對主觀題批改，最后形成單次作業報告、階段性作業報告和考試報告等;基于這些報告數據，結合推薦算法，定位薄弱點，自動推送訓練和復習題。由Ai學支持下的一般教學過程如圖1。

結合新課程標準、高考命題趨勢和學生特點，選定氨氣噴泉實驗這一主題，在Ai學平臺中挑選合適的素材，最終確定推送素材，包括3個自學材料、1個客觀性測試題和3個主觀性測試題。教師在課前通過教師端平板推送給學生端平板，學生完成后Ai學平臺將智能診斷結果反饋回教師端，其結果如表1。

從表中可知學生完成課前推送素材的平均作答時長約為11分42秒，符合預期。學生基本能夠自覺閱讀自學材料中的內容，而客觀測試與主觀測試的結果反映出學生存在的主要思維障礙是：將自學材料內化為核心知識能力較弱;不能理解氨氣溶解度所帶來的實際影響;知識遷移和綜合分析能力較弱;不能透過現象看到事物的本質，歸納總結能力較弱。基于以上分析，確定本節課的教學目標是：通過分析氨氣的噴泉實驗，培養學生“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養;通過變換不同的噴泉實驗情景，提高學生解決陌生情景的能力;通過創設不同的實驗裝置，培養學生接受、吸收、整合信息的能力，發展學生“科學探究與創新意識”的核心素養;通過Ai學的協助，精準定位學生的知識薄弱點，幫助學生理解噴泉實驗原理，提升信息技術水平。

結合學生存在的思維障礙，為了充分發揮Ai學平臺的技術優勢，筆者精心設計四個教學環節，分別是“呈現經典，初探原理——變換裝置，深挖原理——創設情景，運用原理——Ai自推送，內化原理”，從情景線索、學生活動和教師支持等維度展開教學，其設計思路如表2所示。

三、教學實施

1.環節一：呈現經典，初探原理

【引入】演示氨氣噴泉實驗，如圖2。

【生】觀察實驗現象，并思考產生噴泉的原理。（看到產生紅色噴泉后，露出驚訝的表情）

【討論】從自學材料可知道，氨氣溶于水，打開活塞后，當擠壓膠頭滴管，則能引發噴泉。

【追問】按照你的思考，集氣瓶氣體換成CO2應該也能形成噴泉實驗？

【討論】兩種氣體在水中都具有一定溶解度，但氨氣在水中溶解度明顯比CO2大很多，使瓶內壓強迅速減少，造成瓶內外形成較大壓強差，從而形成噴泉。

【追問】還有哪些氣體在此裝置基礎上完成噴泉實驗？若形成CO2噴泉實驗，則裝置如何改進？

【生】選擇在水中有較大溶解度的氣體，如HCl。改變溶劑，增加CO2溶解度即能形成噴泉實驗，可將膠頭滴管和燒杯中的蒸餾水改為NaOH溶液。

【過渡】圖3中圓底燒瓶中充滿氨氣，打開活塞后，引發噴泉的實驗操作是什么？

【生】可以用熱毛巾捂住集氣瓶，并到講臺進行演示實驗。

【追問】熱毛巾捂住集氣瓶，本質是什么？

【生】氨氣受熱膨脹，迅速擴散到導管，氨氣溶于水，瓶內與外界形成較大壓強差，從而形成噴泉。

【追問】這個方法很好。還有其他方法嗎？

【生】用毛巾包住少量冰塊再捂住集氣瓶，并演示實驗。

【點評】這個方法與前面同學的原理是相同，不同的是，前者是氨氣“主動出擊”溶解，后者是氨氣“被動攻擊”溶解。

【Ai推送】H2還原CuO實驗中，實驗結束后，應該先撤出導管還是先熄滅酒精燈，說明理由？其中的原理與噴泉實驗原理是否相似？（學生思考并作答，Ai學平臺收集數據并生成報告）

【小結】引發噴泉實驗原理是瓶內壓強小于外界大氣壓強，形成較大壓強差。而引發的方法可分為物理方法（升溫、降溫）和化學方法。

2.環節二：變換裝置，深挖原理

【過渡】如圖4所示裝置，集氣瓶中充滿空氣，錐形瓶中裝有酒精，打開活塞后，該裝置如何引發噴泉？

【生】將水槽中的水加熱，使酒精氣化，從而引發噴泉。

【追問】該裝置引發噴泉的原理是否與圖2、圖3相同？

【生】（教師引導）前者是使上方瓶內壓強減少，瓶內壓強小于外界大氣壓，下方的溶液“倒吸”進入上方集氣瓶;而這套裝置是使下方瓶內壓強增大，瓶內壓強大于外界大氣壓，下方的溶液被“壓進”上方集氣瓶中。

【追問】這位同學分析得很到位。錐形瓶中加入哪些試劑組合同樣可以引發噴泉？

【生】碳酸鹽與鹽酸產生C認。

【師】在前面的學習中，我們是否有利用這一原理實現相關用途的裝置呢？

【生】隨關隨停裝置：如啟普發生器。

【小結】此類裝置引發噴泉實驗原理是瓶內壓強大于外界大氣壓強，形成較大壓強差。而引發的方法可分為物理方法（升溫使溶液氣化）和化學方法（產生氣體）。

3.環節三：創設情景，運用原理

【師】為了能夠長時間看到白色Fe（OH）2沉淀，請設計合理實驗裝置，注明反應裝置所選的試劑并簡述生成Fe（OH）2沉淀其操作過程。實驗可供選的儀器有燒杯、大試管、具支試管、普通導管，T形導管、止水夾、橡膠管、橡膠塞;試劑有稀硫酸、鐵粉、NaOH溶液。

【生】小組討論，并畫出實驗裝置圖，之后進行小組匯報。

【師】制備Fe（OH）2的反應方程式是什么？這些原料從何而來？Fe（OH）2特點是什么？如何將原料混合從而制備產品？

【生】制備Fe（OH）2反需要Fe2+鹽與強堿反應，Fe2+鹽需要稀硫酸與鐵粉反應所得，而強堿則直接使用NaOH溶液。

【生】Fe（OH）2容易被氧化而變色，因而所需試劑使用前都應煮沸一段時間，以便除去溶解的O2。

【追問】這個做法很好。可以除去各溶液中的氧氣，但如何除去實驗裝置中的氧氣呢？（學生困惑）

【討論】如圖5所示，先打開止水夾，利用稀硫酸與鐵粉反應產生的H2排除裝置中空氣，反應一段時間后，關閉止水夾，左側具支試管內壓強增大，溶液從而進入右側試管。

【評價】這就是噴泉原理的一個很好范例。

【小結】從噴泉實驗裝置出發，分析其原理，明確其方法，從而實現其多種用途，其思維模型如圖6。

4.環節四：Ai自推送，內化原理

【課后任務】過濾常用固液分離，但由于過濾時間較長，為其使用帶了不便。結合今天所學知識，通過改進裝置可以加快過濾速度，你想到了什么實驗裝置？

【生】基于學生課前、課中和課后的學習報告，Ai學平臺自動推送強化訓練。

【師】查看Ai平臺報告，依據學習報告對學生個別指導。

四、成效與反思

在Ai學智慧教育技術幫助下，經過本節課的思維訓練，學生能夠較為熟練地將兩種引發噴泉實驗的原理運用到實際問題的解決中，并很好地完成了1個課后任務和1-2個Ai學自推送任務。課例實施后，對Ai學實驗班的3位學生進行訪談，學生均在以下幾個方面得到發展：第一：學會從微觀角度分析解決宏觀問題，建立了宏微結合的分析思路;第二：感受到化學學科的趣味性和價值性;第三：初步建立“裝置——原理——方法——用途”的認知模型。

在完成課堂教學的第二天，對Ai學實驗班與對照班進行當堂檢測，實驗班檢測卷通過Ai學平臺推送給學生，而對照班則發放紙質測試卷;考查的主要內容是噴泉實驗的相關知識點，測試題經過本校資深教師審閱，符合課堂檢測的難度標準。其中，客觀題是選擇題，主觀題是實驗題，其測試結果如表3。

從表3結果可知，Ai學實驗班客觀題和主觀題的得分率明顯高于對照組，說明本課時的教學效果并不比傳統教學差，甚至有可能優于傳統教學;Ai學智慧教育技術的教學模式對課堂教學具有積極作用。另外，本班級從高一級第一學期初引入Ai學平臺，以第一次月考為成績起點，教師按照圖1的教學模式進行教學，班級成績也在穩步向前，也進一步說明該模式對日常教學有正面影響。

新時代既要求教師具有先進的教育科學理念和素養，又要求教師具有精湛的信息技術應用能力。Ai學利用其技術優勢滲透整個教學流程，解決多個難題。課前，教師利用豐富的平臺素材，輕松、靈活地備課，使用課前推送素材等功能可以有效掌握學生初次學習情況，在數據支持下精準備課。課中，教師可以手持教師端平板進行移動授課，拉近了學生空間距離，又根據學生掌握的情況進行智能推送、及時反饋和互動。課后，借助平臺中電子教輔和標簽化題庫，教師可以根據課前和課中反饋的學情報告進行分層作業布置，人工智能技術可以實現自動批閱，形成完整的作業報告，讓教師及時了解學生的薄弱知識和能力點并改變教學策略。

參考文獻

[1]趙順，胡麗斌.Ai技術助力學生錯題本的建立與應用實踐研究[J].中國現代教育裝備，2019（16） ：7-8+15

[2]王曉瑜，冉鳴.氨氣噴泉實驗的一體化設計[J].化學教育，2018，39（19）：52-53

[3]燕敏，莫尊理，茍如虎，等.氣體噴泉實驗裝置的改進及應用[J].化學教育2018，39（19）：54-56

*本文系廣州市教育研究院2019年“第十八屆特約教研員”專項研究課題（課題編號：GZJYTY2019-114）;廣州市教育科學規劃2018年度課題（課題編號：201811883）;廣州市教育科學規劃2020年度課題（課題編號：202012696）階段性研究成果。