技術支持下的化學有效教學初探

陳華

摘要：以高三化學“純堿工業”的復習課為例，利用人工智能和現代化教學技術助力現代化學課堂，解決教學難點，轉型

教學方式，提升課堂效益，從而培養學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：人工智能;純堿工業;增強現實（AR）;虛擬現實（VR）;5G

文章編號：1008-0546（2022）05-0029-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.05.006

利用人工智能技術助力現代化學課堂，不僅能培養學生的化學學科核心素養，也是培養終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力的需要。在教育技術不斷發展的今天，讓技術賦能學科教學，轉型教學方式，解決教學難點，提升課堂效益，需要我們積極做出嘗試。

一、教學主題內容及教學現狀分析

1.教學主題內容

純堿具有廣泛的用途，是重要的化工原料之一。上海高三拓展型課程教材第五單元第三節化工生產章節里有純堿工業的相關內容。在《上海市高中化學學科教學基本要求（試驗本）》中，對純堿工業的學習水平定為C級，即運用水平。對純堿工業的具體要求細分為歸納氨堿法和侯氏制堿法的原理，了解簡單流程，并對方法進行評價。筆者開設的本節課，是一節解決學生問題的復習課。

2.教學現狀分析

化工生產專題是多年來教與學的一個難點。對于老師來說，整個生產原理和生產流程主要是從教材和教參上來理解，但是對實際的化工生產中具體的操作工藝不是很清楚。而對于學生來說，化工生產知識涉及的面較廣，如化學反應原理、原料選擇、能源消耗、設備結構、工藝流程、環境保護以及綜合經濟效益等，綜合性大，能力要求高。因為沒有實地參觀化工廠的經歷，因而感覺書本的知識較死板，更多的時候是被動地接受所有的高考知識點，提不起學生學習化工生產的興趣。對于“純堿工業”這一主題，生產流程相對比較復雜，學生學習的難點在于無法建構起整個生產工藝，對于索氏和侯氏兩條生產線的異同比較從抽象理論去理解比較困難。

查閱相關文獻，很多老師致力于通過模擬工業制純堿的實驗設計，來彌補中學教材中無相關實驗的缺陷。例如：陸麗潔等設計了三個模擬工業制備純堿和一個模擬聯合制堿法母液處理的實驗方案，旨在為純堿工業的實驗教學提供可選擇的參考素材和方法[1]。張志明應用化學平衡移動原理、溶解度差異等，通過控制化學反應條件，模擬優化了聯合制堿法制備純堿的實驗，加深學生對兩種工業制純堿方法原理的認識[2]。此外，其他老師也提出了相似的教學設計。這些教學設計還是以傳統的實驗教學模式為主。

二、教學思想與創新點

在教育技術不斷發展的今天，讓技術賦能化學教學，轉型教學方式，解決教學難點，提升課堂效益，需要我們積極做出嘗試。

課前通過智學網的檢測，診斷出學生問題來開展教學。通過自行設計的成本核算小程序，從數據幫助學生理解化學原理和生產工藝有區別。基于VR技術的現場實驗，讓學生沉浸式體驗危險系數高、可視范圍有限的實驗，深刻理解NH3和CO2的通入順序，加深對工業制純堿原理的理解，體會“宏觀辨識和微觀探析”的學科核心素養。通過5G實景課堂突破時空限制，與專家面對面交流，體驗化學原理和化工生產有聯系也有區別，解決老師和學生的困惑。再通過智學網大數據的反饋，檢測本堂課的學習效果。布置基于AR技術的學習資料包，供學生課后復習，實現線上和線下混合式學習。

三、教學目標

從教學內容和教學現狀分析，結合課程標準，本節課的教學目標為：

（1）通過成本核算的計算機算法和演算，理解索氏和侯氏生產工藝的異同點。

（2）通過理論計算和VR實驗，理解NH3和CO2的通入順序，體會“宏觀辨識和微觀探析”的學科核心素養。

（3）通過5G實景連線，搭建化學理論和化工生產的橋梁，體會理論和實際既有聯系也有區別。

（4）形成化工生產全局觀：根據國情和市場需求進行調控，才能達到利潤最大化。

（5）通過AR軟件，實現線上和線下混合式學習。

四、教學流程

五、教程實錄

1.問題診斷

【教師】課前，通過智學網的作業檢測，診斷出同學們對純堿工業生產原理的理解上還有些欠缺。總共布置的5道題目，只有少數題目的正確率超過了一半（見圖2）。例如：第二題，對于氨氣和二氧化碳的通入順序，正確率為100%，但是對于其理由的闡述卻不是很到位，正確率只有37.5%，說明大部分同學們沒有真正理解其原理。其實化工生產專題多年來就是教與學的一個難點。所以今天這節課，我們借助技術嘗試來突破這些難點，幫助大家更好理解這一工業。

2.問題突破

【問題一】為什么索氏和侯氏制堿法在制堿原理

上是相同的，但是在生產工藝上是不同的？

【教師講解】索氏和侯氏制堿法的相同點在于制

堿方程式相同，都用 NaCl、NH3、CO2的反應來制備純堿，NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3↓+NH4Cl

2NaHCO3 △ Na2CO3+CO2↑+H2O

工藝的改進就是為了盈利，接下來我們從原料成本上再來重新認識這個反應。現在我要得到1mol Na2CO3產品，根據制堿原理分別需要多少原料？

【學生回答】2 mol NaCl、2 mol NH3、2 mol CO2

【教師計算】我用計算機算法來快速模擬計算一下這個反應的盈虧值（見圖3）。

【教師自答】通過計算結果，我們看到它是虧錢的。因此實際的工藝流程中還需要想方設法采取其他措施來讓它轉虧為盈。

【教師提問】索爾維采取哪些措施讓它轉虧為盈？展示各種原料的價格表[3]（見表1）。

【學生回答】（學生回憶索爾維制堿法的流程，結合原料價格表，通過小組討論梳理盈利措施。）NH3的 成本價是最高的，因此索爾維想到要循環使用NH3來降低成本。碳酸氫鈉受熱分解也會產生CO2，因此也可以循環使用，來降低原料成本。

【教師追問】循環的NH3哪里來？ NH4Cl如何變成 NH3？加什么堿，成本最低？ Ca（OH）2哪里來？因此索爾維制堿法的原料是什么？

【學生回答】通過溶液中的 NH4Cl 轉變而來。加堿，加 Ca（OH）2，成本最低。石灰石煅燒。因此索爾維制堿法的原料是NaCl和CaCO3。

【教師提問】所以，索爾維制堿法的原料為碳酸鈣和氯化鈉。要得到1 mol Na2CO3，從元素守恒的角度來說，分別需要多少原料？

【學生回答】2 mol NaCl、1 mol CaCO3

【教師提問】侯氏制堿法是如何改進工藝來盈利的呢？請進行小組討論。

【學生回答】當時特定的歷史背景，堿廠內遷，導致 NaCl 的價格上升。碳酸氫鈉受熱分解也會產生 CO2，所以循環使用NaCl 和CO2，來降低原料成本。當時我國對化肥的需求量激增，所以侯德榜將溶液中的 NH4Cl轉變為化肥產品售出，來增加盈利。

【教師提問】根據方程式，侯氏制堿法得到1 mol Na2CO3產品的同時，同時還能得到多少mol的NH4Cl產品？

【學生回答】2 mol NH4Cl

【教師提問】同樣根據元素守恒，分別需要原料多少mol？

【學生回答】2 mol NaCl、2mol NH3、1 mol CO2

【教師講解】請同學們在PAD上快速計算一下改進后的兩種工藝盈虧值。

【學生操作】見圖4

【教師補充】改進工藝后，工廠都賺錢了。索氏和侯氏制堿法工藝不同，是因為當時的國情所決定的。當然實際的化工生產中，我們不單單要考慮經濟成本，其實還要考慮環境成本和設備成本等因素，這也是我們現代工業發展的方向。

每種工藝也都有各自的優缺點。根據當時的國情和市場需求來進行調控，才能達到利潤最大化。例如：我們作業中的N.A法就是根據市場需求兩條生產線的聯合使用。

【學生訂正】根據我的講解，對作業中的第四題，我們一起來進行訂正。

【問題二】為什么先通NH3，再通CO2，能得到大量的NaHCO3固體？

【教師提問1】為什么要生成NaHCO3，不直接生成產品Na2CO3呢？

【學生回答】相同條件下，NaHCO3是所有物質中溶解度最小的，最容易析出。

【教師提問2】怎樣得到大量的NaHCO3固體呢？

【學生回答】提高溶液中Na+和HCO-3的濃度，使溶解平衡朝結晶方向移動。

【教師提問3】怎樣得到較高濃度的Na+和HCO-3？

【學生回答】水溶液中加NaCl 固體至飽和，就能得到高濃度的Na+。盡可能讓CO2溶解于溶液中，才能得到高濃度的HCO-3。

【教師提問4】怎樣的溶液環境可以溶解盡可能多的CO2？

【學生回答】堿性環境

【教師講解】所以我們通常是讓CO2和NH3先生成 NH4HCO3的方式來增加 HCO-3的濃度，那就意味著我們還需要通入 NH3作為原料。那么先通 NH3還是先通 CO2，本質區別在于可能會影響生成的NH4HCO3的 量。展示CO2和NH3在水中溶解性信息（見表2）。

【教師計算】根據溶解度信息，我們來進行一個粗略計算。假設用10 mL水來溶解NaCl 固體到飽和，先通NH3，大約可以溶解7000 mL 的NH3，假設是標準狀況下，可以溶解0.3125 mol 的 NH3，再通 CO2，能得到 NH4HCO3為24.688 g。如果先通 CO2，只能溶解10 mL CO2，最終得到NH4HCO3為0.035 g。

【教師提問】這是我們粗略的計算，通過什么方法可以來驗證？

【學生回答】實驗

【教師說明】考慮到實驗用量、經濟環保和現象明顯等原則，我們最終以計算值的五分之一進行實驗，通過實驗來驗證到底哪種方式可以得到大量的碳酸氫鈉固體？因為碳酸氫銨有強烈的刺激性氣味，不便于在我們今天的教室里實驗演示。請同學們戴上VR 眼鏡，讓我們從六樓穿越到十二樓的化學實驗室，由在實驗室的朱老師為我們完成這個實驗（見圖5）。

【教師實驗】

1號試管：含有10 mL水的飽和食鹽水加4.938 g 碳酸氫銨固體

2號試管：含有10 mL水的飽和食鹽水加0.007 g 碳酸氫銨固體。

3號試管：10 mL水加4.938 g碳酸氫銨固體

【教師提問】通過實驗現象，你能得到什么結論？

【學生回答】1號和2號試管對比得知，只有先通 NH3，再通 CO2，才能得到大量的 NH4HCO3固體。1號和 3號試管對比得知，1號試管產生的大量白色固體晶型和3號試管不同，證明1號試管里產生的白色固體不是過飽和的NH4HCO3。

【問題三】實際的純堿生產中，具體操作工藝是如何的呢？

【教師講解】同學們也有很多問題想問，讓我們運用5G技術來連線中鹽昆山有限公司的工程師，請他來為我們解答。（圖6）

【工程師回答】（簡要介紹其工廠聯合制堿法的原理，帶著學生一起觀看工廠各步驟需要的設備。）

在我的右手邊這個是我們的聯堿裝置主反應器碳化塔，它主要作用就是用通入的二氧化碳氣體跟氨母液II（吸氨后的鹽水）反應產生碳酸氫鈉結晶，最后再固液分離去煅燒制出合格的純堿。

這邊是母Ⅰ吸氨器，母Ⅰ吸氨器是我們Ⅰ過程帶濾機固液分離之后的母液Ⅰ ，經過母Ⅰ泵送上來之后，吸收氨氣制成合格的氨母液I，送入II過程制造合格的氯化銨。

這邊細條就是我們的原料鹽的皮帶，經過皮帶輸送到我們的鹽析結晶器，經過同離子效應析出氯化銨稠厚液，送入冷析結晶器和氨母液Ⅰ一起通過降溫結晶析出氯化銨，送入我們的離心機。我們的離心機下來的氯化銨經過這根皮帶一部分到干銨車間，一部分直接到包裝，那邊一條是干銨車間出來的成品經過皮帶輸送到干銨包裝機。

這邊是我們的母Ⅱ（Ⅱ過程產生的經過冷析和鹽析處理的母液）吸氨器，它主要是母Ⅱ泵打上來的母液Ⅱ，在我們的吸氨器里邊吸氨，提高我們母液Ⅱ中的游離氨來變成我們制堿需要的氨母液Ⅱ。

【學生提問】如今化工廠是否也與時俱進，能夠“無人運作”？當今化工廠工人的主要工作是什么？

【工程師回答】介紹了一些其工廠先進的技術。但是純堿工業仍舊是基礎工業，包含很多步驟，比如過濾、結晶等，都需要通過巡檢來現場處理。但是相信隨著技術的發展，這方面會越來越改觀。

【教師總結】謝謝工程師的精彩講解。在總的發展過程中，純堿工業的基本原理是沒有改變的，但是工藝在不斷優化，裝備在不斷升級。

3.教學反饋

【教師講解】現在請同學們登陸自己智學網的賬號，完成我剛發布的題目，檢測一下今天的學習效果。

【學生作答】利用 PAD 登錄賬號，作答。課的最后當堂反饋（見圖7）。可見比圖1 的正確率有很大提高。

4.視野拓展

【教師講解】今天雖然我們沒辦法實地去化工廠考察，但是利用AR技術，我們可以在PAD上觀看整個純堿工業的生產工藝。

【教師投屏】AR技術展示純堿工業

【布置作業】請同學們將AR軟件作為課后學習資料包并完成軟件中的思考題（見圖8）。

【教師總結】本節課通過問題的解答和作業的反饋結果，說明技術賦能課堂，促進教與學的轉型還是有成效的。對于作業中的其他問題，我們下節課繼續討論。

六、教學技術說明和教學反思

1.利用大數據，精準化教學

傳統的教學模式，老師通過手閱作業，憑自己的經驗和印象，講評學生錯誤率高的題目。其實這是比較模糊的做法，沒有客觀數據的支持，無法科學準確判斷出學生的學習問題。有了大數據技術，只要采集學習過程中常態化的海量數據，教師就能了解每一位學生，進行客觀理性的學情分析和學業水平評估，從而更好地指導教學、開展活動。

智學網是科大訊飛面向學校日常作業、考試及發展性教與學評價需求推出的大數據個性化教學系統，旨在為用戶提供更加簡單易用的系統操作和全面完善的資源服務，通過大數據分析充分挖掘考試價值，通過基于云服務的PC及移動終端為老師和學生提供針對性教和個性化學的信息化環境與服務[4]。

利用課前智學網布置作業，通過AI大數據分析，找到學生具體的問題，及時進行精準化教學——設計出本堂課需要解決的三個問題。利用智學網平臺檢測學習效果，及時了解學生的學情，調整教學內容與進度。“教、學、評”的一致性完全可以在大數據下進行，所有的評價都可以基于數據的診斷，幫助我們的老師和學生及時了解自己的得和失，完善自己的教和學生的學。

2.利用計算機算法和演算，幫助理解兩種生產工藝的異同

索氏和侯氏兩條制堿生產線的異同，一直是學生理解的難點。傳統教學模式，教師通過化學原理等的講解和提問，得出兩種制堿工藝流程圖，最后讓學生對兩種制堿工藝進行異同點的對比和優劣評價。檢測教學效果，發現學生對有關內容掌握程度較差，對異同點的把握還是停留在老師傳授的知識點上，沒有主動探索思考實踐的過程，知識就不容易內化成為思維品質和創新能力。筆者思考，能不能選擇一個簡單明晰的角度來解讀復雜的化工生產呢？化工生產首要考慮經濟問題，只有對生產成本進行嚴格的核算，才能控制成本，進而提高產品的市場競爭力和經濟效益。筆者將原來教師講授為主變為學生探究為主，學生通過分組交流討論，對兩種方案的原料、循環物質、產品進行了對比，在平板上通過成本核算的計算機算法和演算小程序，對比化學原理制堿法和工業實踐制堿法的計算結果，直觀生動地傳遞出這樣一個認識：化學原理要轉化為大規模的工業生產，還必須考慮投入產出性價比。

3.利用VR技術沉浸式體驗，突破時空限制

虛擬現實（VR）是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境，用戶借助必要的設備與數字化環境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實環境的感受和體驗[5]。

先通 NH3還是先通 CO2，是具體的生產工藝問題。這個問題是大部分學生的理解難點。傳統的授課方式，直接對比NH3和CO2的溶解度信息，由學生運用兩種氣體的性質來定性地判斷氣體的通入順序對產品產量的影響。但是通過作業的批改，發現學生對于其反應的本質原因，沒有真正理解。于是筆者將這個問題拆解成四個小問題，與學生進行討論，運用化學平衡理論的分析，最終學生明白其本質，氣體的通入先后順序直接影響了碳酸氫銨的生成量，最終影響產品碳酸鈉產量。為了讓學生有更直觀的感受，筆者利用 NH3和 CO2的溶解度信息進行了粗略的理論計算，然后通過實驗驗證，最終得到結論。也體現了化學學科“宏觀辨識和微觀探析”的核心素養。因為碳酸氫銨固體有強烈的刺激性氣味，不便于在教室里進行實驗。另外，試管實驗受學生座位的影響，可能后排學生看不到明顯的實驗現象，因此用VR 眼鏡沉浸式地體驗，可以更好地幫助學生觀察到反應后的兩支試管中白色固體晶型不同，從而理解反應的本質。借助VR技術，也突破了時空限制，讓在實驗室的老師現場完成這個實驗，增加實驗的真實性和可靠性。

4.利用5G 實景課堂，搭建書本知識和化工實際的橋梁

因為學生沒有實地參觀化工廠的經歷，因而感覺書本的知識較死板，更多的時候是被動地接受高考知識點，提不起學生學習化工生產的興趣，達不到好的學習效果。而教師對于化工實際操作工藝不是很清楚，學生在學習完化工生產的理論知識后，也不能很好地和化工生產實際相結合。借助5G 實景課堂，讓更專業的化工廠工程師解答學生的困惑和疑問，使書本知識鮮活了起來，拉近了化工生產與學生學習的距離，幫助學生搭建起書本知識和實際生產的橋梁，讓學生深刻體驗理論和實踐既有聯系又有區別。通過現場連線，教師也開拓了視野。低延遲的5G 網絡能夠讓學習者進行遠程超控，大大提高遠程教學的臨場感。我們的課堂也從單師課堂走向雙師課堂甚至多師課堂，使我們的教學更專業更富有魅力。

5.利用AR技術，幫助學生實現混合式學習

增強現實（AR）是以虛擬現實技術為基礎發展的新興技術，與虛擬現實技術模仿現實世界創設的虛擬環境不同，它通過利用計算機的現實與交互、網絡的跟蹤和定位等技術，將虛擬信息呈現到真實世界，讓虛擬的物體與真實環境實時疊加，對現實世界進行補充，在虛實結合的交互中增強對現實世界畫面或空間的視覺、聽覺、觸覺等方面的體驗[6]。

以往化工生產專題的文本資料，除了教材內容就是習題作業。學生課后的學習鞏固形式較單一。利用AR軟件模擬整個純堿工業，可以幫助學生回看整個工業生產細節。為學生提供了純堿工業課后學習資料包，實現線上線下混合式學習，可以達到更好的學習效果。

本次利用技術對教學進行革新，令我對人才的培育也產生了新的想法。我們可以重構學生的學習組織和教學流程，學生的學習已經不限于教室的四十分鐘，時間上可以向前或向后延伸，空間上甚至可以拓展到全宇宙啊！不同的學生完全可以選擇不同的節點進行個性化的學習。這種突破時空限制的智慧課堂有助于推動整個育人方式的改革，促進人的主動發展，激發人的內驅力。

七、結語

這一次技術賦能化學學科教學的實踐嘗試，拓寬了教師的視野、豐富了教學方式、有利于教學重難點的突破。從學生學習的角度看，人工智能技術既有助于課堂學習，也有益于課后的補充學習。它能夠為學生建構虛擬學習情境、多方位地理解學習內容，增強學習的趣味性，使其不僅僅作為展示、觀察和體驗工具，而是能夠幫助學生對學習內容有更深入理解與建構。從教師教學的角度看，教學內容的確定有了可資參考的數據，更加實時化、精準化;教學方式的選擇有了更多的可能性，更加多元化、情境化;教學評價的根據有了更多的渠道，更加多元化、交互化。這些都說明人工智能技術在教育中應用的范圍寬泛，潛力巨大。我們要構建立體豐富的智能平臺，推進真實與虛擬的課堂融合，實現線上預學、課堂即時交互、實時反饋，線上線下延學的自由切換式的學習。今后，我們也會在不同的化學專題版塊嘗試利用新技術進行教學重難點的突破，以技術推動教與學方式的改變，將學習由被動接受的過程，轉化為主動探尋的過程，在提升學生學科核心素養的同時，培養學生終身發展的必備品格和關鍵能力。

參考文獻

[1]陸麗潔，劉麗君.模擬工業制備純堿的實驗設計[J].化學教學，2014，1：52—54.

[2]張志明.模擬聯合制堿法制備純堿實驗的優化設計[J].化學教學，2017，11：66—68.

[3]徐凱里.基于成本核算的化工生產教學一以“純堿工業”為例[J].化學教育，2017，38（15）：62—65.

[4]https：//baike.baidu.com/item/%E6%99%BA%E5%AD% A6%E7%BD%91.

[5]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學F輯：信息科學，2009（1）：2-46.

[6]王辭曉，李賀，尚俊杰.基于虛擬現實和增強現實的教育游戲應用及發展前景[J].中國電化教育，2017（367）：99—107.