人工智能驅動的課堂分析：電化學綜合利用教學實踐與反思 ?

當前，數字技術已成為人類與社會發展的新質生產力。數字是數據活化、發現教育規律性認識的基礎，是人工智能賦能教育創新的基礎^[1]。人工智能是新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力量，是研究開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的一門新的科學。AI課堂分析是對教師在教學設計及課堂組織、學生學習狀態及思維發展的人工智能分析形式，旨在促進教學教研數字化。AI賦能課堂教學評價具有很強的現實性和前瞻性。隨著教育思想、理論和技術的發展，學校教育和課堂教學在不斷演變，但是課堂始終是改革的對象和主陣地。筆者以高三化學“資源視角下的電化學綜合利用”（第三課時）的AI課堂分析為例，介紹如何利用AI等技術分析并改進課堂教學，探尋技術賦能課堂教學的可行之法。

一、傳統模式下課堂教學設計與實踐

（一）學情分析及課程目標設計

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）對“電化學基礎”提出了明確的學業要求：認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其應用，了解原電池和電解池的構成、工作原理；認識電解在實現物質轉化和能量儲存方面的具體應用；了解金屬發生電化學腐蝕的原因、金屬腐蝕的危害，以及防止金屬腐蝕的措施。教師將化學與“工程技術”結合開展跨學科教學，對學生處理復雜實際問題的能力和思維能力要求較高。

從往屆學生學習情況來看，普遍存在如下問題：①原電池與電解池混淆不清；②電極反應式書寫不規范；③提取新情境信息能力不足。從平時課堂情況來看，學生在以下方面具有優勢：①進入高三一輪復習階段，對模塊融合分析較為適應；②已適應單元整體教學的學習方式；③學習熱情較高，樂于接受挑戰。

根據課標要求及實際學情確定單元教學目標如下：復習原電池與電解池的基本工作基本原理、電極反應式的書寫、電化學的綜合應用，構建解決電化學實際問題的思維模型。其中，第三課時教學目標如下：①閱讀資料（典型示例），感知金屬腐蝕的巨大破壞力，借助思維導圖歸納總結金屬腐蝕的種類和防護方法；②了解環境污染及治理相關信息，感知電化學在環境治理中的重要作用，構建電化學在解決水體治理和大氣凈化等問題中的分析方法；③分組討論分析氯堿工業原理，了解電解原理在工業生產中的主要應用，構建膜在產品制備過程中作用的分析方法，同時，在“模型建構—模型應用—化學觀念形成—素養發展”進階中發展“實驗探究與創新意識”的學科素養^[2]；④課后進行AI課堂分析，了解課堂學生表現和教師整體素質情況，明確改進方向。

（二）教學關鍵內容及重難點

教學關鍵內容包括：①對學生繪制的思維導圖進行分析和點評，診斷并提升學生對金屬腐蝕的種類和防護方法的認識水平（孤立水平、系統水平）；②引導學生探究電化學在污水處理和空氣凈化方面的應用，診斷并提升學生將電化學用于環境治理的能力水平（視角水平、內涵水平）；③引導學生探究家用消毒器的制備，分析氯堿工業中離子交換膜的作用，診斷并提升學生對應用電解原理制備化工產品思路的結構化水平（視角水平、內涵水平）。教學重點為：開拓資源視角下的電化學知識網絡，建構電化學綜合利用視角。教學難點為：引導學生在解決實際問題的過程中融通必備知識、關鍵能力和正確價值觀。創新之處：將AI等數字技術應用于課后分析，并依托AI課堂分析，感知教學過程存在的問題，尋找有效提升課堂教學的方向。

（三）初始設計思路

新課改強調學生的主體性，教師應適當地將主動權交給學生，變被動學習為主動學習^[3]。在高三化學第一輪復習中，教師設置問題情境開展教學，有利于學生形成解決問題的思路，加強其知識和技能儲備。教師設置問題要注意培養學生化學思維能力，促進學生科學探究能力發展。在教學中，筆者設置真實問題情境，以促進學生宏觀辨識與微觀探析素養發展，讓學生增強證據意識，通過對電化學體系知識的回顧、整理和歸納，自主構建電化學原理體系，明確高考考點，建立完整思維模型。為了讓學生在課堂活動中鍛煉語言表達能力和自主學習能力，筆者將給予學生充分的思維發揮空間，幫助他們系統地整理加工所學知識，理解所學知識，探尋化學本質。

（四）教學過程

1.問題導入

學習任務1：保護資源，人人有責。

評價任務1：診斷并提升學生對金屬腐蝕的種類和防護方法的認識水平（孤立水平、系統水平）。筆者出示資料卡片與思維導圖讓學生思考金屬腐蝕的主要類型有哪些，金屬有哪些電化學防護方法，接著展示電化學腐蝕實驗原型和碼頭鋼管樁的電化學防腐。

2.設計核心任務開展教學與評價

學習任務2：保護環境，我來護航。

評價任務2：診斷并提升學生將電化學應用到環境治理的能力水平（視角水平、內涵水平）。筆者播放視頻，引發學生思考，讓他們結合電化學實際應用，分組討論應用電化學原理治理污水、廢氣等環境問題，梳理分析思路，進而在展示、交流、總結、評價過程中形成認知思路。

學習任務3：利用資源，制備產品。

評價任務3：診斷并提升學生對應用電解原理制備化工產品思路的結構化水平（視角水平、內涵水平）。筆者首先引導學生探究電解飽和食鹽水制作家用環保型消毒液發生器的原理，討論將電極用鐵代替為何沒有得到消毒液的原因，然后回歸教材，分析工業上制備氯堿過程中如何避免Cl與NaOH溶液反應，以及離子交換膜的作用，最后制備KIO和NaSO。

歸納總結：離子交換膜的種類和作用。

電化學制備物質的常見裝置及思路：制備NaSO也可采用三室膜電解技術，其中SO堿吸收液中含有NaSO和NaHSO。

（五）對初始教學設計的反思及存在的困惑

教學重構單元教學，以電化學原理大概念統攝教材內容，創建實際問題鏈統攝教學內容，整合教學資源，使之成為有教學意義的單元整體，能夠優化課堂教學。但教師仍存在以下困惑：①教學評一體化的實施效果無法有效監測：設計了評價任務及指標，幫助學生明確知識“從哪里來”“到哪里去”“帶什么去”“如何去”，但無法確認“學生是否達到預期目的”。②無法確定跨學科融合備考中的問題設計是否合理且有效：“化學+工程”跨學科融合的目的是應用多學科知識和教學思維，實現知識交融、方法融通和課程資源的有機整合，更加深入地引導學生分析真實電化學裝置相關問題，但無法評估課堂問題的有效性。③難以判斷是否促進學生深度學習：教師根據教學目標設計了探究問題（層層推進、邏輯自洽），幫助學生在解決問題的過程中促進認識思路的結構化、模型化，形成認知思路與方法，力爭實現高三復習從“雙基”教學到“素養為本”的教學變遷，但對于學生是否發生深度學習行為無法準確判斷。

二、AI課堂分析賦能課堂改革

帶著以上困惑，筆者借助北京市東城區智慧教育云服務平臺進行AI課堂分析。筆者將課堂教學視頻（教師視角、學生視角）及教學設計導入平臺進行分析，獲取報告。以下，筆者結合報告進行綜合分析。

（一）學生思維培養效果評估

報告信息：本課堂非思維問題和初級思維問題共125個。報告提示：教師可以提高問題的針對性和實效性，適當控制問題的數量，增加開放性和創造性問題，關注學生的反應和參與情況，提高問題的層次與深度，以改進課堂問題設計。

解決以上問題需要從提升教師教學能力著手。筆者參照CFS教師教學設計能力評價量規6個維度^[4]對教師的教學設計能力進行分析與改進（見表1）。

本堂課呈現出教師在教學素養能力方面發展不均衡。教師在教學進階上需要重點關注理解技術、理解教學2個維度。在理解技術維度，技術應用表示教師信息化技術的掌握情況，以及應用是否恰當、合理、有效。在“理解教學”維度，規則與秩序表示要呈現良好的課堂秩序，能用適時、有效、靈活的行為與語言進行調控。建立有效的學科教學規則、學習規則和行為規則，學生能自覺遵守。情境創設表示教師創設的教學情境能否充分體現學科特色，匹配教學目標，緊扣教學內容，凸顯學習重點。這點重在測評教師能否聯系生活創設生動、具體的情境，學生是否參與積極，能否運用所學知識解決問題，并遷移運用。學生參與度表示教師要關注課堂上學生參與學習和討論、交流的覆蓋情況。

（二）學生素養發展報告

筆者利用AI平臺對課堂教學過程和行為占比進行了分析。教師的教學活動除了講授以外，還采用了獨立學習、展示匯報等方式開展了創新性教學活動，但教學效果不理想，需要教師根據課標導向提升以學生為中心的課堂教學。報告顯示：本堂課，課堂行為分布中時長由高到低依次為教師講授20分鐘、師生互動14分鐘、獨立學習7分鐘、展示匯報5分鐘。

在課堂教學過程中，教師除了注重知識的講授外，還應注重與學生有效互動、啟發學生思考和對話，采用多樣化的教學策略引導學生積極主動地進行學習和探究。S-T師生互動情況表現為：教師講話時長32分30秒，學生講話時長20分30秒，互動23次。Rt-Ch教學模式反映出本堂課的教學模式是：混合型。 教師、學生均充分參與。

（三）提問有效性及學生主動性情況分析

教師應注意非思維問題不能引起學生思維，這類問題多用于激發學生的興趣或使其集中注意力。初級思維問題考查的是學生對知識的記憶情況，關注的是學生的理解領域和簡單應用。在教學中，教師應該適當提出非思維問題，減少初級思維問題，增加高階思維問題。教師設置高階思維問題能體現教師對學生高階思維的培養，促進學生深度學習。報告顯示：本堂課一共提問131次，其中非思維問題74個，占比最高為56%；初級思維問題53個，占比40%；高階思維問題4個，占比3%。教師提問分析如下（見表2）。

在學生應答方面：本堂課學生應答分布中，未舉手回答占比最高（100%），未舉手回答中個體回答占比最高為95%。從數據來看本課教師傾向于采用點名等方式引導學生被動學習，應當思考適當采取更多樣化的方式積極有效地引導學生主動參與課堂交流活動^[5]。學生應答情況：個體回答21次，班級齊答1次，未舉手回答22次，舉手回答0次。

本堂課的師生交流反饋數據顯示，教師在學生回答問題后給出的簡單鼓勵占比最高為64%。簡單鼓勵是體現教師對學生回答的認可和肯定，除此之外教師還應當采取多樣化的反饋策略激發和引導學生參與思維活動。在學生參與度和抬頭度方面：本堂課學生參與度29.91%，抬頭度1.75%。師生交流反饋情況：追問5次，簡單鼓勵9次，連續發問5次，積極反映9次。

教師應查看數據，了解本堂課學生的參與度和抬頭度每分鐘的變化情況，關注課堂上學生參與度較高的時段學生積極活躍的狀態是否與教師組織學生進行主動學習的活動有關聯。特別關注講授時段，學生抬頭聽課的抬頭度是否正常。學生課堂學習行為按學習主體發生的學習行為，劃分為主動學習和被動學習。報告顯示：本堂課學生被動學習占比56.47%。被動學習包含的分類分別為：學生聽講，占比38.35%；教師指令，占比18.12%。本堂課學生主動學習占比30.91%。主動學習包含的分類分別為：學生反饋占8.03%，合作學習占0，獨立學習占13.76%，展示匯報占9.11% 。

根據學習金字塔理論和課標提出的核心素養培養要求，教師應在課堂教學時注重引導和培養學生主動學習、積極探索的習慣。相比于被動學習，教師引導學生主動學習更能激發興趣，自發討論、持續關注和探究相關知識點，進而使學習能力獲得提升。學生主動學習更有成效。

（四）問題設置與活動模式改進

筆者依據以上三點分析確定教學設計改進方向：①增加問題的梯度和深度設計，改變設問方式和評價方式。在問題梯度和深度上可以從“你是否能正確描述電化學腐蝕模型”進階為“描述電化學腐蝕模型→對生活中的電化學腐蝕進行舉例→描述浮標電池（Al-O）工作原理”；在評價上從單一的師生對話“你為什么這么想”，改為“師生、生生”對話“你認為前一位同學這樣想是否正確/完善→你是否還有其他想法”“你認為前一位同學的想法優點是什么→有哪些值得我們學習和借鑒的思考”。增加學生之間的互動，提升了學生的有效輸入與輸出效率，優化了課堂評價方式。②改變學習活動模式，由推動式變引領式，以引領性核心任務統攝課堂教學，在有意義、有挑戰性任務的驅動下促進學生進行深度學習。例如，筆者將三個任務“電化學腐蝕與防護→電化學方法處理廢水→電化學制備產品”進行合理關聯，以“證據推理與模型認知”素養為暗線，以“探究電化學方法在資源保護和開發角度的核心任務：如何保護鋼鐵→如何保護水資源→如何更高效地生產產品”問題為明線，促進學生以小組討論、辯論及小組匯報形式進行學習。暗線和明線的交聯，使得課堂活動內容及其方式更有利于學生學科核心素養發展。

三、人工智能+教育的無限未來

筆者對AI課堂分析的整體感受：平臺運行流暢，使用中未遇到困難；教師能根據平臺指引看懂報告內容；課堂報告分析準確度高；報告與教學實際整體吻合度高；報告能有效幫助教師反思。關于ST課堂分析法，筆者在2023年進行過系統研究與應用，當時的想法是加入AI分析直接生成分析報告而不需要教師動手錄入信息。目前這個期待已經初步實現了，下一步的發展方向可能是現場（即時）生成精確的分析報告。

筆者對報告及其評價維度的建議：建立具有學科屬性的分析評價指標或維度；報告中的教師教學設計能力分析、教師教學素養能力、課堂教學行為分析、學習過程觀察數據、S-T曲線、Rt-Ch圖、課堂提問分析、學生參與度和抬頭度、學生課堂學習行為分布、教學設計執行度分析等科學、有效。但“優秀”的定義不一定是“對話型課堂”。教師執教有些高年級的復習課更需要學生思維運動，而不一定是討論或問答的形式，希望科研人員提供一些新的模型樣本。

總體啟示：使用者能理解某項指標的分析依據、某指標所反映的實際問題。但同上所述，“人工智能+教育”的特點決定了只有不斷迭代發展才能真正做到智能分析。AI分析應用于教學的前景廣闊、角度多樣，對教師的教和學生的學有正向引導作用，需要教師充分重視并嘗試運用，以適應教育數字化的新趨勢。人工智能賦能課堂教學評價，創造了教育教學改革的新思維、新場景和新賽道。教師利用人工智能將課堂教學評價研究引向深入，一定會取得更多新成果。

注：本文系北京市教育學會“十四五”教育科研2023年度課題“化學新課標落實中指向核心素養提升的大單元教學研究”（項目編號：DC2023-027）的階段性研究成果。

參考文獻

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[2] 韓建豐，高凌蕊.培養科學思維與創新能力的化學奧林匹克競賽培訓[J].化學教育（中英文），2023（23）：120-125.

[3] 陳雨青，楊路明.主動學習的教學策略研究[J].教育與現代化，2007（2）：21-27.

[4] 唐維樓.利用AI課堂行為分析支持教師專業成長的實踐研究[J].中國新通信，2021（6）：173-175.

[5] 盧正芝，洪松舟.教師有效課堂提問：價值取向與標準建構[J].教育研究，2010（4）：65-70.

（作者韓建豐系北京市廣渠門中學化學教師，北京市東城區學科帶頭人；高凌蕊系首都師范大學第二附屬中學化學教師，北京市海淀區骨干教師）

責任編輯：祝元志