人機協(xié)同新范式：初中化學教育智能體創(chuàng)建與應(yīng)用

生成式人工智能（GenAI）的飛速演進正在改變教學工作的組織方式與學習活動的發(fā)生邏輯。憑借其在實時反饋、多模態(tài)呈現(xiàn)與鏈式推理方面的優(yōu)勢，GenAI不僅能夠生成資源、輔助解題，更能嵌入教學流程，承擔個性化答疑、過程性評估與學習支持等角色。這一變化對教師專業(yè)素養(yǎng)提出了新要求：教師既要運用GenAI解決具體教學問題，又要以系統(tǒng)視角設(shè)計人機協(xié)同的學習場景，讓技術(shù)與教學自標協(xié)同增效。為此，教師應(yīng)積極探索高效使用GenAI的方法，形成可復制的人機協(xié)同教學新范式。

一、研究背景與價值

2025年1月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《教育強國建設(shè)規(guī)劃綱要（2024一2035年）》明確提出，“以教育數(shù)字化開辟發(fā)展新賽道、塑造發(fā)展新優(yōu)勢”，并強調(diào)要“探索數(shù)字賦能大規(guī)模因材施教、創(chuàng)新性教學的有效途徑”。在此背景下，以GenAI為底層技術(shù)支撐的教育智能體（agent）的出現(xiàn)恰逢其時。教育智能體是在通用大模型基礎(chǔ)上，依據(jù)用戶設(shè)置與任務(wù)目標，實現(xiàn)人機協(xié)同完成教學任務(wù)的程序化體[1]。其應(yīng)用價值在于，能夠在大規(guī)模、低成本的條件下，提供高頻、細顆粒度的學習支持，從而突破“因材施教”的實施瓶頸。與以往“工具型賦能”不同，基于教育智能體的人機協(xié)同強調(diào)流程再造與角色重構(gòu)—教育智能體承擔標準化、可編排的教學子任務(wù)（如信息檢索、資源生成、重復答疑、風險識別等），使教師得以聚焦于高價值、不可替代的育人活動。

以初中化學教學為例，該學科兼具概念的抽象性與表征的多樣性，學生容易在“溶液與混合物”等處產(chǎn)生概念迷思。同時，計算題中“量一比一度”的轉(zhuǎn)化、符號與單位規(guī)范以及邊界情境（如安全紅線、實驗適用條件）是易錯點與難點。傳統(tǒng)的課堂教學難以滿足學生對“即時、個性化、可追”的答疑需求，教師創(chuàng)建并應(yīng)用教育智能體可有效解決上述難題。面向具體學段與主題，教師可構(gòu)建一名“智能助教”，以知識庫為底座、工作流為約束，將“碎片化、高頻次、標準化”的教學子任務(wù)交由GenAI穩(wěn)健完成，從而提升課堂與課后輔導的整體效能。

為幫助教師盡快適應(yīng)學習設(shè)計師、智能體訓練師的角色，本文提出普適的教育智能體創(chuàng)建框架，并以“化學小助手”為例，驗證該方法論的可遷移性，剖析平臺差異的技術(shù)根源，探索“人機協(xié)同”教學的新路徑，推動化學教學從“工具輔助教學”走向“智能伴學”的范式升級。

二、教育智能體創(chuàng)建：理念原則與案例分析

基于此，本文聚焦初中化學“溶液”主題，以“智能答疑”為切入點，通過案例驗證，提出一套可復制的教育智能體創(chuàng)建方法。

（一）設(shè)計理念與目標

教育智能體要力爭做到“可靠、可控、可溯源”。可靠，意味著以高質(zhì)量知識庫為依據(jù)，輸出符合學科規(guī)范的內(nèi)容；可控，體現(xiàn)為可編排的工作流對生成過程的全鏈路約束；可瀕源，則要求每條關(guān)鍵結(jié)論有來源可查、有邏輯可驗。為滿足教學需求，智能體需在明確任務(wù)與邊界的前提下，為九年級學生提供貼合他們認知發(fā)展水平的答疑與學習支持，兼顧三方面目標：一是內(nèi)容正確與表達得體；二是交互過程清晰并可追蹤；三是教學適配性強，能服務(wù)學科素養(yǎng)達成。

（二）方法框架：優(yōu)選平臺在四步流程中貫徹四項原則

教師創(chuàng)建智能體必須了解主流平臺的基本狀況，對照教學需求與技術(shù)應(yīng)用原則，提出評估指標優(yōu)選平臺，設(shè)計智能體創(chuàng)建路徑。平臺的能力邊界與方法的科學性共同決定智能體的上限。前者決定“能否做到”，后者決定“能做到多好”。

1.明確支撐條件并優(yōu)選平臺

教育智能體平臺的選擇需考量四項能力：知識庫支持度、工作流靈活性、教育優(yōu)化功能與部署便捷性。筆者對扣子（Coze）、文心智能體、智譜清言與騰訊元器四個平臺進行評估。綜合評估表明，當教學情境對準確性與可控性要求較高時，應(yīng)優(yōu)先選擇具備強檢索召回、嚴格流程編排與可瀕源引用的平臺。在本研究所測的主流平臺中，扣子具備更強的知識（庫）支撐與流程約束能力，在答題準確率與專業(yè)性方面表現(xiàn)最好。筆者將扣子作為主要的智能體開發(fā)平臺，同時也在其他平臺構(gòu)建了相應(yīng)智能體進行對比分析。

2.設(shè)計智能體的創(chuàng)建路徑

筆者將創(chuàng)建流程歸結(jié)為“配置智能體一構(gòu)建知識庫一設(shè)計工作流一調(diào)試與發(fā)布”四個步驟，并提出“結(jié)構(gòu)化、語義化、邊界約束、認知匹配”四項原則。其中，結(jié)構(gòu)化是指將知識點、任務(wù)與流程，按層級、關(guān)系和標簽組織，形成可檢索、可推理、可復用的知識框架。例如，物質(zhì)分類一混合物／純凈物一分離方法一實驗步驟與判據(jù)。語義化是指轉(zhuǎn)化為易于理解與檢索的形式，統(tǒng)一術(shù)語、概念與關(guān)系標注。例如，將“食鹽溶于水”標注為“溶解過程”。邊界約束是指為內(nèi)容、操作與輸出設(shè)定范圍與規(guī)則，確保安全、合規(guī)、難度適配。認知匹配是指貼合學生的認知水平，控制信息量和表述方式。

四步與四原則相互交織：每步都有原則護航，每項原則都在關(guān)鍵步驟落地。為避免“有流程無質(zhì)量”或“有原則難落地”的割裂，筆者將流程與原則以“矩陣”方式融合（見表1），設(shè)計了如下可操作的創(chuàng)建路徑。

表1智能體創(chuàng)建中需要遵守的原則及注意事項

注：表中√表示必須遵守，一表示不要求或不涉及。

第一步：配置智能體一一明確角色、語氣、邊界與合規(guī)策略。以“角色清晰、語言適齡、能力聚焦、風險可控”為準則，限定知識范圍、目標用戶與任務(wù)邊界，定義答題風格與安全紅線，設(shè)定“不能回答時如何妥善拒答”的策略，奠定“可控性”的基線。

第二步：構(gòu)建知識庫 —形成“結(jié)構(gòu)化一語義化一可溯源”的知識底座。知識庫是可信回答的知識底座，來源包括課標、教材、迷思概念、高頻錯題、權(quán)威解釋與教輔資源等。基于知識庫，構(gòu)建覆蓋面充分的知識圖譜與問答對，建立來源標注與更新機制，突出“必備一易錯一高頻”三類條目，確保“召回有據(jù)、調(diào)用有源”。

第三步：設(shè)計工作流一一以“檢索一抽取一合成一審查一輸出”的鏈式流程為框架，疊加術(shù)語規(guī)范化、公式校核、邊界審查、安全識別等關(guān)鍵節(jié)點，確保生成過程“有軌運行”。

第四步：調(diào)試與發(fā)布一一建立覆蓋“概念（準確）一計算（可靠）一安全（邊界）”的測試矩陣，采用“覆蓋度一正確率一一致性一可追溯性”四指標閉環(huán)迭代，最后在課堂或平臺上部署應(yīng)用。

（三）案例分析：“四步法”與“溶液”主題融合

筆者基于扣子平臺，按照教育智能體創(chuàng)建的四個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以九年級化學“溶液”主題為例，闡述各環(huán)節(jié)的落地要點與實施細節(jié)，完整呈現(xiàn)教學智能體的構(gòu)建流程。

1.配置智能體（第一步）

筆者創(chuàng)建的“化學小助手”，其定位是初中化學助教，僅解答《義務(wù)教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）范圍內(nèi)“溶液”相關(guān)問題；表達貼合初中生認知，善用生活化類比，如將“溶解度”比作“溶質(zhì)在溶劑中的‘停車位’數(shù)量，車位占滿就不再溶解”；明確拒答邊界并內(nèi)置安全提示，涉及危險操作或超綱問題時穩(wěn)健拒答并引導安全合規(guī)表述。

2.構(gòu)建知識庫（第二步）

構(gòu)建知識庫的具體流程如下： ① 根據(jù)課標要求構(gòu)建“溶液一溶解度一濃度計算”的三級知識樹，標注“概念一性質(zhì)一方法一例題一易錯一辨析”六類條目，保證脈絡(luò)清晰、擴展順暢。 ② 將知識轉(zhuǎn)寫為自然語言問答對與示例化表述，如“怎么判斷溶液是否飽和？”一“在一定溫度下，若溶質(zhì)不再繼續(xù)溶解，則為飽和溶液”，以契合學生提問習慣并提高檢索命中率。 ③ 嵌入典型迷思概念與錯因解析，在濃度計算等關(guān)鍵處強調(diào)思路、單位、步驟與中間量的顯示呈現(xiàn)，幫助學生“著得懂、學得會、用得準”。 ④ 對知識項標注來源（課標條目、教材頁碼、教輔出處等），必要時給出原文片段，以降低無據(jù)生成并提升可溯源性。

3.搭建工作流（第三步）

筆者以“用戶問題 $$ 知識庫檢索 $$ 信息抽取$$ 答案合成 $$ 邊界審查 $$ 輸出”為主鏈路，面向化學學科特點增設(shè)兩類“穩(wěn)定器”：一是術(shù)語與符號規(guī)范化，在抽取與合成環(huán)節(jié)自動識別并統(tǒng)一學科表達方式，如將“ ”規(guī)范為“溶質(zhì)B的濃度”，保證口徑一致、避免歧義；二是邊界與安全審查，在輸出前進行“越界檢測 + 風險識別”，對涉及化學安全的家庭實驗、危險化學品處置等敏感內(nèi)容，觸發(fā)拒答與安全提示，確保內(nèi)容合規(guī)可控。

例如，當用戶輸入“什么是飽和溶液”時，工作流隨即啟動。首先，系統(tǒng)會檢索自建知識庫，根據(jù)問題查找相關(guān)內(nèi)容，例如“飽和溶液的定義、特征及其與不飽和溶液之間的轉(zhuǎn)化條件”等知識點。接著，在信息抽取環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將原始問題與從知識庫中檢索出的相關(guān)化學知識進行整合，形成一段文本。在答案合成階段，調(diào)用大模型對上述文本進行語言組織和優(yōu)化，生成一段嚴謹、完整且易于學生理解的解答。最后，進行邊界審查，調(diào)用大模型核查內(nèi)容是否涉及化學安全等問題，如無特殊情況，即輸出最終答案。整個流程在結(jié)束環(huán)節(jié)將結(jié)果返回給用戶，完成一次答疑。

4.調(diào)試與發(fā)布（第四步）

建立測試矩陣，實施閉環(huán)迭代與達標準入，最后部署應(yīng)用。典型測試案例見表2。

表2調(diào)試測試矩陣

三、多平臺測試與歸因分析

筆者調(diào)用統(tǒng)一的“溶液”主題知識庫并設(shè)置與其一致的參數(shù)，測試四個平臺上構(gòu)建的智能體，以最大限度保證公平性與可比性。

（一）測試設(shè)計

測試題采用曾棟梁設(shè)計的“溶液”主題16道試題[2]，信度與效度良好，覆蓋溶液組成與性質(zhì)、溶解度與溶解速率等內(nèi)容。測試指令統(tǒng)一為：“請嚴格依據(jù)你知識庫中的知識，回答以下問題。”研究者按既定順序逐題輸入，并要求智能體按預設(shè)流程調(diào)用知識庫生成答案，統(tǒng)一提問格式以控制干擾變量。試題詳情見表3。

表3“溶液”試題

（二）關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：知識庫與工作流的決定性作用

筆者對錯誤回答進行歸因與技術(shù)分析（見表4）。結(jié)果表明，平臺差異主要源于兩點：一是知識庫檢索與調(diào)用效率；二是工作流對生成過程的約束精度。扣子智能體能夠更嚴格地依賴知識庫作答，準確性較高；其他平臺易出現(xiàn)忽略知識庫、依賴模型自由生成的情況，導致錯誤率較高。

表4平臺典型錯誤歸因與技術(shù)根源分析

（三）普適性結(jié)論

筆者基于“溶液”主題的開發(fā)與跨平臺對比測試，得出以下三點結(jié)論。第一，知識庫是準確性的基石。質(zhì)量維度的重要性排序為：完備性、結(jié)構(gòu)化和認知匹配。應(yīng)優(yōu)先確保覆蓋面與準確性，其次優(yōu)化知識組織，最后匹配學生認知進階。第二，科學控制工作流可顯著提升準確率，關(guān)鍵在于高精度檢索與嚴格生成約束。表現(xiàn)優(yōu)異的智能體更能嚴格依賴知識庫作答，反之則易產(chǎn)生幻覺與錯誤。第三，在對回答準確性要求極高的教學情境中，應(yīng)首先考慮具備強大知識庫插件支持與精細化工作流編排能力的平臺；若強調(diào)多模態(tài)交互等功能，則需在確保準確性的前提下綜合權(quán)衡。

四、總結(jié)與展望

本研究按“配置一知識庫一工作流一調(diào)試”的通用流程，構(gòu)建了面向初中化學“溶液”主題的教育智能體，并以跨平臺對比驗證其可行性。結(jié)果顯示，依托高質(zhì)量知識庫與可控工作流，學科智能體在九年級化學問題上的正確率與專業(yè)性表現(xiàn)良好；在當前主流平臺中，扣子在知識調(diào)用準確性與流程控制方面更為突出，適合承載高準確性需求的教學任務(wù)。

（一）實踐貢獻與角色重構(gòu)

從實踐層面看，本研究的主要貢獻有三點：其一，提供了“流程與原則交融”的方法框架，解決了“怎么建”的問題；其二，以“溶液”主題示范“結(jié)構(gòu)化一語義化一溯源化”的知識庫工程，回答了“靠什么準”的問題；其三，以流程編排與邊界審查約束生成，形成“可控一穩(wěn)健”的實施路徑，回應(yīng)了“如何控風險”的合規(guī)需求。上述經(jīng)驗可遷移至初中化學其他主題，并對理科教育的智能體化具有參考價值。

在人機協(xié)同新范式下，教師角色的內(nèi)涵發(fā)生實質(zhì)性擴展。教師不再局限于知識傳授，更應(yīng)成為“學習設(shè)計師 + 智能體訓練師”。作為學習設(shè)計師，教師要能基于學情與目標，重構(gòu)以問題為中心、探究為路徑的學習活動，善用GenAI進行學情診斷與過程反饋，支持個性化學習路徑的生成與動態(tài)調(diào)整。作為智能體訓練師，教師需將課標、教材、校本資源與課堂教學經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為“結(jié)構(gòu)化、可檢索、可溯源”的知識庫[3，并通過工作流編排將答疑、糾錯等任務(wù)交由智能助手完成；同時，持續(xù)依據(jù)課堂與平臺數(shù)據(jù)進行對照測試與“小步快跑”的調(diào)參迭代，以保障“教一學一評”閉環(huán)中的穩(wěn)定表現(xiàn)。人機協(xié)同，教師得以將更多精力投向情感支持、價值引領(lǐng)、科學倫理與批判思維培養(yǎng)，強化“人”的不可替代性。

（二）推廣建議與后續(xù)研究

為推動規(guī)模化、規(guī)范化應(yīng)用，筆者提出三點實施建議。第一，“校一區(qū)一省”三級協(xié)同推廣：校內(nèi)以教研組為單位共建共用迷思概念庫與典型錯題庫，區(qū)級搭建學科智能體資源共享平臺，省級統(tǒng)籌標準規(guī)范與質(zhì)量評估指標體系，形成可持續(xù)迭代的生態(tài)。第二，技術(shù)賦能“多模態(tài)增強一可視化賦能一跨學科聯(lián)動”：將文本答疑拓展到圖表、實驗視頻與微仿真，輔以增強現(xiàn)實（AR）等可視化手段呈現(xiàn)微觀粒子運動過程，探索物理、化學、生物學跨學科主題式智能體，促進知識遷移與綜合問題解決。第三，建立“安全一隱私一倫理”三位一體的治理體系：盡快建立教育智能體安全白名單與敏感內(nèi)容庫，完善學生數(shù)據(jù)脫敏與最小可用原則，健全人機協(xié)同責任邊界與可追責機制，形成既鼓勵創(chuàng)新又守牢底線的治理環(huán)境。

需要強調(diào)的是，本文亦存在局限。一是主題集中于“溶液”，尚未覆蓋化學反應(yīng)、物質(zhì)分類等更復雜概念網(wǎng)絡(luò)，外推時需關(guān)注知識圖譜規(guī)模擴大帶來的檢索與調(diào)用挑戰(zhàn)。二是評測以概念與常見計算為主，未充分納人開放性探究、跨題型遷移與過程性評價等復雜任務(wù)的測評維度。三是平臺比較針對當前版本能力，隨著底層模型與插件生態(tài)演進，結(jié)論需動態(tài)更新。未來可在三方面深化研究：一是擴大主題與學段范圍，構(gòu)建貫通“概念一方法一探究一評價”的學科級知識工程；二是完善多模態(tài)工作流，系統(tǒng)評估“文本一圖像一視頻一仿真”融合對學習成效的增益；三是建立基于教學自標的效度框架與過程性數(shù)據(jù)驅(qū)動的調(diào)試范式，探索“人一機一數(shù)據(jù)”的協(xié)同優(yōu)化機制。

總之，教育智能體不是替代教師的全能解題器，而是配合教師的可控型助教。當高質(zhì)量知識庫與嚴格工作流成為其基本功，當教師成為學習體驗的設(shè)計者與智能體的訓練者，人機協(xié)同的教學新形態(tài)方能“可用、好用、常用”。本文提出的方法論與實踐路徑具備向化學學科乃至理科教育遷移的潛力，有望為建設(shè)高質(zhì)量的人機協(xié)同教育范式提供可操作的樣本與可持續(xù)的迭代機制。

參考文獻

[1]黎加厚．教育智能體與中小學科學教育[J].中小學科學教育，2024（6）：25-34.

[2]曾棟梁．初中化學《溶液》迷思概念診斷研究[D].武漢：華中師范大學，2018.

[3]王立善.借助智能體實現(xiàn)高中歷史自助答疑的嘗試[J].中學歷史教學參考，2024（35）：66-68.

（作者焦子烜系陜西師范大學化學化工學院研究生；李曄系陜西人民教育出版社副編審；張暉英系韓山師范學院教授；周青系陜西師范大學化學化工學院教授，教育部初高中化學課程標準修訂組核心成員）

責任編輯：祝元志