數(shù)智技術賦能化學學科閱讀能力的培養(yǎng)

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）強調(diào)基于證據(jù)的推理與實證精神[1]。化學學科閱讀不僅是知識攝取，更是從文本與數(shù)據(jù)中提取關鍵證據(jù)、整合加工并遷移應用的高階能力建構過程。“侯氏制堿法”作為中國化學工業(yè)自主創(chuàng)新的典型案例，包含電解質(zhì)溶液、電離平衡、沉淀/溶解與鹽析等核心概念，能夠以歷史情境一工業(yè)流程一實驗探究三位一體方式，支撐學生對“離子反應”由微觀到宏觀、由定性到定量、由教科書到真實世界的系統(tǒng)理解。數(shù)智技術為此提供了數(shù)據(jù)支撐、可視化工具與智能檢索服務，使學科閱讀由單向攝取轉(zhuǎn)變?yōu)榛邮?、證據(jù)導向型學習。

一、融合數(shù)智技術與學科閱讀的“離子反應”教學價值

數(shù)智技術融合大數(shù)據(jù)、云計算與人工智能，能夠在化學教學中承擔以下工作：一是以動態(tài)可視化與建模工具顯化微觀行為（如離子遷移），助力概念精準化；二是以智能檢索與證據(jù)溯源拓展學科閱讀的廣度與深度，培養(yǎng)學生的信息篩選與真實性核驗能力；三是以虛擬仿真與數(shù)據(jù)分析手段連接實驗與工程應用，強化定量推理與情境遷移。以“侯氏制堿法”為例（如圖1），學生在AI輔助閱讀科學史、工藝流程與數(shù)據(jù)圖表時，能看見科學理論的演進與修正，理解電離與離子平衡的本質(zhì)，并以模型解決新問題，形成“證據(jù)一模型一預測一再證據(jù)”的閉環(huán)。

二、數(shù)智技術賦能化學學科閱讀的教學流程

筆者構建“情境導人一微觀可視化一虛擬探究一情境應用一前沿拓展”的五步模式，以閱讀為主線、以技術為支撐，組織多層次學習活動，提升證據(jù)推理與創(chuàng)新應用能力。以“侯氏制堿法”中的離子反應為例，教學流程如下（如圖2）。

（一）情境導入：以爭議激活學生問題意識

教師圍繞“電離是否需要通電？”設置認知沖突。借助數(shù)智平臺發(fā)起討論，匯聚學生直覺判斷與已有證據(jù)，明確核心問題與證據(jù)缺口，形成“帶著問題去讀與證”的起點。

（二）微觀可視化：以動態(tài)模型澄清本質(zhì)

教師利用仿真軟件呈

現(xiàn)NaCl在水中的電離與離子擴散，動態(tài)展示濃度－時間曲線與空間分布，幫助學生理解：電離為自發(fā)過程，外加電場僅影響離子遷移速率與方向，而非電離發(fā)生的前提。

（三）虛擬探究：以仿真實驗強化變量控制與數(shù)據(jù)解讀

在虛擬實驗室中模擬“NaCl—NH3—CO2—H₂O 體系制備NaHCO3”，可安全快速地調(diào)控溫度、投料比例與通氣速率，觀察產(chǎn)率與速率變化，培養(yǎng)變量控制、數(shù)據(jù)擬合與誤差分析能力，并將虛擬結果與已知工業(yè)參數(shù)比對，形成“虛一實”互證。

（四）情境應用：以工藝閱讀深化多目標優(yōu)化理解

研讀索爾維法與侯氏制堿法的流程差異，識別母液循環(huán)與鹽析/冷析等單元操作對資源利用率、分離難度與能耗的綜合影響。對比工藝，理解基礎概念在工業(yè)生產(chǎn)中的系統(tǒng)性應用。

（五）前沿拓展：以AI檢索連接科學與社會

教師利用智能平臺追蹤工藝優(yōu)化與低碳技術的最新進展，構建“問題一證據(jù)一改進一影響”的思維鏈。結合侯德榜的科學精神與產(chǎn)業(yè)報國實

圖2融合數(shù)智技術與化學學科閱讀的“離子反應”教學流程

踐，增強學生的社會責任意識與職業(yè)認同。

三、數(shù)智技術與化學學科閱讀融合的關鍵策略

（一）AI驅(qū)動科學史爭議解析，引導學生批判性甄別證據(jù)

教師借助“Kimi”等平臺，采用“提示詞模板一證據(jù)溯源一真實性核驗”三步法，圍繞“電離是否需要通電”組織學科閱讀活動，引導學生追溯“電離”概念來源與阿倫尼烏斯電離理論，結合拉烏爾凝固點降低定律的數(shù)據(jù)對比：不電離的分子溶質(zhì)降低幅度約為 18^°C?kg?mol^-1 數(shù)量級，而1：1電解質(zhì)（如NaC1）與 2：1 電解質(zhì)（如BaCl₂ ）顯著增大，支持溶質(zhì)解離時溶液中離子數(shù)增加的解釋。由數(shù)據(jù)入手討論微粒狀態(tài)與依數(shù)性的邏輯關聯(lián)，促使學生以證據(jù)評估理論，并理解科學理論經(jīng)由爭鳴與實證逐步完善的過程，養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度與證據(jù)意識[2]。

（二）傳感器可視化微觀過程，培養(yǎng)學生實驗創(chuàng)新能力

教師指導學生設計“撤去外加電場”的驗證實驗：在帶隔板的電解槽兩側(cè)分別加入NaC1溶液與蒸餾水，以陰離子交換膜實現(xiàn)選擇性透過，用氯離子濃度傳感器實時記錄不通電條件下 Cl^- 由高濃度側(cè)向低濃度側(cè)遷移的濃度-時間曲線，從而以“可測之量”指向“不可見之電離”。目前科學工作者研制出了離子交換膜和數(shù)字化傳感器[3]，能讓我們“看”到電離的過程，具體實驗設計過程如圖3所示。

教學環(huán)節(jié)包括：閱讀器材說明、繪制裝置草圖、預測曲線趨勢、采集與解讀數(shù)據(jù)、給出基于證據(jù)的結論。為適應不同條件，提供兩類替代方案：其一，分時取樣并以AgNO3比濁檢測C1濃度，構建時間-現(xiàn)象的定性曲線；其二，以鹽橋替代陰離子交換膜，演示離子遷移的普適性。本實驗需要的實驗儀器包括氯離子濃度傳感器（含數(shù)據(jù)線）、電腦（安裝數(shù)據(jù)采集軟件）、電解槽（帶隔板槽）、陰離子交換膜，試劑包括O.1mol/LNaC1水溶液、蒸餾水，教學輔助資源包括PPT課件（氯離子濃度變化曲線）、實驗示意圖（板書或投屏）、學生任務單（每人一份）。課堂上學生需要完成以下五項任務。 ① 思考與討論：不通電時，離子靠什么動力移動？② 閱讀實驗器材，討論實驗方案，畫出實驗裝置示意圖，寫出實驗步驟，預測可能觀察到的現(xiàn)象。③ 記錄氯離子濃度隨時間的變化，描述曲線趨勢并解釋。 ④ 根據(jù)實驗現(xiàn)象，寫出結論。 ⑤ 拓展思考：離子交換膜在哪些實際領域有應用？

教師讓學生經(jīng)歷“設計一驗證一修正”的循環(huán)訓練，培養(yǎng)其將現(xiàn)代傳感器與膜材料應用于化學探究的能力。

（三）虛擬實驗室助力實體實驗：促進本質(zhì)理解與課堂效能提升

以“制備NaHCO3”為例，虛擬平臺在安全、可控、可加速的環(huán)境中，支持多輪參數(shù)掃描與靈敏度分析：提高 CO₂ 通入速率可加快生成，但過快易致局部過飽和與堵塞；溫度升高加快反應過程卻導致 NH₃ 揮發(fā)、產(chǎn)率下降，提示需在30一40 °C 優(yōu)化折中。學生在多次模擬中形成對“反應條件一過程速率一分離難度一安全環(huán)保”的綜合理解，并將虛擬規(guī)律遷移到真實實驗的方案優(yōu)化與風險預估中，體現(xiàn)“虛實融合”的教學價值。虛擬實驗室雖為模擬環(huán)境，但其背后有權威數(shù)據(jù)庫與科學模型支撐[4，保證其模擬結果具有較高的可信度。

（四）模型建構融合工業(yè)情境閱讀：提升定量推理能力

教師圍繞“索爾維法為何需侯氏法優(yōu)化”的核心問題，組織學生參與“閱讀一實驗一建模一工藝回代”的四步探究（如圖4）。

閱讀層面，教師引導學生對比兩法流程與物料循環(huán)，識別索爾維法在原料利用與分離環(huán)節(jié)的短板。實驗層面，學生利用虛擬平臺向飽和NaHCO3溶液加人NaC1或 NH₄HCO₃ ，觀察沉淀情況并結合溶解度數(shù)據(jù)做成分推斷。學生發(fā)現(xiàn)“侯氏制堿法”能夠?qū)⒛敢貉h(huán)利用，從而提高原料利用率[5]。

建模層面，教師鼓勵學生基于實驗數(shù)據(jù)構思 c（Na⁺） 與 c（HCO₃^-） 的定量關系，利用GeoGebra軟件刻畫反比例趨勢（如圖5）：當Na⁺ 濃度上升時， 濃度相應下降，體系更易析出 ΔNaHCO₃ 。

圖5溶液中某些離子濃度之間的關系

教師利用模型向?qū)W生解釋“侯氏制堿法”中母液循環(huán)與“冷析一鹽析”的邏輯：先通氨并降溫冷析 NH₄Cl ，降低 |Cl^-| 帶來的分離干擾；再補加食鹽實施鹽析，提升 Na⁺ 濃度，推動NaHCO3進一步析出，從而實現(xiàn)資源高效利用與分離簡化[。學生進行“模型一工藝（如圖6）”的互證，掌握了離子平衡、同離子效應與溶解度曲線在工業(yè)優(yōu)化中的應用[7]。

圖6 “侯氏制堿法”工藝流程

（五）人工智能融合前沿閱讀：拓展科學探究并增強社會責任感

學生借助Kimi、DeepSeek等平臺，追蹤制堿工藝在降能耗、減排放、柔性化生產(chǎn)等方面的前沿進展，認識到傳統(tǒng)工藝仍在持續(xù)優(yōu)化與綠色轉(zhuǎn)型。教師以侯德榜及其團隊的創(chuàng)新實踐為案例，開展價值引領，讓學生理解科技工作者的堅毅與擔當，形成“面向真實問題一以證據(jù)為據(jù)一以創(chuàng)新為徑一以社會需求為旨”的科學觀，增強家國情懷與社會責任感。

本文以“侯氏制堿法”為情境，構建并驗證了數(shù)智技術賦能化學學科閱讀的五步教學模式與配套策略：以爭議引導問題、以可視化顯化微觀、以仿真賦能探究、以工藝深化遷移、以前沿知識拓寬視野。實踐表明：AI檢索與證據(jù)溯源促進批判性閱讀，傳感器與膜技術讓微觀過程“可觀可測”，虛擬實驗提升變量控制與數(shù)據(jù)解讀，模型建構實現(xiàn)從定性到定量的跨越，工業(yè)閱讀建立學科知識與真實應用的通道。學生在此過程中形成了以證據(jù)為支點的推理能力、以模型為橋梁的定量思維與以社會需求為導向的創(chuàng)新意識，化學學科核心素養(yǎng)得到整體性提升。未來，可在更天樣本與多樣化情境中進一步檢驗該模式的可遷移性，并深化與綠色化工、數(shù)據(jù)科學的跨學科融合。

注：本文系江蘇省教育科學規(guī)劃課題“科技前沿問題融入中學理科課程的理論與實踐研究”（編號：C-b/2021/02/09）的階段性研究成果；南通市教育科學規(guī)劃課題“基于學科素養(yǎng)的高中化學閱讀能力培養(yǎng)的實踐研究”（編號：GH2021254）的階段性研究成果。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020

[2]周業(yè)虹.研究新課標情境素材培養(yǎng)學生科學思維[J].化學教學，2023（4）：23-27.

[3]中國科學雜志社公眾號.中國科學技術大學徐銅文教授團隊NSR：新一代離子交換膜——限域離子膜[J].膜科學與技術，2025（1）：206.

[4]王衛(wèi)國，胡今鴻.國外高校虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實驗室研究與探索，2015（5）：214-219.

[5]侯德榜.向北京大中學校教師們介紹新法制堿：侯氏堿法[J].化學通報，1954（8）：354-361.

[6]王明召，王磊，高盤良.普通高中教科書化學選擇性必修1化學反應原理[M].濟南：山東科學技術出版社，2019：126.

[7]周業(yè)虹.高中化學模型構建能力的培養(yǎng)與測評[J].中國考試，2019（5）：50-56.

（作者王秋芳系江蘇省海安高級中學教師；王曙華系江蘇省南通市教育科學研究院教研員；朱永侃系江蘇省海安教師發(fā)展中心教研員）

責任編輯：祝元志