生成式人工智能赋能高中化学教学的内在机理与实践路径

引用格式 付昱，李猛，王后雄.生成式人工智能赋能高中化学教学的内在机理与实践路径.教学与管理，2025（13）：47-51.

生成式人工智能是人工智能时代革新的产物，其生成内容具有高效性和创造性，能有效赋能课堂教学，打造教育新环境。2019年6月，国务院办公厅颁布《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》，指出要深化课堂教学改革，推进信息技术与教育教学的深度融合。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出，要重视信息技术的应用，为各种潜力的师生提供多样化的学习资源2。当前，生成式人工智能凭借其智能化特点应用于各学科教学实践中，其赋能高中化学教学不仅能促进学科核心素养落实，而且有利于培养具有个性化特质的时代新人。

一、生成式人工智能赋能高中化学教学的价值意蕴

1.通过人机智能协同，促进学生深度参与

生成式人工智能赋能课堂教学，升级传统授课方式，助力人机协同智能化。人机协同教学是教育创新以及数字化转型的必然趋势3。传统教学模式下起主导作用的仍然是人类教师，学生对教学活动的参与度偏低，往往是被动接受知识的角色。这导致传统教学模式下一师多生是常态、师生间交流不及时，学生缺乏学习的积极性和主动性。人机智能协同是人类教师发挥指导作用，将部分教学任务分配给生成式人工智能，其携带大量资源和人类教师一同参与教学。在师一机协同教学过程中生成式人工智能与学生互动对话，能有效连接与平衡学生内外部认知结构。机器教师的资源调配、人机互动等功能可弥补传统授课的不足。第一，一些危险性或微观反应实验，可通过虚拟实验来完成，以保障学生的安全性和参与性。第二，生成式人工智能用模拟场景的方式，提供丰富的学习体验，每一位学生都能够与生成式人工智能进行对话，其能动性被调动。第三，学生对于教学中产生的问题能够及时询问生成式人工智能并得到解答，保证不同水平学生都能够跟上教学进度。

2.通过提供丰富资源，助力教师教学设计

生成式人工智能从多个方面为教师提供了多样且丰富的教学资源。教学形式方面，除了传统的文字资料，教师还能通过生成式人工智能获取动画视频、化学实验演示音频等多种形式的资源。这些多元化的教学形式能够满足不同层次、不同学习风格学生的需求，使化学课堂更加生动。教学内容方面，传统教学中大多是单一知识传授，不利于学生素养的整全发展，学生难以理解学科知识的产生与来源、关联与结构、作用与价值以及学科思想与方法。教师从生成式工人智能获取学科背景知识、多学科交叉知识，将有助于设计更为丰富的教学内容，帮助学生加深对知识的理解。教学场景方面，生成式人工智能可营造不同教学场景。以化学虚拟实验室为例，它借助先进的3D建模和虚拟现实技术，为学生打造高度逼真的实验环境。这种沉浸式的学习体验，使学生不仅能清晰地观察到实验现象，还能深人理解反应原理，突破了传统实验教学的诸多限制。

3.通过生成个性化方案，激发学生学习潜能

生成式人工智能赋能课堂教学，其工作核心是促进学生深度学习，通过大量个性化学习激发个人潜能。每个学生在化学学习上都有独特的需求和特点，生成式人工智能能够把握这些个性化因素，为学生定制专属的发展方案。针对化学实验操作能力较弱的学生，制定个性化的实验操作训练计划，从基本仪器的使用规范开始，逐步深人到复杂实验的步骤分解练习。生成式人工智能及时检测学生的学习情况并收集反馈信息，将这些信息提供给智能系统，以便系统不断优化个性化方案。同时，教师要加强与学生的沟通交流，了解他们的兴趣爱好和发展需求，引导学生积极参与到个性化学习中。

二、生成式人工智能赋能高中化学教学的内在机理

生成式人工智能正处在一个转变的关键节点上，是时候思考其扮演的角色和重要性了。为更好地探究生成式人工智能如何赋能高中化学教学，尝试提出“三化"教育模型来阐释其赋能高中化学教学的内在机理（如图1）。

1.以智能化手段发展学生核心素养

学科核心素养作为高中化学育人价值的集中体现，智能化手段是其强有力的推动器。一方面，智能化手段优化教学方式。化学学科宏一微一符相结合是学生学习的主要方式，但学生从微观层面认识物质存在一定的学习障碍，尽管提出使用AR技术加以改善，但效果不佳。在学生学习过程中，生成式人工智能以可视化的方式将学生不易想象到的物质微观结构呈现出来，发展学生宏观辨识与微观探析的学科核心素养。另一方面，智能化手段丰富教学资源。科学知识的建构要体现其过程性和探究性就必然离不开科学解释和科学论证，生成式人工智能提供大量的数据支持和事实证明，以找到在课程中对科学探究问题的有效解答。此外，生成式人工智能可让学生了解所学化学知识的历史背景、相关人物以及重大化学事件，通过相关报道了解社会化学发展的现状、社会性科学议题，明晰知识的来龙去脉，让化学知识与实际应用紧密结合。学生在学习过程中不仅可以提高学习兴趣，而且可以感受和领悟科学精神，达到对知识的深度学习，发展学生证据推理、科学态度与社会责任等学科核心素养。

2.以多元化模式营造化学教学场域

生成式人工智能赋能化学教学，多元化模式助力呈现更为丰富的教学场域。第一，突破物理层面的限制，实现时空多元化的教学。传统教学场域下，囿于教学时空的限制，师生只能在固定场景下的固定时间展开教学对话，部分学习疑问不能得到及时解答，这将阻碍学生深人学习，削弱其化学学习积极性。生成式人工智能作为机器教师，多时空优势有利于学生课前和课后学习。第二，增加人机协作互动，实现主体多元化的教学。生成式人工智能化身教师参与到课堂教学中，丰富了课堂教学的形式，其化身为化学史讲解员、科学家等，重现历史场景与学生对话，让学生走进历史，实现对化学学科知识的深度理解。第三，打破传统单一的评价体系，实现多标准化的教学。生成式人工智能可以从多个维度评价学生学习效果，以多种方式精准点评，追踪学生的成长轨迹，监测其发展趋势[。第四，注重知识迁移，实现情境多元化的教学。在进行教学方案设计时，教师通过与生成式人工智能问答启发教学思维，利用生成式人工智能提供的多元化情境，丰富教学形式，以“多变”的真实问题情境承载“不变”的核心知识[]。

3.以个性化方式支撑智能评价系统

智能评价系统全方位把控育人总流程，实现学生个性化发展。课前阶段，生成式人工智能参与学生的新知预习，可以解答学生课前预习新概念、新实验、新物质的疑惑，提升授课效率，拓展学生的知识。课中阶段，基于课前对学生问题的收集与分析，针对性地安排课中辅助学习资料，进行课堂知识学习的阶段检测；生成式人工智能作为学习助手参与教学过程，辅助教师讲解重难点知识，促进学生对知识的深度理解。课后阶段，生成式人工智能对于学生课内产生的问题能够及时解答；根据学生课前预习情况和课中学习情况定制个性化学习方案，精准解决学习痛点，提升学习效率；参考课中检测，采用习题或对话的方式设置情境应用，检验学生对知识的掌握；辅助学生完成课后创新类习题，学生提供思路，生成式人工智能及时验证创新实验或方法的可行性和安全性。若学生在进行创新练习中遇到困难，可运用生成式人工智能答疑解惑、制定方案、情境应用，从而实现个性学习与创新发展。相较于人类教师，生成式人工智能评价系统语言库更全面，能够对每一个学生进行客观评价。生成式人工智能通过全程参与教学过程，可以对学生的课堂表现、作业、考试成绩等数据进行分析，为学生学业水平精确画像，为分层教学提供更科学、准确的依据[12]。

三、生成式人工智能赋能高中化学教学的实践路径

1.赋能教学设计，双师共创教学方案

教学设计是课堂教学的基本依据，可以明确教学目标，让教学有序开展。用"文心一言”设计人教版必修第二册“自然资源的开发利用”金属矿物的开发利用教学方案。教师在加以限定词“以发展化学学科核心素养”和具体的教学要求后进行提问，“文心一言”生成教学目标。确定好教学目标后，教师还可以利用生成式人工智能获取教学灵感，拓宽设计思路。

[提问]高中化学以发展化学学科核心素养为主旨，根据《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》，以金属矿物利用为例，旨在了解依据物质性质及其变化综合利用资源和能源的方法，请设计出人教版高中化学必修二“自然资源的开发利用”—金属矿物的开发利用的教学目标。

[文心一言]（1）能够辨识自然界矿物中的金属元素存在形态。（2）能够建构金属冶炼的思维模型，以预测和解释金属冶炼的方法。（3）能说出金属冶炼对环境和社会的双重影响，并提出减少资源消耗和环境污染的合理化建议。（节选）

[提问]对于高中化学自然资源的开发利用中金属矿物的开发利用这一内容，如何设计有创新点的教学方案？（简单描述即可）

[文心一言]虚拟实境体验：利用VR技术，让学生“走进”金属矿山，近距离观察金属矿物的形态、分布，并模拟开采过程，增强直观感受。互动实验探究：设计一系列与金属冶炼相关的实验，让学生动手操作，探究金属冶炼的原理和条件。跨学科整合项目：结合地理、历史等学科，开展“金属与文明”项目式学习，探讨金属矿物在人类历史中的作用，以及不同文明对金属资源的利用方式。环保主题辩论：组织一场关于“金属矿物开发利用与环境保护”的辩论赛，引导学生思考如何在金属矿物开发利用中实现可持续发展数字化学习资源：利用在线课程、虚拟实验室等数字化资源，为学生提供更多元化的学习途径，同时便于学生随时随地进行自主学习。

“文心一言”在协助进行教学设计时提供了符合《课程标准》要求的教学目标。鉴于人类教师在教学活动设计时备课资源不足，利用“文心一言”能够启发教师思维，提高教学设计的效率和质量。“文心一言”提供了几种教学活动，然而生成完整的教学过程，还需要教师进一步提出要求：“具体的教师和学生活动”“符合高中学生探究水平”“活动过程中融入本节课程的基础知识内容”。

[文心一言]1.金属矿物寻宝游戏（基础知识融入：金属存在形式与识别）

·教师活动：设计寻宝游戏，将代表不同活泼性金属的矿物样本或模型隐藏起来；准备金属矿物识别手册，介绍各种金属的物理性质和化学性质，以及它们在自然界中的存在形式。

·学生活动：分组进行寻宝，利用识别手册识别金属矿物。记录寻找到的金属矿物种类，并尝试根据它们的性质进行分类。讨论金属矿物在日常生活中的应用，以及它们对人类社会的贡献。

2.金属冶炼小剧场（基础知识融入：金属冶炼方法）

·教师活动：引导学生了解金属冶炼的基本原理和不同方法，特别是电解法、热还原法和热分解法；提供剧本框架，鼓励学生根据金属活泼性选择合适的冶炼方法进行创作。

·学生活动：分组编写剧本，模拟金属冶炼的过程，包括矿石的开采、冶炼方法的选择、金属的提取等在表演中展示不同活泼性金属的治炼方法，以及冶炼过程中可能遇到的问题和解决方案。表演结束后，进行班级分享和讨论，引导学生思考如何优化冶炼过程，减少环境污染。

3.废旧金属艺术品创作（基础知识融入：废旧金属回收利用）

·教师活动：提供废旧金属材料，以及艺术创作所需的工具和材料；引导学生了解废旧金属回收利用的重要性和意义，特别是针对不同活泼性金属的回收利用方法。

·学生活动：分组或个人选择废旧金属材料进行艺术创作，思考如何将废旧金属转化为美观且实用的艺术品。完成作品后，进行班级展示和评选，分享创作心得和灵感来源，同时讨论废旧金属回收利用的环保意义。

4.金属开发与利用辩论赛（基础知识融入：金属开发与利用的社会影响）

·教师活动：设计辩论赛的辩题，如“金属的开发与利用是否有利于环境保护”“不同活泼性金属的治炼方法对环境的影响”等；提供辩论技巧和策略指导，确保辩论赛的公平性和存效性。

·学生活动：分组准备辩论材料，包括事实依据、数据支持、论点论据等，特别是针对不同活泼性金属的冶炼方法和环境影响进行深入分析。辩论结束后，进行反思和总结，思考如何平衡金属的开发与利用和环境保护之间的关系。