教育智能体在中学化学实验教学中的应用研究

【摘 要】教育智能体在教育教学中的应用示范，是当下教学数字化转型与新课改亟待研究的重要议题。文章结合教育智能体的技术优势，提出了教育智能体赋能中学化学实验教学的应用策略，并以初中化学“二氧化碳的制取与性质”为例，开展了教学设计，以期为教育智能体在化学实验教学中的示范应用提供借鉴和参考。

【关键词】教育智能体；化学实验教学；教学难题；教学策略

【中图分类号】G434 【文献标志码】A

【论文编号】1671-7384（2024）010-014-04

《义务教育化学课程标准（2022年版）》明确提出“要以培养学生的化学核心素养为宗旨，强调化学观念、科学思维、探究与实践能力等的多维发展”[1]，为新时代化学实验教学的改革与创新指明了方向。当前，中学化学实验教学过程仍较多地关注强化实验知识或训练实验技能。大部分教师仍依赖于传统的实验教学模式，要求学生按照既定的实验手册机械地完成实验操作，并在实验结束后根据实验手册进行标准化评分[2]。然而，这种传统的实验教学模式存在学生对化学知识理解深度不够，科学思维训练不足[3]，以及探究性实验实施困难等问题[4]。这不仅影响了智能时代化学学科育人目标的实现，也不利于我国科学教育的高质量发展。

近年来，以ChatGPT为代表的生成式人工智能技术，在启发性内容生成、对话情境理解、序列任务执行等领域展现出卓越的性能[5]。教育智能体是指借助于生成式人工智能技术，针对教育领域的多场景需求和多角色服务特点，而创建的智能工具[6]。其能够在特定的教学场景中扮演专家、同伴、评价者等角色，并通过文本、语音、图像等形式与学习者进行实时互动[7]。教育智能体具备丰富的教学资源和教学技能，能够更好地适应教育教学的需求。如何利用教育智能体破解中学化学教学面临的现实挑战，是化学新课改亟待解决的关键问题之一。本研究旨在探讨教育智能体赋能下的中学化学实验教学策略，并设计切实可行的实验教学案例，以期为教育智能体助力个性化、精准化的化学实验教学提供参考和借鉴。

教育智能体对中学化学实验教学的赋能策略

教育智能体作为生成式人工智能技术在教育领域的重要应用，在破解中学化学教学难题、革新教学样态上具有巨大潜力。为了更好地将教育智能体的技术优势与中学化学实验教学有机融合，本研究提出三种典型的应用策略。

1.辅助教师指导学生实验探究

教育智能体具备海量的多模态数字资源，能够作为智能助教辅助教师开展实验教学。实验教学前，学生可通过与教育智能体的交互，解答预习过程产生的疑惑，以实现对基础性知识的全面把握，为教师课上实施实验探究预留更多时间。实验教学中，学生可通过与教育智能体的交互获得实时反馈，确保每位学生在实验探究过程中能够获得及时有效的回复，这破解了传统实验教学中探究性实验个性化实施不充分的困境。实验结束后，教师可以结合教育智能体的评价，对每位学生的实验操作水平形成初步的把控，不需要再耗费过多时间去批改实验报告，从而使教师能够更多专注于实验探究的实施过程。此外，教育智能体还提供了实验教案写作辅助、教学资源智能检索、课程知识答疑等功能板块，有效地解决了部分教师在设计与指导探究性实验方面能力不足的问题。

2.助力学生科学思维训练与养成

教育智能体能够利用生成式人工智能卓越的自然语言处理能力和丰富的语料库，在实验教学中充当学生的课外导师。首先，教育智能体在辅助学生自主开展化学实验设计方面发挥着重要作用。学生在自发探索化学实验时，可先将预设的实验情景和目标嵌入教育智能体平台，平台能够快速精准地检索到高度相关的学习资料并提供给学生。依托这些资源，学生能够对实验过程形成初步的认知，并在此基础上向教育智能体发起更深入的追问。通过反复多次地提问交互与修改迭代，学生的实验设计能力不断增强，对化学知识的理解也不断加深。其次，教师可以通过指导学生进行科学的人机对话，来训练学生的质疑能力和批判意识。具体而言，学生能够根据自己的兴趣偏好设定不同的实验情景，在这个过程中学生可以主动承担不同角色，如化学研究员、辩论家、学习伙伴等，不断向教育智能体发起提问和对话。在对话过程中学生要自发判断教育智能体的回复是否准确全面，同时，教师要引导学生掌握对话的主动权，而不是被动地全部接受。

3.推进化学实验技能智能评估与反馈

教育智能体的引入为推进中学化学实验技能评估与反馈向智能化转型提供了有力支撑。首先，教育智能体可以辅助教师设计化学实验评价标准。在化学实验教学准备阶段，教师可向教育智能体提供实验教学内容、教学目标以及学科核心素养等关键信息，教育智能体依托生成式人工智能技术强大的内容解析与学习能力，能够迅速定位实验过程的重点与难点，并进一步辅助教师设计出系统科学的质量评价标准。其次，教育智能体能够为学生提供切实可行的智能反馈。在化学实验教学实施结束后，教师可要求教育智能体按照既定的实验评价标准，对学生提交的实验报告和操作视频进行精准分析，有效识别出学生在实验操作步骤、流程规范性等方面存在的问题，并据此提供个性化的反馈与改进建议。这一过程有助于解决传统化学实验教学个性化反馈缺失的问题，促进学生实验技能的持续提升。

教育智能体赋能中学化学实验教学的案例

本研究以九年级上册第2章“基础实验2：二氧化碳的制取与性质”为例，借助人工智能工具，探讨人工智能在初中化学实验教学中的创新应用。二氧化碳的制取与性质，作为基础实验是典型的学生分组实验，在整个初中化学实验教学中占有重要地位。在这个实验之前，学生已经了解了氧气的制取，初步掌握了实验室制取气体的装置设计、收集方法及气体性质检验方法。通过学习本实验，在知识层面使学生掌握在实验室中制取二氧化碳的方法，深入了解二氧化碳的基本性质和应用。同时教师借助人工智能帮助学生开展个性化的实验探究，培养学生科学思维，激发学生创新潜能。

1.实验教学设计

（1）实验准备。教育智能体可以根据教师要求制订实验教学计划，包括教学目标、实验步骤、注意事项等。根据学生的知识水平和学习特点，教育智能体可以为学生生成个性化的预习资料，解释实验原理、介绍实验器材的使用方法等，帮助学生更好地进行预习。利用虚拟现实（VR）或增强现实（AR）技术，教育智能体还可以为学生提供虚拟的实验环境，让学生在虚拟空间进行实验操作和观察实验现象，提前熟悉实验流程，减少实际实验中的错误和风险。

（2）教学方法选择。根据学生的年龄特点、学习水平和实验内容，教育智能体可以为教师提供多样化的教学策略建议，如探究式教学、启发式教学、合作学习等。教育智能体还能够协助教师设计丰富多样的教学活动，如实验演示、小组讨论、实验探究比赛等，以提高学生的参与度和学习效果。

（3）实验安全保障。教育智能体可以对二氧化碳的制取与性质实验中可能存在的安全风险进行评估，如二氧化碳泄漏、酸液飞溅等，并提供相应的防范措施和应急预案；也可以为教师生成安全教育资料，如安全操作规程、事故案例分析等，加强学生的安全意识和自我保护能力。

2.实验教学实施

初中化学基础实验旨在为学生提供一个实践和探索的平台。在实验教学过程中，教师不仅要关注学生的实验技能，更要注重培养学生的探究能力。

（1）教师讲授环节。教师讲授是实验教学的起始环节，教师根据课程目标，结合学生的预习情况选择重点讲解内容，其目的是让学生在充分理解实验原理的基础上，更加有效地进行实验操作，并从实验中获得有价值的结果。

（2）学生实践环节。学生实践是实验教学的核心环节，它是学生将理论知识转化为实际操作能力的重要过程。通过亲自动手进行实验操作，学生能够更加深入地理解实验原理，掌握实验技能，培养动手能力和团队合作精神。学生在实践过程中，可能会遇到各种各样的问题，教师在学生实践过程中可以进行巡视和指导，但在有限的课堂时间内无法详细指导每位学生。而教育智能体可以实时回答学生在实践过程中遇到的问题，例如，学生对碳酸钙和稀盐酸反应制取二氧化碳的原理理解不透彻，不清楚为什么选择碳酸钙和稀盐酸作为反应试剂。在组装实验装置时，学生不清楚如何选择合适的仪器，如长颈漏斗和分液漏斗的区别和使用方法，以及如何检查装置的气密性。在实验操作过程中，学生在药品的添加顺序、反应的控制条件（如温度、浓度等）以及实验过程中的安全注意事项等方面存在困惑。学生对实验中观察到的现象描述不准确，无法正确解释实验现象产生的原因，如二氧化碳通入澄清石灰水变浑浊的原理。教育智能体可以作为教师的助手，为学生顺利开展实践提供支持。

（3）学生探究环节。学生探究是实验教学的升华环节，它要求学生在完成基础实验的基础上，进一步思考和探索实验中的问题，培养创新思维和科学素养。然而，学生在实验探究过程中常常会遇到各种疑问和困难，影响实验的顺利进行和学习效果。教育智能体作为一种新兴的工具，具有智能问答、知识推荐、模拟实验等功能，可以为学生解决实验探究过程中的疑问提供帮助。在探究环节，学生的各种“奇思妙想”都可以通过随时向教育智能体提问互动，也可以从教育智能体得到很多启发。

下面是一组学生在实验探究中与教育智能体的互动，在教师和教育智能体共同的帮助下，学生大胆提出假设、设计实验方案并进行验证，像科学家一样体验完整的探究过程。

学生提问：能否用碳酸钙和稀硫酸来制取二氧化碳？

智能体回答：一般不使用碳酸钙和稀硫酸来制取CqHdCxjbm+Zk4Opk8488bQ==二氧化碳。原因主要有两点：其一，碳酸钙与稀硫酸反应会生成微溶于水的硫酸钙，硫酸钙会覆盖在碳酸钙的表面，阻止反应的进一步进行，导致无法持续产生二氧化碳气体；其二，从反应速率和气体收集的角度来看，这种反应难以控制且效率较低。通常制取二氧化碳气体，采用的是大理石（主要成分是碳酸钙）与稀盐酸反应。

学生追问：碳酸钙和稀硫酸反应的化学方程式是怎样的？

智能体再回答：碳酸钙与稀硫酸反应的化学方程式为：CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + H2O + CO2↑。然而，这个反应通常不能持续进行，因为生成的硫酸钙微溶于水，会覆盖在碳酸钙表面，阻止反应的进一步进行。

学生思考后再提问：能否通过改变实验条件，使用碳酸钙和稀硫酸反应制取二氧化碳？

智能体再回答：在理论上，通过改变实验条件来使用碳酸钙和稀硫酸制取二氧化碳是具有一定可能性的。例如，可以采用不断搅拌的方式，使生成的硫酸钙及时分散，减少其在碳酸钙表面的覆盖，从而促进反应持续进行；或者使用较大颗粒的碳酸钙，减缓硫酸钙的覆盖速度。但即便如此，这些方法在实际操作中仍存在诸多困难和不确定性，相比之下，使用大理石和稀盐酸制取二氧化碳仍是更为简便、高效和稳定的方法。

学生再追问：使用碳酸钙和稀硫酸反应制取二氧化碳需要注意什么？

智能体再回答：使用碳酸钙和稀硫酸反应制取二氧化碳时，需要注意以下几点。一是反应速率问题：该反应生成的硫酸钙微溶于水，会覆盖在碳酸钙表面，阻止反应的进一步进行，导致反应速率逐渐减慢甚至停止。二是气体收集问题：由于反应不能持续稳定地产生二氧化碳气体，可能会影响气体的收集效果。如果在实验室中进行这个反应，可能会出现一开始有二氧化碳产生，但很快反应就几乎停止的情况，无法得到预期量的二氧化碳气体。三是安全问题：稀硫酸具有腐蚀性，操作时要避免其接触皮肤和衣物。

学生整理、判断以上问答信息：改变实验条件防止微溶的硫酸钙附着在碳酸钙表面；使用大小合适的碳酸钙颗粒，减缓硫酸钙的覆盖速度；稀硫酸具有腐蚀性，操作时要避免其接触皮肤和衣物。

学生在教师指导下形成探究实验方案：在原有实验室制取二氧化碳的装置中增加磁力搅拌器进行对比实验；使用大、中、小三种不同体积的碳酸钙颗粒进行对比实验；使用强、中、弱三种浓度的硫酸溶液进行对比实验；用优化后的碳酸钙和稀硫酸制取二氧化碳与碳酸钙和稀盐酸制取二氧化碳进行对比。学生按照探究实验方案开展实验。

3.实验教学评价

设计科学合理的化学实验评价标准对于准确评估学生的实验能力和促进教学质量提升具有重要意义，教育智能体为教师提供了新的辅助手段。教育智能体首先利用数据分析与模式识别功能，收集大量过往学生实验的相关数据，分析出常见的错误类型、优秀操作的特点等，并整合国内外化学教育领域的权威评价标准和相关研究成果，确保所设计的评价标准具有科学性和前沿性。然后智能生成评价标准初步框架，包括实验操作、实验数据处理、实验安全、实验报告等方面的大致要点。最后对教师初步制定的评价标准进行细致分析，提出具体的细化和优化建议，形成如下基础实验2的实验评价标准。

（1）实验操作评价（40分）：仪器组装的正确性（如发生装置和收集装置的连接是否紧密、导管的插入位置是否恰当等），15分；试剂添加的顺序和量的控制（先加固体碳酸钙，再缓慢加入稀盐酸，盐酸的量不应过多或过少），10分；实验操作的规范性（如点燃酒精灯的方法、熄灭酒精灯的时机等），15分。

（2）实验数据评价（30分）：收集气体体积的准确性（与理论值进行对比），15分；反应时间的记录和分析（反应时间过长或过短，需要分析原因），15分。

（3）实验安全评价（10分）：是否正确佩戴防护眼镜和手套，5分；实验过程中有无违规操作导致安全隐患，5分。

（4）实验报告评价（20分）：实验目的和原理的阐述是否清晰准确，8分；实验步骤的记录是否完整详细，5分；对实验结果的分析和讨论是否深入合理，7分。

在学生实验过程中，教育智能体可以作为教师的助手为学生提供及时有效的反馈，有助于提高实验教与学的效率。在实验过程中，一旦发现学生的错误操作或不合理的数据，立即通过语音或文字提示学生进行纠正。例如，学生A在添加稀盐酸时，速度过快且量过多，系统会立即发出提醒：“请注意添加稀盐酸的速度要缓慢，量应按照实验要求控制，以免产生过多的气体导致实验危险。”教育智能体可以根据每位学生的实验表现和特点，生成个性化的反馈报告。Qf+fqYWWTSzZJc1hLhPUGA==对于操作不熟练的学生，重点强调操作技巧的训练；对于数据分析能力较弱的学生，提供更多关于数据处理和误差分析的指导。学生B记录的二氧化碳产生的体积明显小于理论值。系统分析后反馈：“你的实验数据可能存在误差，建议检查装置的气密性是否良好，或者重新测量。”学生C实验报告中对实验结果的分析部分不够深入。系统给出建议：“可以进一步探讨实验结果与理论值的差异原因，思考如何改进实验方法以提高实验的准确性。”教育智能体可以结合实验内容，为学生提供相关的拓展知识和前沿研究成果。

总结与展望

教育智能体在协助学生进行化学实验学习和实验探究方面具有显著的优势，能够有效解决学生在实验过程中的疑问，提高学生的学习兴趣和实验探究能力。然而，教育智能体在教育领域的应用仍处于发展阶段，还存在一些不足之处，如知识的准确性和权威性有待进一步提高，与实际教学的融合还需要不断优化。未来，随着技术的不断进步和教育理念的更新，教育智能体有望在实验教学中发挥更大的作用，为学生提供更加个性化、高效的学习支持。

参考文献

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