技术支持下的化学有效教学初探

陈华

摘要：以高三化学“纯碱工业”的复习课为例，利用人工智能和现代化教学技术助力现代化学课堂，解决教学难点，转型

教学方式，提升课堂效益，从而培养学生的化学学科核心素养。

关键词：人工智能;纯碱工业;增强现实（AR）;虚拟现实（VR）;5G

文章编号：1008-0546（2022）05-0029-06中图分类号：G632.41文献标识码： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.05.006

利用人工智能技术助力现代化学课堂，不仅能培养学生的化学学科核心素养，也是培养终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力的需要。在教育技术不断发展的今天，让技术赋能学科教学，转型教学方式，解决教学难点，提升课堂效益，需要我们积极做出尝试。

一、教学主题内容及教学现状分析

1.教学主题内容

纯碱具有广泛的用途，是重要的化工原料之一。上海高三拓展型课程教材第五单元第三节化工生产章节里有纯碱工业的相关内容。在《上海市高中化学学科教学基本要求（试验本）》中，对纯碱工业的学习水平定为C级，即运用水平。对纯碱工业的具体要求细分为归纳氨碱法和侯氏制碱法的原理，了解简单流程，并对方法进行评价。笔者开设的本节课，是一节解决学生问题的复习课。

2.教学现状分析

化工生产专题是多年来教与学的一个难点。对于老师来说，整个生产原理和生产流程主要是从教材和教参上来理解，但是对实际的化工生产中具体的操作工艺不是很清楚。而对于学生来说，化工生产知识涉及的面较广，如化学反应原理、原料选择、能源消耗、设备结构、工艺流程、环境保护以及综合经济效益等，综合性大，能力要求高。因为没有实地参观化工厂的经历，因而感觉书本的知识较死板，更多的时候是被动地接受所有的高考知识点，提不起学生学习化工生产的兴趣。对于“纯碱工业”这一主题，生产流程相对比较复杂，学生学习的难点在于无法建构起整个生产工艺，对于索氏和侯氏两条生产线的异同比较从抽象理论去理解比较困难。

查阅相关文献，很多老师致力于通过模拟工业制纯碱的实验设计，来弥补中学教材中无相关实验的缺陷。例如：陆丽洁等设计了三个模拟工业制备纯碱和一个模拟联合制碱法母液处理的实验方案，旨在为纯碱工业的实验教学提供可选择的参考素材和方法[1]。张志明应用化学平衡移动原理、溶解度差异等，通过控制化学反应条件，模拟优化了联合制碱法制备纯碱的实验，加深学生对两种工业制纯碱方法原理的认识[2]。此外，其他老师也提出了相似的教学设计。这些教学设计还是以传统的实验教学模式为主。

二、教学思想与创新点

在教育技术不断发展的今天，让技术赋能化学教学，转型教学方式，解决教学难点，提升课堂效益，需要我们积极做出尝试。

课前通过智学网的检测，诊断出学生问题来开展教学。通过自行设计的成本核算小程序，从数据帮助学生理解化学原理和生产工艺有区别。基于VR技术的现场实验，让学生沉浸式体验危险系数高、可视范围有限的实验，深刻理解NH3和CO2的通入顺序，加深对工业制纯碱原理的理解，体会“宏观辨识和微观探析”的学科核心素养。通过5G实景课堂突破时空限制，与专家面对面交流，体验化学原理和化工生产有联系也有区别，解决老师和学生的困惑。再通过智学网大数据的反馈，检测本堂课的学习效果。布置基于AR技术的学习资料包，供学生课后复习，实现线上和线下混合式学习。

三、教学目标

从教学内容和教学现状分析，结合课程标准，本节课的教学目标为：

（1）通过成本核算的计算机算法和演算，理解索氏和侯氏生产工艺的异同点。

（2）通过理论计算和VR实验，理解NH3和CO2的通入顺序，体会“宏观辨识和微观探析”的学科核心素养。

（3）通过5G实景连线，搭建化学理论和化工生产的桥梁，体会理论和实际既有联系也有区别。

（4）形成化工生产全局观：根据国情和市场需求进行调控，才能达到利润最大化。

（5）通過AR软件，实现线上和线下混合式学习。

四、教学流程

五、教程实录

1.问题诊断

【教师】课前，通过智学网的作业检测，诊断出同学们对纯碱工业生产原理的理解上还有些欠缺。总共布置的5道题目，只有少数题目的正确率超过了一半（见图2）。例如：第二题，对于氨气和二氧化碳的通入顺序，正确率为100%，但是对于其理由的阐述却不是很到位，正确率只有37.5%，说明大部分同学们没有真正理解其原理。其实化工生产专题多年来就是教与学的一个难点。所以今天这节课，我们借助技术尝试来突破这些难点，帮助大家更好理解这一工业。

2.问题突破

【问题一】为什么索氏和侯氏制碱法在制碱原理

上是相同的，但是在生产工艺上是不同的？

【教师讲解】索氏和侯氏制碱法的相同点在于制

碱方程式相同，都用 NaCl、NH3、CO2的反应来制备纯碱，NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3↓+NH4Cl

2NaHCO3 △ Na2CO3+CO2↑+H2O

工艺的改进就是为了盈利，接下来我们从原料成本上再来重新认识这个反应。现在我要得到1mol Na2CO3产品，根据制碱原理分别需要多少原料？

【学生回答】2 mol NaCl、2 mol NH3、2 mol CO2

【教师计算】我用计算机算法来快速模拟计算一下这个反应的盈亏值（见图3）。

【教师自答】通过计算结果，我们看到它是亏钱的。因此实际的工艺流程中还需要想方设法采取其他措施来让它转亏为盈。

【教师提问】索尔维采取哪些措施让它转亏为盈？展示各种原料的价格表[3]（见表1）。

【学生回答】（学生回忆索尔维制碱法的流程，结合原料价格表，通过小组讨论梳理盈利措施。）NH3的 成本价是最高的，因此索尔维想到要循环使用NH3来降低成本。碳酸氢钠受热分解也会产生CO2，因此也可以循环使用，来降低原料成本。

【教師追问】循环的NH3哪里来？ NH4Cl如何变成 NH3？加什么碱，成本最低？ Ca（OH）2哪里来？因此索尔维制碱法的原料是什么？

【学生回答】通过溶液中的 NH4Cl 转变而来。加碱，加 Ca（OH）2，成本最低。石灰石煅烧。因此索尔维制碱法的原料是NaCl和CaCO3。

【教师提问】所以，索尔维制碱法的原料为碳酸钙和氯化钠。要得到1 mol Na2CO3，从元素守恒的角度来说，分别需要多少原料？

【学生回答】2 mol NaCl、1 mol CaCO3

【教师提问】侯氏制碱法是如何改进工艺来盈利的呢？请进行小组讨论。

【学生回答】当时特定的历史背景，碱厂内迁，导致 NaCl 的价格上升。碳酸氢钠受热分解也会产生 CO2，所以循环使用NaCl 和CO2，来降低原料成本。当时我国对化肥的需求量激增，所以侯德榜将溶液中的 NH4Cl转变为化肥产品售出，来增加盈利。

【教师提问】根据方程式，侯氏制碱法得到1 mol Na2CO3产品的同时，同时还能得到多少mol的NH4Cl产品？

【学生回答】2 mol NH4Cl

【教师提问】同样根据元素守恒，分别需要原料多少mol？

【学生回答】2 mol NaCl、2mol NH3、1 mol CO2

【教师讲解】请同学们在PAD上快速计算一下改进后的两种工艺盈亏值。

【学生操作】见图4

【教师补充】改进工艺后，工厂都赚钱了。索氏和侯氏制碱法工艺不同，是因为当时的国情所决定的。当然实际的化工生产中，我们不单单要考虑经济成本，其实还要考虑环境成本和设备成本等因素，这也是我们现代工业发展的方向。

每种工艺也都有各自的优缺点。根据当时的国情和市场需求来进行调控，才能达到利润最大化。例如：我们作业中的N.A法就是根据市场需求两条生产线的联合使用。

【学生订正】根据我的讲解，对作业中的第四题，我们一起来进行订正。

【问题二】为什么先通NH3，再通CO2，能得到大量的NaHCO3固体？

【教师提问1】为什么要生成NaHCO3，不直接生成产品Na2CO3呢？

【学生回答】相同条件下，NaHCO3是所有物质中溶解度最小的，最容易析出。

【教师提问2】怎样得到大量的NaHCO3固体呢？

【学生回答】提高溶液中Na+和HCO-3的浓度，使溶解平衡朝结晶方向移动。

【教师提问3】怎样得到较高浓度的Na+和HCO-3？

【学生回答】水溶液中加NaCl 固体至饱和，就能得到高浓度的Na+。尽可能让CO2溶解于溶液中，才能得到高浓度的HCO-3。

【教师提问4】怎样的溶液环境可以溶解尽可能多的CO2？

【学生回答】碱性环境

【教师讲解】所以我们通常是让CO2和NH3先生成 NH4HCO3的方式来增加 HCO-3的浓度，那就意味着我们还需要通入 NH3作为原料。那么先通 NH3还是先通 CO2，本质区别在于可能会影响生成的NH4HCO3的 量。展示CO2和NH3在水中溶解性信息（见表2）。

【教师计算】根据溶解度信息，我们来进行一个粗略计算。假设用10 mL水来溶解NaCl 固体到饱和，先通NH3，大约可以溶解7000 mL 的NH3，假设是标准状况下，可以溶解0.3125 mol 的 NH3，再通 CO2，能得到 NH4HCO3为24.688 g。如果先通 CO2，只能溶解10 mL CO2，最终得到NH4HCO3为0.035 g。

【教师提问】这是我们粗略的计算，通过什么方法可以来验证？

【学生回答】实验

【教师说明】考虑到实验用量、经济环保和现象明显等原则，我们最终以计算值的五分之一进行实验，通过实验来验证到底哪种方式可以得到大量的碳酸氢钠固体？因为碳酸氢铵有强烈的刺激性气味，不便于在我们今天的教室里实验演示。请同学们戴上VR 眼镜，让我们从六楼穿越到十二楼的化学实验室，由在实验室的朱老师为我们完成这个实验（见图5）。

【教师实验】

1号试管：含有10 mL水的饱和食盐水加4.938 g 碳酸氢铵固体

2号试管：含有10 mL水的饱和食盐水加0.007 g 碳酸氢铵固体。

3号试管：10 mL水加4.938 g碳酸氢铵固体

【教师提问】通过实验现象，你能得到什么结论？

【学生回答】1号和2号试管对比得知，只有先通 NH3，再通 CO2，才能得到大量的 NH4HCO3固体。1号和 3号试管对比得知，1号试管产生的大量白色固体晶型和3号试管不同，证明1号试管里产生的白色固体不是过饱和的NH4HCO3。

【问题三】实际的纯碱生产中，具体操作工艺是如何的呢？

【教师讲解】同学们也有很多问题想问，让我们运用5G技术来连线中盐昆山有限公司的工程师，请他来为我们解答。（图6）

【工程师回答】（简要介绍其工厂联合制碱法的原理，带着学生一起观看工厂各步骤需要的设备。）

在我的右手边这个是我们的联碱装置主反应器碳化塔，它主要作用就是用通入的二氧化碳气体跟氨母液II（吸氨后的盐水）反应产生碳酸氢钠结晶，最后再固液分离去煅烧制出合格的纯碱。

这边是母Ⅰ吸氨器，母Ⅰ吸氨器是我们Ⅰ过程带滤机固液分离之后的母液Ⅰ ，经过母Ⅰ泵送上来之后，吸收氨气制成合格的氨母液I，送入II过程制造合格的氯化铵。

这边细条就是我们的原料盐的皮带，经过皮带输送到我们的盐析结晶器，经过同离子效应析出氯化铵稠厚液，送入冷析结晶器和氨母液Ⅰ一起通过降温结晶析出氯化铵，送入我们的离心机。我们的离心机下来的氯化铵经过这根皮带一部分到干铵车间，一部分直接到包装，那边一条是干铵车间出来的成品經过皮带输送到干铵包装机。

这边是我们的母Ⅱ（Ⅱ过程产生的经过冷析和盐析处理的母液）吸氨器，它主要是母Ⅱ泵打上来的母液Ⅱ，在我们的吸氨器里边吸氨，提高我们母液Ⅱ中的游离氨来变成我们制碱需要的氨母液Ⅱ。

【学生提问】如今化工厂是否也与时俱进，能够“无人运作”？当今化工厂工人的主要工作是什么？

【工程师回答】介绍了一些其工厂先进的技术。但是纯碱工业仍旧是基础工业，包含很多步骤，比如过滤、结晶等，都需要通过巡检来现场处理。但是相信随着技术的发展，这方面会越来越改观。

【教师总结】谢谢工程师的精彩讲解。在总的发展过程中，纯碱工业的基本原理是没有改变的，但是工艺在不断优化，装备在不断升级。

3.教学反馈

【教师讲解】现在请同学们登陆自己智学网的账号，完成我刚发布的题目，检测一下今天的学习效果。

【学生作答】利用 PAD 登录账号，作答。课的最后当堂反馈（见图7）。可见比图1 的正确率有很大提高。

4.视野拓展

【教师讲解】今天虽然我们没办法实地去化工厂考察，但是利用AR技术，我们可以在PAD上观看整个纯碱工业的生产工艺。

【教师投屏】AR技术展示纯碱工业

【布置作业】请同学们将AR软件作为课后学习资料包并完成软件中的思考题（见图8）。

【教师总结】本节课通过问题的解答和作业的反馈结果，说明技术赋能课堂，促进教与学的转型还是有成效的。对于作业中的其他问题，我们下节课继续讨论。

六、教学技术说明和教学反思

1.利用大数据，精准化教学

传统的教学模式，老师通过手阅作业，凭自己的经验和印象，讲评学生错误率高的题目。其实这是比较模糊的做法，没有客观数据的支持，无法科学准确判断出学生的学习问题。有了大数据技术，只要采集学习过程中常态化的海量数据，教师就能了解每一位学生，进行客观理性的学情分析和学业水平评估，从而更好地指导教学、开展活动。

智学网是科大讯飞面向学校日常作业、考试及发展性教与学评价需求推出的大数据个性化教学系统，旨在为用户提供更加简单易用的系统操作和全面完善的资源服务，通过大数据分析充分挖掘考试价值，通过基于云服务的PC及移动终端为老师和学生提供针对性教和个性化学的信息化环境与服务[4]。

利用课前智学网布置作业，通过AI大数据分析，找到学生具体的问题，及时进行精准化教学——设计出本堂课需要解决的三个问题。利用智学网平台检测学习效果，及时了解学生的学情，调整教学内容与进度。“教、学、评”的一致性完全可以在大数据下进行，所有的评价都可以基于数据的诊断，帮助我们的老师和学生及时了解自己的得和失，完善自己的教和学生的学。

2.利用计算机算法和演算，帮助理解两种生产工艺的异同

索氏和侯氏两条制碱生产线的异同，一直是学生理解的难点。传统教学模式，教师通过化学原理等的讲解和提问，得出两种制碱工艺流程图，最后让学生对两种制碱工艺进行异同点的对比和优劣评价。检测教学效果，发现学生对有关内容掌握程度较差，对异同点的把握还是停留在老师传授的知识点上，没有主动探索思考实践的过程，知识就不容易内化成为思维品质和创新能力。笔者思考，能不能选择一个简单明晰的角度来解读复杂的化工生产呢？化工生产首要考虑经济问题，只有对生产成本进行严格的核算，才能控制成本，进而提高产品的市场竞争力和经济效益。笔者将原来教师讲授为主变为学生探究为主，学生通过分组交流讨论，对两种方案的原料、循环物质、产品进行了对比，在平板上通过成本核算的计算机算法和演算小程序，对比化学原理制碱法和工业实践制碱法的计算结果，直观生动地传递出这样一个认识：化学原理要转化为大规模的工业生产，还必须考虑投入产出性价比。

3.利用VR技术沉浸式体验，突破时空限制

虚拟现实（VR）是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的设备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验[5]。

先通 NH3还是先通 CO2，是具体的生产工艺问题。这个问题是大部分学生的理解难点。传统的授课方式，直接对比NH3和CO2的溶解度信息，由学生运用两种气体的性质来定性地判断气体的通入顺序对产品产量的影响。但是通过作业的批改，发现学生对于其反应的本质原因，没有真正理解。于是笔者将这个问题拆解成四个小问题，与学生进行讨论，运用化学平衡理论的分析，最终学生明白其本质，气体的通入先后顺序直接影响了碳酸氢铵的生成量，最终影响产品碳酸钠产量。为了让学生有更直观的感受，笔者利用 NH3和 CO2的溶解度信息进行了粗略的理论计算，然后通过实验验证，最终得到结论。也体现了化学学科“宏观辨识和微观探析”的核心素养。因为碳酸氢铵固体有强烈的刺激性气味，不便于在教室里进行实验。另外，试管实验受学生座位的影响，可能后排学生看不到明显的实验现象，因此用VR 眼镜沉浸式地体验，可以更好地帮助学生观察到反应后的两支试管中白色固体晶型不同，从而理解反应的本质。借助VR技术，也突破了时空限制，让在实验室的老师现场完成这个实验，增加实验的真实性和可靠性。

4.利用5G 实景课堂，搭建书本知识和化工实际的桥梁

因为学生没有实地参观化工厂的经历，因而感觉书本的知识较死板，更多的时候是被动地接受高考知识点，提不起学生学习化工生产的兴趣，达不到好的学习效果。而教师对于化工实际操作工艺不是很清楚，学生在学习完化工生产的理论知识后，也不能很好地和化工生产实际相结合。借助5G 实景课堂，让更专业的化工厂工程师解答学生的困惑和疑问，使书本知识鲜活了起来，拉近了化工生产与学生学习的距离，帮助学生搭建起书本知识和实际生产的桥梁，让学生深刻体验理论和实践既有联系又有区别。通过现场连线，教师也开拓了视野。低延迟的5G 网络能够让学习者进行远程超控，大大提高远程教学的临场感。我们的课堂也从单师课堂走向双师课堂甚至多师课堂，使我们的教学更专业更富有魅力。

5.利用AR技术，帮助学生实现混合式学习

增强现实（AR）是以虚拟现实技术为基础发展的新兴技术，与虚拟现实技术模仿现实世界创设的虚拟环境不同，它通过利用计算机的现实与交互、网络的跟踪和定位等技术，将虚拟信息呈现到真实世界，让虚拟的物体与真实环境实时叠加，对现实世界进行补充，在虚实结合的交互中增强对现实世界画面或空间的视觉、听觉、触觉等方面的体验[6]。

以往化工生产专题的文本资料，除了教材内容就是习题作业。学生课后的学习巩固形式较单一。利用AR软件模拟整个纯碱工业，可以帮助学生回看整个工业生产细节。为学生提供了纯碱工业课后学习资料包，实现线上线下混合式学习，可以达到更好的学习效果。

本次利用技术对教学进行革新，令我对人才的培育也产生了新的想法。我们可以重构学生的学习组织和教学流程，学生的学习已经不限于教室的四十分钟，时间上可以向前或向后延伸，空间上甚至可以拓展到全宇宙啊！不同的学生完全可以选择不同的节点进行个性化的学习。这种突破时空限制的智慧课堂有助于推动整个育人方式的改革，促进人的主动发展，激发人的内驱力。

七、结语

这一次技术赋能化学学科教学的实践尝试，拓宽了教师的视野、丰富了教学方式、有利于教学重难点的突破。从学生学习的角度看，人工智能技术既有助于课堂学习，也有益于课后的补充学习。它能够为学生建构虚拟学习情境、多方位地理解学习内容，增强学习的趣味性，使其不仅仅作为展示、观察和体验工具，而是能够帮助学生对学习内容有更深入理解与建构。从教师教学的角度看，教学内容的确定有了可资参考的数据，更加实时化、精准化;教学方式的选择有了更多的可能性，更加多元化、情境化;教学评价的根据有了更多的渠道，更加多元化、交互化。这些都说明人工智能技术在教育中应用的范围宽泛，潜力巨大。我们要构建立体丰富的智能平台，推进真实与虚拟的课堂融合，实现线上预学、课堂即时交互、实时反馈，线上线下延学的自由切换式的学习。今后，我们也会在不同的化学专题版块尝试利用新技术进行教学重难点的突破，以技术推动教与学方式的改变，将学习由被动接受的过程，转化为主动探寻的过程，在提升学生学科核心素养的同时，培养学生终身发展的必备品格和关键能力。

参考文献

[1]陆丽洁，刘丽君.模拟工业制备纯碱的实验设计[J].化学教学，2014，1：52—54.

[2]张志明.模拟联合制碱法制备纯碱实验的优化设计[J].化学教学，2017，11：66—68.

[3]徐凯里.基于成本核算的化工生产教学一以“纯碱工业”为例[J].化学教育，2017，38（15）：62—65.

[4]https：//baike.baidu.com/item/%E6%99%BA%E5%AD% A6%E7%BD%91.

[5]趙沁平.虚拟现实综述[J].中国科学F辑：信息科学，2009（1）：2-46.

[6]王辞晓，李贺，尚俊杰.基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用及发展前景[J].中国电化教育，2017（367）：99—107.