融合Ai学智慧教育技术的教学实践

徐志锴

摘要：建设智慧校园，推动人工智能在教育教学的应用是近年教育教学发展的趋势。文章以“氨气喷泉实验”为例，将Ai学智慧教育技术融入到课前、课中和课后，精心设计“呈现经典，初探原理——变换装置，深挖原理——创设情景，运用原理——Ai自推送，内化原理”四个教学环节，不仅提高学生核心素养和信息技术水平，又能推动人工智能在教育教学的发展。

关键词：氛气;喷泉实验;Ai学;人工智能

文章编号：1008-0546（2021）07-0025-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.007

一、问题提出

2017年，国务院印发了关于“新一代人工智能发展规划的通知”，要求利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。近年来，以Ai学智慧教育平台（https：//www.ailearn100.cn/）为代表的一批人工智能智慧学习平台兴起，该平台将人工智能、大数据、图文识别等技术与日常教学教研深度融合，为师生、学校以及教育监管部门提供个性化的智慧教学解决方案[1]。

氨气的喷泉实验是高中化学重要的演示实验，同时也是建构学生模型认知的极佳素材。就目前而言，关于“喷泉实验”这一内容，已有很多相关案例，如王晓瑜等设计生成氨气与引发喷泉的一体化装置[2];燕敏等用有机玻璃设计一个三室双气体喷泉装置[3]。这些教学案例主要集中在喷泉实验内容的创新和装置的改进，但利用氨气喷泉实验原理即压强差原理进行知识延伸，却是高考的热门素材，如2015年广东卷33题，2016年全国Ⅰ卷26题，2017年全国Ⅰ卷26题和2018年全国Ⅰ卷26题。所以在化学核心素养引领下，整合相关资源，优化教学设计，深入分析喷泉实验原理，拓展其原理的应用，将是一项富有意义的研究。

基于以上思考，以建立有效思维模型和提升实际问题解决能力为目标，借助Ai学智慧教育技术，笔者在必修1第四章第四节的学习中设计“喷泉实验引发的思考”的专题课，探讨在智慧教育技术引领的教学实践中融入化学核心素养的养成和落实，为基于核心素养和信息技术的教学提供参考。

二、设计思路

如何准确把握学生学习的认知障碍是教学过程中面临的主要困難。前测备课是解决该困难的有效手段，前测诊断测试题的命制和评阅分析却需要消耗教师大量的精力和时间。Ai学智慧教学平台则很好地解决这些难题，在不改变学生纸笔书写习惯的前提下，通过集成无线访问接入点、充电柜、点阵数码笔、教学平板等硬件设备;采用云—网—端模式，实现对学生书写笔迹等数据的全程记录。Ai学平台最具亮点的功能是云端批改，不仅可以对客观题进行批改，而且还能按步骤对主观题批改，最后形成单次作业报告、阶段性作业报告和考试报告等;基于这些报告数据，结合推荐算法，定位薄弱点，自动推送训练和复习题。由Ai学支持下的一般教学过程如图1。

结合新课程标准、高考命题趋势和学生特点，选定氨气喷泉实验这一主题，在Ai学平台中挑选合适的素材，最终确定推送素材，包括3个自学材料、1个客观性测试题和3个主观性测试题。教师在课前通过教师端平板推送给学生端平板，学生完成后Ai学平台将智能诊断结果反馈回教师端，其结果如表1。

从表中可知学生完成课前推送素材的平均作答时长约为11分42秒，符合预期。学生基本能够自觉阅读自学材料中的内容，而客观测试与主观测试的结果反映出学生存在的主要思维障碍是：将自学材料内化为核心知识能力较弱;不能理解氨气溶解度所带来的实际影响;知识迁移和综合分析能力较弱;不能透过现象看到事物的本质，归纳总结能力较弱。基于以上分析，确定本节课的教学目标是：通过分析氨气的喷泉实验，培养学生“宏观辨识与微观探析”的核心素养;通过变换不同的喷泉实验情景，提高学生解决陌生情景的能力;通过创设不同的实验装置，培养学生接受、吸收、整合信息的能力，发展学生“科学探究与创新意识”的核心素养;通过Ai学的协助，精准定位学生的知识薄弱点，帮助学生理解喷泉实验原理，提升信息技术水平。

结合学生存在的思维障碍，为了充分发挥Ai学平台的技术优势，笔者精心设计四个教学环节，分别是“呈现经典，初探原理——变换装置，深挖原理——创设情景，运用原理——Ai自推送，内化原理”，从情景线索、学生活动和教师支持等维度展开教学，其设计思路如表2所示。

三、教学实施

1.环节一：呈现经典，初探原理

【引入】演示氨气喷泉实验，如图2。

【生】观察实验现象，并思考产生喷泉的原理。（看到产生红色喷泉后，露出惊讶的表情）

【讨论】从自学材料可知道，氨气溶于水，打开活塞后，当挤压胶头滴管，则能引发喷泉。

【追问】按照你的思考，集气瓶气体换成CO2应该也能形成喷泉实验？

【讨论】两种气体在水中都具有一定溶解度，但氨气在水中溶解度明显比CO2大很多，使瓶内压强迅速减少，造成瓶内外形成较大压强差，从而形成喷泉。

【追问】还有哪些气体在此装置基础上完成喷泉实验？若形成CO2喷泉实验，则装置如何改进？

【生】选择在水中有较大溶解度的气体，如HCl。改变溶剂，增加CO2溶解度即能形成喷泉实验，可将胶头滴管和烧杯中的蒸馏水改为NaOH溶液。

【过渡】图3中圆底烧瓶中充满氨气，打开活塞后，引发喷泉的实验操作是什么？

【生】可以用热毛巾捂住集气瓶，并到讲台进行演示实验。

【追问】热毛巾捂住集气瓶，本质是什么？

【生】氨气受热膨胀，迅速扩散到导管，氨气溶于水，瓶内与外界形成较大压强差，从而形成喷泉。

【追问】这个方法很好。还有其他方法吗？

【生】用毛巾包住少量冰块再捂住集气瓶，并演示实验。

【点评】这个方法与前面同学的原理是相同，不同的是，前者是氨气“主动出击”溶解，后者是氨气“被动攻击”溶解。

【Ai推送】H2还原CuO实验中，实验结束后，应该先撤出导管还是先熄灭酒精灯，说明理由？其中的原理与喷泉实验原理是否相似？（学生思考并作答，Ai学平台收集数据并生成报告）

【小结】引发喷泉实验原理是瓶内压强小于外界大气压强，形成较大压强差。而引发的方法可分为物理方法（升温、降温）和化学方法。

2.环节二：变换装置，深挖原理

【过渡】如图4所示装置，集气瓶中充满空气，锥形瓶中装有酒精，打开活塞后，该装置如何引发喷泉？

【生】将水槽中的水加热，使酒精气化，从而引发喷泉。

【追问】该装置引发喷泉的原理是否与图2、图3相同？

【生】（教师引导）前者是使上方瓶内压强减少，瓶内压强小于外界大气压，下方的溶液“倒吸”进入上方集气瓶;而这套装置是使下方瓶内压强增大，瓶内压强大于外界大气压，下方的溶液被“压进”上方集气瓶中。

【追问】这位同学分析得很到位。锥形瓶中加入哪些试剂组合同样可以引发喷泉？

【生】碳酸盐与盐酸产生C认。

【师】在前面的学习中，我们是否有利用这一原理实现相关用途的装置呢？

【生】随关随停装置：如启普发生器。

【小结】此类装置引发喷泉实验原理是瓶内压强大于外界大气压强，形成较大压强差。而引发的方法可分为物理方法（升温使溶液气化）和化学方法（产生气体）。

3.环节三：创设情景，运用原理

【师】为了能够长时间看到白色Fe（OH）2沉淀，请设计合理实验装置，注明反应装置所选的试剂并简述生成Fe（OH）2沉淀其操作过程。实验可供选的仪器有烧杯、大试管、具支试管、普通导管，T形导管、止水夹、橡胶管、橡胶塞;试剂有稀硫酸、铁粉、NaOH溶液。

【生】小组讨论，并画出实验装置图，之后进行小组汇报。

【师】制备Fe（OH）2的反应方程式是什么？这些原料从何而来？Fe（OH）2特点是什么？如何将原料混合从而制备产品？

【生】制备Fe（OH）2反需要Fe2+盐与强碱反应，Fe2+盐需要稀硫酸与铁粉反应所得，而强碱则直接使用NaOH溶液。

【生】Fe（OH）2容易被氧化而变色，因而所需试剂使用前都应煮沸一段时间，以便除去溶解的O2。

【追问】这个做法很好。可以除去各溶液中的氧气，但如何除去实验装置中的氧气呢？（学生困惑）

【讨论】如图5所示，先打开止水夹，利用稀硫酸与铁粉反应产生的H2排除装置中空气，反应一段时间后，关闭止水夹，左侧具支试管内压强增大，溶液从而进入右侧试管。

【评价】这就是喷泉原理的一个很好范例。

【小结】从喷泉实验装置出发，分析其原理，明确其方法，从而实现其多种用途，其思维模型如图6。

4.环节四：Ai自推送，内化原理

【课后任务】过滤常用固液分离，但由于过滤时间较长，为其使用带了不便。结合今天所学知识，通过改进装置可以加快过滤速度，你想到了什么实验装置？

【生】基于学生课前、课中和课后的学习报告，Ai学平台自动推送强化训练。

【师】查看Ai平台报告，依据学习报告对学生个别指导。

四、成效与反思

在Ai學智慧教育技术帮助下，经过本节课的思维训练，学生能够较为熟练地将两种引发喷泉实验的原理运用到实际问题的解决中，并很好地完成了1个课后任务和1-2个Ai学自推送任务。课例实施后，对Ai学实验班的3位学生进行访谈，学生均在以下几个方面得到发展：第一：学会从微观角度分析解决宏观问题，建立了宏微结合的分析思路;第二：感受到化学学科的趣味性和价值性;第三：初步建立“装置——原理——方法——用途”的认知模型。

在完成课堂教学的第二天，对Ai学实验班与对照班进行当堂检测，实验班检测卷通过Ai学平台推送给学生，而对照班则发放纸质测试卷;考查的主要内容是喷泉实验的相关知识点，测试题经过本校资深教师审阅，符合课堂检测的难度标准。其中，客观题是选择题，主观题是实验题，其测试结果如表3。

从表3结果可知，Ai学实验班客观题和主观题的得分率明显高于对照组，说明本课时的教学效果并不比传统教学差，甚至有可能优于传统教学;Ai学智慧教育技术的教学模式对课堂教学具有积极作用。另外，本班级从高一级第一学期初引入Ai学平台，以第一次月考为成绩起点，教师按照图1的教学模式进行教学，班级成绩也在稳步向前，也进一步说明该模式对日常教学有正面影响。

新时代既要求教师具有先进的教育科学理念和素养，又要求教师具有精湛的信息技术应用能力。Ai学利用其技术优势渗透整个教学流程，解决多个难题。课前，教师利用丰富的平台素材，轻松、灵活地备课，使用课前推送素材等功能可以有效掌握学生初次学习情况，在数据支持下精准备课。课中，教师可以手持教师端平板进行移动授课，拉近了学生空间距离，又根据学生掌握的情况进行智能推送、及时反馈和互动。课后，借助平台中电子教辅和标签化题库，教师可以根据课前和课中反馈的学情报告进行分层作业布置，人工智能技术可以实现自动批阅，形成完整的作业报告，让教师及时了解学生的薄弱知识和能力点并改变教学策略。

参考文献

[1]赵顺，胡丽斌.Ai技术助力学生错题本的建立与应用实践研究[J].中国现代教育装备，2019（16） ：7-8+15

[2]王晓瑜，冉鸣.氨气喷泉实验的一体化设计[J].化学教育，2018，39（19）：52-53

[3]燕敏，莫尊理，苟如虎，等.气体喷泉实验装置的改进及应用[J].化学教育2018，39（19）：54-56

*本文系广州市教育研究院2019年“第十八届特约教研员”专项研究课题（课题编号：GZJYTY2019-114）;广州市教育科学规划2018年度课题（课题编号：201811883）;广州市教育科学规划2020年度课题（课题编号：202012696）阶段性研究成果。