信息化背景下无机化学课程混合式教学模式探索

1. 信息化背景下无机化学教学改革的紧迫性

新高考“ 3+1+2^′ ”模式下，化学选考人数锐减导致高校生源化学基础呈现“参差不齐、整体下行”的特点。未选考化学的学生仅通过学业水平考试（难度显著低于高考），普遍存在基础知识薄弱、学习动机不足的问题。若延续传统无差异化教学，将导致两极分化加剧：基础薄弱学生难以跟进，而基础扎实学生则无法深化学习。同时，传统教学存在三大瓶颈 [1]：（1）抽象概念可视化不足：如晶体结构、反应机理等依赖二维图示，学生空间想象力不足；（2）实验教学受限：高危实验（如强酸强碱反应）、长周期实验难以开展，学生实操机会有限；（3）评价反馈滞后：教师难以及时获取全班学习数据，教学调整依赖经验判断。教育数字化战略的推进为破解上述难题提供了技术路径。知识图谱、虚拟仿真、AI 助教等技术的成熟，使得构建自适应、沉浸式、数据驱动的新型教学模式成为可能。

2. 混合式教学模式的核心架构

2.1. 知识图谱驱动的课程体系重构

以“沉淀溶解平衡”章节为例，构建包含知识、能力、问题三维图谱 [2]：

知识图谱：梳理“溶度积常数计算 $$ 沉淀生成条件 $$ 分步沉淀原理”等核心概念及其关联；

问题图谱：标注常见认知误区（如“溶度积大则溶解度必大”）；

能力图谱：映射知识点对应的计算能力、分析能力等目标。

图谱的构建使知识从碎片化转向结构化、可视化，为 AI 智能导学奠定基础。

2.2.AI 赋能的“三阶式”教学流程

基于图谱开发动态教学系统，形成三段闭环：

课前智能导学：AI 推送个性化预习包（如基础薄弱学生侧重概念动画，进阶学生侧重综合应用题）；

课中深度探究：教师基于学情数据（如 AI 分析的错误率热力图）设计难点研讨与虚拟实验；

课后强化拓展：AI 生成靶向习题，并实时答疑（如识别学生提问中的“同离子效应理解偏差”）。

案例：郑州大学在“沉淀法制备 SiO2”实验中，引入计算机视觉动态调控 pH 值。系统通过颜色识别自动调节加料速率，学生通过对比传统与智能控制产物纯度，深化对沉淀平衡的理解。

2.3. 虚拟仿真实验的融合应用

针对高危、微观或长周期实验，采用虚实结合策略：

基础技能训练：如北京欧倍尔仿真软件模拟“硫酸铜结晶水测定”，零风险反复练习称量、加热操作；

高阶探究拓展：设计创新性虚拟实验（如“纳米材料合成条件优化”），学生调整参数观察结构变化，培养科研思维；

实验安全赋能：AI 实时监测操作规范性，对危险步骤（如浓硫酸稀释）触发预警。

2.4. 分层教学与跨学科融合

分层走班制：按基础分班，差异化设计任务（基础班：分步指导实验操作；提高班：自主设计“燃料电池电极材料合成”方案）；

微专业课程渗透：增设“计算化学与 AI 辅助设计”模块，结合机器学习预测分子性质，培养复合能力；

跨学科项目：如扬州大学“晨曦计划”整合化学、材料与人工智能，学生使用机器学习优化催化剂设计[3]。

3. 教学实践案例分析

以“沉淀溶解平衡”混合式教学单元为例，具体实施如下：

表1：混合式教学在“沉淀溶解平衡”单元的实施流程

实践表明：实验组（混合教学）课后测正确率达 92% ，较对照组（传统教学）提升 23% ；学生实验报告显示，对“沉淀转化条件”的理解深度显著提高[4]。

4. 实施成效与反思

4.1. 核心成效

学习效率提升：AI 即时答疑减少 80% 重复问题处理时间，教师精力转向高阶能力培养；

基础差异弥合：分层教学使未选化学学生合格率从 58% 升至86% ；

学科融合深化：计算机视觉、机器学习等技术应用，推动“化学+AI”跨学科能力发展。

4.2. 挑战与对策

挑战1：知识图谱构建成本高。

对策：共建共享区域联盟资源库（如河南省 25 门 AI 课程联合开发项目）。

挑战2：虚拟实验难以替代实操体验。

对策：设计“虚拟预演 - 实操验证”流程，如高危实验前强制仿真通关。

挑战3：教师数智素养不足。

对策：开展“智慧课程工作坊”（如天津大学马骁飞教授团队培训教师构建课程智能体）[5]。

5. 结语

无机化学混合式教学以知识图谱为脉络、AI 技术为引擎、虚实结合为特色，实现了从“统一灌输”向“精准滴灌”的范式转型。未来需进一步探索生成式 AI 在教学设计中的应用（如自动生成情境化习题），深化产教融合项目资源库建设，推动教育数字化转型从工具赋能走向范式重塑。教育数字化不仅是技术叠加，更是以学生成长为中心的流程再造—唯有以数据驱动教学决策，以技术释放人力局限，方能在信息化浪潮中培育出兼具扎实根基与创新视野的化学人才。

参考文献：

[1] 李玲 ， 王国成 . 知识图谱与 AI 助教在无机化学混合式教学中的初步探索 [J]. 大学化学 ， 2025。

[2] 郑州大学化学学院 . 计算机视觉辅助沉淀法制备二氧化硅 [J].Journal of Chemical Education， 2025。

[3] 材料与能源学院教改项目 . 数智化转型中课程思政与 AI 融合路径探索 [R]. 华南农业大学 ， 2025。

[4] 北京欧倍尔. 化学仿真软件重塑实验教学模式 [EB/OL]. 2025。

[5] 马骁飞 . 基于知识图谱的课程资源构建与应用 [Z]. 河南农业大学培训会 ， 2025。

通讯作者：程慧芳