基于AI情景的大概念教学

一、引言

随着教育信息化 2.0 时代的到来，人工智能技术与教育教学的融合成为教育改革的重要方向。《教育信息化 2.0 行动计划》中明确提出，要推动人工智能在教学中的深度应用，构建智能化的教学环境。初中化学作为一门以实验为基础、微观与宏观相结合的学科，“原子结构” 等微观概念的教学一直是教学的重点和难点。

二、相关理论基础

（一）大概念教学

大概念是指能够统摄学科知识、反映学科本质的核心概念，具有概括性、迁移性和统领性。大概念教学以大概念为核心，将零散的知识点整合起来，引导学生从整体上把握学科知识结构，培养学生的学科核心素养。

在初中化学中，“物质的构成” 是一个重要的大概念，而 “原子结构” 是 “物质的构成” 这一大概念下的关键知识点。通过大概念教学，学生能够将原子结构的知识与物质的性质、变化等知识联系起来，形成系统的知识体系，而不是孤立地记忆原子的构成等零散内容。

（二）AI 情景教学

AI 情景教学是指利用人工智能技术，如虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、智能仿真等，创设与教学内容相关的逼真情景，让学生在情景中进行探究、体验和学习的教学模式。

AI 情景教学具有沉浸性、交互性和个性化等特点。沉浸性能够让学生仿佛置身于真实的环境中，增强学习的代入感；交互性可以使学生与情景中的元素进行互动，提高学习的参与度；个性化则能根据学生的学习情况和需求，为学生提供针对性的学习内容和指导。在 “原子结构” 教学中，AI 技术可以将抽象的原子微观结构转化为直观的情景，帮助学生更好地理解。

三、教学案例设计

（一）教学目标

知识与技能：学生能够说出原子是由原子核和核外电子构成的，知道原子核由质子和中子构成；了解核外电子的排布特点，能画出 1-18 号元素的原子结构示意图。

过程与方法：通过 AI 情景探究，培养学生的观察能力、分析能力和探究精神；在小组合作学习中，提高学生的合作交流能力。

情感态度与价值观：激发学生对化学微观世界的好奇心和探究欲望，培养学生严谨的科学态度，认识到化学与生活、科技的密切联系。

（二）教学重难点

教学重点：原子的构成；核外电子的排布规律。

教学难点：核外电子的分层排布及原子结构示意图的理解。

（三）教学过程

（1）情景导入

利用 AI 技术创设一个微观世界的情景，学生通过虚拟现实设备进入这个情景。眼前出现一个神秘的球体，周围环绕着一些更小的粒子，同时伴有生动的语音提示：“欢迎来到微观世界，我是构成物质的基本微粒 —— 原子。别看我小，我的内部可是很复杂的哦，你能探索出我的内部结构吗？”

此时，教师引出本节课的大概念：“原子是构成物质的基本微粒之一，它具有复杂的内部结构，今天我们就一同探索原子的奥秘，理解原子是由原子核和核外电子构成这一核心概念。” 这样的情景能迅速抓住学生的注意力，激发他们的好奇心和探究欲望，使学生主动投入到学习中。

（2）探索原子的构成

探究学习：学生在 AI 情景中，可通过手势操作对原子进行 “拆解”。当学生点击原子时，原子逐渐分解，出现一个位于中心的较大球体（原子核）和围绕它运动的更小粒子（电子）。同时，AI 系统会显示相关信息：“原子核带正电，电子带负电，原子整体呈电中性。”

学生分组讨论：为什么原子整体呈电中性？教师引导学生结合大概念，从电荷平衡的角度进行分析。之后，AI 情景进一步展示原子核的构成，出现质子和中子，系统提示：“质子带正电，中子不带电，原子核的正电荷数等于质子数。” 学生通过观察和讨论，总结出原子的构成：原子由原子核和核外电子构成，原子核由质子和中子构成。

（3）探究核外电子排布

在 AI 情景中，学生可以观察不同原子的核外电子运动情况。系统会展示氢原子、氦原子、氧原子等不同原子的核外电子排布动画，并提示：“核外电子围绕原子核做高速运动，且分层排布，离原子核越近的电子层能量越低。”

学生通过调整参数，观察不同电子层上电子数量的变化，探究核外电子排布的规律。教师引导学生总结：第一层最多排 2 个电子，第二层最多排 8 个电子，最外层电子数不超过 8 个（只有一层的不超过 2 个）。随后，学生在 AI 系统中尝试绘制 1-18 号元素的原子结构示意图，系统会实时反馈绘制是否正确，并给出相应的提示和讲解。

四、教学效果分析

为了验证基于 AI 情景的大概念教学在 “原子结构” 教学中的效果，选取两个平行班进行对比实验。实验班采用上述教学模式，对照班采用传统教学模式，教学内容和课时相同。通过教学实践，收集以下数据进行分析：

（一）学习成绩

教学结束后，对两个班学生进行 “原子结构” 知识点的测试。实验班平均分为 85.6 分，对照班平均分为 72.3 分。实验班的优秀率（90 分及以上）为 45% ，对照班优秀率为 20% ；实验班的及格率为 95% ，对照班及格率为 78% 。数据表明，实验班学生的学习成绩明显优于对照班，说明基于AI 情景的大概念教学有助于学生更好地掌握 “原子结构” 知识。

（二）学习兴趣

通过问卷调查了解学生的学习兴趣。实验班有 88% 的学生表示对 “原子结构” 学习感兴趣，认为学习过程有趣且轻松；对照班仅有 52% 的学生表示感兴趣。实验班学生更愿意主动参与课堂讨论和探究活动，学习积极性更高。

（三）课堂参与度

课堂观察发现，实验班学生的课堂参与度明显高于对照班。实验班学生在情景探究、小组讨论、练习反馈等环节中表现积极，主动提问和回答问题的次数较多；对照班学生则多处于被动听讲状态，参与互动的积极性较低。

五、结论

本研究将基于 AI 情景的大概念教学应用于初中化学 “原子结构” 教学中，取得了较好的教学效果。通过创设 AI 情景，激发了学生的学习兴趣，提高了课堂参与度；以大概念为统领，帮助学生构建了系统的知识体系，加深了对 “原子结构” 的理解，从而提高了学习成绩。

参考文献：

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