AI 赋能化学实验课，提升实验课堂效率

引言

化学实验课作为化学学科教学的核心环节，对于学生深入理解化学概念、掌握实验操作技能、培养科学探究精神具有不可替代的作用。人教版 2019 化学教材在实验内容的设计上，注重理论与实践的结合，强调学生的动手实践能力。然而，传统实验教学在资源利用效率、实验安全性、时间分配合理性等方面存在诸多瓶颈。随着人工智能技术的迅猛发展，将其引入化学实验课堂，不仅能够有效突破这些限制，还能显著提升实验课堂的教学效率，为学生提供更加丰富、高效的学习体验。

一、AI 在人教版2019 化学实验课中的应用方式

（一）智能模拟实验过程

在人教版 2019 教材的实验教学中，许多化学原理较为抽象，学生理解起来存在一定难度。例如，在“氧化还原反应实验”中，AI 技术可以通过三维动画模拟，将电子的转移过程、化合价的变化以动态、直观的形式呈现出来。学生可以清晰地看到电子如何在反应物之间转移，化合价如何发生变化，这种生动形象的教学方式，极大地提升了学生对抽象化学原理的理解深度，为后续的实际操作奠定了坚实的理论基础。学生在进行实验操作时，常常因操作不当而导致实验失败，甚至引发安全隐患。AI 模拟技术可以通过虚拟环境，生动展示错误操作可能带来的严重后果。例如，在“浓硫酸的稀释实验”中，AI 可以模拟将水直接倒入浓硫酸中引起的剧烈放热反应，液体飞溅的场景，使学生深刻认识到正确操作顺序的重要性，从而在实际实验中避免类似的错误操作，确保实验的安全性和成功率。

（二）虚拟实验平台构建

利用 AI 技术构建的虚拟实验平台，为学生提供了丰富的预习和设计实验的机会。在人教版 2019 教材的“物质的分离与提纯”实验前，学生可以在虚拟环境中自由选择实验仪器，设计实验步骤。平台会根据学生的操作实时给予反馈，提示步骤是否合理、仪器选择是否正确等。这种互动式的预习方式，不仅加深了学生对实验流程的熟悉程度，还培养了他们自主设计和优化实验的能力，为实际操作打下了坚实的基础。对于一些因实验条件限制难以在课堂上开展的复杂实验，如“金属的冶炼”，虚拟实验平台借助 AI 技术可以逼真地模拟整个冶炼过程。学生可以通过虚拟操作，身临其境地观察高温环境下的化学反应现象，了解冶炼过程中的各个环节。这种虚拟实验的体验，极大地拓宽了学生的知识视野，弥补了实际实验中的不足，使他们在有限的教学时间内获得更为全面的知识掌握。

二、AI 赋能化学实验课面临的问题及解决策略

（一）技术设备与成本问题

构建 AI 模拟和虚拟实验平台需要高性能计算机、VR/AR 设备等先进技术设备的支持，学校可能面临设备购置成本高、维护难度大等问题。同时，部分 AI 软件的使用也需要支付一定的许可费用，增加了教学成本，给学校经费预算带来压力。学校可以通过多渠道筹集资金，如申请教育专项经费、与企业合作获取赞助等方式，逐步完善技术设备配置。对于成本较高的软件，可以探索使用开源软件或与软件开发商协商争取优惠的使用方案。此外，学校还可以建立区域性的资源共享机制，与周边学校共享设备和软件资源，降低使用成本，提高资源利用效率。

（二）教师能力与适应性问题

AI 技术在化学实验课中的应用要求教师具备一定的信息技术能力，能够熟练操作相关软件和设备，并将 AI 技术与化学教学有机融合。然而，部分教师可能对新技术掌握不足，难以充分发挥AI 的教学优势，甚至对新技术存在抵触情绪，影响教学效果。学校应加强对教师的培训，组织定期的AI 技术应用培训课程，邀请专家进行讲座和实践指导，提升教师的信息技术素养和应用能力。同时，鼓励教师开展教学研究与实践探索，将AI 技术应用于教学中，通过教学成果展示和经验分享，增强教师对新技术的认同感和应用信心。此外，学校还可以建立教师互助小组，促进教师之间的交流与合作，共同提升技术应用水平。

（三）实验真实性与学生体验问题

尽管 AI 模拟和虚拟实验能够提供较为逼真的实验体验，但与真实实验相比，在物质的真实触感、化学反应的真实气味等方面仍存在一定差距，可能影响学生对实验真实性的体验。长期依赖虚拟实验可能导致学生实际动手能力下降，影响他们的实践操作能力。在教学过程中，应合理安排虚拟实验与真实实验的比例，确保学生既能通过虚拟实验获得丰富的预习和模拟体验，又能在真实实验中锻炼动手操作能力。对于一些简单、安全的实验，鼓励学生进行真实操作；对于复杂、危险或条件限制的实验，借助虚拟实验辅助教学。同时，在虚拟实验设计中，尽可能提高模拟的真实性，如增加对实验环境、物质特性等细节的模拟，以弥补真实感的不足。此外，教师应注重引导学生将虚拟实验中的经验应用到真实实验中，提升他们的综合实验能力。

综上所述，AI 赋能化学实验课是教育技术发展的必然趋势，在提升人教版 2019 化学实验课堂效率方面具有显著优势。通过智能模拟、虚拟实验和数据处理辅助等多元化应用方式，AI 技术不仅能够增强学生的学习效果，优化教学过程，还为化学实验教学注入了新的活力与创新。然而，在推广应用过程中，也面临技术设备成本、教师能力适应和实验真实性与学生体验等挑战。通过采取合理的解决策略，充分发挥AI 技术与传统实验教学的优势互补，有望实现化学实验教学质量的全面提升，培养具有创新精神和实践能力的高素质化学人才。

参考文献

[1] 兰丽辉 , 尹浩 .OBE 理念下 "MOOC ^∗ SPOC" 模式的课程建设与应用研究 [J]. 长春大学学报 .2024,34(12).DOI:10.3969/j.issn. 1009-3907.2024.12.015 .

[2] 李志飞 , 曾文颖 , 张龑 . 融合可视化教学的高校智慧课堂互动行为研究 [J]. 中国教育信息化 .2023,29(7).DOI:10.3969/j.issn. 1673-8454.2023.07.012 .

[3] 黄玉坤 , 曾朝懿 , 饶瑜 , 等 .“聚焦产业、五维协同”提升区域食品学科研究生创新能力的探索与实践——以西华大学为例 [J]. 高教学刊 .2023,(30).51-54.