题目:人工智能赋能初中化学概念教学的实践研究

一、选题依据

（一）国内外相关研究的学术史梳理及研究动态

1.国内研究

围绕人工智能与化学教学、化学概念学习两个领域，国内研究大体可以归为三个方面。其一，人工智能赋能化学教学的路径探讨。黄郁郁、王后雄（2024）结合“双减”背景，从“AI助手”“智慧评价”“特色实验”三个角度梳理了人工智能在中学化学教学中的实践，认为AI在个性化资源推送、多维化评价增值和实验创新上提供了技术支撑，同时提醒注意数据资源与隐私保护方面的局限；张军爱、刘海军、李高峰等（2025）立足初中化学新课标核心素养要求，分析了教师利用ChatGPT拓展教学设计资源、优化教学设计过程、延伸教学设计广度的功能，并就智能辅助与心理依赖、快捷高效与错误风险等关系作了审视。两项研究勾勒出AI进入化学课堂的基本图景，但落点分别在教学方法与教学设计，尚未专门回应化学学科中最基础也最难处理的概念学习问题。

其二，化学概念教学与概念转变的理论研究。刘玉荣、王薇（2025）从涌现性视角剖析化学迷思概念的成因，归纳出将物质性质归因于特定组分、把经验性规则视作精确决定规则、由宏观特性直接类推微观实体等五类，并提出构建比较分析模型、充分利用化学实验、再现化学发展历史、灵活运用表征方式等转变策略；卢姗姗、国鹏（2025）以生成性学习理论为框架，澄清了化学概念理解的内涵并给出教学建议；胡杨、吴潇逸（2024）尝试“三段式—五构概念”教学法，把大概念解构、基本概念初构、核心概念重构与应用创构贯通起来。这些研究把概念教学从经验层面推进到认知层面，但多停留在理论阐释与一般策略上，对初中阶段抽象概念的具象化呈现与个别化诊断关照不足，尤其缺少把学生概念建构过程外显化、可测量的办法。

其三，初中化学微观概念的可视化与数字化教学。胡林涛（2025）针对学生学习“分子和原子”时容易受前概念影响的问题，梳理了生物、物理、化学三科认识微粒的学科逻辑，按尺度变化、微粒本体、微粒作用、微粒符号的顺序设计并实施教学；徐治鹏、冯志全等（2024）构建“虚实融合+多模态感知交互”的智能实验模型，以钠与水的反应为例的对比实验表明，智能实验组学生的脑力负荷更小，知识掌握与操作技能更优。前者提供了概念教学的学科逻辑线索，后者验证了技术介入实验教学的效果，但两者都没有把AI的数据诊断功能与概念建构的完整过程——前概念探查、概念建构、概念应用、评价反馈——衔接起来。从方法上看，国内已有成果多以问卷调查与经验总结为主，借助过程性数据开展实证检验的还比较少。综观已有研究，仍有三点不足：一是AI应用研究多停留在“工具进课堂”层面，较少从概念学习的认知规律出发设计应用方式；二是概念教学研究重理论阐释而轻实证检验，缺少可操作、可复制的课堂方案；三是鲜有研究把AI的学情诊断与化学概念的建构过程打通，形成“诊断—干预—反馈—改进”的闭环。这正是本课题拟着力回应之处。

2.国外研究

国外研究起步较早，也更多以实验证据说话。Belli、Lischi等（2024）开发了一款免费交互式数字化工具，在意大利两所中学对103名六、七年级学生开展试点，借助粒子模型的动态动画帮助学生理解物质的三态与相变，结果表明学生对状态图等抽象概念的掌握明显改善，教师也给予积极评价；Ye、Zheng等（2025）采用眼动追踪技术比较了微机实验室与仿真实验室对十年级学生“盐类水解”多重表征任务的影响，发现使用真实材料的微机实验组反应更准确、认知负荷更低，数字化工具为理解微观化学提供了图像支架；Mendez（2024）在基础化学课堂中引入生成式人工智能，让学生借助AI订正错题，学生总体持积极态度，但多数学生此前很少接触AI，研究据此强调了负责任使用训练的必要。上述研究为本课题提供了数字化工具介入概念学习的效果证据与风险提示，但对象多为高中学段，且聚焦单次干预的效果验证，对AI如何持续嵌入初中化学概念教学全过程的系统设计仍付之阙如，这也意味着本课题需要把国外单点干预的经验转化为适合我国初中课堂的持续性方案。

（二）核心概念界定

1.人工智能赋能

本课题所称人工智能赋能，指以人工智能技术（包括大语言模型、智能诊断系统、虚拟仿真工具等）为化学教学提供资源生成、过程模拟、学情分析与反馈干预等支持，教师据此优化概念教学的设计与实施。这里的“赋能”强调AI不是替代教师，而是把教师从重复性的资源查找、批改统计中解放出来，把精力放到概念理解的关键处。就当前课堂而言，教师用得较多的是大语言模型问答、智能组卷与学情分析平台，本课题的研究对象即以这些已进入日常教学的轻量工具为主。

2.化学概念教学

化学概念教学指围绕化学学科的基本概念（如分子、原子、元素、化合价、质量守恒定律等）组织教学活动，帮助学生把日常生活中的经验认识转化为科学概念，逐步形成宏观辨识、微观探析与符号表征相结合的认识方式。初中化学概念大多抽象，学生难以直接观察，是概念教学的主要难点所在。以“化合价”为例，不少学生能熟练背诵口诀，却说不清化合价与原子结构的关系，概念停留在记忆层面，这正是概念教学需要突破的地方。

3.概念建构

概念建构指学生在已有前概念的基础上，通过观察、推理、实验、讨论等活动，对原有认识进行同化或顺应，逐步建立科学概念并能在新情境中加以应用的过程。本课题聚焦初中化学中抽象性强、学生容易产生迷思的概念，如分子和原子、质量守恒定律、金属活动性顺序等，这些概念一旦形成错误认识，往往会影响后续内容的学习。

（三）本课题的独到学术价值和应用价值

1.学术价值

（1）把人工智能应用研究与概念学习的认知规律对接。已有AI赋能研究多从技术功能切入，本课题以概念建构为主线组织AI的应用方式，为“技术赋能”提供学科视角。

（2）把过程性数据引入概念建构的观测。已有测评多关注结果正确与否，本课题借助AI采集学生作答轨迹、追问内容等过程数据，丰富概念教学的评价方式。

2.应用价值

（1）提供可参照的实践方案。形成“诊断—干预—反馈—改进”的操作流程、诊断工具与评价量规，教师可直接借鉴使用，降低AI进入概念课堂的门槛。

（2）为区域学校提供可复制的案例。本课题立足普通初中课堂，所用工具以免费、轻量为主，对同类学校开展人工智能与学科教学融合的校本实践具有参照意义。

二、研究内容

（一）主要目标

1.摸清本校及邻近学校初中化学概念教学的现状，识别学生在核心概念上的常见迷思。

2.构建“数据诊断—具象呈现—变式应用—评价反馈”的AI赋能概念教学流程。

3.编制配套的概念诊断工具、课堂教学案例与概念理解评价量规。

4.通过两轮行动研究检验流程与工具的效果并加以完善，形成可推广的实施方案。

（二）主要内容

1.初中化学概念教学的现状调查与问题诊断

以本校初三学生和化学教师为对象，通过问卷、访谈与随堂观察，了解概念教学的组织方式、学生在概念理解上的主要障碍以及教师运用信息技术的情况。问卷题项与访谈提纲在参考已有研究工具的基础上编制，经教研组讨论后确定；调查拟覆盖本校全体初三班级，并在邻近学校抽取部分班级作参照，样本规模预计三百人左右；调查结果整理为现状报告与问题清单，作为后续设计的依据。