1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1“人工智能+教育”启动未来学习的升级模式
“人工智能+教育”越来越多被学术界提起，“人工智能+教育”浪潮，掀起了一场关于未来教育的学习革命。在信息化、大数据、人工智能的新时代，教育领域，随之而来的也带来了人工智能技术和现代教育发展的紧密连接。国家主席习近平向 2019 年 5 月 16 日至18 日的国际人工智能与教育大会致贺信中强调，中国对人工智能教育是高度重视的，人工智能深刻的影响着教育，人工智能和教育的纵深交融正向推进教育创新，人工智能优势得到充分的发挥，加快发展伴随平等面向每个人的教育、每个人一生的教育、适合每个人的教育、更加开放灵活的教育[1]。
教育人工智能两者结合发展一直以来受到教育部门的高度重视，其中包括人工智能相关创新团队的培训和专门技术人才的培养，以及人工智能有关的科研中心创设。由此可见，“人工智能+教育”在我国将会是一场新的革命，一股极具生命力的新的浪潮奋勇前进。
其实，早些年在国外用高新技术加持教育已经有了很多探索和实践。一本“技术解锁教育”的图书--《学习的升级》，这本书的作者是苹果公司教育副总裁约翰·库奇，介绍了他的研究经验，讲解了对传统教学全面改造的原因。在书中他也介绍了如何将新的教学理念与实践和高新科技的成果应用到更高一级的学习中来。以后的时间里，让学生体验与感受新技术，解放学生的心智，激发学生创新的潜能，人工智能应用于教育中需得以实现[2]。教育的改革，最先需要的就是对学习环境进行有目的性的建设，人工智能加持教育，首先也是要在学习场景上进行升级，创造没有壁垒、没有障碍、没有限制的教室。这就把我国新一代人工智能研究和应用推向了一个前所未有的高潮[3]。“人工智能+教育”将会是启动未来学习升级模式。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
1、关于人工智能的研究现状
关于人工智能解释的文献综述可以大致分为三类。（1）人工智能定义的文献。（2）研究人工智能分类的文献。（3）人工智能特点的研究文献。
对人工智能定义的文献研究发现：国内学者蔡曙山教授在《人工智能与人类智能从认知科学五个层面的理论看人机大战》中提出在人类认知的所有五个层级上，人工智能都是在模仿人类智能[2]；钟义信院士将人工智能解释为一门科学，主要是要探究发现挖掘人类智慧的原因，并把这种智慧尽用机器上来实现，从而人工智能机器也得以创造实现为人类服务，帮助人类解决各式样的矛盾和问题[3]。做出的这些解释都是从学科方面和能力方面来分析的。
研究人工智能的分类。陈晋在《人工智能技术发展的伦理困境研究》中说到，要保证人工智能技术的发展不可以越过了以人为本的界限，人们要能意识到认识人工智能技术的发展是理性的，人工智能的各个生产以及使用环节要科学管理[1]；2016 年美国白宫颁发的《为人工智能的未来做好准备》文件，该报告对人工智能的发展现状、现有及潜在应用等问题进行了分析[2]。有些研究者把人工智能分为感知智能、运算智能、认知智能。是从人工智能发展线路上的三个阶段出发区分的。
研究人工智能特点的文献综述。学者们在介绍人工智能时包括了其特点。如王晓阳的《人工智能能否超越人类智能》文章是关于人工智能的批判性分析[3]。在余建斌看来，如果说机器最初是代人的体力，那么在人工智能时代，机器可以用来代替人类智能，帮助人作出判断和决策[4]。皱蕾在《人工智能及其发展应用》也介绍了人工智能专门的系统，走进信息产业革命时代，人工智能认识世界和改造世界能力的高峰技术[5]。
综上，学者对人工智能进行研究，最基础的是对其特点、分类、定义的研究，并且这方面的文献资料是相对比较全面的。
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2 相关概念及理论基础
2.1 相关概念
2.1.1 人工智能
人工智能（Artificial Intelligence）,英文缩写为 AI。人工智能属于一门交叉性质的学科，虽然听起来像是一门课程，但它实际上是包含心理学、哲学、神经生理学、计算机技术等都在内的综合性学科[1]。虽然包含智能一词，但是它并没有血肉之身，其主要是通过计算机来对人的智力如知觉、学习、推理、交流等相关系列复杂活动进行模拟的人造的智能体。它与人类自然智能所不同的地方就在于其产生可以大量省去如代谢与繁殖这样的有机活动[2]。它的产生就好比是人类智慧在机器上的实现。由于智能机器的开发和使用能够模拟并延伸人体器官的功用，代替了人类很多简单的、重复性的甚至是平时很难做到的复杂性的工作，让社会对劳动者的需求发生了巨大的转变，因此，本研究中的人工智能不是一门学科，而是取其后面的含义和泛指综合各类技术在内的各种智能设备和智能软件。
2.1.2 人工智能+教育
人工智能+教育，是人工智能与教育的深度交融的一整个产物。为了提高教学水平，人们在教育范畴使用智能科技。加速发展教育教学，创建新型的教学环境，为学校供给个性化的教学服务，最终达到教育目的，实现以学生为中心的教学理念。“人工智能+教育”最主要还是依靠智能技术，在以往互联网的基础上进化，同时具备了技术的更新、智能推动新的特质。智能教育还能帮助教师减轻教学负担，学生方便自主学和个性复习，学校教务系统方便管理，设备的核心就是人工智能，它为学校和其他教育机构的服务也更便捷。“人工智能+教育”不应该只关注学生学业成绩的提高，更要关注自我成长和发展[3]。本研究认为：人工智能+教育，是智能技术在教育范畴的深融交错，其智慧评测能实时跟踪并反馈，具有线上和线下多样化的评价方式，能依靠智能技术和智能设备自动化地评测学生的各方面能力，完成大部分教师的工作，最后将结果进行量化分析。
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2.2 理论基础
2.2.1 建构主义学习理论
著名心理学家皮亚杰提出了建构主义学习理论，是最早提出的并且是在儿童认知发展的基础上提出的，在行为主义、认知主义基础上发展起来。建构主义学习理论提出，老师单方面向学生灌输知识不是学习，学习应该是学生在一定的社会文化背景下，通过外界的协助，运用已有的知识和资源，大脑建构自我认识的过程。被动接受知识不叫学习，学习是知识建构，注重主观能动性。教师在这个过程中是指导者。学生学习知识的过程中，结合自身的经验，加上教师的指引，将知识进行融合调整，最后形成一个符合自身知识结构的新认知。这个是独一无二的认知体系，是学生建构的自我认知。
学习是单独的个体活动，这是传统的观点，没有注意到集体性和互动性，这是在学习过程中表现的。建构主义学习理论强调，学习是学生融入文化并将知识内化、掌握技能的过程，学习是需要群体合作的。学习群体主要有知识和技能的多元化、共同的奋斗目标、活动过程中需统一个体和群体的和谐关系、强调自我管理。
在本研究中，以建构主义理论作为理论基础，设计教学时应充分体现建构主义理念，结合智慧教室的教学环境优势的发挥，利用信息技术打造真实的学习情景氛围，通过 AR 或VR 设备创设虚拟学习情境，让学生深入其中，启迪思维，更好的促进知识的建构内化。在虚拟学习环境下学习者不仅以全新方式感知世界，同时也在以一种全新形式感知“自我”[1]。除此之外，智慧系统还为师生提供了交流合作的平台，能够让学生的内部知识外显化，让教师能对学生行为重现并了解课堂学习情况，为学生的学习提供个性化的辅导。
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3.1 初中化学智慧课堂教学活动设计的依据 ....................................... 22
3.1.1 以学习理论为教学理论依据 .................................... 22
3.1.2 以教学目标为教学设计宗旨 .................................. 22
4 “人工智能+教育”背景下初中化学智慧课堂教学实践 .................................... 28
4.1 实施过程与实施方法 .................................... 29
4.1.1 实施过程..................................... 29
4.1.2 实施方法................................... 29
5 总结与展望 ......................... 50
5.1 研究总结 ............................................ 50
5.2 研究展望 ........................... 51
4 “人工智能+教育”背景下初中化学智慧课堂教学实践
4.1 实施过程与实施方法
4.1.1 实施过程
本研究选取人教版九年级上册化学《物质的变化和性质》课题，在智慧云教室环境下开展实践。 4.1.2 实施方法 问卷调查法和访谈法是本文主要研究方法。通过对调查的数据处理分析和访谈记录分析，发现课堂中存在的问题，思考出现这种情况的根源有哪些，总结其好的方面，进一步改进教学设计。
1、问卷调查法
本研究设计的问卷调查分为两个时间段，在教学实践前对两个班级的学生同时发放问卷让学生填写，以及实施一系列教学实践后再对这两个班级的学生进行问卷调查，两次问卷题目一致。进行两次调查的目的是通过数据分析经过一段时间的智慧教学的教学后，学生对于智慧课堂化学教学的认识是否提高。考察教学的现实作用，以及发现实施教学时存在的情况，利于教学的反思以及改进。在问卷设置上，本研究参考 BOSS（Behavioral Observation of Student in School）、SOS（Student Observation System）课堂行为观测量表以及 Cooperative Group Rating Scale 小组合作评估量表，内容包括学生课前预习情况、课堂合作交流参与情况、学生学习效果以及学生对学习活动形式、智慧教室学习环境等态度的调查。本论文在 95 名学生中进行调查，经检验本问卷的整体信度系数 Cronbach’s Alpha 为0.804，各维度的信度系数也都大于 0.75，问卷整体信度较好，且问卷各维度的信度尚佳，证明问卷具有良好的内部一致性，其结果具有较高的可靠性。
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5.1 研究总结
当前信息时代，智慧教育、智慧课堂成为教育研究热点话题，它从理论研究到实践研究，紧紧围绕着教师的教和学生的学的活动，结合人工智能教育的深度融合，IOT、大数据等新兴科技融入到学校实际教学当中，促进教育的深度发展。而本研究所做的具体内容有以下几个方面：
首先，陈述人工智能教育关乎未来教育学习，将对以往的教学模式还有教育环境进行升级改造，积极推动教育的深度融合发展，同时反映了在新的信息化以及虚拟空间中社会发展与自我成长对教育、校园、课堂的新的需求。完成人才培养的新目标。人工智能技术加持的智慧课堂为教师的教提供便利和丰富的教学资源，为学生学习的反馈提供个性化和针对性的学习执导。我们需要充分利用大数据，为教学所用。
其次，搜索相关文献，总结人工智能+教育背景下实际课堂教学和智慧课堂的相关研究以及智慧课堂化学教学的相关研究，整理已有的对智慧课堂、教学设计的研究，查找研究的不足，进一步深入到化学学科智慧课堂教学设计模型，为具体的教学设计提供理论基础。
再次，通过智慧课堂教学设计的分析，提出了智慧课堂教学设计的依据和设计的策略以及具体教学活动的设计模型，并依据这个模型，从课前、课中、课后教师和学生的课堂活动设计以及评价等进行详细的解释。
最后，是本研究的实践部分，依据设计的初中化学智慧课堂教学设计模型，以及依据教学模型设计的教学活动设计，具体以《物质的变化和性质》教学案例呈现，以石门实验学校初三年级 15、16 班为研究对象，在智慧课堂教学平台实践。通过应用实践，学生成绩分析，问卷调查分析，访谈分析，发现智慧课堂教学设计的实施效果，提高了学生的学习效果，满足了学生的学习需求。
参考文献（略）