1. 引言
当前新一轮科技革命正在孕育兴起，互联网+、人工智能(AI)等新技术的发展正在不断重塑教育形态，知识的获取方式和传授方式、教与学的关系正在发生深刻变革[1] [2]。2025年1月，教育部印发《教育强国建设规划纲要(2024~2035年)》，提出“实施国家教育数字化战略”、“促进人工智能助力教育变革”等要求，鼓励探索数字赋能大规模因材施教，探索创新性教学的有效途径，主动适应学习方式的变革，提升师生的数字素养，深化人工智能助推教师队伍建设。《环境化学》作为一门交叉性强、应用实践性突出的专业基础课程，亟需探索AI技术与教学模式深度融合的创新路径，以响应“新工科”建设对复合型人才培养的需求。
《环境化学》课程为多数高校中环境工程专业、化学专业本科教育的必修课程。该课程综合性强，包含了环境分析化学、环境污染化学、环境控制化学以及环境生态化学等学科内容，存在多学科的交叉[3]。主要讲授有害化学物质在不同环境介质(包括大气环境、水环境、土壤环境、生物体内等)内部或多介质间的迁移、转化规律，环境效应，污染修复手段的原理与应用等，教学目的是使学生能够利用化学知识，发现并解决环境问题，实现环境污染的全过程管控。因课程知识体系复杂抽象，学生表示学习吃力，课上表现积极性差，参与度低，实际教学效果并不理想，迫切需要一种高效的学习方法帮助学生建立知识体系，实现知识点的交叉融合。
BOPPPS教学模式对于推进有效教学、获得最佳教学效果等方面的可操作性很强，目前已被多所国内外高校采用[4]。教学过程中发现AI工具如DeepSeek的使用，可以激发学生的内驱力，帮助学生实现对知识体系的逻辑连接，并构建学术思维[5]。因此，作者将传统的、被动听讲的PPT式讲授方式升级为“BOPPPS + AI”的教学模式，破除传统“灌输式”教学痛点，做到以学生为主体，以能力培养为核心，以增强学生的主观能动性和思考创新能力为主要目标，实现“教学模式–智能工具–学科知识”的三维融合，推动教育教学的数字化转型。
2. BOPPPS模式和AI技术简介
BOPPPS理念以有效教学设计著称，强调的是学生的参与与反馈，通过导入–目标–前测–参与式学习–后测–总结形成六环节的闭环设计。以学生全方位的参与式学习代替听讲式学习，增加学生知识获取率的同时，也可及时获取学生的反馈信息，为后续教学活动调整提供参考，以顺利实现教学目标。但只基于该理念，仍无法解决《环境化学》内容多、涉及广、可视化难等问题。随着技术的不断革新，AI已成为教师的强大助手，也是学生获取复杂知识、建立学术思维的帮手。其主要功能可分为三个方面(表1)：生成式AI内容增强、及时反馈与互动、知识可视化，这些均可有效提升教学效果。因此本文将现代AI技术——DeepSeek、思维导图等作为辅助工具，可实现《环境化学》中繁冗复杂知识体系的简单化和可视化[6]。
Table 1. AI tools and their corresponding functions
表1. AI工具–功能对应表
通用功能 |
本研究使用的具体工具示例 |
可替代工具举例 |
生成式AI内容增强 |
DeepSeek |
ChatGPT、
文心一言、即梦AI |
及时反馈与互动 |
雨课堂 |
学习通、课堂派 |
知识可视化 |
MindMaster |
XMind、MindNode |
3. “BOPPPS + AI”模式在环境化学教学中的应用探索
3.1. 导入–增强学生兴趣
根据不同章节所授内容，以前沿知识、热点问题、社会事件或与学生息息相关的环境问题作为知识点的切入口，弥补教材前沿性不足的缺陷，同时吸引学生注意力，增强好奇心。
(1) 授课教师利用DeepSeek对与环境化学相关的前沿文章作总结归纳，并引入到教学中，展示相关理论知识的实际应用过程，拓展教学知识，提高课程内容的科技性、时代性和丰富性。例如利用DeepSeek预测模型模拟高危污染物扩散场景，丰富教学内容，将理论知识具象化，使学生掌握基本知识的同时深入理解知识的应用过程，并且AI技术的应用也突破了实验安全限制。
(2) 以解决某个实际问题为话题，让学生带着问题学知识，可利用生成式AI内容增强工具(本研究中使用DeepSeek实现)快速生成多视角、多案例的背景材料，增强学生对知识点的应用性思考，实现对知识的补充拓展。如针对课程中涉及的“如何修复土壤中重金属Cd污染”的问题，教材以科普的方式，从物理、化学、生物三个方面给出了不同的修复方法，缺乏针对性和案例性，就某个修复方法有什么前提条件、具体如何实施、效果如何均未详细展开，知识的展示缺乏应用性。针对此情况即可利用DeepSeek庞大的知识体系，对课程内容作进一步扩展，图1即为其反馈的部分解决方案，不仅对课程内容所涉及的修复方法作了补充(包括适用场景，优缺点等)，还拓展了其他方法(如农艺调控)，并对所给出的技术进行了归纳总结，以及修复方案选择建议和注意事项。
(3) 以上节课程内容的知识点与本节课程知识点的关联性为导入点，增强学生对知识的连接性，让学生对已学知识有获得感。
3.2. 目标–成果可检测
以学生获得为目标导向，将课程目标、教学重点具象化，不再只是使用“学习”、“掌握”、“理解”等抽象概括性词语，而是选择一些行为动词，如“列举”、“复述”、“比较”、“设计”等。以可检测、易判断的方式设定目标和重点，不仅可以帮助教师真正了解学生对知识点的掌握程度，也可帮助学生自行判断。对此，学生也表示利用行为动词更能对获取知识的情况进行自测。
Figure 1. Result display of DeepSeek’s input instruction: “How to remediate the pollution of heavy metal Cd in soil”
图1. DeepSeek搜索“如何修复土壤中重金属Cd的污染”结果展示
3.3. 前测–精准学情诊断
学情精准诊断主要分为两种情况，一是开课之前，需要对本课程的先修课程的学习掌握情况进行诊断，二是每次课程开始，要对上节课程重点内容做测试。主要以提问应答、匿名投票、“雨课堂”随堂练习(图2)和任务布置等方式开展。通过对学生前测，了解其先备知识或对上节课内容的掌握和遗忘程度，并根据测试结果，及时调整课程的讲解内容及教学进度。
对于基础薄弱的班级，应在课程开始之前，对其可能不了解的知识点，以文档或视频的方式分享给学生，让学生提前自学，并在“雨课堂”中通过布置任务、设定问题的方式，及时了解学生对陌生知识的掌握情况，以增强学生在课堂上对于知识的接受程度，跟上教学节奏。
Figure 2. “Rain Classroom” in-class quizzes
图2. “雨课堂”随堂测验
3.4. 参与式学习–高阶能力培养
想要获得更好的教学效果，参与式学习极为重要。增加学生在课堂上的参与度，也符合“学习金字塔”中“小组讨论”、“实际操练”、“教别人”的模式，学习效果分别可达到50%、75%、90%，远高于“听讲”学习的10%，学生获得知识也更牢固。
(1) 鼓励学生主动参与分享和课程相关的知识点或热点问题，可以是课堂上某个知识点的拓展，例如前沿期刊论文、与课程相关的热点问题最新进展等，以PPT的模式，将所学分享给大家，并与同学和教师进行有效讨论，促进学生自主思考，培养学生创新实践应用能力。在此过程鼓励学生利用AI工具，对已完成体系进行补充。两学期的教学对比发现，DeepSeek的使用让学生的思维逻辑更加全面，以往未使用DeepSeek的学生只是在陈述某方面的知识，各知识之间缺乏连接，展示内容仍局限于课本的知识体系中(图3(a))，并无拓展；将汇报内容利用DeepSeek辅助完成之后，整体逻辑明显更为全面，除了包括污染现状、危害等基础内容外，还增加了解决措施和实际案例(图3(b))，学生表示DeepSeek的使用打开了其知识盲区，帮助其建立了更完整的思维逻辑。
(a) 未使用DeepSeek (b) 使用DeepSeek
Figure 3. The impact of using DeepSeek on the establishment of students’ logical thinking (a) without using DeepSeek (b) using DeepSeek
图3. (a) 未使用DeepSeek与(b) 使用DeepSeek对培养学生逻辑思维能力的影响
(2) 教学过程增加互动环节。以课程相关问题为题(如就某个污染事件哪种修复技术最为有效)，组织学生讨论。利用DeepSeek生成环境化学谜语：“我是无色无味，但能致癌，我是谁？——苯并芘”。也可利用AI技术生成随堂测验，如在DeepSeek输入指令：请生成5道关于“持久性有机污染物(POPs)”的随堂测验题，难度适中，并附带解析(图4)。可以看到，DeepSeek给出的题目存在很多特点，① 设计思路覆盖了有关POPs的核心知识点，如定义、典型物质、国际公约、迁移机制、与同类污染物的区别；② 增强对比记忆，给出了干扰项易混淆的概念(如其他公约、非POPs污染物)；③ 解析侧重逻辑关联，强化对“持久性”、“生物蓄积性”、“全球迁移性”三大特征的理解。
Figure 4. Result display of DeepSeek’s input instruction: “Please generate 5 in-class test questions about Persistent Organic Pollutants (POPs) with moderate difficulty, and provide explanations.”
图4. 向DeepSeek输入指令：“请生成5道关于持久性有机污染物(POPs)的随堂测验题，难度适中，并附带解析”的结果展示
(3) 鼓励学生对课程复杂内容建立思维导图，提升学生对知识体系的全局性掌握，例如课程第二章“大气环境化学”中涉及多种吸光物质的光解反应的条件、路径，各种自由基之间也存在一定关联，这部分知识极易产生混淆，对此可让学生在学习过程中制作思维导图(图5)，加深学生对知识点对比记忆的同时，还可增强学生的实践应用能力。
3.5. 后测–及时反馈调整
通过设置开放性问题，让学生在课堂上以回答问题、互动讨论等方式，参考布鲁姆教育目标分类法，明确学生对于知识点的掌握程度是“记忆”、“理解”、“应用”、“分析”、“评估”还是“创造”。通过即时反馈互动系统(如雨课堂平台)发布前测/后测题目，实时收集学情数据对比情况，实现精准教学干预，并结合学生课堂上的表现，及时上课方式调整下节课程的内容和方式。
在DeepSeek生成的多种土壤修复方案的案例(图1)任务中，学生首先应用课堂所学知识构建初步方案(即为应用层次)；继而分析利用AI生成的多种方案的优缺点、适用条件和潜在副作用(即为分析层次)；最后小组讨论并评价出最优方案，并且陈述理由(即为评价层次)。AI工具的高效信息整合能力，使得课堂时间得以从低阶的“记忆”和“理解”中解放出来，更多地投入到高阶的“分析”、“评价”乃至“创造”活动中，实现认知目标的爬升。
Figure 5. Mind map of photolysis of important absorbing substances in the atmosphere
图5. 大气中重要吸光物质光解的思维导图
也可利用生成式AI内容增强工具(如DeepSeek)生成错题本，将学生作业整理成册，向DeepSeek输入指令：“请批改这份文件中的50份《环境化学》作业(含计算题和简答题)，统计错误率最高的3个知识点，并为每位学生生成个性化复习建议”(图6)。教师由此可掌握学生的易错点，实现对知识掌握情况的“分析”和“评估”，提升教学效率。
Figure 6. Result display of DeepSeek’s input instruction: “Please review 50 assignments of Environmental Chemistry in this document (including calculation questions and short-answer questions). Identify the three most error-prone knowledge points, and generate personalized review suggestions for each student.”
图6. DeepSeek输入指令：“请批改这份文件中的50份《环境化学》作业(含计算题和简答题)，统计错误率最高的3个知识点，并为每位学生生成个性化复习建议”的结果展示
3.6. 总结–学习成果可视 + 课后延伸
以思维导图、随堂测验、课后作业等模式对当节课程作总结。更多地鼓励学生自主总结，并以讲授的方式进行掌握程度检验。以“教别人”模式的提高对知识的掌握。例如，利用思维导图(图5、图7)可以帮助学生将知识点串联，增强学生的逻辑性及对知识的灵活运用，有助于学生对课程的理解和记忆；利用DeepSeek结合Neo4J等工具帮助学生建立“污染物–介质–生物效应”的多维关系的可视化，解决抽象知识理解障碍的问题；利用“雨课堂”实现随堂测验(图2)，有助于教师实时了解学生对本次课程内容的获得程度，并总结本次课程的不足，明确改进方向；课后作业可利用DeepSeek布置和总结(图6)，鼓励学生独立思考完成并自行批改，对于自行批改的作业要求其保留修改痕迹，防止学生为想获得高分，直接抄袭教材或互相抄袭的情况，也帮助教师实时掌握学生的易错点，并加强相关知识点的复习。
Figure 7. Use mind maps to summarize the key knowledge of the chapter on atmospheric pollutant migration
图7. 利用思维导图完成大气污染物迁移章节的重点知识汇总
4. “BOPPPS + AI”模式的教学效果分析
4.1. 不同教学班对比结果
在同一学期开设的两个教学班中分别采取“传统”和“BOPPPS + AI”的教学模式，两个教学班的师资、学生专业、课程基础、教材、课时无显著差异。课程开始时，两个班级的学生进行统一的“基础知识概念测试”，以此作为基线数据。在一章学习或者课程结束后，对学生的学习结果(如章节测试、课堂表现、雨课堂过程数据、期末考试成绩等)进行收集并分析。并在学生群体中采用问卷调查、焦点小组访谈、学生学习日志等方法，收集学生关于学习体验、参与积极性、思维方式变化的数据。
在课堂活跃度上能明显发现，采用“BOPPPS + AI”教学模式的班级上，学生的积极性更高、参与度更强。课间在与学生交流时，学生表示“每节课的教学设计和AI使用，可以让自己减少走神、跟上节奏，对于知识的理解也更加透彻清晰，在思维上也感受到了一些变化”、“AI工具帮助其多角度地思考”、“相似知识点的甄别具有挑战性”等等。对期末成绩(图8)分析发现，传统教学模式下，学生期末成绩的优良率并不高，在教学模式改革之后，不及格人数清零，高分成绩段人数明显增多，尤其是70~80分段的人数显著增加，最高分由传统模式的77分涨至92分。由此可知，新的教学模式下，学生对基本知识的掌握更加牢固，同时在理论知识的应用上，即在利用相关知识分析、计算、解决环境问题上，也更加灵活。
Figure 8. Statistics of students’ final exam results
图8. 学生期末成绩统计
4.2. AI工具在教学应用中的反思
在学生使用AI工具获得优势的同时，也发现了一些问题。例如(1) AI工具提供的信息准确性问题，DeepSeek提供的信息中可能存在一些虚假或过时信息，尤其是在快速发展的环境化学领域。(2) 思维惰性与学术诚信问题，有些学生跳过思考，直接抄袭AI生成的答案，导致批判性思维和独立研究能力的退化。(3) 技术依赖问题，学生发现AI工具提供的结果比起自主思考更加全面，一有问题就想利用AI解决，产生了较强的信赖和依赖心理。对此，我们也在使用AI的过程中不断改进。(1) 针对信息准确性，我们在任务设计中融入了“交叉验证”环节。例如，要求学生对AI生成的修复方案，必须通过查阅教科书、权威数据库或者SCI论文进行核实和佐证。(2) 针对思维惰性和学术诚信，向学生明确表达“过程重于结果”的评价标准。要求学生提交与AI对话的历史记录、修改迭代过程的草稿、以及最终的学习反思，重点评估其思维过程而非最终答案的完美程度。(3) 针对批判性思维培养，设计“AI挑错”或“方案优化”任务。给学生一段有瑕疵的AI生成文本，让其找出错误并提出改进意见，或将AI的初步方案作为批判性分析和优化的对象。(4) 明确AI工具使用规范，在课程开始时就与学生共同制定《AI工具使用公约》，明确何时可用、如何运用、何为滥用，并将其纳入课程评价体系。这种改进措施也可实现布鲁姆教育目标分类法中高阶的“分析”、“评价”和“创造”的目标。
5. 结论
《环境化学》具有很强的理论性和逻辑性，学生获得如此庞杂且抽象的知识是很吃力的，由此导致课堂不活跃、学习积极性差的情况。依据“教师主导，学生主体”的教育理念，借助人工智能技术的发展不断重塑教育形态这一契机，笔者采用“BOPPPS + AI”的教育模式，实现对教材缺乏的实时前沿内容的更新、传统教学过程的改进、考核机制的创新，降低学生对复杂知识的掌握难题，增强繁冗庞杂知识点的关联性和可视化。应用之后发现学生对知识学习的主观能动性明显增强，学生独立思考、分析和解决问题的能力得到提升。该模式响应国家教育数字化战略要求，对知识的获取方式、传授方式以及教与学关系的革新有所助力。
NOTES
*通讯作者。