Trong bối cảnh chuyển đổi số diễn ra mạnh mẽ toàn cầu, việc phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trở thành mục tiêu cấp thiết trong giáo dục hiện đại. Nghiên cứu này là một trong những nghiên cứu đầu tiên đề xuất sự tích hợp chi tiết giữa mô hình sư phạm Care-Know-Do với khung năng lực AI của UNESCO nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trong dạy học môn Hóa học ở Việt Nam. Thông qua phân tích lí luận, khảo sát thực trạng và thiết kế mô hình, nghiên cứu xây dựng quy trình dạy học giúp học sinh kết nối kiến thức Hóa học với các vấn đề thực tiễn, đồng thời ứng dụng AI như một công cụ hỗ trợ phân tích, đánh giá và sáng tạo. Mô hình Care-Know-Do giúp hình thành giá trị đạo đức (Care), củng cố tri thức (Know) và phát triển kĩ năng hành động sáng tạo (Do), trong khi khung năng lực AI dành cho học sinh hỗ trợ học sinh phát triển tư duy số ở ba cấp độ: Hiểu, Vận dụng và Sáng tạo. Kết quả khảo sát thực trạng cho thấy giáo viên Hóa học có nhận thức tích cực về vai trò của AI trong giáo dục, nhưng còn thiếu định hướng triển khai cụ thể. Từ đó, nghiên cứu đề xuất một khung sư phạm tích hợp cùng ví dụ minh họa để hỗ trợ giáo viên thiết kế bài học nhằm nâng cao năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh một cách hiệu quả và phù hợp với thời đại công nghệ.