人工智能技術(shù)在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

李爍

關(guān)鍵詞：高等數(shù)學(xué)；人工智能；應(yīng)用實踐

1概述

在20世紀(jì)50年代，美國計算機專家成功研制出通用電子數(shù)字計算機，之后，計算機開始進入快速發(fā)展階段。各種新興領(lǐng)域，如智能計算、理論探索計算、推理計算等如雨后春筍般出現(xiàn)，計算機研究成果實現(xiàn)了巨大的飛躍。而在電子數(shù)字計算機被人們廣泛應(yīng)用的背景下，人工智能技術(shù)也迎來了發(fā)展改革的契機。

人工智能技術(shù)包含的范圍十分廣泛，一方面從廣義角度上進行分析，人工智能技術(shù)包括多個學(xué)科，如心理學(xué)、計算機科學(xué)、信息學(xué)、邏輯學(xué)和控制學(xué)等。而從狹義角度上進行分析，人工智能技術(shù)就是人們研究人工智能的一種核心技術(shù)，包括人工智能程序知識表示、計算機語言以及邏輯推理等。從本質(zhì)上來講，人工智能技術(shù)仍屬于計算機系統(tǒng)的一種，但是在計算機系統(tǒng)中額外增添了人為的創(chuàng)新設(shè)計和拓展，使計算機能夠像人一般思考并解決問題，從而進行一些重復(fù)性、機械性的工作。在信息時代下，人工智能技術(shù)應(yīng)用的范圍不斷擴大，而且相較于初期探索和發(fā)展階段，人工智能技術(shù)的研究方法也取得了極大的突破，但是其技術(shù)核心領(lǐng)域仍然是困擾世界各個國家專家的重要問題之一。

如今，人工智能技術(shù)研究分為2個派別，一個是實踐經(jīng)驗派，另一個則是邏輯理論派。邏輯理論派的學(xué)者、專家認為，人工智能技術(shù)的研究需要以嚴謹?shù)睦碚摓楦?，核心技術(shù)的直觀體驗應(yīng)該是知識，現(xiàn)實世界的表示則是符號，而認知過程則是邏輯運營的過程。但是實踐經(jīng)驗派則不認同這一觀點，該領(lǐng)域的專家學(xué)者認為人工智能技術(shù)的核心系統(tǒng)太過于復(fù)雜，如果僅靠簡單的邏輯理論無法有效分析人工識別系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此該領(lǐng)域的學(xué)者專家拋棄了理論方法，將重點放在了特殊技術(shù)研究方面。他們大多數(shù)人認為行為是大于感知和學(xué)習(xí)的，而其中的核心思想則是控制論。

2意義

高等數(shù)學(xué)通過人工智能融合，能夠?qū)崿F(xiàn)思想、方法、概念、定理、解題步驟等抽象內(nèi)容的生動化和形象化，從而充分調(diào)動學(xué)生的形象感知思維和空間想象能力，以幫助學(xué)生快速理解高等數(shù)學(xué)中的知識內(nèi)容。比如，Mathematica以及Maple軟件就具有處理數(shù)據(jù)、求解模型、計算符號、展示圖像和及時糾錯等多種功能，在高等數(shù)學(xué)中能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的動態(tài)化，也適合數(shù)學(xué)理論的分析學(xué)定析等。

2.1抽象概念可視化與靜態(tài)圖像動態(tài)化

在新時代下，高等數(shù)學(xué)在人工智能領(lǐng)域中能夠?qū)⒊橄蟾拍顚崿F(xiàn)可視化，靜態(tài)圖像實現(xiàn)動態(tài)化。教師可以在導(dǎo)數(shù)、極限等概念的講解中，應(yīng)用動態(tài)交互式圖像來解釋這些抽象概念，使概念，定理等描述更加形象生動，以幫助學(xué)生從多角度剖析問題，解決問題。人工智能技術(shù)的應(yīng)用可以讓空間圖形的圖形描繪更加清晰，特征分明，具有更加強烈的真實感，進而有效提高教學(xué)效果。同時在微積分的計算部分，教師可以在教學(xué)設(shè)計中利用人工智能技術(shù)加強學(xué)生在應(yīng)用過程中對概念的理解。比如，針對WolframAlpha，就可以給出詳細的解題步驟和準(zhǔn)確的答案，同時讓案例特色更加鮮明，強化數(shù)學(xué)思想的傳授，從而進一步提升學(xué)生的計算能力和數(shù)學(xué)知識應(yīng)用能力。

2.2教學(xué)內(nèi)容算法化

人工智能技術(shù)可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)知識時進行更加有效的算法化、學(xué)習(xí)化處理。比如，在引導(dǎo)學(xué)生求解方程、不等式、極限、導(dǎo)數(shù)、微積分、微分方程、冪級數(shù)和傅里葉級數(shù)、曲面積分等計算問題日寸實現(xiàn)計算內(nèi)容化，更有助于學(xué)生設(shè)計和思考方案。

3應(yīng)用策略

3.1專業(yè)融合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

高等院校培養(yǎng)人才的目標(biāo)是為了服務(wù)于社會，促進國家建設(shè)和發(fā)展，不僅要體現(xiàn)大學(xué)辦學(xué)的使命和價值要求，同時要順應(yīng)時代的發(fā)展和改變，針對性地培養(yǎng)人才。因此，大學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)具有激勵作用和導(dǎo)向性作用，這也是促進院?？沙掷m(xù)發(fā)展的重要依據(jù)。高等數(shù)學(xué)是高等院校教育體系的重要組成，也是培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)的關(guān)鍵。教師應(yīng)以學(xué)生為中心，融合數(shù)學(xué)知識基礎(chǔ)和專業(yè)素養(yǎng)，涉及更多綜合性的問題，以調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生愛上數(shù)學(xué)，感受數(shù)學(xué)的魅力。對高等數(shù)學(xué)課程進行改革．可以提高學(xué)生基礎(chǔ)課程同專業(yè)知識的融合度，進一步強化學(xué)生的數(shù)學(xué)知識應(yīng)用實踐能力，為學(xué)生今后的工作及發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)，進而提高學(xué)生的核心競爭力。

高等數(shù)學(xué)在人工智能中的應(yīng)用，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識的同時，理解人工智能與數(shù)學(xué)知識之間的聯(lián)系。人工智能技術(shù)可以服務(wù)于課程學(xué)習(xí)，同樣，課程學(xué)習(xí)也能夠反過來作用于人工智能技術(shù)發(fā)展。如果將人工智能和高等數(shù)學(xué)有效融合在一起，促進高等數(shù)學(xué)在人工智能中的應(yīng)用，那么將有助于高等數(shù)學(xué)的進一步建設(shè)和發(fā)展，提升教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)課程改革。

如今，人工智能領(lǐng)域發(fā)展迅速，而一些算法則充分應(yīng)用了高等數(shù)學(xué)的思想和方法。教師可以在教學(xué)時將這些實際案例應(yīng)用在課堂中，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生了解高等數(shù)學(xué)在人工智能領(lǐng)域中應(yīng)用的前沿信息。尤其是針對信息技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，人工智能技術(shù)是其今后要接觸的領(lǐng)域，而通過高等數(shù)學(xué)教學(xué)則可以幫助他們了解人工智能的一些具體算法，還可以為信息技術(shù)專業(yè)的學(xué)生打下堅實的基礎(chǔ)，有助于其后續(xù)的學(xué)習(xí)。高等數(shù)學(xué)在人工智能領(lǐng)域中的應(yīng)用分析，可以讓學(xué)生從以往的被動學(xué)習(xí)模式中解脫出來，形成良好的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。

從目前來看，很多高等院校在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中并沒有系統(tǒng)地整理和分析高等數(shù)學(xué)在人工智能領(lǐng)域中應(yīng)用的案例，而講解實際應(yīng)用案例可以為高等數(shù)學(xué)課堂教學(xué)提供強大的助力，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富。學(xué)生在學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)思想于人工智能領(lǐng)域中應(yīng)用的同時，學(xué)會從不同層面體會高等數(shù)學(xué)的用途，并結(jié)合人工智能領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，提煉出其中蘊含的高等數(shù)學(xué)知識和方法。換言之，讓學(xué)生知道高等數(shù)學(xué)知識到底能干什么，怎么用這些知識，從而充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2完善混合式教學(xué)模式與手段

在高等數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計中，需要進一步完善混合式教學(xué)模式，以強化學(xué)生的數(shù)學(xué)知識抽象能力，思維創(chuàng)新能力和方法應(yīng)用能力。教師可以將Mathematica，Maple，GeoGebra，Python等融人數(shù)學(xué)實驗教學(xué)中，并采用分層教學(xué)的方法，讓學(xué)生能夠聚焦于虛擬現(xiàn)實、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)，從而進一步豐富教學(xué)資源，打造新的教育形態(tài)，優(yōu)化教學(xué)流程。

一方面，教師可以應(yīng)用人工智能軟件優(yōu)化教學(xué)過程，使學(xué)生做到即學(xué)即用，以提升學(xué)生的數(shù)學(xué)知識應(yīng)用能力。比如高等數(shù)學(xué)中的微積分就探究了2類問題，分別是求切線和求面積。為了讓學(xué)生的認知能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，需要教師注重學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，應(yīng)用人工智能軟件提升學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。另一方面，則需要教師充分融合數(shù)學(xué)思想、建模思想和實驗方法，與時俱進地更新教學(xué)手段，結(jié)合教學(xué)實際以及學(xué)生的認知規(guī)律，提升教學(xué)質(zhì)量。智能計算思維是一種解決問題的過程，而這一過程包括數(shù)據(jù)抽象、投計算法、設(shè)計算法、評估最優(yōu)方案、遷移解決方法等多個要素。教師可以在教學(xué)過程中融合算法思想，培養(yǎng)學(xué)生的智能計算思維，構(gòu)建可視化的數(shù)學(xué)教學(xué)情境。在實際教學(xué)時，教師需要為學(xué)生展示知識的探索與發(fā)現(xiàn)過程，引導(dǎo)學(xué)生自主探究與合作互動，并有效應(yīng)用人工智能技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等增強學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，將數(shù)學(xué)知識更加直觀形象地展現(xiàn)在學(xué)生眼前[1-2]。

3.3展現(xiàn)高等數(shù)學(xué)中的辯證法知識

基于人工智能技術(shù)，教師可以揭示高等數(shù)學(xué)中的辯證法內(nèi)容，為學(xué)生展現(xiàn)知識的探索與發(fā)現(xiàn)過程，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。辯證思想是高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)高等數(shù)學(xué)知識內(nèi)可視化、動態(tài)化、算法化的重要支撐。需要教師引導(dǎo)學(xué)生了解教學(xué)內(nèi)容中有限與無限、常量與變量、對立與統(tǒng)一、量變與質(zhì)變等多個辯證關(guān)系。

比如，在微積分教學(xué)中，教師可以利用局部性質(zhì)來揭示整體的性質(zhì)。以整體來刻畫局部是高等數(shù)學(xué)中常用的重要方法之一，在分析函數(shù)時不能進行孤立分析，而是要聯(lián)系其周圍的環(huán)境，這也是微積分中的核心思想。教師可以為學(xué)生展示變速運動的圖片，通過局部與整體、有限與無限、常量和變量，求得反常積分，進而探索二元函數(shù)偏導(dǎo)數(shù)的幾何意義以及極值。這不僅能夠展現(xiàn)局部和整體之間的辯證關(guān)系，還能夠體現(xiàn)一元函數(shù)到二元函數(shù)發(fā)展過程中的量變和質(zhì)變思想。

3.4建設(shè)新形態(tài)數(shù)字化教材和資源

在人工智能技術(shù)的幫助下，教師可以借助軟件打造新形態(tài)數(shù)字化教材，從而增強知識的可視化以及操作性，讓復(fù)雜的計算變得簡單，以幫助學(xué)生深入研究高等數(shù)學(xué)知識。教師可以利用動態(tài)圖像讓學(xué)生理解數(shù)學(xué)概念，使其接觸到真實數(shù)據(jù)，探索真實世界。這樣可以加強專業(yè)知識和數(shù)學(xué)理論知識之間的融合，強化學(xué)生的分析能力。而新形態(tài)的教材應(yīng)滿足學(xué)生線上線下自主學(xué)習(xí)的需求，同時要重視數(shù)學(xué)應(yīng)用能力、數(shù)學(xué)思想和數(shù)學(xué)思維的培養(yǎng)。比如，高等數(shù)學(xué)中的微積分知識，微積分是變量數(shù)學(xué)，具有動態(tài)屬性，因此其對待問題的立場和觀點及運動變化的過程具有辯證特點。教師可以在教學(xué)中充分應(yīng)用Mathematlca，Maple，CeoGebra，Python實現(xiàn)計算內(nèi)容的算法化，函數(shù)圖像部分的動態(tài)與可視化以及計算文檔的集成化。這樣不僅能夠加深學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的理解，還能夠展示微積分的美學(xué)以及事物矛盾中的發(fā)展變化規(guī)律，從而進一步體現(xiàn)教學(xué)立德樹人的原則，培養(yǎng)更多數(shù)學(xué)應(yīng)用能力較強的復(fù)合型人才[3-5]。

3.5靈活應(yīng)用大數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)，促進個性化學(xué)習(xí)

通過應(yīng)用人工智能技術(shù)，教師可以打造大數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)，從而改變現(xiàn)有的教學(xué)理念，引導(dǎo)學(xué)生進行個性化學(xué)習(xí)。這樣能夠進一步加深學(xué)生對高等數(shù)學(xué)知識的理解和應(yīng)用，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。例如，教師可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)診斷學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況，利用人工智能技術(shù)分析學(xué)生的問題和不足，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)針對性教學(xué)。而且教師還可以靈活應(yīng)用大數(shù)據(jù)來分析學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和學(xué)習(xí)愛好，并合理應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)，以滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求，保證教學(xué)的合理性和科學(xué)性。除此之外，教師還可以通過數(shù)據(jù)測量，歸納學(xué)生的學(xué)習(xí)行為和學(xué)習(xí)風(fēng)格，為之后的教學(xué)方案設(shè)計提供良好的參考數(shù)據(jù)，進而打造良好的教學(xué)環(huán)境。例如，美國亞利桑那州立大學(xué)就積極應(yīng)用了大數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)，建立了Knewton在線服務(wù)教育系統(tǒng)。并以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)，深入分析了學(xué)生的優(yōu)缺點，實現(xiàn)了針對性的教學(xué)指導(dǎo)。

3.6應(yīng)用人工智能技術(shù)提供智能化服務(wù)

教師可以充分應(yīng)用人工智能技術(shù)，實現(xiàn)高等數(shù)學(xué)教學(xué)的智能化和數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)變，提升教學(xué)質(zhì)量。例如，在進行微積分講解中，教師就可以基于人工智能技術(shù)打造精細化管理助理系統(tǒng)，反饋學(xué)生實際學(xué)習(xí)情況，以提供智能化的教學(xué)服務(wù)。比如，教材選擇、習(xí)題評閱、課程指導(dǎo)等。這不僅能夠充分發(fā)揮人工智能技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)理性教學(xué)，推動教育模式改革創(chuàng)新，還能夠豐富現(xiàn)階段的教育活動，為學(xué)生提供更多學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)知識的機會[6]。