人工智能在分層進(jìn)階教學(xué)中的應(yīng)用

戴存禮 趙艷艷 吳威

摘?要：大學(xué)物理教學(xué)中為實(shí)現(xiàn)“知識(shí)”“素養(yǎng)”和“能力”有機(jī)結(jié)合的三全育人目標(biāo)，提出了基礎(chǔ)層、評(píng)價(jià)層、拓展層、研究層分層進(jìn)階、線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，將人工智能廣泛應(yīng)用到該教學(xué)模式中，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、快速獲取各種資源、開展虛擬實(shí)驗(yàn)和模擬、自然語言處理等多方面的幫助；為教師提供豐富的教學(xué)資源、個(gè)性化的教學(xué)方案、多種課堂互動(dòng)工具、智能評(píng)測(cè)和全面的教學(xué)反饋。通過應(yīng)用人工智能技術(shù)，更好地促進(jìn)教育的發(fā)展和進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：分層進(jìn)階；人工智能；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G420??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1?概述

人工智能（Artificial?Intelligence，簡(jiǎn)稱AI）是計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)人類智能的行為和思維能力，從而使其表現(xiàn)出智能化的特征和行為的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)。人工智能涵蓋了許多領(lǐng)域，包括計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、智能控制和機(jī)器人等。人工智能的應(yīng)用逐漸滲透到教育、醫(yī)療、交通、金融等各個(gè)領(lǐng)域。2022年11月ChatGPT的發(fā)布便在網(wǎng)上引起了廣泛關(guān)注，人們首先關(guān)注的是那些會(huì)被人工智能所替代的職業(yè)，其中就包括教師。如果人工智能取代教師，那大部分職業(yè)可能都將被取代，但無論最終能否被取代，作為教師，目前我們首先要做的就是調(diào)整心態(tài)，不能將人工智能視為對(duì)手，而是應(yīng)讓人工智能成為教學(xué)中的助手［1］、幫手［2］和能手［34］。分層進(jìn)階教學(xué)模式是教育領(lǐng)域中的一種重要教學(xué)方法［57］，其核心思想是學(xué)生自主選擇評(píng)價(jià)層、拓展層和研究層三個(gè)層次，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授、價(jià)值塑造和能力培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合的三全育人目標(biāo)，而人工智能的應(yīng)用，可以為分層進(jìn)階教學(xué)提供更加全面、精準(zhǔn)和個(gè)性化的教學(xué)支持。本文將探討人工智能在分層進(jìn)階教學(xué)中的應(yīng)用，旨在為各類教學(xué)研究提供參考。

2?分層進(jìn)階教學(xué)模式

傳統(tǒng)教學(xué)在授課內(nèi)容及目標(biāo)上沒有層次性區(qū)分，對(duì)所有學(xué)生統(tǒng)一授課，沒有考慮到學(xué)生物理興趣和學(xué)習(xí)難度上的差異，同時(shí)教學(xué)內(nèi)容陳舊、知識(shí)更新較慢、學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)挑戰(zhàn)不足、價(jià)值取向不明、目標(biāo)單一、考核評(píng)價(jià)不夠全面。為了克服上述問題，我們對(duì)物理教學(xué)進(jìn)行了個(gè)性化分層改革，實(shí)施基礎(chǔ)層、評(píng)價(jià)層、拓展層、研究層逐層進(jìn)階，線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，其中線上課堂主要在學(xué)習(xí)通完成。該模式基礎(chǔ)層、評(píng)價(jià)層、拓展層、研究層逐層進(jìn)階，有一定的高階性。學(xué)習(xí)任務(wù)也由學(xué)習(xí)、評(píng)價(jià)逐漸升級(jí)為拓展和研究，任務(wù)挑戰(zhàn)不斷升級(jí)，具有一定的挑戰(zhàn)性。課堂活動(dòng)豐富、完全以學(xué)生為中心，考核方式也比較全面，實(shí)現(xiàn)了多維創(chuàng)新。同時(shí)因?yàn)橥卣箤雍脱芯繉拥慕Y(jié)果最終都會(huì)線上或線下展示，既解決了教學(xué)內(nèi)容單一、知識(shí)更新較慢、不能與時(shí)俱進(jìn)的問題，又解決了傳統(tǒng)課堂都是教師一枝獨(dú)秀的問題，真正實(shí)現(xiàn)百花齊放，構(gòu)建師生相互學(xué)習(xí)、相互幫助、共同進(jìn)步的師生學(xué)習(xí)共同體。分層進(jìn)階教學(xué)模式相較于傳統(tǒng)課堂更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，當(dāng)然對(duì)教師和學(xué)生也提出了更高的要求，而人工智能的應(yīng)用則能為教師和學(xué)生提供全方位的支持和幫助，提高教學(xué)效率、優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)、提升教學(xué)質(zhì)量。

3?人工智能在分層進(jìn)階教學(xué)中的應(yīng)用

3.1?學(xué)生

3.1.1?基礎(chǔ)層

在大學(xué)物理分層教學(xué)中，基礎(chǔ)層的主要任務(wù)是學(xué)習(xí)課本知識(shí)，在此過程中，人工智能可以為學(xué)生提供許多有益的幫助和支持，從而更好地掌握知識(shí)和技能，主要包括：

（1）自適應(yīng)學(xué)習(xí)：根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和能力，人工智能可以更具個(gè)性化地調(diào)整難度和提供相應(yīng)的教學(xué)資源，從而更好地支持每位學(xué)生的學(xué)習(xí)。如通過學(xué)習(xí)通在線課程，學(xué)生可以根據(jù)自身需要觀看相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)視頻，通過題庫(kù)自動(dòng)出題完成自主測(cè)試，還可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，自動(dòng)調(diào)整評(píng)估難度和方式，以便更準(zhǔn)確地衡量他們的學(xué)習(xí)進(jìn)度和水平，提供物理知識(shí)的知識(shí)圖譜，幫助他們更好地理解知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系和邏輯關(guān)系，從而更深入地學(xué)習(xí)物理知識(shí)。

（2）交互式學(xué)習(xí)：人工智能可以與學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，根據(jù)學(xué)生的問題和需求，提供相應(yīng)的解答和建議，幫助學(xué)生更好地理解和掌握課本知識(shí)。如學(xué)習(xí)通可以提供基于互聯(lián)網(wǎng)的互動(dòng)課堂，在線實(shí)時(shí)互動(dòng)，讓學(xué)生可以與教師和同學(xué)進(jìn)行互動(dòng)交流，討論物理知識(shí)和問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

（3）可視化呈現(xiàn)：人工智能可以將抽象的物理概念、公式和實(shí)驗(yàn)過程等可視化呈現(xiàn)，使學(xué)生更加直觀地理解和記憶。如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將抽象的物理概念、公式和實(shí)驗(yàn)過程等可視化呈現(xiàn)，使學(xué)生更加直觀地理解和記憶。例如，在學(xué)習(xí)電磁學(xué)時(shí)，學(xué)生可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，親身體驗(yàn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交互作用，讓學(xué)生在其中移動(dòng)電荷和磁荷，觀察它們的運(yùn)動(dòng)軌跡和相互作用。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以更加直觀地感受電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電流之間的關(guān)系，加深對(duì)相關(guān)物理概念和公式的理解。

（4）智能評(píng)估和反饋：人工智能可以自動(dòng)評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和表現(xiàn)，并及時(shí)給予反饋和建議，幫助學(xué)生糾正錯(cuò)誤和提高學(xué)習(xí)效果。例如，在學(xué)生做練習(xí)題時(shí)，自動(dòng)評(píng)估學(xué)生的答題情況，及時(shí)給予反饋和建議，幫助學(xué)生糾正錯(cuò)誤和提高學(xué)習(xí)效果，還可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和分析結(jié)果，向?qū)W生推薦個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源，例如視頻講解、練習(xí)題、知識(shí)點(diǎn)解析等。通過人工智能，學(xué)生可以更加有針對(duì)性地進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率和效果。

（5）模擬實(shí)驗(yàn)：人工智能可以模擬各種物理實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而更好地理解和掌握物理原理和實(shí)驗(yàn)技巧。如虛擬實(shí)驗(yàn)室或仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以用來模擬各種物理實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而更好地理解和掌握物理原理和實(shí)驗(yàn)技巧。

對(duì)于基礎(chǔ)層，人工智能相當(dāng)于學(xué)生的全能私人家教，學(xué)習(xí)過程中可以一對(duì)一輔導(dǎo)，在人工智能的輔助下，學(xué)習(xí)過程將更加個(gè)性化、智能化和可視化，學(xué)習(xí)效果也將得到大幅度提升。

3.1.2?評(píng)價(jià)層

評(píng)價(jià)層需要逐一評(píng)價(jià)拓展層和研究層線上、線下展示的內(nèi)容，在此過程中，因?yàn)樾枰u(píng)價(jià)的所有視頻或文檔都通過學(xué)習(xí)通在線課程展示，而學(xué)習(xí)通作為在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，通過人工智能技術(shù)，可以為學(xué)生提供個(gè)性化推薦，幫助學(xué)生更快地找到自己想要評(píng)價(jià)的內(nèi)容，提高評(píng)價(jià)效率。在評(píng)價(jià)拓展層和研究層線上、線下展示的內(nèi)容時(shí)，學(xué)習(xí)通可以提供實(shí)時(shí)互動(dòng)評(píng)價(jià)，讓學(xué)生之間或師生之間可以在線進(jìn)行討論和交流，提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和有效性。

3.1.3?拓展層

拓展層需要根據(jù)自己的興趣愛好選擇一個(gè)跟物理相關(guān)的拓展主題，最后制作成PPT線下展示或視頻線上展示，除基礎(chǔ)層的應(yīng)用外，在知識(shí)拓展過程中學(xué)生還可以通過人工智能獲得以下幫助：

（1）資源檢索和管理：人工智能可以幫助學(xué)生更快速地獲取和管理學(xué)習(xí)資源。例如，利用人工智能搜索引擎百度學(xué)術(shù)等，通過輸入關(guān)鍵詞，快速獲取與其選定主題相關(guān)的文獻(xiàn)、圖像、視頻等資源，為PPT或視頻制作提供素材支撐。

（2）PPT制作工具：人工智能幫助學(xué)生快速制作PPT，還能讓學(xué)生享受到全新的編輯體驗(yàn)。利用文本編輯器Word輸入與選定主題相關(guān)的文字內(nèi)容，包括標(biāo)題、正文、圖表等，然后利用諸如GPT3等將輸入的文字內(nèi)容自動(dòng)轉(zhuǎn)換為PPT幻燈片，也可以對(duì)自動(dòng)生成的PPT進(jìn)行進(jìn)一步編輯和調(diào)整，包括修改字體、顏色、布局等。利用最新的人工智能技術(shù)，快速制作PPT，享受全新的編輯體驗(yàn)，提高知識(shí)拓展的質(zhì)量和效率。

（3）視頻制作工具：人工智能可以提供視頻制作工具，幫助學(xué)生更好地制作視頻。例如，利用智能剪輯工具iMovie或Adobe?Premiere?Pro等軟件，可以快速剪輯和處理視頻素材，提高視頻制作效率，為知識(shí)拓展的展示和分享提供更加豐富和生動(dòng)的方式。

3.1.4?研究層

研究層需要自主組隊(duì)、自選課題開展課題研究，并將最終結(jié)果制作成PPT線下展示或視頻線上展示，研究層首先要達(dá)到拓展層的要求，所以人工智能在拓展層中的所有應(yīng)用也同樣可以應(yīng)用于研究層，除此之外，在課題研究過程中，人工智能可以提供課題研究工具，幫助學(xué)生更好地進(jìn)行物理課題研究。例如，如果選定的研究課題是種子磁化，人工智能可以利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提取其中的關(guān)鍵特征和規(guī)律，幫助學(xué)生更好地理解和解釋種子磁化的物理機(jī)制。種子磁化的研究需要對(duì)微小結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行觀察和分析，人工智能可以利用圖像識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，對(duì)顯微圖像進(jìn)行分析和處理，提取其中的信息和特征，幫助學(xué)生更好地理解和解釋種子磁化的微觀結(jié)構(gòu)和行為。人工智能可以提供智能輔助工具，如智能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、智能數(shù)據(jù)分析、智能模擬計(jì)算等，幫助學(xué)生更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，提高研究效率和準(zhǔn)確度。

3.2?教師

在大學(xué)物理分層教學(xué)過程中，人工智能可以為教師提供豐富的教學(xué)資源、個(gè)性化的教學(xué)方案、高效的課堂互動(dòng)、智能評(píng)測(cè)和反饋及數(shù)據(jù)分析等多方面的幫助。

（1）教學(xué)資源：人工智能可以為教師提供豐富的教學(xué)資源，例如教學(xué)視頻、課件、練習(xí)題和實(shí)驗(yàn)等，幫助教師更好地備課和講授。如學(xué)習(xí)通可以為教師提供大量的教學(xué)資源、教學(xué)設(shè)計(jì)工具，幫助教師制訂教學(xué)計(jì)劃、課程安排、教學(xué)目標(biāo)等，同時(shí)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，提供個(gè)性化的教學(xué)建議和反饋。

（2）自適應(yīng)教學(xué)：人工智能可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)歷史和興趣，為教師提供個(gè)性化的教學(xué)方案。如學(xué)習(xí)通可以收集學(xué)生的學(xué)習(xí)歷史、興趣愛好和學(xué)習(xí)行為等數(shù)據(jù)，包括學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、學(xué)習(xí)進(jìn)度、課程評(píng)分等。這些數(shù)據(jù)可以通過學(xué)習(xí)通的學(xué)習(xí)記錄功能、問卷調(diào)查和用戶行為分析等方式進(jìn)行收集。根據(jù)學(xué)生的個(gè)性化信息和推薦結(jié)果，為教師提供個(gè)性化的教學(xué)方案，包括課程設(shè)計(jì)、課程評(píng)估、學(xué)習(xí)活動(dòng)等。教師可以根據(jù)學(xué)生的個(gè)性化需求，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法，提高教學(xué)效果和學(xué)生參與度。為學(xué)生提供學(xué)習(xí)反饋，包括學(xué)習(xí)成果、學(xué)習(xí)建議和學(xué)習(xí)計(jì)劃等。教師可以根據(jù)反饋結(jié)果，調(diào)整學(xué)習(xí)策略和方法，提高學(xué)習(xí)效果和成果。

（3）課堂互動(dòng)：在分層進(jìn)階教學(xué)中，為了引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂，主動(dòng)思考，培養(yǎng)學(xué)生自己的思維鏈，開展了豐富的課堂活動(dòng)，如課堂游戲、主題討論、滾雪球、問答之星、小組討論等激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而人工智能則在這些方面提供很多有力的支撐和幫助。例如交互式講解，在課堂上需要學(xué)生思考的開放性問題在學(xué)習(xí)通發(fā)布主題討論，讓所有學(xué)生參與互動(dòng)，教師通過智慧課堂實(shí)時(shí)展示每位學(xué)生的發(fā)言，最后還可以生成詞云圖，從而掌握學(xué)生對(duì)該問題的思考方向和深度。而對(duì)于能夠定量或定性描述的問題則可以以隨堂練習(xí)的形式實(shí)時(shí)發(fā)布，學(xué)生提交后即刻統(tǒng)計(jì)結(jié)果，幫助教師及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。同時(shí)還能夠在學(xué)習(xí)通討論里開展按搶答順序依次接龍的滾雪球、對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行學(xué)生間相互解答的問答之星、拓展層和研究層點(diǎn)贊與評(píng)價(jià)等多種活動(dòng)，提高課堂的活躍度、互動(dòng)性和參與度。

（4）評(píng)估與反饋：人工智能可以為教師提供智能評(píng)測(cè)和反饋系統(tǒng)。例如，利用學(xué)習(xí)通智能評(píng)測(cè)系統(tǒng)，可以自動(dòng)批閱大部分作業(yè)、考試，同時(shí)能夠統(tǒng)計(jì)詳情，通過統(tǒng)計(jì)詳情教師可以快速對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評(píng)估和反饋，幫助學(xué)生更好地掌握所學(xué)知識(shí)。同時(shí)分層進(jìn)階教學(xué)更注重過程性評(píng)價(jià)，而人工智能可以根據(jù)具體需求按比例設(shè)置作業(yè)、考試、課程積分、簽到、音視頻、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、討論、分組任務(wù)、章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)、學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)等所占的權(quán)重，一鍵生成平時(shí)成績(jī)，對(duì)于不能達(dá)到正常要求的學(xué)生還能開啟教學(xué)預(yù)警，及時(shí)糾正學(xué)生的學(xué)習(xí)偏差。

（5）數(shù)據(jù)分析：人工智能可以幫助教師分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和行為。例如學(xué)習(xí)通可以提供學(xué)習(xí)進(jìn)度、任務(wù)點(diǎn)完成詳情、課堂活動(dòng)參與率、課程積分、學(xué)習(xí)習(xí)慣和錯(cuò)誤率等，為教師提供更加全面的教學(xué)反饋和支持。

結(jié)語

基礎(chǔ)層、評(píng)價(jià)層、拓展層和研究層逐層進(jìn)階，線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式能夠極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和參與性，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，在培養(yǎng)學(xué)生能力的同時(shí)豐富課堂教學(xué)。而人工智能通過分析學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、興趣愛好、知識(shí)水平等個(gè)性化信息，為每個(gè)學(xué)生量身定制學(xué)習(xí)計(jì)劃，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。通過自動(dòng)化評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，為學(xué)生提供即時(shí)反饋和個(gè)性化建議，從而幫助學(xué)生更好地掌握知識(shí)。通過交互式學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。通過精準(zhǔn)的知識(shí)圖譜、智能推薦系統(tǒng)等輔助教學(xué)工具，幫助教師更好地指導(dǎo)學(xué)生，優(yōu)化教學(xué)效果?？傊?，人工智能在分層進(jìn)階教學(xué)中的應(yīng)用，可以更好地滿足學(xué)生的個(gè)性化需求，提高學(xué)習(xí)效果，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：戴存禮（1979—?），女，漢族，山東青海人，博士，副教授，研究方向?yàn)榻虒W(xué)論、生物物理。