AI技術(shù)賦能營養(yǎng)生理學(xué)課程的探索與實(shí)踐

1.引言

隨著科技的飛速發(fā)展，AI技術(shù)正逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域，為人們的生活帶來了諸多便利和創(chuàng)新。營養(yǎng)生理學(xué)作為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和食品科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，對(duì)于培養(yǎng)具有專業(yè)素養(yǎng)和實(shí)踐能力的營養(yǎng)學(xué)人才具有重要意義。作為農(nóng)業(yè)類高校營養(yǎng)類專業(yè)的一門專業(yè)課而言，營養(yǎng)生理學(xué)傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往存在教學(xué)內(nèi)容單一、教學(xué)方法滯后等問題，難以滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)營養(yǎng)學(xué)人才的需求。近年來，AI技術(shù)的快速發(fā)展為營養(yǎng)生理學(xué)課程的教學(xué)方式注入了新的活力，通過AI技術(shù)的智能分析和預(yù)測(cè)能力，可以更加精準(zhǔn)地為學(xué)生提供更加個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案。本文旨在探討AI技術(shù)在營養(yǎng)生理學(xué)課程中的探索與實(shí)踐，以期為相關(guān)領(lǐng)域的教育工作者提供有益的參考與啟示。

2.營養(yǎng)生理學(xué)課程的教學(xué)痛點(diǎn)

2.1 學(xué)生背景與課程難度的匹配問題

以作者所在學(xué)院為例，營養(yǎng)生理學(xué)課程開設(shè)在第四學(xué)期，此時(shí)學(xué)生對(duì)于專業(yè)課已經(jīng)有了一定的認(rèn)知，但是由于營養(yǎng)生理學(xué)課程涉及許多生物學(xué)和生理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，共包括十二章的內(nèi)容，而學(xué)生之間的生物學(xué)背景知識(shí)可能存在較大差異。部分學(xué)生可能因?yàn)榛A(chǔ)薄弱而感到學(xué)習(xí)困難，難以跟上課程進(jìn)度。此外，本課程通常具有較強(qiáng)的專業(yè)性和深度，涉及許多復(fù)雜的生理機(jī)制和代謝過程，課程包含的一些內(nèi)容如神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等甚至是醫(yī)學(xué)生需要掌握的重點(diǎn)內(nèi)容，這對(duì)于沒有相關(guān)背景知識(shí)或基礎(chǔ)較弱的學(xué)生來說，可能會(huì)感到枯燥乏味且難以理解。

2.2 理論與實(shí)踐的脫節(jié)

在營養(yǎng)生理學(xué)的教學(xué)中，由于課時(shí)少，內(nèi)容多，所以理論知識(shí)的傳授通常占主導(dǎo)地位，包括人體的構(gòu)造以及各系統(tǒng)的組成與功能。然而，在實(shí)際應(yīng)用層面，學(xué)生難以將所學(xué)理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)場景相結(jié)合。一方面，理論知識(shí)的抽象性使得學(xué)生不易理解其在機(jī)體的實(shí)際運(yùn)作過程。比如，循環(huán)系統(tǒng)一章中，學(xué)生已經(jīng)知道了血液循環(huán)的途徑包括體循環(huán)和肺循環(huán)，但是心臟如何主導(dǎo)這一循環(huán)，學(xué)生缺乏直觀的認(rèn)知。并且由于受到學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件的限制，無法為學(xué)生提供充沛的教學(xué)資源。農(nóng)學(xué)類的院校很少配置人體解剖等偏重醫(yī)學(xué)類的實(shí)驗(yàn)資源，這也會(huì)限制學(xué)生的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

2.3 缺乏個(gè)性化學(xué)習(xí)方案

每個(gè)學(xué)生對(duì)本課程的理解程度和興趣點(diǎn)存在著差異，這種差異來源于學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)背景，個(gè)人學(xué)習(xí)習(xí)慣、思維方式以及興趣所在等多個(gè)方面。在本課程復(fù)雜且深入的學(xué)科中，這種差異尤為明顯。但是課程只能按照統(tǒng)一的教學(xué)大綱和進(jìn)度進(jìn)行，這種“一刀切”的教學(xué)方式很難兼顧到每個(gè)學(xué)生的具體需求，尤其是對(duì)于哪些基礎(chǔ)知識(shí)較為薄弱或?qū)Ρ菊n程缺乏興趣的學(xué)生來說，可能在學(xué)習(xí)中感到吃力，難易跟上課程節(jié)奏。而對(duì)于另一部分對(duì)本課程有濃厚興趣而且基礎(chǔ)較好的學(xué)生來說，統(tǒng)一的課程進(jìn)度會(huì)讓他們課程過于簡單，缺乏缺乏挑戰(zhàn)性。這種學(xué)習(xí)體驗(yàn)無疑是對(duì)他們潛力的浪費(fèi)，也違背了教育的初衷。

2.4 教學(xué)內(nèi)容與思政教育的斷層

2019年，教育部啟動(dòng)“四新”建設(shè)，以交叉融合和變革創(chuàng)新為核心，致力于科技尖端與核心領(lǐng)域的探索，全力構(gòu)建新時(shí)代高等教育的教學(xué)改革新體系與新機(jī)制。在營養(yǎng)生理學(xué)課程的教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容更多地專注與課程的專業(yè)知識(shí)，如營養(yǎng)素的生理功能，人體對(duì)于營養(yǎng)素的需求等，而沒有教好地將這些知識(shí)與社會(huì)主義核心價(jià)值觀、社會(huì)責(zé)任等思政元素相結(jié)合。尤其是針對(duì)本?！耙赞r(nóng)為本”的辦學(xué)定位上，更是缺少與三農(nóng)、鄉(xiāng)村振興等的有機(jī)融合。

此外，教學(xué)評(píng)價(jià)體系也有所欠缺。目前的教學(xué)評(píng)價(jià)改革側(cè)重于過程性評(píng)價(jià)，作者所在學(xué)院要求核心課有10次以上平時(shí)成績，且過程性評(píng)價(jià)在總成績中占比不得低于50%。但是，過程性評(píng)價(jià)大多為隨堂測(cè)、小組討論、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課后作業(yè)等項(xiàng)目，沒有將學(xué)生的思想道德素養(yǎng)、社會(huì)責(zé)任感、專業(yè)認(rèn)同感等納入考核體系，因此很難全面評(píng)估思政教育在本課程中的實(shí)際效果，達(dá)不到立德樹人的根本任務(wù)。

3.AI技術(shù)在營養(yǎng)生理學(xué)課程中的實(shí)踐與應(yīng)用

3.1 制定個(gè)性化學(xué)習(xí)方案

AI技術(shù)能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)歷史、興趣偏好和認(rèn)知水平，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，如作業(yè)完成情況、課堂互動(dòng)表現(xiàn)、在線測(cè)試成績等，來評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和興趣點(diǎn)。基于這些數(shù)據(jù)，AI可以智能地生成個(gè)性化的學(xué)習(xí)路徑和資源推薦，幫助每個(gè)學(xué)生為每個(gè)學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源和推薦路徑。例如，對(duì)于在神經(jīng)系統(tǒng)章節(jié)感到困難的學(xué)生，AI可以推薦更多的相關(guān)視頻、動(dòng)畫和實(shí)驗(yàn)案例，幫助他們更好地理解和掌握這一難點(diǎn)。在血液一章的學(xué)習(xí)中，基礎(chǔ)好的一些同學(xué)除了掌握ABO血型系統(tǒng)外，還可對(duì)Rh血型系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，擴(kuò)大學(xué)習(xí)面。

3.2 智能輔導(dǎo)與答疑

在課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生會(huì)經(jīng)常遇到一些難以理解的概念和復(fù)雜的生理過程。傳統(tǒng)的答疑方式可能受限于時(shí)間和地點(diǎn)，無法滿足所有學(xué)生的需求。而AI技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷的智能輔導(dǎo)與答疑。通過自然語言處理和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，AI可以準(zhǔn)確地理解學(xué)生的問題，并提供相應(yīng)的解答和解釋。此外，AI還可以作為輔助工具，幫助教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂管理。例如，AI系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，為教師提供及時(shí)的反饋和建議，以便教師調(diào)整教學(xué)策略，提高教學(xué)效果。

3.3 營養(yǎng)評(píng)估與健康管理

AI技術(shù)在營養(yǎng)評(píng)估與健康管理方面的應(yīng)用也是營養(yǎng)生理學(xué)課程的重要組成部分。通過智能穿戴設(shè)備、智能手機(jī)應(yīng)用程序等渠道，AI系統(tǒng)可以收集學(xué)生的飲食、運(yùn)動(dòng)、睡眠等健康數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算方法和課程知識(shí)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，提供全面的營養(yǎng)評(píng)估報(bào)告。進(jìn)而，系統(tǒng)會(huì)結(jié)合學(xué)生的個(gè)人目標(biāo)和偏好，量身定做個(gè)性化的營養(yǎng)計(jì)劃。此外，系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的飲食和營養(yǎng)攝入情況，如果出現(xiàn)營養(yǎng)偏差，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以此來改善飲食習(xí)慣，提高健康水平，提供個(gè)性化的飲食建議和健康指導(dǎo)。

3.4 智能化課程評(píng)估與反饋

傳統(tǒng)的課程評(píng)估方式往往依賴于學(xué)生的考試成績和作業(yè)完成情況，這種方式可能無法全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和需求。AI技術(shù)可以通過分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和行為模式，為每個(gè)學(xué)生提供個(gè)性化的課程評(píng)估報(bào)告。這些報(bào)告不僅包含了學(xué)生的考試成績和作業(yè)完成情況，還包括了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、興趣點(diǎn)、弱點(diǎn)等方面的信息?；谶@些信息，教師可以更加準(zhǔn)確地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和需求，從而為他們提供更加有針對(duì)性的指導(dǎo)和幫助。同時(shí)，AI還可以為學(xué)生提供實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)反饋和建議，幫助他們及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)策略和方法。

3.5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的運(yùn)用，利用人工智能技術(shù)模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為學(xué)生提供虛擬化的實(shí)踐機(jī)會(huì)，能夠突破時(shí)間、空間限制，充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在本課程中，虛擬實(shí)驗(yàn)室通過高度仿真的虛擬環(huán)境和交互式的操作界面，使學(xué)生能夠像在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中一樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。這些虛擬實(shí)驗(yàn)通常包含豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如神經(jīng)生理學(xué)、心血管生理學(xué)、呼吸生理學(xué)等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，以及更多復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)。

AI技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠模擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，包括實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的反應(yīng)、實(shí)驗(yàn)儀器的操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析等。同時(shí)，AI技術(shù)還能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)驗(yàn)的難度和復(fù)雜度，確保每個(gè)學(xué)生都能在適合自己的水平上獲得最佳的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。例如，在神經(jīng)系統(tǒng)一章的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M蟾蜍神經(jīng)干動(dòng)作電位的引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、神經(jīng)興奮傳輸速度的測(cè)定等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)不僅有助于學(xué)生深入理解神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，還能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和數(shù)據(jù)分析能力，同時(shí)還降低了實(shí)驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 思政元素的融入

目前，AI的發(fā)展大大促進(jìn)了課程知識(shí)體系與思政元素的有機(jī)結(jié)合。浙江大學(xué)馬克思主義學(xué)院通過“數(shù)字人授課+學(xué)習(xí)應(yīng)用+案例教學(xué)+AI一點(diǎn)通”四位一體教學(xué)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新舉措，學(xué)生可以在AI的輔助下開展研究性學(xué)習(xí)，可能夠通過軟件“親歷”歷史事件，感受先輩的艱辛與偉大。廈門理工學(xué)院推出了課程思政方案與產(chǎn)學(xué)研社會(huì)導(dǎo)引案例集合，利用AI與紅色經(jīng)典創(chuàng)新性呈現(xiàn)，變傳統(tǒng)的口耳相授為數(shù)智沉浸式體驗(yàn)，有效增強(qiáng)了學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力和主動(dòng)性。

在營養(yǎng)生理學(xué)課程的實(shí)踐中，可以借鑒以上方法，如通過AI加持下的全息投影展演，實(shí)現(xiàn)與本課程奠基者林可勝、蔡翹數(shù)字人的跨時(shí)空對(duì)話；也可以諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主的獲獎(jiǎng)成果與本課程的實(shí)踐理論相結(jié)合，這種體驗(yàn)式學(xué)習(xí)讓思政教育更加貼近學(xué)生的內(nèi)心。

3.7 教學(xué)評(píng)價(jià)體系的優(yōu)化

AI能夠整合學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、行為記錄、情感信息等多源信息，構(gòu)建全面、立體的學(xué)生畫像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的多維度評(píng)價(jià)。同時(shí)，AI除了可以自動(dòng)評(píng)閱選擇題等標(biāo)準(zhǔn)化試題外，還可以通過自然語言處理技術(shù)，對(duì)開放性問題進(jìn)行評(píng)分，提供細(xì)致的反饋意見。如AI工具“智譜清言”可以設(shè)置助教模式，教師只需把題目詳細(xì)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)輸入，AI即可對(duì)答案進(jìn)行批改。

在思政評(píng)價(jià)上，AI能夠通過數(shù)據(jù)分析，精確了解學(xué)生對(duì)思政知識(shí)的理解和掌握程度，捕捉其互動(dòng)情況和思想變化，就像透視眼一樣看清每位學(xué)生的思政學(xué)習(xí)狀況。在學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識(shí)后，AI可根據(jù)學(xué)生的課后習(xí)題或者討論等對(duì)其思政方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過AI對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行優(yōu)化，能夠減少人為因素的干擾，提高評(píng)價(jià)的客觀性與公正性。同時(shí)，AI還可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和需求，提供個(gè)性化的評(píng)價(jià)報(bào)告和學(xué)習(xí)建議，有助于實(shí)現(xiàn)因材施教。

4.AI技術(shù)賦能營養(yǎng)生理學(xué)課程的挑戰(zhàn)與展望

4.1 智能化教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)

營養(yǎng)生理學(xué)涉及大量的生理數(shù)據(jù)、營養(yǎng)學(xué)知識(shí)和個(gè)體差異，這些數(shù)據(jù)往往具有高度的復(fù)雜性和多樣性。AI技術(shù)在處理這些數(shù)據(jù)時(shí)，需要克服數(shù)據(jù)獲取困難、數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、數(shù)據(jù)標(biāo)注不準(zhǔn)確等問題。此外，如何有效地整合和利用這些數(shù)據(jù)，以支持AI模型的訓(xùn)練和優(yōu)化，也是一大挑戰(zhàn)。

4.2 數(shù)據(jù)隱私與安全

隨著AI技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)據(jù)隱私與安全問題也日益凸顯。在本課程中，學(xué)生的身高、體重、飲食、運(yùn)動(dòng)、睡眠等健康數(shù)據(jù)都是敏感信息，需要得到妥善保護(hù)。如何確保這些信息的安全性和隱私性，避免泄露和濫用，加強(qiáng)數(shù)據(jù)隱私與安全保護(hù)是AI技術(shù)賦能營養(yǎng)生理學(xué)課程的重要挑戰(zhàn)之一。

4.3 技術(shù)更新與迭代

AI技術(shù)日新月異，不斷更新和迭代。為了保持AI技術(shù)在營養(yǎng)生理學(xué)課程中的有效應(yīng)用，教師需要不斷學(xué)習(xí)和掌握新技術(shù)，更新教學(xué)內(nèi)容和方法。同時(shí)，學(xué)生也需要具備自主學(xué)習(xí)的能力和意識(shí)，以適應(yīng)AI技術(shù)的發(fā)展和變化。如可利用大數(shù)據(jù)與AI技術(shù)的融合，將為本課程提供更加全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。通過挖掘和分析學(xué)生的生理數(shù)據(jù)、飲食習(xí)慣等信息，AI模型可以更加精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)學(xué)生的營養(yǎng)需求和健康狀況，為個(gè)性化教學(xué)提供有力保障。

4.4 跨學(xué)科融合與創(chuàng)新

營養(yǎng)生理學(xué)是一門交叉學(xué)科，課程體系含解剖學(xué)、營養(yǎng)學(xué)、生理學(xué)等多方面的內(nèi)容，亟需與其他學(xué)科進(jìn)行融合和創(chuàng)新。AI技術(shù)為跨學(xué)科融合提供了新的契機(jī)和平臺(tái)。例如，可以將AI技術(shù)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、食品科學(xué)等學(xué)科相結(jié)合，開展跨學(xué)科研究和教學(xué)，推動(dòng)營養(yǎng)生理學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新和發(fā)展。

結(jié)論

AI技術(shù)賦能營養(yǎng)生理學(xué)課程為教學(xué)帶來了全新的可能性。通過個(gè)性化學(xué)習(xí)推薦、智能化輔助教學(xué)、營養(yǎng)評(píng)估與健康管理等方式，AI技術(shù)可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握課程知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)體驗(yàn)。然而，AI技術(shù)賦能營養(yǎng)生理學(xué)課程也面臨著數(shù)據(jù)隱私與安全、技術(shù)更新與迭代以及跨學(xué)科融合與創(chuàng)新等挑戰(zhàn)。因此，我們需要不斷探索和實(shí)踐，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣，推動(dòng)AI技術(shù)在營養(yǎng)生理學(xué)課程中的深入應(yīng)用和發(fā)展。

基金項(xiàng)目

1、河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目：課程思政融入課堂教學(xué)全過程的方法途徑探索與實(shí)踐—以“食品營養(yǎng)學(xué)”為例（276）；2、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科教育教學(xué)改革實(shí)踐項(xiàng)目（重點(diǎn)項(xiàng)目）：基于“一流課程”建設(shè)的《食品營養(yǎng)學(xué)》研究性教學(xué)模式研究（2023XJGLX006）；3、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目：“一流課程”背景下課程思政建設(shè)的探索與實(shí)踐—以《食品營養(yǎng)學(xué)》為例（2023XJGLX121）；4、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)課程示范課-食品營養(yǎng)學(xué)（2023KC61）。