AI賦能：“高等數(shù)學”課程的智能化教學革新探索

摘 要：隨著人工智能技術（AI）的迅猛發(fā)展，教育領域正經(jīng)歷著前所未有的變革。教育工作者們?nèi)找嬲J識到人工智能技術的巨大潛力，開始積極探索如何將其有效融入教學過程中，以提升教學質(zhì)量與學習效率。本文通過分析人工智能時代“高等數(shù)學”課程教學存在的問題，結合智慧教學平臺，在AI賦能下從加強教師培訓、智能化建設知識圖譜、構建基于智慧教學平臺的“雙線四化”混合教學模式這三個方面出發(fā)，進行了“高等數(shù)學”課程的智能化教學革新思考，并對其進行了深入探討。

關鍵詞：人工智能；高等數(shù)學；教學革新

“高等數(shù)學”課程具有高度的抽象性、嚴密的邏輯性和廣泛的應用性，是理工科學生必學的一門重要的基礎課程，對培養(yǎng)學生的邏輯思維能力、科學素養(yǎng)及解決復雜問題的能力有重要作用。

2019年5月，中國政府與聯(lián)合國教科文組織審議通過《北京共識——人工智能與教育》強調(diào)，人工智能是推動教育變革和創(chuàng)新的重要力量。各國應制定相應的政策，推動人工智能與教育、教學和學習系統(tǒng)性融合。這意味著要將人工智能技術融入教育的各個環(huán)節(jié)中，包括教學內(nèi)容、教學方法、教學評價等，以實現(xiàn)教育的智能化和個性化。2024年4月，教育部公布首批18個“人工智能+高等教育”應用場景典型案例，旨在深入貫徹落實國家關于開展“AI+”行動的戰(zhàn)略部署，積極推動高等教育與AI技術的融合發(fā)展，利用AI技術支撐人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新、教學方法的改革、教育治理能力的提升。這為我們運用人工智能開展教育教學改革指明了方向，并提供了切實可行的案例指導。在此背景下，我們依托智慧平臺，利用AI賦能對“高等數(shù)學”課程進行教學改革，實現(xiàn)教學的個性化、精準化與智能化。

1 AI時代“高等數(shù)學”課程教學存在的問題

在當前人工智能發(fā)展背景下，各領域都朝著AI化的方向邁進。作為各應用領域不可或缺的基礎學科，高等數(shù)學應當順應這一時代趨勢，積極融合人工智能技術，不斷更新其教學內(nèi)容與教學方法，以適應新時代的需求與挑戰(zhàn)。然而，我們發(fā)現(xiàn)“高等數(shù)學”課程在改革過程中面臨許多問題。

1.1 師資力量建設跟不上時代發(fā)展

目前“高等數(shù)學”課程的不少教師的教學理念滯后，對于AI技術融入教育的趨勢持保守態(tài)度，接納新興事物的意愿較低。他們對于利用AI輔助教學的興趣不大，依然傾向于堅守傳統(tǒng)的教學模式。另外，對于高等數(shù)學教師而言，雖然他們在數(shù)學領域有著深厚的專業(yè)知識，但對于AI技術的了解卻不多。由于缺乏AI相關的技術培訓和背景知識，他們難以掌握AI工具的使用方法，無法將其融入教學，因此在應用AI于教學時可能會面臨一定的挑戰(zhàn)。

1.2 現(xiàn)有的教學模式單一

由于“高等數(shù)學”內(nèi)容豐富、理論性強、課時有限的特性，“高等數(shù)學”的課堂教學多采用教師主講、學生被動吸收的教學模式。在這種模式下，學生被動接受知識，缺乏足夠的時間進行自主思考，限制了自主學習能力的培養(yǎng)和探索精神的激發(fā)。同時，“高等數(shù)學”課程作為基礎類課程，往往采用大班教學的授課形式。航空工程大學士官學校學生的數(shù)學基礎有著很大的差異，兩極分化嚴重。這種模式下難以根據(jù)學生的差異性來拓展教學內(nèi)容，難以滿足不同基礎學生的個性化需求。

1.3 教學資源碎片化

近年來，隨著信息化教學手段的進步，許多學校和各類課程都對混合式教學進行了一定的研究和實踐，并在教學中取得一定的成果。但是線上線下混合式教學模式下，學生接收的教學資源往往呈現(xiàn)出碎片化狀態(tài)，缺乏系統(tǒng)性。這些零散的資源之間缺乏有效的整合與銜接，使得學生在學習時難以將各個獨立的知識點有機融合，從而阻礙了他們對知識的全面理解和掌握，極大地影響學習效果。

2 “高等數(shù)學”課程的智能化教學革新策略

2.1 加強教師培訓

聯(lián)合國教科文組織在2024數(shù)字學習周期間發(fā)布了《教師人工智能能力框架》，從五個方面詳細闡述了教師需要具備的十五項能力。這五個方面包括：“以人為本”觀念、人工智能倫理、人工智能基礎與應用、人工智能與教學融合，以及人工智能對教師專業(yè)發(fā)展的支持。這不僅為政策制定者、各級各類學校提供切實可行的參考和指導，還為教師自身提供了提升AI素養(yǎng)的具體路徑。在全球范圍內(nèi)，智能化教育的普及化趨勢日益明顯，我們必須轉(zhuǎn)變觀念，提高自身的危機意識。為了跟上時代的步伐，課程團隊應加強團隊成員的AI技能相關培訓，幫助教師們樹立人機協(xié)作的教學理念，學習并掌握AI協(xié)同的技術工具，會運用多源數(shù)據(jù)分析和適應性學習系統(tǒng)的反饋。另外，我們也應堅守技術服務于人的原則，以理性的態(tài)度審視人工智能的局限與潛力，既不盲目崇拜AI，忽視教師本身的核心作用，也不因擔憂而拒絕AI融入教學。我們要成為AI賦能教育教學的建設者和把關人，有效整合AI技術，推進“高等數(shù)學”課程的革新與發(fā)展。

2.2 智能化建設知識圖譜

“高等數(shù)學”課程主要分為函數(shù)、極限、微分、積分這四大模塊，它們之間的知識點相互聯(lián)系、相互依存。在混合式教學模式下，碎片化的教學資源之間缺乏有效的整合與銜接，因此，建設“高等數(shù)學”課程的知識圖譜顯得尤為重要。我們根據(jù)“高等數(shù)學”課程的教學目標，將課程中的所有知識點列出，分析各知識點之間的邏輯關系。在此基礎上，利用智慧平臺中AI技術構建知識圖譜，將各個知識點有機地串聯(lián)起來，將各個知識點的教學資源插入其中，形成一個完整的知識體系，從而克服混合式教學所帶來的空間、知識的二元割裂感。在知識圖譜的輔助下，學生不僅可以更系統(tǒng)地學習，還能更直觀地理解和掌握“高等數(shù)學”各知識點之間的聯(lián)系，提升學習效果。另外，知識圖譜中的AI系統(tǒng)還能針對每個學生的學習情況，提供不同的學習路徑，滿足學生的個性化學習需求，提高學習效率。

2.3 構建基于智慧教學平臺的“雙線四化”混合教學模式

為了深化教學改革、提升教學質(zhì)量，我們團隊充分利用了智慧教學平臺的優(yōu)勢，將線上資源與線下課堂緊密融合，構建了一個線上教學個性化、線下教學精準化、教學評價多元化以及課程思政體系化的“雙線四化”混合式教學模式。在這種模式下，線上課前預習、線下課中深學、課后鞏固拓展有機融合，學生通過線上平臺完成預習和自主學習，線下課堂則成為深入研討和解決問題的場所，課后鞏固拓展則進一步鞏固和拓展所學知識。智慧教學平臺的使用實現(xiàn)了課程線上線下的優(yōu)勢互補，為學生提供了更加豐富、靈活和個性化的學習體驗。

2.3.1 線上教學個性化

基于學生的學情分析，我們將學生劃分為基礎組、進階組和探索組三個小組。根據(jù)三個小組的知識水平和學習興趣，教師在智慧平臺上個性化推送知識圖譜中的知識點預習任務單，要求學生按時完成任務并提交配套的檢測題，以檢驗預習效果。在預習任務單中明確課前學習目標，幫助學生明晰學習任務，從而增強學習效率。學生在智慧教學平臺上通過任務單自學知識點內(nèi)容，并完成自測。AI可以根據(jù)學生的學習情況合理且有針對性地推薦學習路徑，學有余力的學生可以根據(jù)AI的智能推薦路徑進行自主學習。同時，教師通過智慧教學平臺實時收集學生的學習數(shù)據(jù)，能夠迅速掌握學生的學習動態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)學生學習中的難點和薄弱點。在此基礎上，教師可以進行針對性的線下教學調(diào)整，優(yōu)化教學策略，確保課堂教學更加精準高效。

圖1 線上個性化教學圖示

2.3.2 線下教學精準化

依據(jù)智慧教學平臺反饋的學習數(shù)據(jù)，教師可以更精準把握學生的學習情況，有針對性地進行線下課堂教學。線下教學中，教師通過情景融入、問題導入、故事導入等方式引出新課內(nèi)容，并展示本節(jié)課的教學目標，讓學生明確學習重難點。學生帶著問題進入線下課堂，在教師的引導下，通過小組合作探究、討論辨析等方式來解決重難點問題。課上，首先，教師根據(jù)實際課堂情況調(diào)整教學節(jié)奏，充分調(diào)動課堂，引導學生積極參與到課堂教學中。其次，教師根據(jù)劃分的小組分層發(fā)布合作練習任務，確保不同基礎層次的學生都能獲得有效的提升。在小組合作練習過程中，教師有針對性地進行指導，幫助學生解決疑難問題。最后，教師引導學生總結歸納本節(jié)課的知識點，幫助學生把碎片化的知識點系統(tǒng)化，初步形成知識體系。課后，學生可以根據(jù)自身的學習情況在智慧平臺上回溯知識圖譜，更新知識圖譜的認知狀態(tài)。同時，教師根據(jù)平臺數(shù)據(jù)和課堂學生學習反饋，進行教學評價和教學反思。

圖2 線下精準化教學圖示

2.3.3 教學評價多元化

為了科學、全面地對教學效果進行評價，同時調(diào)動學生的學習積極性，“高等數(shù)學”課程將教學評價貫穿教學全過程，形成了基于智慧教學平臺的形成性評價和終結性評價相結合的多元化教學評價，如下表所示。

“高等數(shù)學”課程的教學評價包括形成性評價和終結性評價。終結性評價占總成績的70%，主要通過期末考試成績來反映學生對高等數(shù)學知識的掌握情況。形成性評價占總成績的30%，由線上和線下兩部分構成。線上評價包括課前測試、任務完成情況和課后作業(yè)等；線下評價包括課堂表現(xiàn)和小組討論等。智慧教學平臺通過AI技術能夠?qū)崟r監(jiān)控學生的學習進度，扮演教師的角色，幫助學生認識不足，針對學生的問題進行鼓勵和引導，并推薦有效的學習路徑。學生也能隨時通過平臺查看自己的學習進展，提升學習動力。同時，AI技術能幫助教師在繁重的閱卷和評估工作中得到解放，更方便獲取學生的學習數(shù)據(jù)和詳細報告，從而有更多的時間和精力去關注學生的個性化需求和教學方法的改進。

2.3.4 課程思政體系化

“高等數(shù)學”課程思政堅持以立德樹人為根本任務、科學精神為核心導向、實際應用為切入點引導，全面育人為最終目標，將思政教育有機融入線上線下教學各環(huán)節(jié)，形成了“四突出、五位一體”的課程思政體系?！八耐怀觥奔赐怀鰯?shù)學特性、突出應用特點、突出軍人特質(zhì)、突出航天特色。“五位一體”即以學生為主體、以統(tǒng)一教學目標為基礎、以挖掘思政元素為核心、以教學方法為支撐、以教師引導為關鍵。

“高等數(shù)學”課程從頂層設計出發(fā)，修訂課程教學目標和教案，將價值引領融入線上教學和線下教學中。利用AI技術，從教學內(nèi)容本身、數(shù)學發(fā)展史和科學家的故事、當前時事、工匠精神、應用案例等多個維度出發(fā)，挖掘“高等數(shù)學”課程中的思政元素，創(chuàng)建課程思政案例庫。在案例庫的基礎上，充分利用各種AI工具實現(xiàn)文生圖、音頻歌曲創(chuàng)作、視頻生成等形象化思政資源，幫助增強課程思政的趣味性，激發(fā)學生的積極性。比如在“極限的概念”這節(jié)中，將劉徽的“割圓術”用動畫演示出來，并通過有言等AI平臺制作劉徽的3D數(shù)字人，并設計對話，更直觀地幫助學生了解劉徽的生平事跡和科學精神，培養(yǎng)學生的文化自信和追求真理、勇于探索的科學精神。

結語

隨著“AI+教育”的蓬勃發(fā)展和日益普及，教師作為學生學習路上的引路者，正面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。面對時代的浪潮，我們必須勇于自我革新，以開放的心態(tài)、進取的精神，積極追求自我提升和教學創(chuàng)新，不斷提升教學的質(zhì)量，助力學生全面發(fā)展，為“AI+教育”的發(fā)展貢獻力量。

參考文獻：

［1］新華社.中共中央、國務院印發(fā)《中國教育現(xiàn)代化2035》［EB/OL］（20190223）．https：//www.gov.cn/zhengce/201902/23/content_5367987.htm.

［2］教育部高等教育司.關于公布首批“人工智能+高等教育”應用場景典型案例的通知［EB/OL］（20240412）．https：//hudong.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/202404/t20240417_1126075.html.

［3］劉盈，張鏢，王麗麗，等.基于翻轉(zhuǎn)課堂PBL的混合式“金課”教學：以“藥物分析”為例［J］.化學教育：中英文，2020，41（20）：9297.

［4］加快建設教育強國為中華民族偉大復興提供有力支撐［N］.人民日報，20230530（01）.

［5］蔣新成，莫豪慶，湯翠翠.AI技術賦能體育課堂教學評價的內(nèi)容與思考［J］.教學與管理，2024（23）：4244.

［6］李德鑫，杜湘瑜，余安喜，等.“電子技術基礎”線上線下混合式信息化教學設計［J］.工業(yè)和信息化教育，2023（2）：5357.

［7］裴藝麗，張師平，陳森，等.數(shù)字化教育背景下大學物理實驗MOOC教學模式探索與實踐［J］.物理與工程，2024，34（2）：136145.

作者簡介：何川美（1991— ），女，漢族，山東德州人，碩士研究生，講師，研究方向：數(shù)學教育研究。