AI賦能：“高等數(shù)學(xué)”課程的智能化教學(xué)革新探索

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

關(guān)鍵詞：人工智能；高等數(shù)學(xué)；教學(xué)革新

“高等數(shù)學(xué)”課程具有高度的抽象性、嚴(yán)密的邏輯性和廣泛的應(yīng)用性，是理工科學(xué)生必學(xué)的一門重要的基礎(chǔ)課程，對培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、科學(xué)素養(yǎng)及解決復(fù)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(qiáng)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(yīng)制定相應(yīng)的政策，推動人工智能與教育、教學(xué)和學(xué)習(xí)系統(tǒng)性融合。這意味著要將人工智能技術(shù)融入教育的各個(gè)環(huán)節(jié)中，包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評價(jià)等，以實(shí)現(xiàn)教育的智能化和個(gè)性化。2024年4月，教育部公布首批18個(gè)“人工智能+高等教育”應(yīng)用場景典型案例，旨在深入貫徹落實(shí)國家關(guān)于開展“AI+”行動的戰(zhàn)略部署，積極推動高等教育與AI技術(shù)的融合發(fā)展，利用AI技術(shù)支撐人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新、教學(xué)方法的改革、教育治理能力的提升。這為我們運(yùn)用人工智能開展教育教學(xué)改革指明了方向，并提供了切實(shí)可行的案例指導(dǎo)。在此背景下，我們依托智慧平臺，利用AI賦能對“高等數(shù)學(xué)”課程進(jìn)行教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的個(gè)性化、精準(zhǔn)化與智能化。

1 AI時(shí)代“高等數(shù)學(xué)”課程教學(xué)存在的問題

在當(dāng)前人工智能發(fā)展背景下，各領(lǐng)域都朝著AI化的方向邁進(jìn)。作為各應(yīng)用領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)學(xué)科，高等數(shù)學(xué)應(yīng)當(dāng)順應(yīng)這一時(shí)代趨勢，積極融合人工智能技術(shù)，不斷更新其教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，以適應(yīng)新時(shí)代的需求與挑戰(zhàn)。然而，我們發(fā)現(xiàn)“高等數(shù)學(xué)”課程在改革過程中面臨許多問題。

1.1 師資力量建設(shè)跟不上時(shí)代發(fā)展

目前“高等數(shù)學(xué)”課程的不少教師的教學(xué)理念滯后，對于AI技術(shù)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(xué)的興趣不大，依然傾向于堅(jiān)守傳統(tǒng)的教學(xué)模式。另外，對于高等數(shù)學(xué)教師而言，雖然他們在數(shù)學(xué)領(lǐng)域有著深厚的專業(yè)知識，但對于AI技術(shù)的了解卻不多。由于缺乏AI相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)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(xué)，因此在應(yīng)用AI于教學(xué)時(shí)可能會面臨一定的挑戰(zhàn)。

1.2 現(xiàn)有的教學(xué)模式單一

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

1.3 教學(xué)資源碎片化

近年來，隨著信息化教學(xué)手段的進(jìn)步，許多學(xué)校和各類課程都對混合式教學(xué)進(jìn)行了一定的研究和實(shí)踐，并在教學(xué)中取得一定的成果。但是線上線下混合式教學(xué)模式下，學(xué)生接收的教學(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)難以將各個(gè)獨(dú)立的知識點(diǎn)有機(jī)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(xué)習(xí)效果。

2 “高等數(shù)學(xué)”課程的智能化教學(xué)革新策略

2.1 加強(qiáng)教師培訓(xùn)

聯(lián)合國教科文組織在2024數(shù)字學(xué)習(xí)周期間發(fā)布了《教師人工智能能力框架》，從五個(gè)方面詳細(xì)闡述了教師需要具備的十五項(xiàng)能力。這五個(gè)方面包括：“以人為本”觀念、人工智能倫理、人工智能基礎(chǔ)與應(yīng)用、人工智能與教學(xué)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(xué)校提供切實(shí)可行的參考和指導(dǎo)，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(jī)意識。為了跟上時(shí)代的步伐，課程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)成員的AI技能相關(guān)培訓(xùn)，幫助教師們樹立人機(jī)協(xié)作的教學(xué)理念，學(xué)習(xí)并掌握AI協(xié)同的技術(shù)工具，會運(yùn)用多源數(shù)據(jù)分析和適應(yīng)性學(xué)習(xí)系統(tǒng)的反饋。另外，我們也應(yīng)堅(jiān)守技術(shù)服務(wù)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(dān)憂而拒絕AI融入教學(xué)。我們要成為AI賦能教育教學(xué)的建設(shè)者和把關(guān)人，有效整合AI技術(shù)，推進(jìn)“高等數(shù)學(xué)”課程的革新與發(fā)展。

2.2 智能化建設(shè)知識圖譜

“高等數(shù)學(xué)”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(diǎn)相互聯(lián)系、相互依存。在混合式教學(xué)模式下，碎片化的教學(xué)資源之間缺乏有效的整合與銜接，因此，建設(shè)“高等數(shù)學(xué)”課程的知識圖譜顯得尤為重要。我們根據(jù)“高等數(shù)學(xué)”課程的教學(xué)目標(biāo)，將課程中的所有知識點(diǎn)列出，分析各知識點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，利用智慧平臺中AI技術(shù)構(gòu)建知識圖譜，將各個(gè)知識點(diǎn)有機(jī)地串聯(lián)起來，將各個(gè)知識點(diǎn)的教學(xué)資源插入其中，形成一個(gè)完整的知識體系，從而克服混合式教學(xué)所帶來的空間、知識的二元割裂感。在知識圖譜的輔助下，學(xué)生不僅可以更系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，還能更直觀地理解和掌握“高等數(shù)學(xué)”各知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，提升學(xué)習(xí)效果。另外，知識圖譜中的AI系統(tǒng)還能針對每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，提供不同的學(xué)習(xí)路徑，滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，提高學(xué)習(xí)效率。

2.3 構(gòu)建基于智慧教學(xué)平臺的“雙線四化”混合教學(xué)模式

為了深化教學(xué)改革、提升教學(xué)質(zhì)量，我們團(tuán)隊(duì)充分利用了智慧教學(xué)平臺的優(yōu)勢，將線上資源與線下課堂緊密融合，構(gòu)建了一個(gè)線上教學(xué)個(gè)性化、線下教學(xué)精準(zhǔn)化、教學(xué)評價(jià)多元化以及課程思政體系化的“雙線四化”混合式教學(xué)模式。在這種模式下，線上課前預(yù)習(xí)、線下課中深學(xué)、課后鞏固拓展有機(jī)融合，學(xué)生通過線上平臺完成預(yù)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，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(jìn)一步鞏固和拓展所學(xué)知識。智慧教學(xué)平臺的使用實(shí)現(xiàn)了課程線上線下的優(yōu)勢互補(bǔ)，為學(xué)生提供了更加豐富、靈活和個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2.3.1 線上教學(xué)個(gè)性化

基于學(xué)生的學(xué)情分析，我們將學(xué)生劃分為基礎(chǔ)組、進(jìn)階組和探索組三個(gè)小組。根據(jù)三個(gè)小組的知識水平和學(xué)習(xí)興趣，教師在智慧平臺上個(gè)性化推送知識圖譜中的知識點(diǎn)預(yù)習(xí)任務(wù)單，要求學(xué)生按時(shí)完成任務(wù)并提交配套的檢測題，以檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果。在預(yù)習(xí)任務(wù)單中明確課前學(xué)習(xí)目標(biāo)，幫助學(xué)生明晰學(xué)習(xí)任務(wù)，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)效率。學(xué)生在智慧教學(xué)平臺上通過任務(wù)單自學(xué)知識點(diǎn)內(nèi)容，并完成自測。AI可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況合理且有針對性地推薦學(xué)習(xí)路徑，學(xué)有余力的學(xué)生可以根據(jù)AI的智能推薦路徑進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，教師通過智慧教學(xué)平臺實(shí)時(shí)收集學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，能夠迅速掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)和薄弱點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，教師可以進(jìn)行針對性的線下教學(xué)調(diào)整，優(yōu)化教學(xué)策略，確保課堂教學(xué)更加精準(zhǔn)高效。

圖1 線上個(gè)性化教學(xué)圖示

2.3.2 線下教學(xué)精準(zhǔn)化

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

圖2 線下精準(zhǔn)化教學(xué)圖示

2.3.3 教學(xué)評價(jià)多元化

為了科學(xué)、全面地對教學(xué)效果進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，“高等數(shù)學(xué)”課程將教學(xué)評價(jià)貫穿教學(xué)全過程，形成了基于智慧教學(xué)平臺的形成性評價(jià)和終結(jié)性評價(jià)相結(jié)合的多元化教學(xué)評價(jià)，如下表所示。

“高等數(shù)學(xué)”課程的教學(xué)評價(jià)包括形成性評價(jià)和終結(jié)性評價(jià)。終結(jié)性評價(jià)占總成績的70%，主要通過期末考試成績來反映學(xué)生對高等數(shù)學(xué)知識的掌握情況。形成性評價(jià)占總成績的30%，由線上和線下兩部分構(gòu)成。線上評價(jià)包括課前測試、任務(wù)完成情況和課后作業(yè)等；線下評價(jià)包括課堂表現(xiàn)和小組討論等。智慧教學(xué)平臺通過AI技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，扮演教師的角色，幫助學(xué)生認(rèn)識不足，針對學(xué)生的問題進(jìn)行鼓勵(lì)和引導(dǎo)，并推薦有效的學(xué)習(xí)路徑。學(xué)生也能隨時(shí)通過平臺查看自己的學(xué)習(xí)進(jìn)展，提升學(xué)習(xí)動力。同時(shí)，AI技術(shù)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(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和詳細(xì)報(bào)告，從而有更多的時(shí)間和精力去關(guān)注學(xué)生的個(gè)性化需求和教學(xué)方法的改進(jìn)。

2.3.4 課程思政體系化

“高等數(shù)學(xué)”課程思政堅(jiān)持以立德樹人為根本任務(wù)、科學(xué)精神為核心導(dǎo)向、實(shí)際應(yīng)用為切入點(diǎn)引導(dǎo)，全面育人為最終目標(biāo)，將思政教育有機(jī)融入線上線下教學(xué)各環(huán)節(jié)，形成了“四突出、五位一體”的課程思政體系。“四突出”即突出數(shù)學(xué)特性、突出應(yīng)用特點(diǎn)、突出軍人特質(zhì)、突出航天特色。“五位一體”即以學(xué)生為主體、以統(tǒng)一教學(xué)目標(biāo)為基礎(chǔ)、以挖掘思政元素為核心、以教學(xué)方法為支撐、以教師引導(dǎo)為關(guān)鍵。

“高等數(shù)學(xué)”課程從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，修訂課程教學(xué)目標(biāo)和教案，將價(jià)值引領(lǐng)融入線上教學(xué)和線下教學(xué)中。利用AI技術(shù)，從教學(xué)內(nèi)容本身、數(shù)學(xué)發(fā)展史和科學(xué)家的故事、當(dāng)前時(shí)事、工匠精神、應(yīng)用案例等多個(gè)維度出發(fā)，挖掘“高等數(shù)學(xué)”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(chǔ)上，充分利用各種AI工具實(shí)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(qiáng)課程思政的趣味性，激發(fā)學(xué)生的積極性。比如在“極限的概念”這節(jié)中，將劉徽的“割圓術(shù)”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(shè)計(jì)對話，更直觀地幫助學(xué)生了解劉徽的生平事跡和科學(xué)精神，培養(yǎng)學(xué)生的文化自信和追求真理、勇于探索的科學(xué)精神。

結(jié)語

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

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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(xué)教育研究。