高等數學助力人工智能專業學生核心素養培養的路徑研究

摘 要：通過研究高等數學助力人工智能專業學生核心素養培養路徑，分析實施過程中面臨的缺陷與難題，從而形成行之有效的培養路徑，提高核心素養培養效果，并將核心素養培養劃分為兩個層面，即基礎理論層面與校企合作實踐層面，對學生的核心素養展開全面分析，使學生在高等數學的助力下、“課程思政”的教育下、校企合作的指導下，養成正確的價值觀念，促進學生全面發展，實現立德樹人的教育要求。

關鍵詞：人工智能;核心素養;培養路徑;課程思政

前言

人工智能逐漸成為全球布局的重要產業，人工智能企業的不斷增加，人才需求也在不斷擴大。如何培養高質量的人工智能人才是適應時代和智能產業發展的重要課題。數學雖然是門基礎課，但是對于人工智能專業來說卻尤為重要，利用數學理論知識對計算機人工智能科技化加以延伸，實現數學與人工智能的結合。所以作為人工智能專業的基礎課老師，我們應該適應發展的新趨勢，調整教學方法和設計以助力新的專業發展。

1、對接企業，整合教學內容，培養計算思維和模型構建能力

首先對企業進行了調研，向他們了解人工智能將來的工作崗位需要哪部分高等數學知識，然后對必要的知識進行簡化整合，既要考慮課時的安排還要考慮到知識內容的涵蓋。根據企業需求調研將高等數學課程分為兩個大的模塊：基礎高等數學（微積分）和應用高等數學（線性代數部分、概率統計和最優化的線性規劃），這些課程與人工智能專業無縫對接。

從企業調研中了解到，人工智能專業的工程師在解決問題時有特定的思考流程，面對一個大項目，首先將項目拆解成許多的小項目（拆解項目），接著找出項目間的關聯性或規律性（模式識別），然后忽略部分不重要的條件，將項目簡化（建立模型），針對建立的模型提供解決方案（算法實現），對采取的算法不斷改進達到最優的效果（評估優化），最后也可以對現有的模型進行舉一反三，進行遷移學習，把它運用到其它同類問題中（泛化應用）。

這個過程完全和我們數學所講究的解決問題的過程類似，于是我們在數學課的授課過程中也按照這種思路進行，在解決實際問題的過程中加入人工智能基礎軟件（python、excel數據處理等）培養學生的計算思維、建模和算法實現的專業技能，讓學生們具備人工智能工程師的思維方式。比方，我們在講定積分的應用時，我們可以先引入一個實際問題，比方要求一個曲邊梯形面積的時候，我們可以把這個面積拆分成小的面積（拆解項目），總面積是各個分割的和（模式識別），忽略掉不規則部分，以矩形代替（模型建立），矩形求和（算法實現），求極限是最終的最優結果（評估優化），這個求曲邊梯形的面積的方法，可以推廣到求曲線弧長、力做功等（泛化應用）。

2、實施“課程思政”三位一體教學，培養德育素養

對現有的授課單元進行重新設計，加入課程思政的切入點，每個單元進行發掘，讓學生們在學好專業知識的同時，提升德育素養，人工智能工程師需要具備的團隊合作、思維嚴謹、用勇于創新的科學家精神等。

（1）通過數學歷史、數學家等文化背景的介紹，激發學生的探索科學的精神和愛國情懷。比方在講《線性代數》時，矩陣的乘以及矩陣的逆運算時，我們可以引出密碼學家王小云的故事，她用十年時間破解了兩大國際密碼，為保護國家信息系統安全發揮了極大作用。然后也可以讓學生用我們學的知識簡單對一句話進行加密，體會加密的思想。

（2）融入日常生活中的現象，激發學生更好地理解比較生澀的定義和公式，從而更好地應用。比方說我們在講連續的定義表達式

表達式可以理解為我們自然想像中的植物生長，溫度變化。也可以結合寓言故事“拔苗助長”的故事來說明，事物發展都有自身的規律，要遵循本質，不能急于求成。就和學習一樣講究的是持之以恒的連續性，不能三天打魚兩天曬網。

3、借助數學軟件，幫助學生提高數學運算能力

在學習和將來的專業研究中，肯定不會局限于之前的動筆計算結果。我們更應該借助計算機實現快速準確的運算。而人工智能專業的學生在高等數學這學期就開始開設python這門課。所以我們在設計教學內容的時候，可以著重介紹一下python的Numpy包的強大科學運算功能，并且這門語言比之前的數學軟件MATLAB更具有免費、開源和靈活等特點。因為學生已經具備python這門課的基礎，我們只需要告訴學生實現函數表達、求極限、求導等知識的程序代碼格式即可。然后布置小的單元作業，學生可以在晚自習的實踐時間到機房上實現。

4、借助網絡平臺，開展第二課堂，拓展學生能力

在數學教學過程中，采取靈活多樣的教學方法，借助信息化教學手段展示思政元素。利用“遇見數學、數苑”等微信公眾號、智慧樹、慕課這些平臺以及教學課件，推送一些與教學內容相關的數學史、數學家、數學思想等數學背景知識，開展對學生的思政教育。豐富的背景知識可以讓學生感受到數學的美妙和數學家勤奮探索的科研精神，讓學生認識到數學對科學的推動作用。用數學家嚴謹踏實的鉆研學習精神來激勵學生樹立嚴謹的科學觀，腳踏實地，珍惜求學的好時光，迎難而上，學知識，長本領，將來做對社會、對國家有用的人才。同時通過這種方式激發學習興趣，加強學生的創新能力和職業素養，有效的把“課上”與“課下”聯系起來。另一方面，結合社團活動，讓學習基礎比較好的同學多參加一下社會活動，比方做一些社會問題的調研報告，利用他們學的專業課python進行數據采集和抓取，然后根據數據完成相應的報告。

總結

高等數學與人工智能專業的緊密結合，讓學生們更深刻的體會到數學與人工智能的本質聯系，校企合作的人工智能專業發展將幫助我們的基礎課程實現突破性的改革，而我們課程的全面改革也必將會助力于人工智能的進一步發展。教學改革所達到的全方位育人效果，也必將受益于我們的學生。

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作者簡介：

劉浩 （1981年-），女，漢，威海文登區，青島職業技術學院，講師，研究生，應用數學

基金項目：2021年山東省職業教育研究項目21SVE132：”高等數學助力人工智能專業核心素養培養的路徑研究”