人工智能在分層進階教學中的應用

戴存禮 趙艷艷 吳威

摘?要：大學物理教學中為實現“知識”“素養”和“能力”有機結合的三全育人目標，提出了基礎層、評價層、拓展層、研究層分層進階、線上線下相結合的教學模式，將人工智能廣泛應用到該教學模式中，為學生提供個性化的學習體驗、快速獲取各種資源、開展虛擬實驗和模擬、自然語言處理等多方面的幫助；為教師提供豐富的教學資源、個性化的教學方案、多種課堂互動工具、智能評測和全面的教學反饋。通過應用人工智能技術，更好地促進教育的發展和進步。

關鍵詞：分層進階；人工智能；應用

中圖分類號：G420??文獻標識碼：A

1?概述

人工智能（Artificial?Intelligence，簡稱AI）是計算機能夠實現人類智能的行為和思維能力，從而使其表現出智能化的特征和行為的計算機科學技術。人工智能涵蓋了許多領域，包括計算機視覺、自然語言處理、機器學習、數據挖掘、智能控制和機器人等。人工智能的應用逐漸滲透到教育、醫療、交通、金融等各個領域。2022年11月ChatGPT的發布便在網上引起了廣泛關注，人們首先關注的是那些會被人工智能所替代的職業，其中就包括教師。如果人工智能取代教師，那大部分職業可能都將被取代，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整心態，不能將人工智能視為對手，而是應讓人工智能成為教學中的助手［1］、幫手［2］和能手［34］。分層進階教學模式是教育領域中的一種重要教學方法［57］，其核心思想是學生自主選擇評價層、拓展層和研究層三個層次，從而實現知識傳授、價值塑造和能力培養有機結合的三全育人目標，而人工智能的應用，可以為分層進階教學提供更加全面、精準和個性化的教學支持。本文將探討人工智能在分層進階教學中的應用，旨在為各類教學研究提供參考。

2?分層進階教學模式

傳統教學在授課內容及目標上沒有層次性區分，對所有學生統一授課，沒有考慮到學生物理興趣和學習難度上的差異，同時教學內容陳舊、知識更新較慢、學生學習任務挑戰不足、價值取向不明、目標單一、考核評價不夠全面。為了克服上述問題，我們對物理教學進行了個性化分層改革，實施基礎層、評價層、拓展層、研究層逐層進階，線上線下相結合的教學模式，其中線上課堂主要在學習通完成。該模式基礎層、評價層、拓展層、研究層逐層進階，有一定的高階性。學習任務也由學習、評價逐漸升級為拓展和研究，任務挑戰不斷升級，具有一定的挑戰性。課堂活動豐富、完全以學生為中心，考核方式也比較全面，實現了多維創新。同時因為拓展層和研究層的結果最終都會線上或線下展示，既解決了教學內容單一、知識更新較慢、不能與時俱進的問題，又解決了傳統課堂都是教師一枝獨秀的問題，真正實現百花齊放，構建師生相互學習、相互幫助、共同進步的師生學習共同體。分層進階教學模式相較于傳統課堂更能激發學生的學習興趣和求知欲，促進學生知識、能力、素質協調發展，當然對教師和學生也提出了更高的要求，而人工智能的應用則能為教師和學生提供全方位的支持和幫助，提高教學效率、優化教學設計、提升教學質量。

3?人工智能在分層進階教學中的應用

3.1?學生

3.1.1?基礎層

在大學物理分層教學中，基礎層的主要任務是學習課本知識，在此過程中，人工智能可以為學生提供許多有益的幫助和支持，從而更好地掌握知識和技能，主要包括：

（1）自適應學習：根據學生的學習狀態和能力，人工智能可以更具個性化地調整難度和提供相應的教學資源，從而更好地支持每位學生的學習。如通過學習通在線課程，學生可以根據自身需要觀看相應的知識點視頻，通過題庫自動出題完成自主測試，還可以根據學生的學習情況，自動調整評估難度和方式，以便更準確地衡量他們的學習進度和水平，提供物理知識的知識圖譜，幫助他們更好地理解知識點之間的聯系和邏輯關系，從而更深入地學習物理知識。

（2）交互式學習：人工智能可以與學生進行實時交互，根據學生的問題和需求，提供相應的解答和建議，幫助學生更好地理解和掌握課本知識。如學習通可以提供基于互聯網的互動課堂，在線實時互動，讓學生可以與教師和同學進行互動交流，討論物理知識和問題，提高學生的學習興趣和積極性。

（3）可視化呈現：人工智能可以將抽象的物理概念、公式和實驗過程等可視化呈現，使學生更加直觀地理解和記憶。如虛擬現實技術，可以將抽象的物理概念、公式和實驗過程等可視化呈現，使學生更加直觀地理解和記憶。例如，在學習電磁學時，學生可以通過虛擬現實技術，親身體驗電場和磁場的交互作用，讓學生在其中移動電荷和磁荷，觀察它們的運動軌跡和相互作用。通過虛擬現實技術，學生可以更加直觀地感受電場、磁場和電流之間的關系，加深對相關物理概念和公式的理解。

（4）智能評估和反饋：人工智能可以自動評估學生的學習成果和表現，并及時給予反饋和建議，幫助學生糾正錯誤和提高學習效果。例如，在學生做練習題時，自動評估學生的答題情況，及時給予反饋和建議，幫助學生糾正錯誤和提高學習效果，還可以根據學生的學習狀態和分析結果，向學生推薦個性化的學習資源，例如視頻講解、練習題、知識點解析等。通過人工智能，學生可以更加有針對性地進行學習，提高學習效率和效果。

（5）模擬實驗：人工智能可以模擬各種物理實驗，讓學生在虛擬環境中進行實驗，從而更好地理解和掌握物理原理和實驗技巧。如虛擬實驗室或仿真實驗系統，可以用來模擬各種物理實驗，讓學生在虛擬環境中進行實驗，從而更好地理解和掌握物理原理和實驗技巧。

對于基礎層，人工智能相當于學生的全能私人家教，學習過程中可以一對一輔導，在人工智能的輔助下，學習過程將更加個性化、智能化和可視化，學習效果也將得到大幅度提升。

3.1.2?評價層

評價層需要逐一評價拓展層和研究層線上、線下展示的內容，在此過程中，因為需要評價的所有視頻或文檔都通過學習通在線課程展示，而學習通作為在線學習平臺，通過人工智能技術，可以為學生提供個性化推薦，幫助學生更快地找到自己想要評價的內容，提高評價效率。在評價拓展層和研究層線上、線下展示的內容時，學習通可以提供實時互動評價，讓學生之間或師生之間可以在線進行討論和交流，提高評價的準確性和有效性。

3.1.3?拓展層

拓展層需要根據自己的興趣愛好選擇一個跟物理相關的拓展主題，最后制作成PPT線下展示或視頻線上展示，除基礎層的應用外，在知識拓展過程中學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生更快速地獲取和管理學習資源。例如，利用人工智能搜索引擎百度學術等，通過輸入關鍵詞，快速獲取與其選定主題相關的文獻、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：人工智能幫助學生快速制作PPT，還能讓學生享受到全新的編輯體驗。利用文本編輯器Word輸入與選定主題相關的文字內容，包括標題、正文、圖表等，然后利用諸如GPT3等將輸入的文字內容自動轉換為PPT幻燈片，也可以對自動生成的PPT進行進一步編輯和調整，包括修改字體、顏色、布局等。利用最新的人工智能技術，快速制作PPT，享受全新的編輯體驗，提高知識拓展的質量和效率。

（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，為知識拓展的展示和分享提供更加豐富和生動的方式。

3.1.4?研究層

研究層需要自主組隊、自選課題開展課題研究，并將最終結果制作成PPT線下展示或視頻線上展示，研究層首先要達到拓展層的要求，所以人工智能在拓展層中的所有應用也同樣可以應用于研究層，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，幫助學生更好地進行物理課題研究。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據挖掘和機器學習技術，對實驗數據進行分析和處理，提取其中的關鍵特征和規律，幫助學生更好地理解和解釋種子磁化的物理機制。種子磁化的研究需要對微小結構和形貌進行觀察和分析，人工智能可以利用圖像識別和計算機視覺技術，對顯微圖像進行分析和處理，提取其中的信息和特征，幫助學生更好地理解和解釋種子磁化的微觀結構和行為。人工智能可以提供智能輔助工具，如智能實驗設計、智能數據分析、智能模擬計算等，幫助學生更好地進行實驗和分析，提高研究效率和準確度。

3.2?教師

在大學物理分層教學過程中，人工智能可以為教師提供豐富的教學資源、個性化的教學方案、高效的課堂互動、智能評測和反饋及數據分析等多方面的幫助。

（1）教學資源：人工智能可以為教師提供豐富的教學資源，例如教學視頻、課件、練習題和實驗等，幫助教師更好地備課和講授。如學習通可以為教師提供大量的教學資源、教學設計工具，幫助教師制訂教學計劃、課程安排、教學目標等，同時根據學生的學習情況，提供個性化的教學建議和反饋。

（2）自適應教學：人工智能可以根據學生的學習歷史和興趣，為教師提供個性化的教學方案。如學習通可以收集學生的學習歷史、興趣愛好和學習行為等數據，包括學習時長、學習進度、課程評分等。這些數據可以通過學習通的學習記錄功能、問卷調查和用戶行為分析等方式進行收集。根據學生的個性化信息和推薦結果，為教師提供個性化的教學方案，包括課程設計、課程評估、學習活動等。教師可以根據學生的個性化需求，調整教學內容和方法，提高教學效果和學生參與度。為學生提供學習反饋，包括學習成果、學習建議和學習計劃等。教師可以根據反饋結果，調整學習策略和方法，提高學習效果和成果。

（3）課堂互動：在分層進階教學中，為了引導學生積極參與課堂，主動思考，培養學生自己的思維鏈，開展了豐富的課堂活動，如課堂游戲、主題討論、滾雪球、問答之星、小組討論等激發學生的學習興趣，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，在課堂上需要學生思考的開放性問題在學習通發布主題討論，讓所有學生參與互動，教師通過智慧課堂實時展示每位學生的發言，最后還可以生成詞云圖，從而掌握學生對該問題的思考方向和深度。而對于能夠定量或定性描述的問題則可以以隨堂練習的形式實時發布，學生提交后即刻統計結果，幫助教師及時掌握學生對所學知識點的掌握情況。同時還能夠在學習通討論里開展按搶答順序依次接龍的滾雪球、對所學知識進行學生間相互解答的問答之星、拓展層和研究層點贊與評價等多種活動，提高課堂的活躍度、互動性和參與度。

（4）評估與反饋：人工智能可以為教師提供智能評測和反饋系統。例如，利用學習通智能評測系統，可以自動批閱大部分作業、考試，同時能夠統計詳情，通過統計詳情教師可以快速對學生的學習成果進行評估和反饋，幫助學生更好地掌握所學知識。同時分層進階教學更注重過程性評價，而人工智能可以根據具體需求按比例設置作業、考試、課程積分、簽到、音視頻、章節測驗、討論、分組任務、章節學習次數、學習時長等所占的權重，一鍵生成平時成績，對于不能達到正常要求的學生還能開啟教學預警，及時糾正學生的學習偏差。

（5）數據分析：人工智能可以幫助教師分析學生的學習數據和行為。例如學習通可以提供學習進度、任務點完成詳情、課堂活動參與率、課程積分、學習習慣和錯誤率等，為教師提供更加全面的教學反饋和支持。

結語

基礎層、評價層、拓展層和研究層逐層進階，線上線下相結合的教學模式能夠極大地提高學生學習的積極性和參與性，充分發揮學生的主體作用，在培養學生能力的同時豐富課堂教學。而人工智能通過分析學生的學習行為、興趣愛好、知識水平等個性化信息，為每個學生量身定制學習計劃，從而實現個性化教學。通過自動化評估學生的學習成果，為學生提供即時反饋和個性化建議，從而幫助學生更好地掌握知識。通過交互式學習方式，提高學生的學習興趣和參與度，從而增強學生的學習效果。通過精準的知識圖譜、智能推薦系統等輔助教學工具，幫助教師更好地指導學生，優化教學效果。總之，人工智能在分層進階教學中的應用，可以更好地滿足學生的個性化需求，提高學習效果，有效激發學生的學習興趣和求知欲，促進學生知識、能力、素質協調發展。

參考文獻：

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［6］張詩按，吳平頤，鄧莉，等.“七維一體”進階式理論—實驗混合式教學設計——以“大學物理與實驗課程”為例［J］.物理與工程，2022，32（06）：5765.

［7］盧榮德，程福臻.分層進階探究題在“電磁學”教學中診斷功能及其應用［J］.大學物理，2017，36（04）：6165.

基金項目：2023年教指委（華東地區）高等學校教學研究項目（項目編號：2023JZWHD02）；南京農業大學理學院教改專項資金資助（項目編號：2022YJGZ01）；南京農業大學第四批“課程思政”示范課程（項目編號：KCSZ202326）資助的課題

作者簡介：戴存禮（1979—?），女，漢族，山東青海人，博士，副教授，研究方向為教學論、生物物理。