人工智能在分层进阶教学中的应用

戴存礼 赵艳艳 吴威

摘 要：大学物理教学中为实现“知识”“素养”和“能力”有机结合的三全育人目标，提出了基础层、评价层、拓展层、研究层分层进阶、线上线下相结合的教学模式，将人工智能广泛应用到该教学模式中，为学生提供个性化的学习体验、快速获取各种资源、开展虚拟实验和模拟、自然语言处理等多方面的帮助；为教师提供丰富的教学资源、个性化的教学方案、多种课堂互动工具、智能评测和全面的教学反馈。通过应用人工智能技术，更好地促进教育的发展和进步。

关键词：分层进阶；人工智能；应用

中图分类号：G420  文献标识码：A

1 概述

人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是计算机能够实现人类智能的行为和思维能力，从而使其表现出智能化的特征和行为的计算机科学技术。人工智能涵盖了许多领域，包括计算机视觉、自然语言处理、机器学习、数据挖掘、智能控制和机器人等。人工智能的应用逐渐渗透到教育、医疗、交通、金融等各个领域。2022年11月ChatGPT的发布便在网上引起了广泛关注，人们首先关注的是那些会被人工智能所替代的职业，其中就包括教师。如果人工智能取代教师，那大部分职业可能都将被取代，但无论最终能否被取代，作为教师，目前我们首先要做的就是调整心态，不能将人工智能视为对手，而是应让人工智能成为教学中的助手［1］、帮手［2］和能手［34］。分层进阶教学模式是教育领域中的一种重要教学方法［57］，其核心思想是学生自主选择评价层、拓展层和研究层三个层次，从而实现知识传授、价值塑造和能力培养有机结合的三全育人目标，而人工智能的应用，可以为分层进阶教学提供更加全面、精准和个性化的教学支持。本文将探讨人工智能在分层进阶教学中的应用，旨在为各类教学研究提供参考。

2 分层进阶教学模式

传统教学在授课内容及目标上没有层次性区分，对所有学生统一授课，没有考虑到学生物理兴趣和学习难度上的差异，同时教学内容陈旧、知识更新较慢、学生学习任务挑战不足、价值取向不明、目标单一、考核评价不够全面。为了克服上述问题，我们对物理教学进行了个性化分层改革，实施基础层、评价层、拓展层、研究层逐层进阶，线上线下相结合的教学模式，其中线上课堂主要在学习通完成。该模式基础层、评价层、拓展层、研究层逐层进阶，有一定的高阶性。学习任务也由学习、评价逐渐升级为拓展和研究，任务挑战不断升级，具有一定的挑战性。课堂活动丰富、完全以学生为中心，考核方式也比较全面，实现了多维创新。同时因为拓展层和研究层的结果最终都会线上或线下展示，既解决了教学内容单一、知识更新较慢、不能与时俱进的问题，又解决了传统课堂都是教师一枝独秀的问题，真正实现百花齐放，构建师生相互学习、相互帮助、共同进步的师生学习共同体。分层进阶教学模式相较于传统课堂更能激发学生的学习兴趣和求知欲，促进学生知识、能力、素质协调发展，当然对教师和学生也提出了更高的要求，而人工智能的应用则能为教师和学生提供全方位的支持和帮助，提高教学效率、优化教学设计、提升教学质量。

3 人工智能在分层进阶教学中的应用

3.1 学生

3.1.1 基础层

在大学物理分层教学中，基础层的主要任务是学习课本知识，在此过程中，人工智能可以为学生提供许多有益的帮助和支持，从而更好地掌握知识和技能，主要包括：

（1）自适应学习：根据学生的学习状态和能力，人工智能可以更具个性化地调整难度和提供相应的教学资源，从而更好地支持每位学生的学习。如通过学习通在线课程，学生可以根据自身需要观看相应的知识点视频，通过题库自动出题完成自主测试，还可以根据学生的学习情况，自动调整评估难度和方式，以便更准确地衡量他们的学习进度和水平，提供物理知识的知识图谱，帮助他们更好地理解知识点之间的联系和逻辑关系，从而更深入地学习物理知识。

（2）交互式学习：人工智能可以与学生进行实时交互，根据学生的问题和需求，提供相应的解答和建议，帮助学生更好地理解和掌握课本知识。如学习通可以提供基于互联网的互动课堂，在线实时互动，让学生可以与教师和同学进行互动交流，讨論物理知识和问题，提高学生的学习兴趣和积极性。

（3）可视化呈现：人工智能可以将抽象的物理概念、公式和实验过程等可视化呈现，使学生更加直观地理解和记忆。如虚拟现实技术，可以将抽象的物理概念、公式和实验过程等可视化呈现，使学生更加直观地理解和记忆。例如，在学习电磁学时，学生可以通过虚拟现实技术，亲身体验电场和磁场的交互作用，让学生在其中移动电荷和磁荷，观察它们的运动轨迹和相互作用。通过虚拟现实技术，学生可以更加直观地感受电场、磁场和电流之间的关系，加深对相关物理概念和公式的理解。

（4）智能评估和反馈：人工智能可以自动评估学生的学习成果和表现，并及时给予反馈和建议，帮助学生纠正错误和提高学习效果。例如，在学生做练习题时，自动评估学生的答题情况，及时给予反馈和建议，帮助学生纠正错误和提高学习效果，还可以根据学生的学习状态和分析结果，向学生推荐个性化的学习资源，例如视频讲解、练习题、知识点解析等。通过人工智能，学生可以更加有针对性地进行学习，提高学习效率和效果。

（5）模拟实验：人工智能可以模拟各种物理实验，让学生在虚拟环境中进行实验，从而更好地理解和掌握物理原理和实验技巧。如虚拟实验室或仿真实验系统，可以用来模拟各种物理实验，让学生在虚拟环境中进行实验，从而更好地理解和掌握物理原理和实验技巧。

对于基础层，人工智能相当于学生的全能私人家教，学习过程中可以一对一辅导，在人工智能的辅助下，学习过程将更加个性化、智能化和可视化，学习效果也将得到大幅度提升。

3.1.2 评价层

评价层需要逐一评价拓展层和研究层线上、线下展示的内容，在此过程中，因为需要评价的所有视频或文档都通过学习通在线课程展示，而学习通作为在线学习平台，通过人工智能技术，可以为学生提供个性化推荐，帮助学生更快地找到自己想要评价的内容，提高评价效率。在评价拓展层和研究层线上、线下展示的内容时，学习通可以提供实时互动评价，让学生之间或师生之间可以在线进行讨论和交流，提高评价的准确性和有效性。

3.1.3 拓展层

拓展层需要根据自己的兴趣爱好选择一个跟物理相关的拓展主题，最后制作成PPT线下展示或视频线上展示，除基础层的应用外，在知识拓展过程中学生还可以通过人工智能获得以下帮助：

（1）资源检索和管理：人工智能可以帮助学生更快速地获取和管理学习资源。例如，利用人工智能搜索引擎百度学术等，通过输入关键词，快速获取与其选定主题相关的文献、图像、视频等资源，为PPT或视频制作提供素材支撑。

（2）PPT制作工具：人工智能帮助学生快速制作PPT，还能让学生享受到全新的编辑体验。利用文本编辑器Word输入与选定主题相关的文字内容，包括标题、正文、图表等，然后利用诸如GPT3等将输入的文字内容自动转换为PPT幻灯片，也可以对自动生成的PPT进行进一步编辑和调整，包括修改字体、颜色、布局等。利用最新的人工智能技术，快速制作PPT，享受全新的编辑体验，提高知识拓展的质量和效率。

（3）视频制作工具：人工智能可以提供视频制作工具，帮助学生更好地制作视频。例如，利用智能剪辑工具iMovie或Adobe Premiere Pro等软件，可以快速剪辑和处理视频素材，提高视频制作效率，为知识拓展的展示和分享提供更加丰富和生动的方式。

3.1.4 研究层

研究层需要自主组队、自选课题开展课题研究，并将最终结果制作成PPT线下展示或视频线上展示，研究层首先要达到拓展层的要求，所以人工智能在拓展层中的所有应用也同样可以应用于研究层，除此之外，在课题研究过程中，人工智能可以提供课题研究工具，帮助学生更好地进行物理课题研究。例如，如果选定的研究课题是种子磁化，人工智能可以利用数据挖掘和机器学习技术，对实验数据进行分析和处理，提取其中的关键特征和规律，帮助学生更好地理解和解释种子磁化的物理机制。种子磁化的研究需要对微小结构和形貌进行观察和分析，人工智能可以利用图像识别和计算机视觉技术，对显微图像进行分析和处理，提取其中的信息和特征，帮助学生更好地理解和解释种子磁化的微观结构和行为。人工智能可以提供智能辅助工具，如智能实验设计、智能数据分析、智能模拟计算等，帮助学生更好地进行实验和分析，提高研究效率和准确度。

3.2 教师

在大学物理分层教学过程中，人工智能可以为教师提供丰富的教学资源、个性化的教学方案、高效的课堂互动、智能评测和反馈及数据分析等多方面的帮助。

（1）教学资源：人工智能可以为教师提供丰富的教学资源，例如教学视频、课件、练习题和实验等，帮助教师更好地备课和讲授。如学习通可以为教师提供大量的教学资源、教学设计工具，帮助教师制订教学计划、课程安排、教学目标等，同时根据学生的学习情况，提供个性化的教学建议和反馈。

（2）自适应教学：人工智能可以根据学生的学习历史和兴趣，为教师提供个性化的教学方案。如学习通可以收集学生的学习历史、兴趣爱好和学习行为等数据，包括学习时长、学习进度、课程评分等。这些数据可以通过学习通的学习记录功能、问卷调查和用户行为分析等方式进行收集。根据学生的个性化信息和推荐结果，为教师提供个性化的教学方案，包括课程设计、课程评估、学习活动等。教师可以根据学生的个性化需求，调整教学内容和方法，提高教学效果和学生参与度。为学生提供学习反馈，包括学习成果、学习建议和学习计划等。教师可以根据反馈结果，调整学习策略和方法，提高学习效果和成果。

（3）课堂互动：在分层进阶教学中，为了引导学生积极参与课堂，主动思考，培养学生自己的思维链，开展了丰富的课堂活动，如课堂游戏、主题讨论、滚雪球、问答之星、小组讨论等激发学生的学习兴趣，而人工智能则在这些方面提供很多有力的支撑和帮助。例如交互式讲解，在课堂上需要学生思考的开放性问题在学习通发布主题讨论，让所有学生参与互动，教师通过智慧课堂实时展示每位学生的发言，最后还可以生成词云图，从而掌握学生对该问题的思考方向和深度。而对于能够定量或定性描述的问题则可以以随堂练习的形式实时发布，学生提交后即刻统计结果，帮助教师及时掌握学生对所学知识点的掌握情况。同时还能够在学习通讨论里开展按抢答顺序依次接龙的滚雪球、对所学知识进行学生间相互解答的问答之星、拓展层和研究层点赞与评价等多种活动，提高课堂的活跃度、互动性和参与度。

（4）评估与反馈：人工智能可以为教师提供智能评测和反馈系统。例如，利用学习通智能评测系统，可以自动批阅大部分作业、考试，同时能够统计详情，通过统计详情教师可以快速对学生的学习成果进行评估和反馈，帮助学生更好地掌握所学知识。同时分层进阶教学更注重过程性评价，而人工智能可以根据具体需求按比例设置作业、考试、课程积分、签到、音视频、章节测验、讨论、分组任务、章节学习次数、学习时长等所占的权重，一键生成平时成绩，对于不能达到正常要求的学生还能开启教学预警，及时纠正学生的学习偏差。

（5）数据分析：人工智能可以帮助教师分析学生的学习数据和行为。例如学习通可以提供学习进度、任务点完成详情、课堂活动参与率、课程积分、学习习惯和错误率等，为教师提供更加全面的教学反馈和支持。

结语

基础层、评价层、拓展层和研究层逐层进阶，线上线下相结合的教学模式能够极大地提高学生学习的积极性和参与性，充分发挥学生的主体作用，在培养学生能力的同时丰富课堂教学。而人工智能通过分析學生的学习行为、兴趣爱好、知识水平等个性化信息，为每个学生量身定制学习计划，从而实现个性化教学。通过自动化评估学生的学习成果，为学生提供即时反馈和个性化建议，从而帮助学生更好地掌握知识。通过交互式学习方式，提高学生的学习兴趣和参与度，从而增强学生的学习效果。通过精准的知识图谱、智能推荐系统等辅助教学工具，帮助教师更好地指导学生，优化教学效果。总之，人工智能在分层进阶教学中的应用，可以更好地满足学生的个性化需求，提高学习效果，有效激发学生的学习兴趣和求知欲，促进学生知识、能力、素质协调发展。

参考文献：

［1］浦慧忠.基于互联网+人工智能的个性化学习创新与探索［J］.智能计算机与应用，2018，8（06）：101103+107.

［2］刘丽娟，潘婕.人工智能赋能高校思政课程教学改革研究［J］.成都师范学院学报，2023，39（05）：100107.

［3］张乐飞，罗勇，杜博.机器学习教学改革与人工智能人才培养［J］.中国大学教学，2023（05）：1821.

［4］黄荣怀.人工智能正加速教育变革：现实挑战与应对举措［J］.中国教育学刊，2023（06）：2633.

［5］夏立，李强，黄爱华，等.基于“分层分级”课程体系的个性化人才培养模式研究［J］.高等工程教育研究，2021（04）：118124.

［6］张诗按，吴平颐，邓莉，等.“七维一体”进阶式理论—实验混合式教学设计——以“大学物理与实验课程”为例［J］.物理与工程，2022，32（06）：5765.

［7］卢荣德，程福臻.分层进阶探究题在“电磁学”教学中诊断功能及其应用［J］.大学物理，2017，36（04）：6165.

基金项目：2023年教指委（华东地区）高等学校教学研究项目（项目编号：2023JZWHD02）；南京农业大学理学院教改专项资金资助（项目编号：2022YJGZ01）；南京农业大学第四批“课程思政”示范课程（项目编号：KCSZ202326）资助的课题

作者简介：戴存礼（1979— ），女，汉族，山东青海人，博士，副教授，研究方向为教学论、生物物理。