数智转型背景下智慧教学模式探究——以“计算方法”为例

D O I :10.3969/j
.i s s n .1001-5337.2024.2.120 收稿日期:2023-11-23
基金项目:安徽省高等学校质量工程(2021k c s z s f k c 353);合肥大学本科质量工程(2022h f u j x t d 05,2023h f u j y d 04);合肥大学人才科研基金(20R C 27);贵州省高等学校教学内容和课程体系改革(2023104).
通信作者:闫晓辉,男,1984-,博士,副教授;研究方向:非线性系统控制,智慧教学;E -m a i l :x h y
a n @h f u u .e d u .c n .数智转型背景下智慧教学模式探究
以 计算方法 为例闫晓辉①, 郭双建②, 谢 进①, 赵 娟①, 邵桂伟①, 王丽丽①
(①合肥大学人工智能与大数据学院,230601,安徽省合肥市;②贵州财经大学数学与统计学院,550025,
贵州省贵阳市) 摘要:
结合现代信息化教育技术,以 计算方法 课程为例探究数智转型背景下的有效课堂智慧教学策略,充分利用 云+端 的智慧教学辅助平台,构建 分阶段㊁全过程㊁立体式 的线上线下混合式( 双线 )智慧教学模式.以 曲线拟合的最小二乘法 课题为例,分析智慧教学设计实施过程, 双线 智慧教学贯穿于 课前 课中 课后 ,实现教学决策数据化㊁评价反馈即时化㊁交流互动立体化㊁资源推送智能化.
关键词:智慧教学;线上线下混合式;过程评价;计算方法
中图分类号:G 642.0;O 241 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2024)02-0120-05
0 引 言
中共中央㊁国务院印发‘中国教育现代化
2035
“,明确推进教育现代化的八大基本理念和面向教育现代化的十大战略任务[1
].高等教育的根本任务是培养新时代人才,高等教育质量能够彰显一个国家的发展水平与潜力.以数智化转型推动高等教育的高质量发展是新时代赋予大学的历史机遇,也是大学贯彻国家战略的应有之义.精准教学的教育理念已成为各国共识,智慧教育环境下海量多模态学习数据的生成也使数据驱动的精准教学范式转变
成为可能[2].
因此,随着人工智能㊁新媒体㊁大数据等新时代信息技术的快速发展与应用,势必要打破线上教学与线下教学的壁垒,形成线上线下混合的 双
线 教学新形态[3]
.
传统教学模式将教师与学生形成主客分离的关
系,在授课中学生的差异性被忽视,无法培养学生自主学习能力,不能满足不同层次学生的个性化需
求[4].
随着 数字化+ 的思维方式和大数据㊁云计算等新一代信息技术的发展和应用,传统课堂教学的模式势必要改革,迫切需要用新的视角和方法来加以改变.智慧课堂是以建构主义学习理论为依据,以
数字化+ 的思维方式和大数据㊁云计算等新一代
信息技术打造的智能㊁高效的课堂[5]
,其实质是基于
动态学习数据分析和 云+端 的运用,实现教学决策数据化㊁评价反馈即时化㊁交流互动立体化㊁资源推送智能化,创设有利于协作交流和意义建构的学习环境,通过智慧的教与学,促进学生实现符合个性化成长规律的创新发展.
1 课程建设基础
计算方法 课程主要学习各种数值计算方法的
建立与理论分析,掌握在理论上可靠㊁在计算机上行之有效的常用算法.随着计算机的高速发展与普及,继理论分析㊁科学实验之后,在计算机上用数值计算方法进行科学与工程问题的科学计算已经成为科学研究的又一种手段;求解各种数学问题的数值方法不仅在自然科学中得到广泛应用,而且还渗透到航空航天㊁智能制造㊁生命科学㊁经济科学和社会科学等学科领域.通过本课程的学习,能够使学生掌握数值计算方法的基本理论与方法,提高学生的数学应用意识和能力,为将来深入研究数值计算方法以及运用计算机解决实际问题打下基础.
1.1 课程资源
根据相关专业人才培养方案以及毕业要求观测 第50卷 第2期2024年4月 曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t y
V o l .50 N o .2
A p r .2024
点确定课程目标,整合课程教学模块内容,形成一套完整的教学讲义㊁分章节电子课件(P P T).依托超星学习通㊁雨课堂等智慧教学辅助平台,建设题库㊁作业库㊁试卷库等,实现课程资源共享㊁不同学年课程复制共建.
1.2智慧教学辅助平台
智慧教学辅助平台主要包含数字教学管理平台㊁教学互动平台㊁分布式在线考试平台等功能系统,运用人工智能㊁大数据等新一代信息技术,基于 云+端 教学模式,实现了信息技术与教育教学全面深度融合与创新.搜集或自制课程相关音视频资料,通过微信公众号推送课程小知识,促进自主学习环节对知识点的理解与拓展.
1.3课程思政
将思政教育融入到数学类课程教学过程中,做好全方位的课程思政教育工作,主要体现在借助知识点㊁数学史㊁算法的改进思想等[6],让学生享受理解和应用数学思想和方法的乐趣,提高创新能力,同时将德育与知识教学融为一体,将知识传授与价值引领相结合,使学生养成积极向上的态度,培养学生自学㊁自省㊁自控的能力,助力学生全面发展. 计算方法 课程部分知识点融合思政元素列举见表1.
表1 计算方法 课程知识点融合思政元素列举
知识点课程思政元素思政教育
误差的定性分析蝴蝶效应,积少成疾;明辨㊁笃实的品质;国家安全,信息安全;科学研究的严谨性;坚持不懈的精神;马克思主义矛盾论
避免误差的危害主次分明,分清轻重缓急;懂得取舍
插值法/ L a g r a n g e插值局部反映整体,见微知著,以偏概全;一般规律和特殊现象之间的辩证关系;简单美㊁对称美㊁唯一美
函数逼近重大科技创新的根基是基础学科理论知识, 小方法 有大作为:我国 嫦娥四号 探测器成功实施人类航天器首次着陆月球背面探测; 蛟龙号 载人潜水器已经创造了下潜7062米的中国载人深潜纪录
复合求积公式勇于面对自己的不足,在点点滴滴的积累中不断提升; 孤帆远影碧空尽 :一个误差趋于0的动态意境
数值微分 距离产生美 :人与人之间的相处,保持适当的距离㊁给对方相对独立的空间
数学史/伟人典故/不畏艰辛㊁积极进取㊁终身学习㊁科技强国;秦九韶的
智慧,华罗庚的高尚爱国情怀,欧拉孜孜不倦的钻研精神
注重培养学生的家国情怀㊁使命担当和精益求精的科学
工匠精神:
(1)爱国主义;
(2)马克思主义哲学;
(3)科学工匠精神;
(4)中国传统文化;
(5)世界观㊁人生观㊁价值观;
(6)使命感㊁责任感;
(7)创新精神;
(8)民族自豪感,文化自信
2 A I+ 智慧教学模式构建
借助超星学习通智慧教学平台,探索以智慧课堂为核心的线上线下混合式教学模式,找差异㊁聚亮点,不断更新教辅材料,充分运用各平台优势功能,激发学生学习潜能和兴趣.
2.1 双线 智慧教学模式
在课程教学设计过程中,采用线上线下混合式教学模式,以实际问题驱动课程内容教学,最终服务于解决实际问题.坚持以立德树人为根本㊁以学生发展为中心㊁以能力输出为导向㊁以信息技术为支撑㊁以多元评价为手段的教学理念,对课程教学内容㊁教学手段㊁教学模式㊁教学评价进行全过程创新设计, A I+ 线上线下混合式智慧教学模式架构图如下页图1所示.下面以 曲线拟合的最小二乘法 知识点为例,分析 双线 智慧教学设计实施过程. 2.1.1课前预习
从传统预习方式转变为问题驱动及测评分析,从 先学后教 转变为 以学定教 ,从对课堂的控制转向基于数据的动态分析和教学机制,从而实现智慧课堂教学.
(1)公众号推文.最小二乘法的发现历史及基本原理( 找星星 活动).通过阅读微信公众号所推送关于算法历史的文章,了解本节内容相关的算法历史起源,为本节课程将要学习的最小二乘法提前做好知识储备和心理准备,培养学生的学习兴趣和创新能力.
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第2期闫晓辉,等:数智转型背景下智慧教学模式探究
图1 A I+ 线上线下混合式智慧教学模式架构图
(2)微视频和教学课件.观看本节课程相关M O O C微视频,并预习 曲线拟合的最小二乘法 课程教学P P T,提前了解P P T中所设计案例内容,查阅相关背景资料,自主思考㊁协作讨论本节所要学的知识要点,发现问题㊁提出问题,在本节预习讨论话题中发表个人看法.通过自主预习本节知识点内容和案例应用,有助于在线下课堂教学时学生更快㊁更准的进入教学情景,能够加深对知识和应用的理解,提升课堂教学效果.同时培养学生 凡事预则立 的行为习惯.
2.1.2课中学习
结合课程教学内容特点,采用 双线 教学模式,以实际问题驱动课程内容教学,服务于培养学生综合素质能力.最小二乘曲线拟合教学设计思路如图2所示.
图2最小二乘曲线拟合教学设计结构图
(1)创设情景,引入课题.从实际问题出发进入本节课程内容的学习,学会利用本节课所学曲线拟合的最小二乘法解决身边的实际问题.
案例(洪水期水库蓄洪):某水库上游河段降暴雨,根据测算在t i时刻上游流入水库的流量Q(t i)数据如表1所示,计算在14h和20h上游流入水库的流量.
表1流入水库的流量
t i/h61218
Q/亿m3324576
选取 洪水期水库蓄水 问题作为课题导入案例,能够引导学生思考问题其中的算法原理,激发学生的学习动力㊁好奇心和求知欲.案例将社会热点问题与课堂融为一体,让学生体会到了知识源于生活㊁服务于生活.同时,案例介绍的2020年王家坝开闸蓄洪故事,为学生再现了王家坝精神 舍小家为大家㊁舍局部顾全局 的科学治水精神和中华民族的伟大团结精神.
(2)温故知新,主动探索.本节课要学习的内容是曲线拟合的最小二乘法,是函数逼近的一种有效方法,而已学过的插值法也是函数逼近一种工具,学生已经掌握了插值法的基本思想和几种常用的插值多项式,但插值法在实际应用中也存在一定的局限性(如图3所示).在掌握已有方法的基础上,层层递进,尝试改进创新,寻找更有效的方法,因此,在学习新课之前的知识回顾是非常有必要的,也能培养学生孜孜不倦的创新精神和 温故而知新 的学习行为习惯
.
图3知识点回顾
(3) 双线 融合,新知讲解.通过使用自动评估技术,收集和分析学生的学习数据,了解学生的学习情况㊁学习需求㊁学习进展和需要改进的领域.基于
221曲阜师范大学学报(自然科学版)2024年
学生的评估结果,教师根据学生的个人需求调整课程和教学方法,提供有针对性的支持和反馈.在课堂教学过程中,利用在线协作辅助平台,学生可以分享想法㊁解决问题和互相学习,教师通过智能技术来监控学生的合作学习活动,并提供指导和支持(如上页图4所示).
图4 基于智慧辅助平台的课堂教学环节在本节课堂教学过程中,主要包括多媒体教学㊁课堂提问和新知探究互动环节㊁随堂练习㊁主题讨论等,例如,最小二乘曲线拟合的目标是使得总体误差尽可能小,这也就将问题转化为求拟合函数的最小值点,即多元函数极值问题.通过设计在线选人提问环节,让学生回顾已学先修课程知识点,体现课程体系中知识的融汇贯通(如图5所示)
.
图5 最小二乘曲线拟合课堂教学环节(4
)辩证思维,拓展应用.插值法与最小二乘曲线拟合的关系.结合实际生活,思考曲线拟合可以应用到那些领域如:天气预报,股价预测,生产总值,
双十一 某电商平台销售额的预测等(如图6所示).
图6 最小二乘曲线拟合的拓展应用
(5
)学用相长,自主探究.利用曲线拟合最小二乘法解决 机床零件加工 问题.通过学习通布置自主学习任务,学生按照3人一组的方式展开讨论,协作完成并提交学习报告(如图7所示).
图7 最小二乘曲线拟合的拓展应用
2.1.3 课后复习
(1)微课视频.复习插值法和曲线拟合等知识点.插值法和曲线拟合作为数值计算中的重要工具,两者具有统一的思想:函数逼近.通过复习插值法相关的知识点内容,进一步加深对函数逼近思想及其在实际问题中应用的理解.
(2
)课后练习.通过学习通发布本节课题相关的在线练习题,巩固概念的理解,熟悉算法的使用,考察学生对最小二乘曲线拟合的掌握程度,反馈学习效果,根据问题进行课堂教学反思和教学设计,充分体现以学生为中心的教学观.
(3)通过微信公众号在课堂之外向学生推送课程小知识,激发学生学习兴趣,运用所学知识分析和解决实际问题,多学多问勤思考,培养学生的创新精神.另外,智慧教学辅助平台能够实现课程资源共
享,做到 处处可学㊁时时可学㊁人人可学 .
2.2 过程监督与评价模式探索
智慧课堂是以 数字化+ 的思维方式和大数据等新一代信息技术打造的智能㊁高效的课堂.其实质是基于动态学习数据分析,实现教学决策数据化㊁评价反馈即时化㊁交流互动立体化㊁资源推送智能化,创设有利于协作交流和意义建构的学习环境.
(1
)新教学形态下的过程监督是保证教学质量的决定性因素.由于自主学习和在线教学是线上线下混合式教学的两个必要环节,与传统的线下课堂教学相比,教师与学生之间保持着一定的距离,这容易导致学生的主观能动性变差,从而不能达到预期的学习效
果.根据 奖惩 激励机制的主要思想,创新过程监督机制,丰富过程监督手段,保障新形态教学质量.
321第2期 闫晓辉,等:数智转型背景下智慧教学模式探究
(2)基于数据分析方法和统计分析方法,综合分析教学过程中的各类影响因素,抓关键㊁提要点,充分利用学科专业知识,建立教学诊断评价模型.通过课前预习测评深化学情分析,优化教学设计,便于精准教学;通过课中随堂测验数据分析和即时反馈,改进教学策略,调整教学进程;通过课后作业数据分析和资源推送,实施针对性辅导,实现个性化的学习支持.
3总结
本文以 计算方法 课程为例构建了基于超星学习通的分阶段㊁全方位㊁立体式线上线下混合式智慧教学模式,通过智慧的教与学,促进全体学生实现符合个性化成长规律的智慧发展.但在实施过程中也仍存在一定的问题,例如:如何进行科学有效评价㊁如何进行课程自主学习全过程跟踪等,需要积极思考㊁不断创新,更有效的促进课堂教学,提高教学质量.
参考文献:
[1]章立萍,史梦颖.教育信息化背景下智慧教学的理念㊁实质和发展图景[J].教育信息化论坛,2022,6(9):21-23.
[2]彭晓玲,吴忭. 数据驱动的精准教学 何以可能?:基于培养教师数据智慧的视角[J].华东师范大学学报(教育科学版),2021,39(8):45-56.
[3]朱德全,罗开文. 双线融合教学 :高等教育未来教学的新形态[J].现代教育管理,2022(2):1-8. [4]唐琳,任艳焱,计丽娟,等.论后疫情时代新形态混合教学模式在P y t h o n程序设计课程中的应用[J].赤峰学院学报(自然科学版),2021,37(4):88-91. [5]杨昆,李永东.基于智慧课堂的小学数学教学策略有效性研究[J].安徽教育科研,2021,(20):3. [6]闵杰,李璐,欧剑.‘数值分析“课程思政教学改革研究与实践[J].大学数学,2020,36(6):40-45.
E x p l o r a t i o n o n s m a r t t e a c h i n g m o d e i n t h e d i g i t a l i n t e l l i g e n c e t r a n s f o r m a t i o n e r a
T a k i n g c o m p u t a t i o n a l m e t h o d a s a n e x a m p l e Y A N X i a o h u i①,G U O S h u a n g j i a n②,X I E J i n①,Z HA O J u a n①,S HA O G u i w e i①,WA N G L i l i①
(①S c h o o l o f A r t i f i c i a l I n t e l l i g e n c e a n d B i g D a t a,H e f e i U n i v e r s i t y,230601,H e f e i,A n h u i;
②S c h o o l o f M a t h e m a t i c s a n d S t a t i s t i c s,G u i z h o u U n i v e r s i t y o f F i n a n c e a n d E c o n o m i c s,550025,G u i y a n g,G u i z h o u,P R C)
A b s t r a c t:
B y t a k i n g c o m p u t a t i o n a l m e t h o d c o u r s e a s a n e x a m p l e,e f f e c t i v e c l a s s r o o m s m a r t t e a c h i n g s t r a t e g i e s i n t h e c o n t e x t o f d i g i t a l i n t e l l i g e n c e t r a n s f o r m a t i o n a r e e x p l o r e d b y i n t e g r a t i n g m o d e r n i n f o r m a-t i o n t e c h n o l o g y i n e d u c a t i o n.B y f u l l y u t i l i z i n g t h e i n t e l l i g e n t t e a c h i n g s u p p o r t p l a t f o r m o f c l o u d+e n d , a n o n l i n e a n d o f f l i n e h y b r i d(o n l i n e a n d o f f l i n e,O A O)i n t e l l i g e n t t e a c h i n g m o d e i s c o n s t r u c t e d.M e a n-w h i l e,u s i n g t h e t o p i c o f c u r v e f i t t i n g u s i n g t h e l e a s t s q u a r e s m e t h o d a s a n i n s t a n c e,t h e p r o c e s s o f i n t e l l i-g e n t t e a c h i n g d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n i s a n a l y z e d.T h e O A O i n t e l l i g e n t t e a c h i n g m o d e i s i n t e g r a t e d t h r o u g h o u t t h e p r e-c l a s s,i n-c l a s s,a n d p o s t-c l a s s s t a g e s,r e a l i z i n g d a t a-b a s e d t e a c h i n g d e c i s i o n-m a k i n g, r e a l-t i m e e v a l u a t i o n f e e d b a c k,i n t e r a c t i v e c o mm u n i c a t i o n,a n d i n t e l l i g e n t r e s o u r c e r e c o mm e n d a t i o n.
K e y w o r d s:s m a r t t e a c h i n g;o n l i n e a n d o f f l i n e h y b r i d t e a c h i n g m o d e;p r o c e s s e v a l u a t i o n;c o m p u t a t i o n-a l m e t h o d
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