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民族地方院校物理专业高等数学教学改革
Teaching Reform of Advanced Mathematics for Physics Majors in Local Ethnic Colleges and Universities
引言
为破解高等数学传统教学困境,国内学界围绕知识图谱、数字化技术、AI赋能高数教学改革开展了大量针对性研究。石真真针对性探究了知识图谱在高等数学课程教学中的应用路径,证实知识图谱能够优化高数课堂教学结构、完善知识体系呈现形式,有效改善传统教学碎片化问题。宣国龙进一步聚焦知识图谱的赋能价值,深入研究知识图谱与高数课程改革的融合模式,提出适配高校高数课程的优化改革策略。韩瑶从数字化建设视角出发,构建了基于数字化知识图谱的高等数学课程建设体系,完善了数字化教学资源搭建、知识系统化梳理的实施路径。李倩等学者创新融合知识图谱与AI技术,开展高数教学创新实践,验证了智能信息化技术在优化教学模式、落实分层教学、提升教学实效方面的显著作用。综上,现有研究已充分证实知识图谱、AI智能技术在高等数学教学改革中的可行性与优越性,但针对民族院校物理学专业、结合专业特色与特殊学情,融合知识图谱与智能交互智能体重构完整教学流程、搭建分层混合式教学体系的专项研究仍存在明显空白,这也为本研究的开展提供了核心切入点与研究空间。
2023年,教育部等五部门印发《普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案》,明确提出到2025年,优化调整高校20%左右的学科专业布点,以服务国家发展,建好建强国家战略 and 区域发展急需的学科专业。理工科人才的培养国家对理工科教育的重视程度达到了新的高度。理工科教育对物理学专业学生的数学素养提出了更高的要求,高等数学中的微积分、线性代数等知识是力学、电磁学等专业课程的理论支撑。革新传统高数教学模式、强化数理融合教学,成为民族院校物理学专业教学改革的重要任务。伴随数字化教育的快速发展,依托信息技术、知识图谱、人工智能赋能高等数学教学改革已成为高校课程建设的主流趋势,为破解传统高数教学痛点、实现数理融合教学提供了全新路径。
相较于综合类、理工类高校,民族院校物理学专业生源具有鲜明特殊性,民族院校物理学存在学生基础薄弱、自主学习能力不强等特点。高等数学传统的教学模式弊端日益凸显,课堂节奏难以兼顾全体学生,课后缺乏有效答疑与辅导,或者教师需要额外花时间进行答疑,数学知识与物理专业应用结合不足。为破解以上难题,依托信息化教学工具,结合知识图谱、智能交互智能体,重构教学流程、打造分层混合式教学体系,成为民族院校物理学专业高等数学课程改革的必然选择。
一、总体改革思路与教学架构设计
本次改革以线上线下混合式教学为主体框架(如图1),融入课程知识图谱与AI智能交互智能体,搭建“课前—课中—课后”三阶段一体化教学流程,坚持“以学生为中心”的师范认证理念,采用“分层教学、学用结合”的原则,打通预习、听课、练习、答疑全环节。1
课前阶段(线上为主)
知识框架梳理→发布预习资源→智能答疑→学情分析
课中阶段(线下为主)
重难点精讲→专业案例分析→课堂互动检测
课后阶段(线上+线下结合)
线上分层练习+线下作业批改与个性化辅导
(一)构建高等数学+物理学融合知识图谱
结合物理学专业人才培养方案,梳理高等数学全部知识点,并对接数学物理方法、理论力学、电磁学等专业课程应用场景,搭建一体化知识图谱。知识图谱以章节为一级节点,以概念、定理、公式、解题方法为二级节点,同时标注物理应用关键节点。例如,将导数、微分与运动学速度、加速度关联,定积分与变力做功、转动惯量、质心坐标、交流电电流和电压关联,偏导数、梯度与电场强度、等压线、等值面关联。学生通过线上教学平台查看知识点的逻辑关系、前后衔接内容及在物理学中的应用,帮助学生建立系统化知识体系,明确学习的意义,增强学生的学习兴趣。
(二)AI智能交互智能体
学生利用学习通线上智能体可以实现随时提问概念、公式、解题步骤等,智能体也可以帮助学生解析习题和错题,同时还可以根据学生答题情况,结合知识图谱推送学生薄弱知识点的练习题给学生,弥补教师课后答疑时间不充分的问题,满足学生碎片化学习、即时答疑的需求。
二、分阶段混合式教学实施流程及典型案例
本文以高等数学第2章微分(导数及其应用)这个物理学专业高频关联章节为例,详细展示全流程教学案例。
(一)课前:线上自主预习+智能体互动答疑
本阶段依托学习通平台开展,核心目标是让学生课前掌握基础概念,筛查知识疑点,为线下课堂减负。
教师依托知识图谱,梳理“极限—导数—导数的几何意义—导数的物理意义”这完整知识链路,在学习通发布微课,内容包含导数定义、平均变化率与瞬时速率的区别,并嵌入“小车做直线运动”简易动画,同时给出3道聚焦导数定义的基础题。
学生观看微课后完成预习题,遇到问题可随时向智能体提问。例如有学生提问“为什么瞬时速度就是导数?”智能体结合物理模型分步解析,同时联动知识图谱推送极限知识点,实现即时答疑。
(二)课中:融合专业案例,精讲重难点
线下课堂以线上数据为依据,聚焦共性难点,深度融合物理学专业案例,精讲导数的定义及在物理学中的应用。
针对“导数表征瞬时变化率”这一易错点,结合物理场景自由落体运动进行讲解。首先列出自由落体运动的位移公式\(s = \frac{1}{2}gt^{2}\),现场推导速度和加速度的表达式,将抽象的导数转化为学生熟悉的物理运动参数。
设置课堂讨论:已知带电粒子在电场中的位移函数,如何利用导数求解粒子某一时刻的瞬时速度与受力大小?学生结合高数知识酑电磁学知识分析推导,教师进行指导,点拨思路。
发布随堂检测,现场作答,即时订正,实时检验课堂学习效果。
(三)课后:线上线下分层作业,多元巩固提升
线上作业:在学习通发布分层习题,基础题以导数计算、概念辨析为主,主要面向基础薄弱的同学;提升题主要是简谐运动中速度、加速度的综合计算,主要面向学有余力的同学。平台自动批阅学生的答题,并将错题自动归入个人错题本。智能体根据学生易错题,结合知识图谱定位知识点,推送相关练习题进行二次练习。
线下作业:同意布置课后习题,要求手写解题步骤。教师全批全改,梳理出班级共性错误,在下一节课课前集中讲评。
三、教学改革效果分析
本次课程改革在本校物理学专业连续开展两届教学班实践,选取改革前一届传统教学班级作为对照班,从期末考试成绩、课堂表现、线上学习数据三个维度对比分析改革成效。
(一)期末考试成绩对比
| 班级类型 | 班级人数 | 不及格人数 | 及格人数 | 优秀人数 | 及格率 | 优秀率 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 对照班 | 49 | 7 | 42 | 11 | 85.71% | 22.45% |
| 改革班第一届 | 46 | 2 | 44 | 14 | 95.65% | 30.43% |
| 改革班第二届 | 30 | 0 | 27 | 10 | 100% | 33.33% |
由表1可知,相较于传统教学模式,实施混合式教学模式后,学生不及格人数大幅下降,及格率、优秀率均有所上升。
(二)学生学习的积极性分析
| 班级类型 | 班级人数 | 优秀 | 良好 | 一般 | 较差 | 积极占比(优秀+良好) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 对照班 | 49 | 38 | 4 | 6 | 1 | 85.71% |
| 改革班第一届 | 46 | 40 | 2 | 4 | 0 | 91.30% |
| 改革班第二届 | 30 | 25 | 3 | 1 | 0 | 93.33% |
结合课堂实际表现与学生问卷调查可知:知识图谱让知识体系更清晰,AI智能体实现随时答疑,线上预习、趣味互动降低了高数学习门槛;高数与物理专业案例结合,让学生认识到课程的实用价值,主动预习、主动提问、主动完成作业的学生数量显著增加,课堂互动氛围明显改善,学生自主学习意识与学习积极性得到有效激发。
(三)综合效果总结
从两届实践结果来看,“知识图谱+AI智能体+线上线下混合式教学”的改革模式,有效解决了民族院校物理学专业学生数学基础不均、理解困难、主动性弱等问题。一方面分层教学、个性化答疑缩小了学生之间的成绩差距,整体学业水平稳步提升;另一方面全新的教学流程与信息化工具,改变了学生被动学习的状态,逐步养成自主预习、及时巩固、主动探究的良好学习习惯。结合上述《微分》等实操案例可见,数理融合案例贯穿教学全程,让抽象数学知识落地到专业应用中,也是学生学习兴趣提升的重要原因。
四、改革反思与优化方向
少数基础极度薄弱的学生,自主预习效率偏低,即便有智能体辅助,仍需要线下一对一重点帮扶。后续可建立“优生帮扶学困生”互助小组,结合教师个性化辅导,结合经典例题、物理案例开展互助讲解,构建多层次帮扶体系。
知识图谱与物理学前沿应用的结合深度仍可进一步拓展,高阶数理融合案例数量不足。需持续完善知识图谱,增加近代物理、应用物理相关高数应用案例,进一步强化数理融合。
五、结语
面向民族院校物理学专业的人才培养需求,将混合式教学、知识图谱、AI智能交互智能体融入高等数学教学,重构“课前线上预习互动、课中线下精讲突破、课后双线巩固提升”的教学闭环,是顺应信息化教育发展、贴合民族院校学情的有效改革路径。文中以导数这一核心章节设计的全流程教学案例,充分验证了该模式的可操作性。连续两届教学实践证明,该模式不仅切实提高了学生期末考试成绩,更从根本上转变了学习状态、提升了学习主动性。
高等数学作为物理学专业的根基课程,其教学改革是一项长期工作.未来将持续结合民族学生特点、专业发展趋势不断优化教学模式,丰富数理结合教学案例,深化数理融合,助力民族院校培养出兼具扎实数理基础、创新思维与实践能力的优秀物理学专业人才。
参考文献:
- [1] 石真真.基于知识图谱的高等数学课程教学改革探究[J].办公自动化,2026,31(07):48-50.
- [2] 宣国龙.知识图谱赋能高等数学课程改革研究[J].创新创业理论研究与实践,2026,9(01):52-54.
- [3] 韩瑶.基于数字化知识图谱的高等数学课程建设[J].中国多媒体与网络教学学报(上旬刊),2025(09):68-71.
- [4] 李倩,张丽丽,伏文清.基于知识图谱和AI赋能的高等数学教学创新与实践[J].教育信息化论坛,2025(06):7-9.
- [5] 教育部等五部门印发《普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案》[J].考试与招生,2023(Z1):2.
