摘要: AIGC技术在教育领域的应用日益广泛,展现出巨大潜力,但也面临诸多挑战。目前,其在复杂知识讲解、个性化学习支持以及与传统教学的融合方面仍存在不足,尤其在资源匮乏地区,高质量教育支持仍难以普及。多数AIGC应用仍停留在简单的知识问答与内容生成,缺乏系统性的教学辅助功能,难以满足师生多样化需求。为解决这些问题,设计并实现了一套基于AIGC技术的高等数学智能教学辅导系统。系统依托无代码开发平台“扣子平台”与大语言模型,整合了四大核心功能:在线知识问答、习题解答、出题练习、教案自动生成。知识问答模块通过语义匹配与生成技术,为学生提供实时答疑;习题解答模块根据用户上传的图片识别其中的数学问题,通过推理分析给出解答;出题练习模块生成个性化题目及解析,辅助学生巩固知识;教案生成模块根据用户指定的知识点或上传的word或pdf文件材料,输出结构化的教学方案。该高等数学辅助教学系统有助于学生更好地理解和掌握高等数学知识、拓展知识视野、提升学习效率和质量,有助于通过提供即时反馈和个性化练习来维持学生的学习参与度;同时,通过该系统,教师可以减轻备课和答疑的工作负担,将更多精力投入到教学方法创新和学生能力培养上,实现教学相长。该系统为缩小教育资源差距提供了潜在的技术路径,让更多的学生享受到智能化教学服务,促进教育均衡发展。
Abstract: The application of AIGC technology in education is becoming increasingly widespread, demonstrating great potential, though it also faces significant challenges. Currently, it falls short in explaining complex knowledge, offering personalized learning support, and integrating with traditional teaching methods—particularly in resource-scarce regions where high-quality educational support remains difficult to popularize. Most AIGC applications are confined to basic knowledge Q&A and content generation, lacking systematic teaching assistance features, which limits their ability to meet the diverse needs of teachers and students. To address these gaps, we designed and implemented an intelligent AIGC-based teaching assistance system for advanced mathematics. Leveraging the no-code “CozePlatform” and large language models, the system integrates four core functions: (1) online knowledge Q&A, providing real-time answers via semantic matching and generative technology; (2) exercise problem-solving, analyzing uploaded images of math problems to deliver step-by-step solutions; (3) personalized question generation with explanations to reinforce learning; and (4) automated lesson plan creation based on user-defined topics or uploaded Word/PDF materials. This system enables students to better comprehend and master advanced mathematical concepts, broaden their knowledge horizons, and improve both learning efficiency and quality; by delivering instant feedback and personalized exercises, it also sustains learner engagement. Meanwhile, the system reduces teachers’ workload in lesson preparation and question-answering, freeing them to devote more energy to pedagogical innovation and students’ competency development, thereby realizing mutual growth in teaching and learning. Furthermore, it offers a potential technological route for narrowing educational resource gaps, allowing a wider range of students to benefit from intelligent instructional services and promoting balanced educational development.
1. 引言
当前,深入推进教育数字化转型已成为全球共识,其核心要素与首要瓶颈在于突破传统教育应用场景的限制,亟需通过技术赋能实现路径创新与人机有效融合,而非简单叠加数字技术于既有场景之上[1]。在这一背景下,人工智能生成内容(AIGC)技术凭借其强大的算法与数据驱动能力,在内容快速生成、智能交互与场景适配方面展现出显著优势,已在新闻、广告、社交媒体创作等领域广泛应用,显著提升了运营效率[2]。作为AIGC的代表性应用,以ChatGPT为代表的大语言模型(LLM)展现出对人类语言的深度理解与生成能力,在语言翻译、内容创作、客户服务乃至代码编写等任务中提供类人交互体验,为教育领域注入了新的活力[3]。
在教育应用层面,AIGC技术展现出提升教学效率、丰富学习体验、促进教育公平的巨大潜力。现有研究表明,其在课件自动生成、实时问答交互、自适应学习路径规划、作业智能批改等方面具有显著价值,能够有效减轻教师教学负担,提升学生学习实效,并为不同地域、不同背景的学生提供更公平的学习机会[4]。然而,AIGC技术在教育领域的深入应用仍面临诸多挑战与不足。一方面,其在复杂知识体系(如涉及大量数学公式与抽象概念)的深度讲解、高度个性化的学习支持以及与传统教学流程的无缝融合等方面尚存局限[5];另一方面,在资源匮乏地区,高质量、系统化的AIGC教育支持依然难以普及[6]。目前,多数AIGC教育应用仍停留在基础的知识问答与内容生成层面,缺乏整合性、系统性的教学辅助功能,难以满足师生在教学全流程中的多样化、深层次需求[7]。此外,AIGC的广泛应用也引发了以“数据为中心”的伦理隐患与技术依赖等担忧[8]。
《高等数学》作为一门理论性强、内容抽象、逻辑严密且对学生思维能力要求高的基础课程,其教学过程中存在的痛点尤为突出:教师面临课程内容梳理困难、公式定理推导讲解耗时、难以兼顾学生个体差异、缺乏高效资源生成工具等问题;学生则普遍反映内容理解难度大、个性化指导不足、实践反馈滞后等[9]。传统教学模式难以有效解决这些挑战,亟需引入智能化辅助手段以优化教学过程[10]。
针对上述问题与需求,本研究提出并开发了一套集成四大核心功能(知识问答、习题解答、出题练习、教案生成)的智能教学辅助系统。系统首页及4大模块运行效果如图1所示。该系统依托“扣子”无代码平台及大语言模型技术,旨在为《高等数学》课程提供高效、个性化和低门槛的智能教学支持。本文后续章节将详细阐述系统设计与实现、核心功能模块、应用效果及未来展望,以期为推动教育智能化、构建高效普惠的智能教育生态提供实践参考。
Figure 1. System home page and the operational effects of the four core modules
图1. 系统首页及4大模块运行效果
2. 相关技术概述
本节简要介绍支撑本系统开发的两项核心技术:人工智能生成内容(AIGC)的核心原理,以及无代码开发平台“扣子”的关键特性。
2.1. AIGC技术核心原理
人工智能生成内容(AIGC)技术依赖于深度学习模型(尤其是Transformer架构)在大规模文本数据上的训练。Transformer的核心是自注意力机制,使其能够有效理解长距离上下文依赖关系。
深度学习模型通过学习海量文本中的语言规则、语义关联和知识模式,获得生成语法正确、语义连贯且符合上下文的新文本的能力。这是实现本系统知识问答、题目生成、教案生成、PPT内容生成等核心功能的基础。
2.2. 无代码开发平台:扣子
“扣子平台”(Coze)是本系统实现快速开发与部署的核心工具,其核心价值在于:提供零代码/低代码的可视化开发环境,显著降低技术门槛,使非专业开发者(如教育工作者)能高效构建AI应用。Coze的核心功能如下:
LLM深度集成:无缝接入Kimi、DeepSeek等大模型,提供强大的自然语言理解与生成能力,支撑智能问答与内容生成。
知识库:允许上传《高等数学》相关文档(pdf, word等),将课程知识注入系统,极大提升问答准确性和内容生成的相关性(用于知识问答、教案等生成)。
工作流机制:通过可视化编排定义复杂逻辑流程,是实现自动化出题流程、教案生成步骤、习题解答内容组织等关键业务逻辑的核心工具。
Coze利用知识库存储课程资料,通过工作流编排业务逻辑(如出题、生成教案),并调用集成的大语言模型(LLM)实现智能交互与内容生成。Coze的关键优势有:
3. 系统需求分析
系统需求分析是构建基于AIGC技术的《高等数学》智能教学辅助系统的基础,需综合考虑教学场景的实际需求、技术实现的可行性以及用户体验的优化目标。由于本系统基于Coze平台开发,除功能需求可结合教学场景自主确定外,性能需求、数据需求和安全需求均由Coze平台的固有特性与技术规范决定,接口需求则需适配平台的接口标准。
结合《高等数学》教学的痛点及AIGC技术的应用潜力,系统需实现四大核心功能,以满足教师和学生在教学全流程中的多样化需求。
知识问答功能:能够对学生提出的《高等数学》相关知识点、公式定理、概念辨析等问题进行精准解答。解答需具备逻辑性和易懂性,对于复杂问题需分步骤解析,同时支持对抽象概念进行具象化解释,如结合实例说明导数的几何意义。此外,系统应能识别学生问题中的模糊表述,通过追问获取更精准的信息,以提供更有效的答案。
习题解答功能:针对学生提交的《高等数学》习题,系统需具备自动解题能力。涵盖计算题、证明题、应用题等多种题型,解题过程需严格遵循数学逻辑,展示详细的步骤和依据。对于计算类题目,要保证计算结果的准确性;对于证明类题目,需清晰呈现推理过程和关键思路。同时,系统应能指出学生可能出现的常见错误,并给出纠正建议。
出题练习功能:为教师提供便捷的出题工具,支持根据知识点、难度等级、题型等参数自动生成《高等数学》练习题。教师可对生成的题目进行修改、筛选和组合,形成个性化的练习试卷。此外,系统应能根据学生的学习情况,为学生推荐针对性的练习题,帮助学生巩固薄弱知识点。出题范围需覆盖课程的各个章节,确保题目与教学内容的紧密贴合。
教案生成功能:辅助教师快速生成《高等数学》课程的教案,教案内容应包括教学目标、教学重难点、教学过程设计、教学方法建议等要素。系统可根据教师输入的教学章节和课时安排,自动整合相关的知识点、例题、习题等资源,生成初步的教案框架。教师可在此基础上进行调整和完善,以适应不同的教学风格和学生特点。
4. 系统设计
基于上述需求分析,系统设计需遵循模块化、可扩展性、易用性和可靠性的原则,以实现系统的高效运行和良好的用户体验。本系统的设计主要包括总体架构设计、功能模块设计和数据库设计。
4.1. 总体架构设计
系统采用基于Coze平台的集成化架构,依托平台的无代码开发能力实现功能模块的快速搭建与部署,整体架构可分为业务逻辑层和用户界面层。
Figure 2. Business logic layer
图2. 业务逻辑层
业务逻辑层:如图2所示,包括工作流和数据(知识库)两大核心功能模块。业务逻辑层为系统提供逻辑编排、智能生成、数据存储等基础能力,是功能实现的技术底座。工作流封装四大核心功能模块(知识问答、习题解答、出题练习、教案生成),编排工具定义功能逻辑,通过知识库关联《高等数学》教学资源,通过LLM接口调用生成能力。
用户界面层:如图3所示,该层通过Coze平台提供的Web或移动端界面与用户交互,教师和学生使用应用层封装的功能模块完成教学活动。
Figure 3. User interface layer
图3. 用户界面层
4.2. 功能模块设计
根据系统的核心功能需求,在Coze平台的工作流引擎中定义四大功能模块的逻辑流程,各模块通过平台的组件化机制实现协同调用。
知识问答模块:通过业务逻辑层的知识问答工作流(如图4所示),利用Kimi-128k大模型,结合系统提示词(具体见附录1)及《高等数学》知识库,生成知识问答答案。教师可通过业务逻辑层中的数据部分维护知识库内容,优化问答准确性。
Figure 4. Knowledge Q&A workflow
图4. 知识问答工作流
Figure 5. Exercise-solving workflow
图5. 习题解答工作流
习题解答模块:基于业务逻辑层的习题解答工作流(如图5所示),针对用户提交文字描述类问题或图片中的数学问题,利用豆包1.6自动深度思考多模态大模型,结合系统提示词(具体见附录2),生成解答。采用豆包1.6自动深度思考多模态大模型,一是利用其自带的多模态能力自动解析图片中的数学问题,二是利用其深度思考能力进一步提高数学解题的准确性。
出题练习模块:基于业务逻辑层的出题练习工作流(如图6所示),根据用户提供的知识点、题目类型、题目数量等信息,利用Kimi-128k大模型,结合系统提示词(具体见附录3),生成练习题及解答。
Figure 6. Question-generation practice workflow
图6. 出题练习工作流
Figure 7. Lesson-plan generation workflow
图7. 教案生成工作流
教案生成模块:基于业务逻辑层的教案生成工作流(如图7所示),根据用户提供的授课时间、地点、章节标题、学时等信息,利用DeepSeek R1/250528大模型,按照教案模板知识库中预设的《高等数学》教案格式要求,结合系统提示词(具体见附录4),生成结构化教案内容,并提供word文件下载。
5. 应用发布
扣子平台为我们提供了很便捷的微信小程序发布渠道,开发者只需要在微信小程序后台获取账号信息中的AppID并配置好相关小程序信息、类目、备案以及微信认证,接着在扣子平台上选择发布即可。如图8所示,在扣子平台点发布后,会弹出图8左图的窗口,点选微信小程序中的配置,会弹出图8右图窗口,在其中填写备案通过的微信小程序AppID即可完成发布。
Figure 8. WeChat mini-program binding and release
图8. 微信小程序绑定发布
6. 系统测试
本研究在计算机网络端(Web端)及微信小程序平台上对所开发的系统进行了综合测试。计算机web端测试结果的截图展示于图1,其中包含五幅子图,依次为系统首页、知识问答界面、习题解答界面、自动出题界面以及教案生成界面。各功能模块均表现出良好的性能。图9则展示了微信小程序端首页及其功能界面的运行结果截图。附录5详细给出了图9(g)中生成的教案内容。系统测试结果验证了该系统的各项功能均运行正常,能够有效满足学生在高等数学知识查询、习题解答、出题练习等多方面的需求,并且能够为教师撰写教案提供辅助支持。
Figure 9. Screenshots of the WeChat mini-program home page and functional pages. (a) system home page; (b) knowledge Q&A page; (c) header of exercise solution page; (d) footer of exercise solution page; (e) header page of auto-question generation; (f) footer page of auto-question generation; (g) header page of lesson-plan generation; (h) footer page of lesson-plan generation
图9. 微信小程序端首页及各功能页面运行结果截图。(a) 系统首页;(b) 知识问答页;(c) 习题解答页头;(d) 习题解答页尾;(e) 自动出题页头;(f) 自动出题页尾;(g) 教案生成页头;(h) 教案生成页尾
7. 结论与展望
本研究首次基于Coze无代码平台与大型语言模型,构建了一套面向《高等数学》的综合型原型系统,该系统集成了“知识问答–习题解答–出题练习–教案生成”等功能,并已实现在Web端与微信小程序端的无缝对接。通过Coze平台的“知识库 + 工作流 + 提示词”组合模式,实现了功能的快速迭代。本研究旨在为“无代码 + 人工智能生成内容(AIGC)”在教育领域的深度融合提供可复制、可推广的实践模式,并进一步促进优质数学教育资源的普及。
当前,该系统尚存在若干局限性,例如:自动出题模块生成的题目答案偶尔会出现微小错误;习题解答模块在处理上传的图片题目时解析准确度不足,导致需要经过多轮交互纠错才能满足解答要求。
展望未来,本研究计划通过大规模应用和用户反馈,对系统进行持续优化和改进。
基金项目
本文获广东省教育科学规划课题(2024GXJK275)资助。
附 录
1. 知识问答提示词:
# 角色 你是一位专业且高效的《高等数学》课程辅助教学专家,擅长以清晰易懂、生动有趣的方式,帮助学生深入掌握这门课程。你对课程知识体系了如指掌,能够精准提炼要点,并巧妙融入教学支持服务。你能正确转换复杂数学公式到合适的格式。 ## 技能 ### 技能1:提供在线知识问答 1. 当学生发起在线知识问答请求时,先询问学生对哪些问题比较不熟悉?在过往学习中遇到什么困惑? 2. 深入剖析学生的问题,从高等数学知识体系中精心挑选紧密相关的内容进行解答。解答要逻辑严谨、表达简洁清晰,务必列举大量贴合实际且生动鲜活的例子进行详细阐释,帮助学生快速建立知识联系,更好地理解抽象概念。必要时可以使用通俗易懂的类比来辅助解释。在涉及复杂数学公式时,要正确转换为合适的格式呈现。 ===回复示例=== 问题:〈学生输入的问题〉 解答:<对问题进行全方位、准确的解答,通过丰富多样且详细具体的举例深入说明,必要时可进行图表辅助解释(若允许使用图表)。涉及复杂数学公式时,要正确转换格式呈现> ===示例结束=== ## 限制: 仅围绕《高等数学》的相关内容进行回复。 所输出的内容必须严格遵循给定的格式进行组织,不得有任何偏离框架要求的情况,尤其不能生成图片。 如果用户的问题与《高等数学》的内容无关,则提示用户“请输入与高等数学相关的内容”。 确保所有回复内容语言表达自然流畅,符合教学场景的沟通习惯,避免使用过于生僻或复杂的词汇。 生成复杂数学公式时要正确转换为合适的格式。 |
2. 习题解答提示词
# 角色 你是一位专业且资深的高等数学解题专家,凭借深厚的知识储备和丰富的教学经验,能够出色处理与高等数学习题解答相关的各类任务。 ## 技能 ### 技能1:处理图片任务 1. 当接收到上传的高等数学习题图片时,运用精准的图片理解工具准确无误地识别图片中的题目内容。 2. 对识别出的题目展开深度剖析,清晰梳理题目所涉及的高等数学知识点、题型特点以及合理的解题思路。 3. 根据全面的分析结果,给出条理清晰、步骤详细且准确的解答过程和答案。 ### 技能2:处理文字描述任务 1. 当接收到用户以文字形式描述的高等数学问题时,迅速理解并精准提取题目中的关键信息。 2. 对题目进行系统分析,明确其所涉及的高等数学知识点、题型类别及清晰的解题思路。 3. 提供逻辑严谨、详细准确的解答过程和答案。 ## 限制: 仅专注处理与高等数学相关的习题解答任务,坚决拒绝回答任何无关话题。 解答过程和答案需严格基于高等数学知识体系,确保答案的高度准确性和逻辑的严密严谨性。 支持用户通过上传图片或文字描述这两种方式提交题目。 |
3. 出题练习提示词
# 角色 你是一位资深的高等数学专家,在高等数学领域知识储备丰富且教学经验十足,能够精准把握各类知识点,为用户提供高质量的题目与准确的答案。 ## 技能 ### 技能1:询问出题需求 1. 当用户提出需要生成高等数学题目时,详细询问用户希望考察的知识点(如导数的定义、性质与计算、极限的求解、积分的应用等)、题目类型(如选择题、填空题、判断题、计算题、证明题等)以及每种类型题目的数量。若已获取相关信息,则无需再次询问。 ### 技能2:生成题目 1. 根据用户设定的知识点、题目类型和数目,精心设计题目。题目要全面覆盖知识点的各个方面,难度适中且具有代表性。 2. 确保题目语言表述清晰、准确,避免产生歧义。 ### 技能3:提供答案 1. 针对生成的每一道题目,给出详细、准确的答案。对于计算题和证明题,要提供完整的解题步骤和逻辑思路,方便用户理解和学习。 ## 限制: 仅围绕高等数学相关知识点进行出题和解答,坚决拒绝回答与高等数学无关的话题。 所输出的题目和答案必须严格按照规范的格式呈现,题目在前,答案在后,清晰区分。 生成的题目需保证质量,符合高等数学教学和学习的要求,避免出现题目错误或答案不准确的情况。 如果用户问的问题不是高等数学的相关内容,则提示用户“请输入与高等数学相关的内容”。 确保所有回复内容语言表达自然流畅,符合教学场景的沟通习惯。 |
4. 教案生成提示词:
# 角色 你是一位资深且专业的《高等数学》在线教案生成专家,对该课程的知识体系有着极为深入且透彻的理解,能够精准无误地把握课程重点,并熟练、巧妙地将其融入到教学支持服务之中。你的任务是为用户生成高质量、高度贴合需求且针对性极强的教案,并按照特定教案模板格式将内容整理到docx文件中输出。 ## 技能 ### 技能1:询问必要信息 1. 读取用户输入的关于教案的时间、地点、章节内容、学时的信息。 ### 技能2:处理用户提供的文档 1. 如果用户提供了更好的docx或PDF电子书,读取里面的内容。 2. 基于读取的内容,发信息询问用户关于教学时间、地点、章节内容、学时的信息。 ### 技能3:补全教案内容 1. 根据用户回答的信息,结合《高等数学》,输出教学目标、重点与难点、教学内容、教学设计、需准备的素材、课后总结分析、作业布置的教案内容。如果用户自己上传docx或PDF文件,则读取用户自己上传的文件的,询问用户关于教学时间、地点、章节内容、学时的信息。输出教学目标、重点与难点、教学内容、教学设计、需准备的素材、课后总结分析、作业布置的教案内容。确保教学内容针对教学对象特点和教学目标达成,教学时长符合用户给定学时要求,合理分配每个教学环节的时间,注重教学环节之间的过渡衔接。注意教学设计生成内容只能是(【一】复习及提问【二】新课程引入【三】新课程内容【四】融入课程思政/创新创业教育设计【五】互动环节设计)这五部分。 ### 技能4:生成并提供docx文件 1. 读取知识库索引里面的docx文件,将生成的内容调用插件写入docx文件中。 2. 生成该docx文件的下载链接,并提供给用户。 ## 限制: 仅围绕《高等数学》或者用户上传的文件的相关内容进行回复,拒绝回答与该课程无关的任何话题。 输出的docx文件内容必须严格符合给定教案模板格式要求,不得有任何偏离框架要求的情况,尤其不能生成图片。 生成的教案内容需确保质量上乘,符合教学和展示要求,杜绝出现内容空洞或逻辑混乱的问题。 如果用户的问题与《高等数学》的内容无关,则明确提示用户“请输入与高等数学相关的内容”。 确保回复内容语言表达自然流畅、简洁明了,完全符合教学场景的沟通习惯,不能生成图片信息。 |
5. 生成的教案示例:
📖教案标题:定积分的概念与性质(2学时) 💡教学目标 学生能够理解定积分的定义和几何意义,在实际问题中识别定积分的应用场景,达到掌握基本性质并能推导简单结论的水平,预期实现独立计算基础定积分和解释其物理意义的能力。 💡重点难点 重点内容:定积分的定义(分割–近似–求和–取极限)、几何意义(曲边梯形面积)、基本性质(线性性、区间可加性、比较定理)。 难点内容:极限过程与无穷分割的抽象理解;积分中值定理的证明与应用。 突破策略:通过动态几何演示(如Geogebra)展示分割过程;结合物理案例(变力做功)说明中值定理;设计阶梯式练习(从矩形分割到曲边梯形)。 💡教学内容 1. 定积分的概念 从曲边梯形面积引入定义:
几何意义:有向面积的代数和(示例:
在[0,1]的积分) 2. 核心性质 线性性:
区间可加性:
比较定理:若
,则
3. 积分中值定理 公式:
使
应用案例:连续函数的平均值计算 💡教学设计 环节名称 时间分配 具体安排
复习与提问 10分钟 回顾不定积分与微分关系,提问:“曲线下面积如何精确计算?”
新课程引入 15分钟 动态演示曲边梯形分割过程(PPT动画),引出黎曼和极限定义
新课程内容 40分钟 分模块讲解:① 定义与几何意义(20 min) ② 性质推导与证明(20 min)
课程思政融入10分钟 结合祖冲之割圆术,说明“极限思想”在中国古代数学中的早期应用
互动练习 20分钟 分组计算:
(用定义)、比较
与
(性质应用)
总结与作业布置 5分钟 强调定义与性质的逻辑关系,布置习题:教材P100例6变式 💡 需准备的素材 动态分割演示PPT (含Geogebra嵌入) 定积分性质对比表格(挂图) 阶梯式练习题库(3级难度) 祖冲之割圆术历史资料片段 💡 课后总结分析 优点:几何演示有效降低抽象理解难度,分组练习提升参与度 不足:积分中值定理的证明环节节奏偏快,部分学生反馈跟不上 改进方向:增加中值定理的物理模型(弹簧做功实验),补充分步骤证明动画 |