В последние годы технологии искусственного интеллекта стремительно развиваются, открывая новые возможности в преподавании математических дисциплин в системе высшего образования. В связи с этим в работе была поставлена цель разработать методическую модель обучения высшей математике на основе искусственного интеллекта, а также предложить диагностико-аналитический инструментарий для оценки эффективности данной модели. В ходе работы были определены конкретные функции, выполняемые виртуальным сборником задач и интеллектуальным чат-ботом, установлены порядок применения технологии и её внутренняя структура, сформулированы критерии измерения учебных достижений, разработана анкета для оценки удовлетворённости студентов, сформирован порядок сбора данных и статистической обработки, а предложенный аналитический аппарат прошёл проверку на модельных данных. Методическая модель состоит из четырёх тесно взаимосвязанных блоков-целевого, содержательно-технологического, организационно-деятельностного и оценочно-результативного, а также разработаны три уровня интеллектуальной поддержки: ориентирующий, направляющий и разъясняющий. Для оценки результатов предложены две группы показателей – учебные достижения и удовлетворённость студентов, а валидация, проведённая на основе модельных данных, подтвердила работоспособность предложенного аналитического протокола. Научная новизна исследования заключается в сочетании виртуального сборника задач и чат-бота в едином учебном цикле с регулируемыми уровнями ИИ-поддержки и двухкомпонентной системой оценки. Практическая значимость определяется возможностью применения разработанной модели и инструментов в высших учебных заведениях Республики Казахстан.