人工智能视域下的小学数学教学分析与模式设计

盛海迪　唐斌

摘 要 人工智能正在推动小学数学教学变革，推动小学数学教学进入智能化时代。基于人工智能的小学数学教学有着新的内涵诠释，促使小学数学教学向整体性、协同性及智能性方向发展。传统的教学分析通常存在对专家依赖性高、效率低等问题，融合人工智能的小学数学教学分析通过建立智能化的教学分析框架，达到提高教学分析效率和准确率的目的。在此基础上，依托人工智能技术构建小学数学教学模式，实现小学数学教学“云端呈现”“身临其境”“人机协同”及“动态提升”的目标，提高小学数学教学效率。

关  键  词 人工智能 小学数学 教学分析 教学模式

引用格式 盛海迪，唐斌.人工智能视域下的小学数学教学分析与模式设计[J].教学与管理，2023（11）：36-39.

近年来，伴随着云计算、大数据及AR等技术的涌现，人工智能技术不仅在医疗、工业等领域取得非凡的成就，同样还推动了教育领域的智能化变革[1，2]。早在2019年的国际人工智能教育大会中便有专家学者指出，人工智能技术的快速发展，势必会影响到教育教学，将人工智能与教育相融合可以依托人工智能平台、技术促使教育向更加智能化的方向发展[3]。因此，将人工智能与小学数学教学相融合既可以顺应人工智能的发展潮流，又能够推动小学数学教学向更智能化、更科学化的方向变革，提升小学数学教学质量。

一、基于人工智能的小学数学教学内涵阐释

早在2004年便有人提出将人工智能技术应用于学科教育当中，将基于人工智能技术的中小学教育界定为：“通过人工智能技术的使用、学习来改善教师和学生的教学方式，并且能够起到对教育理论和实践效果优化的作用”[4]。人工智能在小学数学教学中的应用通常是指在教学算法、数据分析等技术支撑的基础上，利用人工智能工具对师生的教学进行精准干预，形成一种智能化的教学生态，达到学生教育培养的真正目标[5，6]。

在“双减”政策背景下，从小学数学教学改革发展的角度出发进行研究，人工智能教育形态正在突破小学数学教学的链式模式，并逐步渗透至小学数学教学的各个方面。小学数学教学的变革在人工智能技术的基础上需要向以整体性、协同性及智能性为表征的教学方式发展。

1.基于智慧教学促进教学主客体变革，实现整体性教学

基于人工智能的小学数学教学是当今科技支持下的一种新的教育形态，相比于传统和信息化小学数学教学，其在教育和技术层面更具有优势[7]。智慧教学从某种程度上讲，是人工智能技术与小学数学教学相融合的一个重要的应用展示。在日常小学数学教学过程中引入人工智能技术可以促使传统教学模式结构发生转换。通过深度学习、模式识别等智能方式，可以协助教师完成教学过程中的角色重构。从学生角度出发，人工智能能够根据不同的学生个体制定个性化的学习模式，引导学生构建良好的数学思维。

2.基于数据驱动探索小学数学学习路网，实现协同性教学

大数据分析的引入，为小学数学教学带来发展的新契机。针对于小学数学教学而言，可以借助大数据的追踪和人工智能的融通对学生学习状况进行追踪和分析。人工智能技术在数学教学中的应用可以对学习资源进行“优胜劣汰”的筛选，从而使学生更高效地学习。教师也可以根据大数据分析的结果对学生掌握知识的情况进行排查，从而设计更有效的数学教学活动来弥补学生知识学习的薄弱环节。借助大数据驱动，可以更好地分析不同学生个体的特征，能够使学生全身心地投入课堂教学当中，对所学知识有一个较为全面的掌握，实现小学数学协同性教学。

3.基于人工智能寻求小学数学教学“求同存异”，实现智能性教学

从教学的本质上来讲，小学数学教学的初心是能够“因材施教”，根据不同学生个体的差异性，满足不同学生个体的自我发展需求，培养学生数学核心素养。引入人工智能技术后，自适应学习系统应运而生，为小学生数学学习提供了重要保障。它是在小学数学教学的基础上，探寻自适应的教学目标、教学内容等，构建不同学生个体的差异化模型。通过这种“求同存异”的方式可以解决传统小学数学教学过程中因为教师精力有限而无法展开“因材施教”的问题。

二、基于人工智能的小学数学教学分析

基于人工智能的小学数学教学分析主要由教学案例库、分析维度集及多元分析法三部分构成，其中分析维度集主要以视频文本为主，教学活动与时间取样结合构成多元分析法。教学案例库则按照课前、课堂及课后进行细致划分，从教学方案到教学反思和评语进行全方位覆盖。

1.建立基于多源数据的教学案例库

小学数学教学不仅指课堂师生之间的教学活动，还应该包括课前教学设计、课堂师生互动及课后反思评价等模块，由这些模块共同组成小学数学教学的连续体。课前的教学设计往往是课堂教学的预设框架，又经常以课前教案设计的方式进行展现。课堂教学现场生成可以借助视频录制的方式或者以文本记录的方式展现，该步骤是小学数学教学的灵魂。在课后部分，可以通过专家点评、教师集体评课的方式对课堂表现进行评价和总结，提出有益于教学的实质性改进建议。若是单纯就课前、课堂或课后某个时间段的内容进行分析，可能会导致学生无法理解教师的授课思路，对小学数学教学分析的有效性造成极大的限制[8]。如果將教学设计和教学视频等各自分开研究学习，就会造成信息的碎片化和有限性。因此，课前教案设计、课堂教学视频及课后反思共同构成较为完整的教学案例，从而组建成一个成体系的教学案例库，为后续基于人工智能技术进行教学分析提供一个数据储备和聚合中心。

2.建立基于多维度的分析维度集

现有的关于教学分析的研究是基于人工智能的小学数学教学分析的前提，对于建立多维度的分析维度集有着重要意义。通常针对课前教案的教学分析主要从教学目标、学生学习特征及教学各要素进行整体联系分析。针对教学目标编写的合理性主要从教学叙述方式和情境信息等方面着手研究，而针对学生学习特征则是从学生的知识背景、个体之间的差异性等方面进行分析[9]。整个小学数学教学分析从某种程度上讲可以从学生需求、教师经验、教学内容和教学方法等维度进行评价。

相比课前教案设计，课堂教学实施大部分通过教学视频或现场观察等方法对师生的行为和教学活动进行课堂教学分析。目前，利用Flanders法对师生言语分析，利用课堂切片法对小学数学教学过程中的教学活动进行分析，这些都是较为成熟的分析方法[10]。在课后反思分析方面主要利用情感、认知等维度进行分析，充分解决教学实施的差异性。

3.构建基于多元分析法的教学分析

就目前而言，针对小学数学的教学分析资源大部分是通过录制视频和教学文本来展现的。较为传统的做法便是采用常见的时间采样法，外加专家根据自身经验设置的量化表，再对视频按照时间进行一定顺序的编码、手工设计等操作。在这些复杂、繁琐的操作之后，才能得到一个相对较为完备的描述性的统计结果。而文本分析则更为繁琐，主要借助于目标分析、类属编码建立等操作进行，其实用性相对较差。

伴随着人工智能时代的到来，小学数学教学分析一方面需要利用传统教育教学过程中积累的经验，另一方面需要与时俱进，融入先进的人工智能技术，运用大数据、云计算、机器监督等手段，实现小学数学教学分析的多元化。

三、基于人工智能的小学数学教学模式构建

在小学数学教学分析研究的基础上，进一步对人工智能赋能下的小学数学教学模式进行研究。基于人工智能的教学模式设计主要将教师、学生，以及智能系统或智能设备这三者作为主体，构建一种智能化的小学数学教学模式[11]。该教学模式充分依托目前云数据、互联网及其他人工智能的硬件设备和软件系统的结合，通过人机协同、师生智能化互动等模块操作，针对学生个体的差异进行个性化、精准化教学。

1.基于“云-台-端”智能系统，推动小学数学教学可移动化，实现“云端呈现”

基于人工智能的小學数学教学离不开人工智能端应用工具的支撑，通过人工智能工具可以实现数学教学的全域交互、全景立场展示。在人工智能端应用和技术的加持下，小学数学教学应该形成如图3所示的“云-台-端”的教学系统，利用先进设备共同构建数学知识，帮助学生对所学数学知识有一个更深入、更全面的认知。利用云数据、人工智能端及智能教育平台三者之间的密切联接，推动小学数学教学的可移动化。在“云-台-端”组建的智能系统当中，主要依靠云数据对学生的学习轨迹和学习空间进行精准规划，人工智能教育平台则是汇聚小学数学教学课上和课下所需要的各类学习资源，在人工智能应用端则需要保证教师办公、备课等需求。这样，可以提高学生学习数学的兴趣，激发学生创新性思维，保证学生的数学活动体验感。人工智能端中的教师端还可以提供教师个性化教学的功能，充分涵盖线上、线下教学中所需要的各个模块（微课制作、个性化教学设计、学生动态评价等）。教师可以在系统当中根据学生的特征识别、语义表达等，制定学生个体的成果报告，进行作业的评价。

2.基于人工智能沉浸式媒体，增强小学数学学习体验感，实现“身临其境”

在小学数学教学过程中教师的首要任务是为学生创造一个和谐愉悦、沉浸交互的学习氛围，能够细心、全面地感知每位学生的学习需求，帮助不同的学生个体获得良好的数学学习体验。数学课堂可以简单地划分为课前、课堂与课后，课前借助于人工智能系统学生可以提前预习所学习的知识，课堂则需要教师以高效的手段进行内容导入。整个课堂的导入需要借助于智能化的沉浸式媒体，为师生学习营造出一种智慧与兴趣并存的全新的数学学习环境，提供不同的个性化学习空间。例如在圆柱体体积求解的时候，教师可以借助增强现实（AR）技术进行圆柱体的导入，让学生先简单了解、认识圆柱体。再通过AR技术展现圆柱体体积求解的具体过程，充分解释体积求解的原理。学生则可以借助AR技术，“身临其境”地利用小木棒来对圆柱体进行划分、旋转和观察，有助于学生更好地理解圆柱体体积求解公式的由来。

3.基于任务模块化驱动教学，探索小学数学实践性问题，实现“人机协同”

教师利用AR、VR等一系列人工智能沉浸式媒体，可以帮助学生对课堂所学习的相关数学知识的概念、意义及应用等有更深层次的理解，为后续利用所学数学知识解决生活中的数学问题奠定基础。然而，要想进一步地拓宽、延伸相关知识的学习，教师还需要借助人工智能教学系统中的任务模块来驱动教学，借助该模块完成整体知识结构的构建。例如，在学习小学数学乘法的时候，教师可以设置“涂一涂，算一算”等任务环节，使学生能够通过已学的知识和自身的生活实践，达到对新知识螺旋上升式的学习。教师主要借助人工智能设备，例如交互式的白板，通过白板呈现小正方形面积促使学生自己推导乘法的相关知识。此外，教师可以组织学生分组上讲台利用白板进行乘法计算比赛，充分调动学生的学习积极性，充分体现人机协同的优势。教师还可以借助人工智能设备将需要完成的任务推送给学生，在学习过程中，学生可以自由组队、分工操作，真正实现“做中学、学中做”，培养学生解决实践性问题的能力。

4.基于层级目标嵌入，提高小学数学练习精致度，实现“动态提升”

数学练习是小学数学教学不可缺少的一部分，练习既是所学知识的承载，也是学生自身能力拓展的背景条件。目前，许多小学数学课堂、课后练习的内容与学生所学数学知识存在一定的隔阂，且练习题的质量参差不齐。许多时候，学生做练习并非“主动式”，而是被教学环节推动，成为“被动式”。基于人工智能的小学数学教学提倡的是一种“层级目标嵌入式”的精致练习，其中“目标”指的是对所学习的数学知识的“固守”，而“精致”则是指教师对学生学习知识后的反馈的一种“期待”。教师可以在开始的时候利用人工智能教学系统通过智能思维导图的方式设置初始的教学目标。例如，在立体几何体积求取的教学中，可以将了解立体几何的相关特性作为初始目标，将掌握立体几何的体积计算并进行实践运用作为终极目标。此时，可以嵌入层级目标——“立体几何的由来”和“立体几何常见种类”，建立立体几何体积求解的基本单元。此外，教师在布置练习题的时候需要考虑到新旧知识的衔接性，在巩固新知识的时候，能够对已学知识点进行巩固。

将人工智能融入小学数学教学已经成为教育变革的必然趋势。人工智能技术的引入为小学数学教学注入新的活力，促使我们以一种新的方式来对待教学。通过基于人工智能的教学分析和教学模式的构建，使得日常教学决策更具科学性和实用性。

参考文献

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［责任编辑：陈国庆］