以深度融合智能技術為特點的小學數學實驗課程的研究

陳建華

摘 要：數學實驗是構建學生數學知識架構的重要手段，隨著智能時代的到來，探索小學數學實驗課程與智能技術融合有著迫切的現實需要。新冠疫情防控以來的線上教學實踐中，融合智能技術的線上實驗解決了教學需求。深度融合智能技術也給數學實驗教學帶來了變革。在這個學習場景中，學生能夠通過環境的體驗來完成知識的學習過程，這在很大程度上提高學生學習的效率。

關鍵詞：智能技術；深度融合；數學實驗

《義務教育數學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課標》）提出“促進信息技術與數學課程融合，合理利用現代信息技術，提供豐富的學習資源，設計生動的教學活動，促進數學教學方式方法的變革”。在實際問題解決中，創設合理的信息化學習環境，提升學生的探究熱情，開闊學生的視野，提高學生的信息素養。

學生學習應當是一個生動活潑的、主動的和富有個性的過程。動手實踐、自主探索與合作交流同樣是學習數學的重要方式。學生應當有足夠的時間和空間經歷觀察、實驗、猜測、計算、推理、驗證等活動過程。新課標征求意見稿中也提出“引導學生在真實的情境中發現問題和提出問題，運用觀察、猜測、實驗、計算、推理、驗證、數據分析、直觀想象等方法分析問題和解決問題”。實驗教學貫穿整個小學數學學習階段，從一年級時的“數小木棒”認識數，到六年級驗證圓錐體積是等底等高圓柱體積的三分之一而拿起燒杯做實驗，學生逐步構建其數學知識架構。同時《課標》提出“數學課程的設計與實施應根據實際情況合理地運用現代信息技術，要注意信息技術與課程內容的整合，注重實效”。隨著智能時代的到來，探索小學數學實驗課程與智能技術融合，有著迫切需要。

一、在小學數學實驗教學應用智能技術具有迫切性

（一）疫情防控背景下的迫切性

新冠疫情防控以來的線上教學實踐，讓廣大教師感受到了智能技術的發展所帶來的教育變革。2020年，為堅決打贏新型冠狀病毒感染的肺炎疫情防控阻擊戰，確保廣大師生生命安全和身體健康，根據教育部及省、市疫情防控指揮部的要求，全國各地中小學春季學期延遲開學時間，全面開展線上教學。為充分開發和利用各類學習資源，實現學生“離校不離教，停課不停學”，我校師生實施了“線上課堂”。在疫情期間的教學中，課堂中進行數學實驗成為一大難題。教師沒法把實驗實物器材發給學生動手操作，數據收集及處理因直播軟件的功能單一而困難重重。為了有更好的教學效果，筆者設法在網上查找相關處理方法，結果所獲甚少。在與科組教師們共同的鉆研下，我們利用移動同屏技術很好地解決了多角度展現師生實驗的過程，利用在線數據編輯實現多人同時記錄實驗數據，利用虛擬實驗的軟件進行個別實驗的模擬。這些嘗試，取得一定的效果。我們嘗試使用一些“智能改作業”的軟件輔助改作業，確實感受到智能技術帶來的便利與高效。

（二）為國育才背景下的迫切性

2019年，哈德遜研究所高級研究員Arthur Herman在《中美高科技之戰》一文中寫道：“中國正在和美國爭奪從機器人和先進通信業，到人工智能、超級計算機和未來的量子計算機領域的高科技優勢……雖然美國仍在擔心推進人工智能研究可能會導致終結者式的大災難，但中國已經制定了一項目標，即到2030年投資1500億美元爭取成為人工智能全球領導者。”

未來已來，將至已至。高科技之戰，就是高科技人才之戰。時代的發展需要素養全面發展的科技人才。小學數學作為學生思維發展的啟蒙學科，在實驗教學中應用智能技術，為國家和社會需要的科技人才打下知識基礎，確有迫切性。

二、智能技術在數學實驗教學的未來是“深度融合”

“深度融合”是智能技術在教育教學中更深層次的應用，而從目前來看，智能技術對小學數學實驗教學所產生的影響卻不顯著，教學模式、教學方法、學習方式等還沒有從根本上發生變化。

（一）中外對數學實驗研究現狀及成果

1. 基于小學數學實驗的研究現狀

數學實驗起初是與大學數學建模教學聯系在一起的，20世紀開始，數學實驗被眾多大學師生所認同，認識到其重要性。進入21世紀，數學實驗開始在中學階段展開研究實施，廣大教學研究者和教師進行了大量的理論研究與教學實驗，并取得一定進展，如徐厚生《數學實驗教學的探索與實踐》、楊超《初中數學實驗的實證研究》等。但小學數學實驗的教學非常少，盡管小學數學教材中有一些可以進行數學實驗的內容，但是由于大多數教師不了解數學實驗，對其意義缺乏認識，而數學實驗的資源又不足，缺乏具體操作的工具和材料，所以真正落實開展得很少，展開專項研究的更是屈指可數。

正因如此，小學數學實驗目前還是一個比較新的研究領域，在目標制定、具體設計、教學策略等方面都有進一步探索的空間。

2. 國內外智能技術融合小學數學實驗課程的研究

在國內外，數學實驗主要有兩種形式。其中一種認為數學實驗就是對數學的一種應用，讓學生利用數學軟件、模型進行學習，逐步培養學生使用數學軟件來解決數學問題的能力。數學實驗可以培養學生的數學思維，幫助學生提高運用數學解決實際問題的能力。

另外一種認為數學實驗是以智能技術為工具，去探索數學、認識數學、學習數學，讓學生自主地投入到發現、探究、解決問題當中去，進一步地可以開發出學生的創新能力。把雙創教育作為一種教學理念，分析數學實驗教學與雙創教育相融合的必要性和意義。雙創教育背景下，以研究性學習為導向，對于數學實驗課程的教學設計和教學方法進行了一些探索，給出了具體的做法。根據數學實驗的學習內容，我們把每次課的講解部分利用智能技術錄制成教學視頻，在視頻中詳細講解實驗所需要的數學知識和實現相關運算的軟件操作方法，我們把課程的重點放在數學原理到軟件實現的“翻譯”上，也就是重點介紹如何用軟件來實現數學運算。

（二）實驗教學與智能技術深度融合的必然性

1. 教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》中在關于智能實驗室方面內容提出“加快面向下一代網絡的高校智能學習體系建設。適應5G網絡技術發展，服務全時域、全空域、全受眾的智能學習新要求，以增強知識傳授、能力培養和素質提升的效率和效果為重點，以國家精品在線開放課程、示范性虛擬仿真實驗教學項目等建設為載體，加強大容量智能教學資源建設，加快建設在線智能教室、智能實驗室、虛擬工廠（醫院）等智能學習空間，積極探索基于區塊鏈、大數據等新技術的智能學習效果記錄、轉移、交換、認證等有效方式，形成泛在化、智能化學習體系，推進信息技術和智能技術深度融入教育教學全過程，打造教育發展國際競爭新增長”。我國實驗教學在走向與智能技術的深度融合。

2. 實驗教學與智能技術深度融合的概念界定。深度融合是智能信息技術與教學結合的最高境界，其他的結合方式存在問題，應該改進和提升。

（1）智能技術與學科教學深度融合：致力于改變學生的學習方式，從根本上改變傳統教和學的觀念以及相應的學習目標、方法和評價手段，發展學生的思維；但在學科“融合”上一定要把握好智能技術使用的度，注意時機和時間，注意為學生提供充分地觀察比較、分析綜合、歸納概括的機會。

（2）智能技術與小學數學實驗課程深度融合：是以智能技術軟件為工具，去探索數學、認識數學、學習數學，讓學生自主地投入到發現、探究、解決問題當中去，在小學數學實驗過程中把現代智能技術、信息資源和課程有機融合，建構有效的教學方式，促進教學的最優化。

（三）開發相應的校本教材是必然之道

目前小學數學學科并沒有專門的數學實驗教材或手冊，開發以深度融合智能技術為特點的小學數學實驗課程校本教材更深遠的意義。以小學五年級為例，結合小學五年級學生年齡、學習心理特點及信息技術水平，研究以深度融合智能技術為特點的小學五年級數學實驗校本教材的開發。教材采用《課標》的課程目標、實施計劃、評價方式。在《以深度融合智能技術為特點的小學數學實驗課程校本教材》開發后，研究其在數學實驗課程的應用效果，及探索出“線上”＋“線下”的智能數學實驗課堂模式，更具有實用性。

教師應當充分利用日常生活環境中與數學有關的信息，開發教學資源。有條件的學校可以建立“數學實驗室”或互聯網平臺供學生使用，拓展學生的學習視域，培養學生數據與信息收集、處理能力，以及實踐創新能力，發展個性品質與創新精神，促進“不同的人在數學上得到不同的發展”。數學實驗與互聯網關聯類的教材或手冊的開發，符合未來數學教育的需求，也是智能技術與數學實驗教學“深度融合”的過程。

三、智能技術與數學實驗課程融合能產生更大效能

數學實驗是指為探索數學規律、構建數學概念或解決數學問題，在數學思維活動參與下，基于特定的物體條件通過具體的操作進行的一種數學探索。數學實驗正是建立在學生認知水平和已有知識經驗基礎上，能把抽象的數學問題直觀化地去探索。而實驗過程能讓學生快速建模，因此有助于學生理解題意。在日常教學中，教師常在課堂中利用教學具，以提高學習過程，采用仿真和模擬的方法，再現實際問題的應用過程，使學生身在其中，理解題意。例如行程問題中可帶上實驗室的“平板小車”，用線拉動進行演示，體積問題則用長方體盒子和量杯等用水做實驗。這樣邊玩邊學習，學生也能從直觀形象中理解數量關系，感受到了數學應用的真實性。

在實驗中，學生的經歷過程是這樣的：

通過實物進行實驗的難點有二，一是不能完全模擬，如相遇問題中的，兩車的速度不一，很難精確模擬；二是從直觀再到抽象，對學生歸納總結能力又提出了新要求。學生在實物實驗中要賦予實驗器材數據，并轉化利用，對于中下生來說還是有一定的難度的。

在智能技術輔助下，同樣的實驗可以虛擬情境來實現，并可以同時賦予更多的信息。如上面提到行程問題，在虛擬實驗室中，學生通過VR眼鏡真實地體驗兩輛汽車行駛的情境。同時汽車上能顯現速度、路程，學生可以直觀地看到行駛過程的數據變化。這是一個直觀的過程。

但這也產生一連串的疑問，這些數據是設定好的？還是實際發生所產生的呢？真實的情境中會是這樣的嗎？正如用動畫模擬等底等高的圓錐體積是圓柱體積的三分之一時，在課堂上播放這些動畫時通常不能引起學生的共鳴。其效果遠遠不如直接用燒杯倒水來得震撼、真實。

如何將實物實驗與智能技術兩者結合，筆者進行了一些嘗試，取得了不錯的效果。在教授“相遇問題”一課時，利用學校的智能機器人小車現有資源，進行實驗教學。在課堂上把全班同學分成了6個大組，讓智能機器人社團的學生組織組員編程，并且在大屏幕上，展示程序執行的過程。屏幕上展示速度變化，而講臺前的長木板則是兩輛智能機器人小車以不同速度相對而行，當兩車相遇時自動停止。整個實驗過程，學生全體參與了機器人小車的編程，到最后直觀的實驗展示。學生對相遇問題中各個量之間的關系有了非常清澈理解。在課后即時進行的檢測中，所有學生能獨立完成全部5道題。

從實踐來看，智能技術賦予小學數學實驗課程了以下三點作用。其一釋放教師的精力與學生的創新力。其二是學習效率會得到提升，而且可以做到因材施教。其三是會全面激發學生的求知欲，讓學生的學習從被動轉變為主動，這也是人工智能技術的一個重要優勢。在這個學習場景中，學生能夠通過環境的體驗來完成知識的學習過程，這會在很大程度上促進學習的效率。

目前而言，對于以深度融合智能技術為特點的小學數學實驗課程研究尚處于起步階段，但其前景及目前帶給師生的效能是正面的。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.義務教育數學課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］劉躍武.數學實驗課程的教學改革與實踐［J］.教育觀察，2016（05）.

［3］高文華，高麗，韓樂.雙創教育背景下數學實驗課程的教學研究與實踐［J］.當代教育理論與實踐，2019（11）.

［4］梅紅，張智豐，覃森.數學實驗課程翻轉課堂教學模式的研究與實踐［J］.教育現代化，2016（10）.