人工智能視域下的小學數學教學分析與模式設計

盛海迪　唐斌

摘 要 人工智能正在推動小學數學教學變革，推動小學數學教學進入智能化時代。基于人工智能的小學數學教學有著新的內涵詮釋，促使小學數學教學向整體性、協同性及智能性方向發展。傳統的教學分析通常存在對專家依賴性高、效率低等問題，融合人工智能的小學數學教學分析通過建立智能化的教學分析框架，達到提高教學分析效率和準確率的目的。在此基礎上，依托人工智能技術構建小學數學教學模式，實現小學數學教學“云端呈現”“身臨其境”“人機協同”及“動態提升”的目標，提高小學數學教學效率。

關? 鍵? 詞 人工智能 小學數學 教學分析 教學模式

引用格式 盛海迪，唐斌.人工智能視域下的小學數學教學分析與模式設計[J].教學與管理，2023（11）：36-39.

近年來，伴隨著云計算、大數據及AR等技術的涌現，人工智能技術不僅在醫療、工業等領域取得非凡的成就，同樣還推動了教育領域的智能化變革[1，2]。早在2019年的國際人工智能教育大會中便有專家學者指出，人工智能技術的快速發展，勢必會影響到教育教學，將人工智能與教育相融合可以依托人工智能平臺、技術促使教育向更加智能化的方向發展[3]。因此，將人工智能與小學數學教學相融合既可以順應人工智能的發展潮流，又能夠推動小學數學教學向更智能化、更科學化的方向變革，提升小學數學教學質量。

一、基于人工智能的小學數學教學內涵闡釋

早在2004年便有人提出將人工智能技術應用于學科教育當中，將基于人工智能技術的中小學教育界定為：“通過人工智能技術的使用、學習來改善教師和學生的教學方式，并且能夠起到對教育理論和實踐效果優化的作用”[4]。人工智能在小學數學教學中的應用通常是指在教學算法、數據分析等技術支撐的基礎上，利用人工智能工具對師生的教學進行精準干預，形成一種智能化的教學生態，達到學生教育培養的真正目標[5，6]。

在“雙減”政策背景下，從小學數學教學改革發展的角度出發進行研究，人工智能教育形態正在突破小學數學教學的鏈式模式，并逐步滲透至小學數學教學的各個方面。小學數學教學的變革在人工智能技術的基礎上需要向以整體性、協同性及智能性為表征的教學方式發展。

1.基于智慧教學促進教學主客體變革，實現整體性教學

基于人工智能的小學數學教學是當今科技支持下的一種新的教育形態，相比于傳統和信息化小學數學教學，其在教育和技術層面更具有優勢[7]。智慧教學從某種程度上講，是人工智能技術與小學數學教學相融合的一個重要的應用展示。在日常小學數學教學過程中引入人工智能技術可以促使傳統教學模式結構發生轉換。通過深度學習、模式識別等智能方式，可以協助教師完成教學過程中的角色重構。從學生角度出發，人工智能能夠根據不同的學生個體制定個性化的學習模式，引導學生構建良好的數學思維。

2.基于數據驅動探索小學數學學習路網，實現協同性教學

大數據分析的引入，為小學數學教學帶來發展的新契機。針對于小學數學教學而言，可以借助大數據的追蹤和人工智能的融通對學生學習狀況進行追蹤和分析。人工智能技術在數學教學中的應用可以對學習資源進行“優勝劣汰”的篩選，從而使學生更高效地學習。教師也可以根據大數據分析的結果對學生掌握知識的情況進行排查，從而設計更有效的數學教學活動來彌補學生知識學習的薄弱環節。借助大數據驅動，可以更好地分析不同學生個體的特征，能夠使學生全身心地投入課堂教學當中，對所學知識有一個較為全面的掌握，實現小學數學協同性教學。

3.基于人工智能尋求小學數學教學“求同存異”，實現智能性教學

從教學的本質上來講，小學數學教學的初心是能夠“因材施教”，根據不同學生個體的差異性，滿足不同學生個體的自我發展需求，培養學生數學核心素養。引入人工智能技術后，自適應學習系統應運而生，為小學生數學學習提供了重要保障。它是在小學數學教學的基礎上，探尋自適應的教學目標、教學內容等，構建不同學生個體的差異化模型。通過這種“求同存異”的方式可以解決傳統小學數學教學過程中因為教師精力有限而無法展開“因材施教”的問題。

二、基于人工智能的小學數學教學分析

基于人工智能的小學數學教學分析主要由教學案例庫、分析維度集及多元分析法三部分構成，其中分析維度集主要以視頻文本為主，教學活動與時間取樣結合構成多元分析法。教學案例庫則按照課前、課堂及課后進行細致劃分，從教學方案到教學反思和評語進行全方位覆蓋。

1.建立基于多源數據的教學案例庫

小學數學教學不僅指課堂師生之間的教學活動，還應該包括課前教學設計、課堂師生互動及課后反思評價等模塊，由這些模塊共同組成小學數學教學的連續體。課前的教學設計往往是課堂教學的預設框架，又經常以課前教案設計的方式進行展現。課堂教學現場生成可以借助視頻錄制的方式或者以文本記錄的方式展現，該步驟是小學數學教學的靈魂。在課后部分，可以通過專家點評、教師集體評課的方式對課堂表現進行評價和總結，提出有益于教學的實質性改進建議。若是單純就課前、課堂或課后某個時間段的內容進行分析，可能會導致學生無法理解教師的授課思路，對小學數學教學分析的有效性造成極大的限制[8]。如果將教學設計和教學視頻等各自分開研究學習，就會造成信息的碎片化和有限性。因此，課前教案設計、課堂教學視頻及課后反思共同構成較為完整的教學案例，從而組建成一個成體系的教學案例庫，為后續基于人工智能技術進行教學分析提供一個數據儲備和聚合中心。

2.建立基于多維度的分析維度集

現有的關于教學分析的研究是基于人工智能的小學數學教學分析的前提，對于建立多維度的分析維度集有著重要意義。通常針對課前教案的教學分析主要從教學目標、學生學習特征及教學各要素進行整體聯系分析。針對教學目標編寫的合理性主要從教學敘述方式和情境信息等方面著手研究，而針對學生學習特征則是從學生的知識背景、個體之間的差異性等方面進行分析[9]。整個小學數學教學分析從某種程度上講可以從學生需求、教師經驗、教學內容和教學方法等維度進行評價。

相比課前教案設計，課堂教學實施大部分通過教學視頻或現場觀察等方法對師生的行為和教學活動進行課堂教學分析。目前，利用Flanders法對師生言語分析，利用課堂切片法對小學數學教學過程中的教學活動進行分析，這些都是較為成熟的分析方法[10]。在課后反思分析方面主要利用情感、認知等維度進行分析，充分解決教學實施的差異性。

3.構建基于多元分析法的教學分析

就目前而言，針對小學數學的教學分析資源大部分是通過錄制視頻和教學文本來展現的。較為傳統的做法便是采用常見的時間采樣法，外加專家根據自身經驗設置的量化表，再對視頻按照時間進行一定順序的編碼、手工設計等操作。在這些復雜、繁瑣的操作之后，才能得到一個相對較為完備的描述性的統計結果。而文本分析則更為繁瑣，主要借助于目標分析、類屬編碼建立等操作進行，其實用性相對較差。

伴隨著人工智能時代的到來，小學數學教學分析一方面需要利用傳統教育教學過程中積累的經驗，另一方面需要與時俱進，融入先進的人工智能技術，運用大數據、云計算、機器監督等手段，實現小學數學教學分析的多元化。

三、基于人工智能的小學數學教學模式構建

在小學數學教學分析研究的基礎上，進一步對人工智能賦能下的小學數學教學模式進行研究。基于人工智能的教學模式設計主要將教師、學生，以及智能系統或智能設備這三者作為主體，構建一種智能化的小學數學教學模式[11]。該教學模式充分依托目前云數據、互聯網及其他人工智能的硬件設備和軟件系統的結合，通過人機協同、師生智能化互動等模塊操作，針對學生個體的差異進行個性化、精準化教學。

1.基于“云-臺-端”智能系統，推動小學數學教學可移動化，實現“云端呈現”

基于人工智能的小學數學教學離不開人工智能端應用工具的支撐，通過人工智能工具可以實現數學教學的全域交互、全景立場展示。在人工智能端應用和技術的加持下，小學數學教學應該形成如圖3所示的“云-臺-端”的教學系統，利用先進設備共同構建數學知識，幫助學生對所學數學知識有一個更深入、更全面的認知。利用云數據、人工智能端及智能教育平臺三者之間的密切聯接，推動小學數學教學的可移動化。在“云-臺-端”組建的智能系統當中，主要依靠云數據對學生的學習軌跡和學習空間進行精準規劃，人工智能教育平臺則是匯聚小學數學教學課上和課下所需要的各類學習資源，在人工智能應用端則需要保證教師辦公、備課等需求。這樣，可以提高學生學習數學的興趣，激發學生創新性思維，保證學生的數學活動體驗感。人工智能端中的教師端還可以提供教師個性化教學的功能，充分涵蓋線上、線下教學中所需要的各個模塊（微課制作、個性化教學設計、學生動態評價等）。教師可以在系統當中根據學生的特征識別、語義表達等，制定學生個體的成果報告，進行作業的評價。

2.基于人工智能沉浸式媒體，增強小學數學學習體驗感，實現“身臨其境”

在小學數學教學過程中教師的首要任務是為學生創造一個和諧愉悅、沉浸交互的學習氛圍，能夠細心、全面地感知每位學生的學習需求，幫助不同的學生個體獲得良好的數學學習體驗。數學課堂可以簡單地劃分為課前、課堂與課后，課前借助于人工智能系統學生可以提前預習所學習的知識，課堂則需要教師以高效的手段進行內容導入。整個課堂的導入需要借助于智能化的沉浸式媒體，為師生學習營造出一種智慧與興趣并存的全新的數學學習環境，提供不同的個性化學習空間。例如在圓柱體體積求解的時候，教師可以借助增強現實（AR）技術進行圓柱體的導入，讓學生先簡單了解、認識圓柱體。再通過AR技術展現圓柱體體積求解的具體過程，充分解釋體積求解的原理。學生則可以借助AR技術，“身臨其境”地利用小木棒來對圓柱體進行劃分、旋轉和觀察，有助于學生更好地理解圓柱體體積求解公式的由來。

3.基于任務模塊化驅動教學，探索小學數學實踐性問題，實現“人機協同”

教師利用AR、VR等一系列人工智能沉浸式媒體，可以幫助學生對課堂所學習的相關數學知識的概念、意義及應用等有更深層次的理解，為后續利用所學數學知識解決生活中的數學問題奠定基礎。然而，要想進一步地拓寬、延伸相關知識的學習，教師還需要借助人工智能教學系統中的任務模塊來驅動教學，借助該模塊完成整體知識結構的構建。例如，在學習小學數學乘法的時候，教師可以設置“涂一涂，算一算”等任務環節，使學生能夠通過已學的知識和自身的生活實踐，達到對新知識螺旋上升式的學習。教師主要借助人工智能設備，例如交互式的白板，通過白板呈現小正方形面積促使學生自己推導乘法的相關知識。此外，教師可以組織學生分組上講臺利用白板進行乘法計算比賽，充分調動學生的學習積極性，充分體現人機協同的優勢。教師還可以借助人工智能設備將需要完成的任務推送給學生，在學習過程中，學生可以自由組隊、分工操作，真正實現“做中學、學中做”，培養學生解決實踐性問題的能力。

4.基于層級目標嵌入，提高小學數學練習精致度，實現“動態提升”

數學練習是小學數學教學不可缺少的一部分，練習既是所學知識的承載，也是學生自身能力拓展的背景條件。目前，許多小學數學課堂、課后練習的內容與學生所學數學知識存在一定的隔閡，且練習題的質量參差不齊。許多時候，學生做練習并非“主動式”，而是被教學環節推動，成為“被動式”。基于人工智能的小學數學教學提倡的是一種“層級目標嵌入式”的精致練習，其中“目標”指的是對所學習的數學知識的“固守”，而“精致”則是指教師對學生學習知識后的反饋的一種“期待”。教師可以在開始的時候利用人工智能教學系統通過智能思維導圖的方式設置初始的教學目標。例如，在立體幾何體積求取的教學中，可以將了解立體幾何的相關特性作為初始目標，將掌握立體幾何的體積計算并進行實踐運用作為終極目標。此時，可以嵌入層級目標——“立體幾何的由來”和“立體幾何常見種類”，建立立體幾何體積求解的基本單元。此外，教師在布置練習題的時候需要考慮到新舊知識的銜接性，在鞏固新知識的時候，能夠對已學知識點進行鞏固。

將人工智能融入小學數學教學已經成為教育變革的必然趨勢。人工智能技術的引入為小學數學教學注入新的活力，促使我們以一種新的方式來對待教學。通過基于人工智能的教學分析和教學模式的構建，使得日常教學決策更具科學性和實用性。

參考文獻

[1] 馬羊琴，蔣晶，周勇.基于人工智能技術的實踐教學改革的研究[J].科技風，2022（06）：132-135.

[2] 許世紅，鄧偉倫，王芳，等.人工智能視域下課堂教學智慧評價：CSMS推動小學數學核心素養培育的案例研究[J].教育測量與評價，2022（04）：30-42.

[3] 張永梅，杜治蓉，馬禮.人工智能技術課程實踐教學改革[J].計算機時代，2021（02）：83-85+89.

[4] 彭紹東.信息技術教育學[M].長沙：湖南師范大學出版社，2002：399-417.

[5] 林藝寶.淺談在智能化時代創新小學數學教學的策略[J].天天愛科學：教育前沿，2022（07）：58-60.

[6] 王安民.讓人工智能走進小學數學課堂[J].天津教育，2022（14）：49-51.

[7] 張秀梅.小學數學智慧課堂的構建與實踐分析[J].智力，2022（23）：1-4.

[8] Walker R，Adelman C. Interaction analysis in informal classrooms：A critical comment on the Flanders’system [J]. British Journal of Educational Psychology，2011，45（1）：73-76.

[9] 鄭隆威，馮園園，顧小清.學習成果可測了嗎：基于學習分析方法的認知分類有效性研究[J].電化教育研究，2019，40（01）：77-86.

[10] 黃寶權.基于課堂教學切片診斷的課堂觀察[J].教育科學研究，2017（09）：46-49.

[11] 華璐璐.人工智能促進教學變革研究[D].徐州：江蘇師范大學，2018．

［責任編輯：陳國慶］