人工智能視域下的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析與模式設(shè)計(jì)

盛海迪　唐斌

摘 要 人工智能正在推動小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)變革，推動小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)進(jìn)入智能化時(shí)代?；谌斯ぶ悄艿男W(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)有著新的內(nèi)涵詮釋，促使小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)向整體性、協(xié)同性及智能性方向發(fā)展。傳統(tǒng)的教學(xué)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(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析通過建立智能化的教學(xué)分析框架，達(dá)到提高教學(xué)分析效率和準(zhǔn)確率的目的。在此基礎(chǔ)上，依托人工智能技術(shù)構(gòu)建小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)“云端呈現(xiàn)”“身臨其境”“人機(jī)協(xié)同”及“動態(tài)提升”的目標(biāo)，提高小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)效率。

關(guān)? 鍵? 詞 人工智能 小學(xué)數(shù)學(xué) 教學(xué)分析 教學(xué)模式

引用格式 盛海迪，唐斌.人工智能視域下的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析與模式設(shè)計(jì)[J].教學(xué)與管理，2023（11）：36-39.

近年來，伴隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及AR等技術(shù)的涌現(xiàn)，人工智能技術(shù)不僅在醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域取得非凡的成就，同樣還推動了教育領(lǐng)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(xué)者指出，人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，勢必會影響到教育教學(xué)，將人工智能與教育相融合可以依托人工智能平臺、技術(shù)促使教育向更加智能化的方向發(fā)展[3]。因此，將人工智能與小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)相融合既可以順應(yīng)人工智能的發(fā)展潮流，又能夠推動小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)向更智能化、更科學(xué)化的方向變革，提升小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

一、基于人工智能的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)涵闡釋

早在2004年便有人提出將人工智能技術(shù)應(yīng)用于學(xué)科教育當(dāng)中，將基于人工智能技術(shù)的中小學(xué)教育界定為：“通過人工智能技術(shù)的使用、學(xué)習(xí)來改善教師和學(xué)生的教學(xué)方式，并且能夠起到對教育理論和實(shí)踐效果優(yōu)化的作用”[4]。人工智能在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用通常是指在教學(xué)算法、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)支撐的基礎(chǔ)上，利用人工智能工具對師生的教學(xué)進(jìn)行精準(zhǔn)干預(yù)，形成一種智能化的教學(xué)生態(tài)，達(dá)到學(xué)生教育培養(yǎng)的真正目標(biāo)[5，6]。

在“雙減”政策背景下，從小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革發(fā)展的角度出發(fā)進(jìn)行研究，人工智能教育形態(tài)正在突破小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的鏈?zhǔn)侥Ｊ?，并逐步滲透至小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的各個(gè)方面。小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的變革在人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)上需要向以整體性、協(xié)同性及智能性為表征的教學(xué)方式發(fā)展。

1.基于智慧教學(xué)促進(jìn)教學(xué)主客體變革，實(shí)現(xiàn)整體性教學(xué)

基于人工智能的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)是當(dāng)今科技支持下的一種新的教育形態(tài)，相比于傳統(tǒng)和信息化小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)，其在教育和技術(shù)層面更具有優(yōu)勢[7]。智慧教學(xué)從某種程度上講，是人工智能技術(shù)與小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)相融合的一個(gè)重要的應(yīng)用展示。在日常小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)過程中引入人工智能技術(shù)可以促使傳統(tǒng)教學(xué)模式結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)換。通過深度學(xué)習(xí)、模式識別等智能方式，可以協(xié)助教師完成教學(xué)過程中的角色重構(gòu)。從學(xué)生角度出發(fā)，人工智能能夠根據(jù)不同的學(xué)生個(gè)體制定個(gè)性化的學(xué)習(xí)模式，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建良好的數(shù)學(xué)思維。

2.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動探索小學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)路網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同性教學(xué)

大數(shù)據(jù)分析的引入，為小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)帶來發(fā)展的新契機(jī)。針對于小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)而言，可以借助大數(shù)據(jù)的追蹤和人工智能的融通對學(xué)生學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行追蹤和分析。人工智能技術(shù)在數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用可以對學(xué)習(xí)資源進(jìn)行“優(yōu)勝劣汰”的篩選，從而使學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)。教師也可以根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果對學(xué)生掌握知識的情況進(jìn)行排查，從而設(shè)計(jì)更有效的數(shù)學(xué)教學(xué)活動來彌補(bǔ)學(xué)生知識學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)。借助大數(shù)據(jù)驅(qū)動，可以更好地分析不同學(xué)生個(gè)體的特征，能夠使學(xué)生全身心地投入課堂教學(xué)當(dāng)中，對所學(xué)知識有一個(gè)較為全面的掌握，實(shí)現(xiàn)小學(xué)數(shù)學(xué)協(xié)同性教學(xué)。

3.基于人工智能尋求小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)“求同存異”，實(shí)現(xiàn)智能性教學(xué)

從教學(xué)的本質(zhì)上來講，小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的初心是能夠“因材施教”，根據(jù)不同學(xué)生個(gè)體的差異性，滿足不同學(xué)生個(gè)體的自我發(fā)展需求，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)。引入人工智能技術(shù)后，自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，為小學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)提供了重要保障。它是在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的基礎(chǔ)上，探尋自適應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容等，構(gòu)建不同學(xué)生個(gè)體的差異化模型。通過這種“求同存異”的方式可以解決傳統(tǒng)小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)過程中因?yàn)榻處熅τ邢薅鵁o法展開“因材施教”的問題。

二、基于人工智能的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析

基于人工智能的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析主要由教學(xué)案例庫、分析維度集及多元分析法三部分構(gòu)成，其中分析維度集主要以視頻文本為主，教學(xué)活動與時(shí)間取樣結(jié)合構(gòu)成多元分析法。教學(xué)案例庫則按照課前、課堂及課后進(jìn)行細(xì)致劃分，從教學(xué)方案到教學(xué)反思和評語進(jìn)行全方位覆蓋。

1.建立基于多源數(shù)據(jù)的教學(xué)案例庫

小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)不僅指課堂師生之間的教學(xué)活動，還應(yīng)該包括課前教學(xué)設(shè)計(jì)、課堂師生互動及課后反思評價(jià)等模塊，由這些模塊共同組成小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的連續(xù)體。課前的教學(xué)設(shè)計(jì)往往是課堂教學(xué)的預(yù)設(shè)框架，又經(jīng)常以課前教案設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行展現(xiàn)。課堂教學(xué)現(xiàn)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(xiàn)，該步驟是小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的靈魂。在課后部分，可以通過專家點(diǎn)評、教師集體評課的方式對課堂表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)和總結(jié)，提出有益于教學(xué)的實(shí)質(zhì)性改進(jìn)建議。若是單純就課前、課堂或課后某個(gè)時(shí)間段的內(nèi)容進(jìn)行分析，可能會導(dǎo)致學(xué)生無法理解教師的授課思路，對小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析的有效性造成極大的限制[8]。如果將教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)視頻等各自分開研究學(xué)習(xí)，就會造成信息的碎片化和有限性。因此，課前教案設(shè)計(jì)、課堂教學(xué)視頻及課后反思共同構(gòu)成較為完整的教學(xué)案例，從而組建成一個(gè)成體系的教學(xué)案例庫，為后續(xù)基于人工智能技術(shù)進(jìn)行教學(xué)分析提供一個(gè)數(shù)據(jù)儲備和聚合中心。

2.建立基于多維度的分析維度集

現(xiàn)有的關(guān)于教學(xué)分析的研究是基于人工智能的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)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(xué)分析主要從教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生學(xué)習(xí)特征及教學(xué)各要素進(jìn)行整體聯(lián)系分析。針對教學(xué)目標(biāo)編寫的合理性主要從教學(xué)敘述方式和情境信息等方面著手研究，而針對學(xué)生學(xué)習(xí)特征則是從學(xué)生的知識背景、個(gè)體之間的差異性等方面進(jìn)行分析[9]。整個(gè)小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析從某種程度上講可以從學(xué)生需求、教師經(jīng)驗(yàn)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等維度進(jìn)行評價(jià)。

相比課前教案設(shè)計(jì)，課堂教學(xué)實(shí)施大部分通過教學(xué)視頻或現(xiàn)場觀察等方法對師生的行為和教學(xué)活動進(jìn)行課堂教學(xué)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(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)過程中的教學(xué)活動進(jìn)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(rèn)知等維度進(jìn)行分析，充分解決教學(xué)實(shí)施的差異性。

3.構(gòu)建基于多元分析法的教學(xué)分析

就目前而言，針對小學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)分析資源大部分是通過錄制視頻和教學(xué)文本來展現(xiàn)的。較為傳統(tǒng)的做法便是采用常見的時(shí)間采樣法，外加專家根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的量化表，再對視頻按照時(shí)間進(jìn)行一定順序的編碼、手工設(shè)計(jì)等操作。在這些復(fù)雜、繁瑣的操作之后，才能得到一個(gè)相對較為完備的描述性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。而文本分析則更為繁瑣，主要借助于目標(biāo)分析、類屬編碼建立等操作進(jìn)行，其實(shí)用性相對較差。

伴隨著人工智能時(shí)代的到來，小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析一方面需要利用傳統(tǒng)教育教學(xué)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，另一方面需要與時(shí)俱進(jìn)，融入先進(jìn)的人工智能技術(shù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器監(jiān)督等手段，實(shí)現(xiàn)小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析的多元化。

三、基于人工智能的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)模式構(gòu)建

在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)分析研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對人工智能賦能下的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)模式進(jìn)行研究?；谌斯ぶ悄艿慕虒W(xué)模式設(shè)計(jì)主要將教師、學(xué)生，以及智能系統(tǒng)或智能設(shè)備這三者作為主體，構(gòu)建一種智能化的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)模式[11]。該教學(xué)模式充分依托目前云數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)及其他人工智能的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的結(jié)合，通過人機(jī)協(xié)同、師生智能化互動等模塊操作，針對學(xué)生個(gè)體的差異進(jìn)行個(gè)性化、精準(zhǔn)化教學(xué)。

1.基于“云-臺-端”智能系統(tǒng)，推動小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)可移動化，實(shí)現(xiàn)“云端呈現(xiàn)”

基于人工智能的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)離不開人工智能端應(yīng)用工具的支撐，通過人工智能工具可以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)教學(xué)的全域交互、全景立場展示。在人工智能端應(yīng)用和技術(shù)的加持下，小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)應(yīng)該形成如圖3所示的“云-臺-端”的教學(xué)系統(tǒng)，利用先進(jìn)設(shè)備共同構(gòu)建數(shù)學(xué)知識，幫助學(xué)生對所學(xué)數(shù)學(xué)知識有一個(gè)更深入、更全面的認(rèn)知。利用云數(shù)據(jù)、人工智能端及智能教育平臺三者之間的密切聯(lián)接，推動小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的可移動化。在“云-臺-端”組建的智能系統(tǒng)當(dāng)中，主要依靠云數(shù)據(jù)對學(xué)生的學(xué)習(xí)軌跡和學(xué)習(xí)空間進(jìn)行精準(zhǔn)規(guī)劃，人工智能教育平臺則是匯聚小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)課上和課下所需要的各類學(xué)習(xí)資源，在人工智能應(yīng)用端則需要保證教師辦公、備課等需求。這樣，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維，保證學(xué)生的數(shù)學(xué)活動體驗(yàn)感。人工智能端中的教師端還可以提供教師個(gè)性化教學(xué)的功能，充分涵蓋線上、線下教學(xué)中所需要的各個(gè)模塊（微課制作、個(gè)性化教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)生動態(tài)評價(jià)等）。教師可以在系統(tǒng)當(dāng)中根據(jù)學(xué)生的特征識別、語義表達(dá)等，制定學(xué)生個(gè)體的成果報(bào)告，進(jìn)行作業(yè)的評價(jià)。

2.基于人工智能沉浸式媒體，增強(qiáng)小學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)體驗(yàn)感，實(shí)現(xiàn)“身臨其境”

在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)過程中教師的首要任務(wù)是為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)和諧愉悅、沉浸交互的學(xué)習(xí)氛圍，能夠細(xì)心、全面地感知每位學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，幫助不同的學(xué)生個(gè)體獲得良好的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。數(shù)學(xué)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(tǒng)學(xué)生可以提前預(yù)習(xí)所學(xué)習(xí)的知識，課堂則需要教師以高效的手段進(jìn)行內(nèi)容導(dǎo)入。整個(gè)課堂的導(dǎo)入需要借助于智能化的沉浸式媒體，為師生學(xué)習(xí)營造出一種智慧與興趣并存的全新的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境，提供不同的個(gè)性化學(xué)習(xí)空間。例如在圓柱體體積求解的時(shí)候，教師可以借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)進(jìn)行圓柱體的導(dǎo)入，讓學(xué)生先簡單了解、認(rèn)識圓柱體。再通過AR技術(shù)展現(xiàn)圓柱體體積求解的具體過程，充分解釋體積求解的原理。學(xué)生則可以借助AR技術(shù)，“身臨其境”地利用小木棒來對圓柱體進(jìn)行劃分、旋轉(zhuǎn)和觀察，有助于學(xué)生更好地理解圓柱體體積求解公式的由來。

3.基于任務(wù)模塊化驅(qū)動教學(xué)，探索小學(xué)數(shù)學(xué)實(shí)踐性問題，實(shí)現(xiàn)“人機(jī)協(xié)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(xué)生對課堂所學(xué)習(xí)的相關(guān)數(shù)學(xué)知識的概念、意義及應(yīng)用等有更深層次的理解，為后續(xù)利用所學(xué)數(shù)學(xué)知識解決生活中的數(shù)學(xué)問題奠定基礎(chǔ)。然而，要想進(jìn)一步地拓寬、延伸相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，教師還需要借助人工智能教學(xué)系統(tǒng)中的任務(wù)模塊來驅(qū)動教學(xué)，借助該模塊完成整體知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。例如，在學(xué)習(xí)小學(xué)數(shù)學(xué)乘法的時(shí)候，教師可以設(shè)置“涂一涂，算一算”等任務(wù)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠通過已學(xué)的知識和自身的生活實(shí)踐，達(dá)到對新知識螺旋上升式的學(xué)習(xí)。教師主要借助人工智能設(shè)備，例如交互式的白板，通過白板呈現(xiàn)小正方形面積促使學(xué)生自己推導(dǎo)乘法的相關(guān)知識。此外，教師可以組織學(xué)生分組上講臺利用白板進(jìn)行乘法計(jì)算比賽，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分體現(xiàn)人機(jī)協(xié)同的優(yōu)勢。教師還可以借助人工智能設(shè)備將需要完成的任務(wù)推送給學(xué)生，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以自由組隊(duì)、分工操作，真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)、學(xué)中做”，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)踐性問題的能力。

4.基于層級目標(biāo)嵌入，提高小學(xué)數(shù)學(xué)練習(xí)精致度，實(shí)現(xiàn)“動態(tài)提升”

數(shù)學(xué)練習(xí)是小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)不可缺少的一部分，練習(xí)既是所學(xué)知識的承載，也是學(xué)生自身能力拓展的背景條件。目前，許多小學(xué)數(shù)學(xué)課堂、課后練習(xí)的內(nèi)容與學(xué)生所學(xué)數(shù)學(xué)知識存在一定的隔閡，且練習(xí)題的質(zhì)量參差不齊。許多時(shí)候，學(xué)生做練習(xí)并非“主動式”，而是被教學(xué)環(huán)節(jié)推動，成為“被動式”。基于人工智能的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)提倡的是一種“層級目標(biāo)嵌入式”的精致練習(xí)，其中“目標(biāo)”指的是對所學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)知識的“固守”，而“精致”則是指教師對學(xué)生學(xué)習(xí)知識后的反饋的一種“期待”。教師可以在開始的時(shí)候利用人工智能教學(xué)系統(tǒng)通過智能思維導(dǎo)圖的方式設(shè)置初始的教學(xué)目標(biāo)。例如，在立體幾何體積求取的教學(xué)中，可以將了解立體幾何的相關(guān)特性作為初始目標(biāo)，將掌握立體幾何的體積計(jì)算并進(jìn)行實(shí)踐運(yùn)用作為終極目標(biāo)。此時(shí)，可以嵌入層級目標(biāo)——“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(xí)題的時(shí)候需要考慮到新舊知識的銜接性，在鞏固新知識的時(shí)候，能夠?qū)σ褜W(xué)知識點(diǎn)進(jìn)行鞏固。

將人工智能融入小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)已經(jīng)成為教育變革的必然趨勢。人工智能技術(shù)的引入為小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)注入新的活力，促使我們以一種新的方式來對待教學(xué)。通過基于人工智能的教學(xué)分析和教學(xué)模式的構(gòu)建，使得日常教學(xué)決策更具科學(xué)性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬羊琴，蔣晶，周勇.基于人工智能技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)改革的研究[J].科技風(fēng)，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(xué)智慧評價(jià)：CSMS推動小學(xué)數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)培育的案例研究[J].教育測量與評價(jià)，2022（04）：30-42.

[3] 張永梅，杜治蓉，馬禮.人工智能技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)改革[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2021（02）：83-85+89.

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

[5] 林藝寶.淺談在智能化時(shí)代創(chuàng)新小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的策略[J].天天愛科學(xué)：教育前沿，2022（07）：58-60.

[6] 王安民.讓人工智能走進(jìn)小學(xué)數(shù)學(xué)課堂[J].天津教育，2022（14）：49-51.

[7] 張秀梅.小學(xué)數(shù)學(xué)智慧課堂的構(gòu)建與實(shí)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(xué)習(xí)成果可測了嗎：基于學(xué)習(xí)分析方法的認(rèn)知分類有效性研究[J].電化教育研究，2019，40（01）：77-86.

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

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

［責(zé)任編輯：陳國慶］