盛海迪　唐斌

摘 要 人工智能正在推動小學數(shù)學教學變革，推動小學數(shù)學教學進入智能化時代。基于人工智能的小學數(shù)學教學有著新的內(nèi)涵詮釋，促使小學數(shù)學教學向整體性、協(xié)同性及智能性方向發(fā)展。傳統(tǒng)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(shù)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(shù)構(gòu)建小學數(shù)學教學模式，實現(xiàn)小學數(shù)學教學“云端呈現(xiàn)”“身臨其境”“人機協(xié)同”及“動態(tài)提升”的目標，提高小學數(shù)學教學效率。

關? 鍵? 詞 人工智能 小學數(shù)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(shù)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(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(shù)的快速發(fā)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(shù)促使教育向更加智能化的方向發(fā)展[3]。因此，將人工智能與小學數(shù)學教學相融合既可以順應人工智能的發(fā)展潮流，又能夠推動小學數(shù)學教學向更智能化、更科學化的方向變革，提升小學數(shù)學教學質(zhì)量。

一、基于人工智能的小學數(shù)學教學內(nèi)涵闡釋

早在2004年便有人提出將人工智能技術(shù)應用于學科教育當中，將基于人工智能技術(shù)的中小學教育界定為：“通過人工智能技術(shù)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(yōu)化的作用”[4]。人工智能在小學數(shù)學教學中的應用通常是指在教學算法、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)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(tài)，達到學生教育培養(yǎng)的真正目標[5，6]。

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

1.基于智慧教學促進教學主客體變革，實現(xiàn)整體性教學

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

2.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動探索小學數(shù)學學習路網(wǎng)，實現(xiàn)協(xié)同性教學

大數(shù)據(jù)分析的引入，為小學數(shù)學教學帶來發(fā)展的新契機。針對于小學數(shù)學教學而言，可以借助大數(shù)據(jù)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(shù)在數(shù)學教學中的應用可以對學習資源進行“優(yōu)勝劣汰”的篩選，從而使學生更高效地學習。教師也可以根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果對學生掌握知識的情況進行排查，從而設計更有效的數(shù)學教學活動來彌補學生知識學習的薄弱環(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(xiàn)小學數(shù)學協(xié)同性教學。

3.基于人工智能尋求小學數(shù)學教學“求同存異”，實現(xiàn)智能性教學

從教學的本質(zhì)上來講，小學數(shù)學教學的初心是能夠“因材施教”，根據(jù)不同學生個體的差異性，滿足不同學生個體的自我發(fā)展需求，培養(yǎng)學生數(shù)學核心素養(yǎng)。引入人工智能技術(shù)后，自適應學習系統(tǒng)應運而生，為小學生數(shù)學學習提供了重要保障。它是在小學數(shù)學教學的基礎上，探尋自適應的教學目標、教學內(nèi)容等，構(gòu)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(tǒng)小學數(shù)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(shù)學教學分析

基于人工智能的小學數(shù)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(gòu)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(jié)合構(gòu)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(shù)據(jù)的教學案例庫

小學數(shù)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(shù)學教學的連續(xù)體。課前的教學設計往往是課堂教學的預設框架，又經(jīng)常以課前教案設計的方式進行展現(xiàn)。課堂教學現(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)，該步驟是小學數(shù)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(xiàn)進行評價和總結(jié)，提出有益于教學的實質(zhì)性改進建議。若是單純就課前、課堂或課后某個時間段的內(nèi)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(shù)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(gòu)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(xù)基于人工智能技術(shù)進行教學分析提供一個數(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)有的關于教學分析的研究是基于人工智能的小學數(shù)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(lián)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(shù)學教學分析從某種程度上講可以從學生需求、教師經(jīng)驗、教學內(nèi)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(xiàn)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(shù)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(gòu)建基于多元分析法的教學分析

就目前而言，針對小學數(shù)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(xiàn)的。較為傳統(tǒng)的做法便是采用常見的時間采樣法，外加專家根據(jù)自身經(jīng)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(tǒng)計結(jié)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(shù)學教學分析一方面需要利用傳統(tǒng)教育教學過程中積累的經(jīng)驗，另一方面需要與時俱進，融入先進的人工智能技術(shù)，運用大數(shù)據(jù)、云計算、機器監(jiān)督等手段，實現(xiàn)小學數(shù)學教學分析的多元化。

三、基于人工智能的小學數(shù)學教學模式構(gòu)建

在小學數(shù)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(shù)學教學模式進行研究?；谌斯ぶ悄艿慕虒W模式設計主要將教師、學生，以及智能系統(tǒng)或智能設備這三者作為主體，構(gòu)建一種智能化的小學數(shù)學教學模式[11]。該教學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備和軟件系統(tǒng)的結(jié)合，通過人機協(xié)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(tǒng)，推動小學數(shù)學教學可移動化，實現(xiàn)“云端呈現(xiàn)”

基于人工智能的小學數(shù)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(xiàn)數(shù)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(shù)的加持下，小學數(shù)學教學應該形成如圖3所示的“云-臺-端”的教學系統(tǒng)，利用先進設備共同構(gòu)建數(shù)學知識，幫助學生對所學數(shù)學知識有一個更深入、更全面的認知。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，推動小學數(shù)學教學的可移動化。在“云-臺-端”組建的智能系統(tǒng)當中，主要依靠云數(shù)據(jù)對學生的學習軌跡和學習空間進行精準規(guī)劃，人工智能教育平臺則是匯聚小學數(shù)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(shù)學的興趣，激發(fā)學生創(chuàng)新性思維，保證學生的數(shù)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(tài)評價等）。教師可以在系統(tǒng)當中根據(jù)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(yè)的評價。

2.基于人工智能沉浸式媒體，增強小學數(shù)學學習體驗感，實現(xiàn)“身臨其境”

在小學數(shù)學教學過程中教師的首要任務是為學生創(chuàng)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(shù)學學習體驗。數(shù)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(tǒng)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(nèi)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(shù)學學習環(huán)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(xiàn)實（AR）技術(shù)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(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行劃分、旋轉(zhuǎn)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(qū)動教學，探索小學數(shù)學實踐性問題，實現(xiàn)“人機協(xié)同”

教師利用AR、VR等一系列人工智能沉浸式媒體，可以幫助學生對課堂所學習的相關數(shù)學知識的概念、意義及應用等有更深層次的理解，為后續(xù)利用所學數(shù)學知識解決生活中的數(shù)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(tǒng)中的任務模塊來驅(qū)動教學，借助該模塊完成整體知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。例如，在學習小學數(shù)學乘法的時候，教師可以設置“涂一涂，算一算”等任務環(huán)節(jié)，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(xiàn)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(diào)動學生的學習積極性，充分體現(xiàn)人機協(xié)同的優(yōu)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(xiàn)“做中學、學中做”，培養(yǎng)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(shù)學練習精致度，實現(xiàn)“動態(tài)提升”

數(shù)學練習是小學數(shù)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(shù)學課堂、課后練習的內(nèi)容與學生所學數(shù)學知識存在一定的隔閡，且練習題的質(zhì)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(huán)節(jié)推動，成為“被動式”。基于人工智能的小學數(shù)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(shù)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(tǒng)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?qū)σ褜W知識點進行鞏固。

將人工智能融入小學數(shù)學教學已經(jīng)成為教育變革的必然趨勢。人工智能技術(shù)的引入為小學數(shù)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(gòu)建，使得日常教學決策更具科學性和實用性。

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［責任編輯：陳國慶］