人工智能與數學教學深度融合的實踐與探索

［摘 要］ 文章以“體積”的教學為例，從技術說明與教學設想出發，借助人工智能分析教學情況，幫助教師及時優化調整教學方案。人工智能在輔助情境教學、因材施教、完善評價體系等方面具有重要作用。

［關鍵詞］ 人工智能；教學；概念隨著時代的進步，人工智能改變了人們的學習與工作方式。如何發揮人工智能的優勢，將它與數學概念教學有機融合在一起呢？這是筆者探索已久的問題。實踐發現，人工智能輔助概念教學不僅能深化學生對概念的理解，還能提高教學效率。

筆者借助“體積”的概念教學，對兩個班的教學過程開展對比分析與思考。

一、技術說明

本節課借助物聯網技術，利用攝像頭來觀察學生在課堂中的表現，并實時將音頻與視頻傳送至系統端，由人工智能來讀取信息和分析師生在課堂中的實時表現。人工智能分析的內容既包括學生舉手、回答問題、語音文本等情況，還包括人數、頻率、姿態、面部表情的統計［１］。教師根據人工智能提供的評價報表改進教學方案，進一步提升教學效率。

二、教學設想

小學高年級階段的學生對生活中的物品有一定的認識，對體積有一定的生活經驗，但僅限于物品大小。學生能從生活經驗出發對體積的大小進行比較以及守恒性特點進行分析。因此，筆者將教學重點安排在體積概念的建構上，讓學生從感性與理性兩個層面認識體積，為后續教學夯實基礎。

體積概念是本節課的教學核心，筆者引導學生從“烏鴉喝水”這個情境中思考“為什么將小石子丟進瓶中，烏鴉就喝到水了呢”，并將人工智能應用于分析該教學片段。為了充分了解教學效果，筆者將兩個班級（簡稱“甲班”“乙班”）的執教情況進行對比分析，通過人工智能將兩節課的授課情況生成相應的評價報表，再通過評價報表了解教學效果。

三、教學實踐與探索

1. 甲班教學簡錄

（1）對比導入，建構概念

師生、生生之間通過積極的互動，建構體積的概念。為了有效推動概念的形成，教師可創設豐富的情境激發學生對體積探索的興趣。比如，教師可以展示體積差異很大的物品，激發學生的認知沖突，讓學生不由自主地對“體積”產生好奇，助力概念的生成。

師：（播放視頻）一只靈敏的小老鼠遇到了一只龐大的大象，你們的第一反應是什么？

生1：老鼠真小，大象好大呀！

師：若用數學語言來描述這兩個動物的體積關系，該怎么表達？

生2：大象的身體較大，它所占的空間范圍要比老鼠的身體所占的空間范圍大很多。

在此基礎上，教師鼓勵學生自主提出一些體積差異較大的對象進行模仿練習。學生自主提出“芝麻與西瓜”“草莓與哈密瓜”“小蝌蚪與鯨魚”等進行對比。隨著描述的逐步完善，師生共同總結出體積的概念為：物體所占空間的大小。

為了進一步夯實學生對概念內涵的理解，教師進行示范：大象所占空間大小為大象的體積。教師要求學生模仿填空：西瓜____為西瓜的體積；____所占____為____的體積。

設計意圖：教師將體積差異較大的物品放在一起比較，一方面能夠引發學生的認知沖突，另一方面能夠完善學生對體積本質的認識，深化學生對體積內涵的理解。練習訓練可以有效培養學生的語言表達能力。

（2）解讀數據，增強反思

師：大家聽說過《烏鴉喝水》的故事嗎？

生（齊聲答）：聽過。

師：你們用數學知識來解釋烏鴉喝水的現象，該怎么描述呢？

生3：因為石頭有一定的重量。

生4：石頭用自己的體積把水給擠上去了。

分析：生3并沒有說到問題的核心，生4結合了本節課教學內容進行回答，對其原理有一定的認識。如圖1，面對教師的問題“烏鴉為什么能喝到水”，學生在10.6秒后開始回答；在師生互動與補充的時間內，學生舉手為1人次。從人工智能所提供的數據來看，學生對這個問題的積極性并不高，回答問題的能力略顯不足，無法在短時間內用精準、規范的語言來描述烏鴉喝水的現象。

結合以上教學過程與人工智能所提供的數據來分析，本節課教學的核心概念“體積”一詞雖然出現頻率很高，在整個教學過程中達到25.6%，“空間”這個詞語達到19%，但是學生并沒有從真正意義上理解體積與空間的本質，主要原因在于學生的體驗不夠，無法對核心概念體積形成直觀形象與深刻的認識。

2. 乙班教學簡錄

人工智能為教師提供一定的參考數據，教師要利用這些數據改進教學和提高教學效益。基于此，筆者在乙班執教本節課時，對教學進行調整與完善，增加更多的體驗活動，強化學生語言表達能力的訓練。

（1）活動探索，構建概念

借助多媒體播放相應場景，要求學生根據要求開展活動。

活動1：一只老鼠遇到了一頭大象，若你是那只老鼠，會發出怎樣的感嘆？（學生交流）

活動2：籃球與乒乓球相比誰更大一些？請用手摸一摸，談談體會。

活動3：生活中有很多體積差異很大的物品，如芝麻與西瓜、茶杯與水桶等。現在請大家思考一下，50克棉花和50克雞蛋，誰更重一些？誰占的空間更大一些？（學生先回答，教師隨后展示實物）

活動4：取一些生活中常見的物品，比一比、說一說哪件物品占的空間更大一些？

隨著活動的開展，師生共同總結體積的概念為：物品所占空間的大小；用語言表達為：____所占____稱為____的體積。

設計意圖：循序漸進的活動設計增強了學生課堂參與的積極性，學生通過一個個問題的突破，不僅自主提煉出體積的概念，還對其內涵與外延有了一定的認識。活動體驗深化了學生對概念的理解，促使學生學會用規范的語言來描述體積。

（2）解讀數據，增強反思

師：為什么烏鴉能喝到瓶子里的水呢？

生1：因為石頭占據了瓶子的空間，導致水位升高。

生2：瓶內空間恒定不變，石頭占據了水的空間，那么水位必然會升高。

生3：瓶子內的體積是固定的，石頭進入瓶內，必然會占據原來水的空間，因此水位就升高了。

如圖2，學生在9.74秒時進行了回答，從這個時間來說，與甲班差異不大。由此看出，學生在回答問題之前都要經歷一個思考時間。筆者通過人工智能技術對教學過程進行分析，發現在本次執教過程中，系統沒有將“體積”一詞作為高頻詞，“空間”一詞出現的頻率非常高，占比達20.5%。

人工智能所提供的數據引發了筆者的反思：雖然教師沒有特別強調“體積”這個核心概念，但是學生通過活動引導，強化了對空間概念的理解，自主提煉出體積的概念。學生舉手達6人次，而且引發了更多學生的共鳴，更多的學生想說、敢說、愿說。顯然，改進后乙班的教學效果比甲班的教學效果好一些。

3. 教學過程與效果分析

為了深層次了解兩次教學效果，并對不同教學方法產生的差異原因進行解析，筆者在課后分別針對兩次教學過程的Flanders情況、概念建構環節的課堂氛圍以及學生的專注度情況進行分析（見表1、表2）。

表1 甲班教學實踐Flanders分析結果

表2 乙班教學實踐Flanders分析結果

觀察表格，可見兩個班的教師語言占比均為30%多，是常模值的一半，由此可以看出教師說話的時長比例較低；兩個班學生語言比例都達到60%以上，遠遠超過常模值。從師生語言的占比分析來看，兩節課都遵循了“以生為本”的理念，弱化了教師“教”，強化了學生“學”。

課堂沉寂比例，兩個班都遠遠低于常模值，可見兩次教學設計都合乎情理，兩節課都能從基礎出發逐層遞進，滿足學生思維發展的需求。基于人工智能的輔助，結合Flanders分析結論與課堂氛圍的統計數據來判斷，兩次教學中學生的專注度基本穩定在70%～80%之間，課堂氛圍良好，學生主動學習的積極性較高。但從教學成效果看，乙班學生對體積概念的理解要優于甲班學生，究其原因在于教學核心環節的改進。

四、幾點思考

1. 人工智能可以輔助情境教學

小學階段的學生以直觀想象思維為主，豐富、直觀的情境往往能降低知識難度，快速吸引學生的注意力，喚醒學生對數學探索的興趣。同時，數學相對抽象，教師借助人工智能進行生活化模擬，可延伸學生的認知，幫助學生更好地建立現實世界與知識間的聯系，讓學生能站在宏觀的角度感知奇妙的數學世界。

比如本節課，教師利用電子白板播放老鼠和大象、烏鴉喝水等視頻，展示芝麻與西瓜、小蝌蚪與鯨魚等圖片，這些豐富的情境成功引發了學生的視覺沖突，讓學生對事物的大小產生了深刻印象。在此基礎上學生從“空間”的角度來提煉“體積”的概念則水到渠成。

2. 人工智能可以輔助因材施教

每個學生都是獨立的個體，數學教學應遵循因材施教的原則，即關注學生個體特點，應用個性化的教學方法來制訂教學計劃，以促使每個學生都能在課堂中取得最大的收益。因材施教雖好，但實施難度不小，一是制訂個性化的教學計劃是一件費時費力的事情；二是在大班化的教學背景下實施因材施教確實不容易。

人工智能可以結合每個學生在課堂中的表現分析出學生的特點，并針對性地制訂適合該生的學習計劃，通過大數據分析預測學生的思維傾向，為教學提供重要依據。

3. 人工智能可以完善評價體系

教學反饋與評價是優化教學的重要手段，傳統教學中的教師大多是根據學生的作業情況或考試情況進行手動總結與分析，難以對學生做到一對一的了解，只能針對學生普遍存在的問題調整教學方案［２］。人工智能能夠根據學生的語音語調、課堂上的行為表現、答題情況等綜合分析每一名學生的學習過程，對學生進行精準診斷，便于教師調整教學計劃。本節課，教師借助人工智能對甲班學生在課堂中的行為進行分析后改進了教學，獲得了不錯的教學效果。

總之，隨著科技的發展，人工智能技術日趨成熟，課堂數據的搜集、分析、評價與反饋等逐漸走向了多元化。教師應結合課堂實際需求，應用人工智能輔助教學，不斷優化教學，提高教學效率。

參考文獻：

［１］ 高建林，李小寧. 試論人工智能與數學教學的深度融合——以農村小學數學教學為例［Ｊ］. 才智，２０２０（１９）：１３３－１３４.

［２］ 駱祖瑩. 課堂教學自動評價：從理論到應用［Ｍ］. 北京：北京師范大學出版社，２０１８.