以深度融合智能技术为特点的小学数学实验课程的研究

陈建华

摘 要：数学实验是构建学生数学知识架构的重要手段，随着智能时代的到来，探索小学数学实验课程与智能技术融合有着迫切的现实需要。新冠疫情防控以来的线上教学实践中，融合智能技术的线上实验解决了教学需求。深度融合智能技术也给数学实验教学带来了变革。在这个学习场景中，学生能够通过环境的体验来完成知识的学习过程，这在很大程度上提高學生学习的效率。

关键词：智能技术；深度融合；数学实验

《义务教育数学课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）提出“促进信息技术与数学课程融合，合理利用现代信息技术，提供丰富的学习资源，设计生动的教学活动，促进数学教学方式方法的变革”。在实际问题解决中，创设合理的信息化学习环境，提升学生的探究热情，开阔学生的视野，提高学生的信息素养。

学生学习应当是一个生动活泼的、主动的和富有个性的过程。动手实践、自主探索与合作交流同样是学习数学的重要方式。学生应当有足够的时间和空间经历观察、实验、猜测、计算、推理、验证等活动过程。新课标征求意见稿中也提出“引导学生在真实的情境中发现问题和提出问题，运用观察、猜测、实验、计算、推理、验证、数据分析、直观想象等方法分析问题和解决问题”。实验教学贯穿整个小学数学学习阶段，从一年级时的“数小木棒”认识数，到六年级验证圆锥体积是等底等高圆柱体积的三分之一而拿起烧杯做实验，学生逐步构建其数学知识架构。同时《课标》提出“数学课程的设计与实施应根据实际情况合理地运用现代信息技术，要注意信息技术与课程内容的整合，注重实效”。随着智能时代的到来，探索小学数学实验课程与智能技术融合，有着迫切需要。

一、在小学数学实验教学应用智能技术具有迫切性

（一）疫情防控背景下的迫切性

新冠疫情防控以来的线上教学实践，让广大教师感受到了智能技术的发展所带来的教育变革。2020年，为坚决打赢新型冠状病毒感染的肺炎疫情防控阻击战，确保广大师生生命安全和身体健康，根据教育部及省、市疫情防控指挥部的要求，全国各地中小学春季学期延迟开学时间，全面开展线上教学。为充分开发和利用各类学习资源，实现学生“离校不离教，停课不停学”，我校师生实施了“线上课堂”。在疫情期间的教学中，课堂中进行数学实验成为一大难题。教师没法把实验实物器材发给学生动手操作，数据收集及处理因直播软件的功能单一而困难重重。为了有更好的教学效果，笔者设法在网上查找相关处理方法，结果所获甚少。在与科组教师们共同的钻研下，我们利用移动同屏技术很好地解决了多角度展现师生实验的过程，利用在线数据编辑实现多人同时记录实验数据，利用虚拟实验的软件进行个别实验的模拟。这些尝试，取得一定的效果。我们尝试使用一些“智能改作业”的软件辅助改作业，确实感受到智能技术带来的便利与高效。

（二）为国育才背景下的迫切性

2019年，哈德逊研究所高级研究员Arthur Herman在《中美高科技之战》一文中写道：“中国正在和美国争夺从机器人和先进通信业，到人工智能、超级计算机和未来的量子计算机领域的高科技优势……虽然美国仍在担心推进人工智能研究可能会导致终结者式的大灾难，但中国已经制定了一项目标，即到2030年投资1500亿美元争取成为人工智能全球领导者。”

未来已来，将至已至。高科技之战，就是高科技人才之战。时代的发展需要素养全面发展的科技人才。小学数学作为学生思维发展的启蒙学科，在实验教学中应用智能技术，为国家和社会需要的科技人才打下知识基础，确有迫切性。

二、智能技术在数学实验教学的未来是“深度融合”

“深度融合”是智能技术在教育教学中更深层次的应用，而从目前来看，智能技术对小学数学实验教学所产生的影响却不显著，教学模式、教学方法、学习方式等还没有从根本上发生变化。

（一）中外对数学实验研究现状及成果

1. 基于小学数学实验的研究现状

数学实验起初是与大学数学建模教学联系在一起的，20世纪开始，数学实验被众多大学师生所认同，认识到其重要性。进入21世纪，数学实验开始在中学阶段展开研究实施，广大教学研究者和教师进行了大量的理论研究与教学实验，并取得一定进展，如徐厚生《数学实验教学的探索与实践》、杨超《初中数学实验的实证研究》等。但小学数学实验的教学非常少，尽管小学数学教材中有一些可以进行数学实验的内容，但是由于大多数教师不了解数学实验，对其意义缺乏认识，而数学实验的资源又不足，缺乏具体操作的工具和材料，所以真正落实开展得很少，展开专项研究的更是屈指可数。

正因如此，小学数学实验目前还是一个比较新的研究领域，在目标制定、具体设计、教学策略等方面都有进一步探索的空间。

2. 国内外智能技术融合小学数学实验课程的研究

在国内外，数学实验主要有两种形式。其中一种认为数学实验就是对数学的一种应用，让学生利用数学软件、模型进行学习，逐步培养学生使用数学软件来解决数学问题的能力。数学实验可以培养学生的数学思维，帮助学生提高运用数学解决实际问题的能力。

另外一种认为数学实验是以智能技术为工具，去探索数学、认识数学、学习数学，让学生自主地投入到发现、探究、解决问题当中去，进一步地可以开发出学生的创新能力。把双创教育作为一种教学理念，分析数学实验教学与双创教育相融合的必要性和意义。双创教育背景下，以研究性学习为导向，对于数学实验课程的教学设计和教学方法进行了一些探索，给出了具体的做法。根据数学实验的学习内容，我们把每次课的讲解部分利用智能技术录制成教学视频，在视频中详细讲解实验所需要的数学知识和实现相关运算的软件操作方法，我们把课程的重点放在数学原理到软件实现的“翻译”上，也就是重点介绍如何用软件来实现数学运算。

（二）实验教学与智能技术深度融合的必然性

1. 教育部印发《教育信息化2.0行动计划》中在关于智能实验室方面内容提出“加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设。适应5G网络技术发展，服务全时域、全空域、全受众的智能学习新要求，以增强知识传授、能力培养和素质提升的效率和效果为重点，以国家精品在线开放课程、示范性虚拟仿真实验教学项目等建设为载体，加强大容量智能教学资源建设，加快建设在线智能教室、智能实验室、虚拟工厂（医院）等智能学习空间，积极探索基于区块链、大数据等新技术的智能学习效果记录、转移、交换、认证等有效方式，形成泛在化、智能化学习体系，推进信息技术和智能技术深度融入教育教学全过程，打造教育发展国际竞争新增长”。我国实验教学在走向与智能技术的深度融合。

2. 实验教学与智能技术深度融合的概念界定。深度融合是智能信息技术与教学结合的最高境界，其他的结合方式存在问题，应该改进和提升。

（1）智能技术与学科教学深度融合：致力于改变学生的学习方式，从根本上改变传统教和学的观念以及相应的学习目标、方法和评价手段，发展学生的思维；但在学科“融合”上一定要把握好智能技术使用的度，注意时机和时间，注意为学生提供充分地观察比较、分析综合、归纳概括的机会。

（2）智能技术与小学数学实验课程深度融合：是以智能技术软件为工具，去探索数学、认识数学、学习数学，让学生自主地投入到发现、探究、解决问题当中去，在小学数学实验过程中把现代智能技术、信息资源和课程有机融合，建构有效的教学方式，促进教学的最优化。

（三）开发相应的校本教材是必然之道

目前小学数学学科并没有专门的数学实验教材或手册，开发以深度融合智能技术为特点的小学数学实验课程校本教材更深远的意义。以小学五年级为例，结合小学五年级学生年龄、学习心理特点及信息技术水平，研究以深度融合智能技术为特点的小学五年级数学实验校本教材的开发。教材采用《课标》的课程目标、实施计划、评价方式。在《以深度融合智能技术为特点的小学数学实验课程校本教材》开发后，研究其在数学实验课程的应用效果，及探索出“线上”＋“线下”的智能数学实验课堂模式，更具有实用性。

教师应当充分利用日常生活环境中与数学有关的信息，开发教学资源。有条件的学校可以建立“数学实验室”或互联网平台供学生使用，拓展学生的学习视域，培养学生数据与信息收集、处理能力，以及实践创新能力，发展个性品质与创新精神，促进“不同的人在数学上得到不同的发展”。数学实验与互联网关联类的教材或手册的开发，符合未来数学教育的需求，也是智能技术与数学实验教学“深度融合”的过程。

三、智能技术与数学实验课程融合能产生更大效能

数学实验是指为探索数学规律、构建数学概念或解决数学问题，在数学思维活动参与下，基于特定的物体条件通过具体的操作进行的一种数学探索。数学实验正是建立在学生认知水平和已有知识经验基础上，能把抽象的数学问题直观化地去探索。而实验过程能让学生快速建模，因此有助于学生理解题意。在日常教学中，教师常在课堂中利用教学具，以提高学习过程，采用仿真和模拟的方法，再现实际问题的应用过程，使学生身在其中，理解题意。例如行程问题中可带上实验室的“平板小车”，用线拉动进行演示，体积问题则用长方体盒子和量杯等用水做实验。这样边玩边学习，学生也能从直观形象中理解数量关系，感受到了数学应用的真实性。

在实验中，学生的经历过程是这样的：

通过实物进行实验的难点有二，一是不能完全模拟，如相遇问题中的，两车的速度不一，很难精确模拟；二是从直观再到抽象，对学生归纳总结能力又提出了新要求。学生在实物实验中要赋予实验器材数据，并转化利用，对于中下生来说还是有一定的难度的。

在智能技术辅助下，同样的实验可以虚拟情境来实现，并可以同时赋予更多的信息。如上面提到行程问题，在虚拟实验室中，学生通过VR眼镜真实地体验两辆汽车行驶的情境。同时汽车上能显现速度、路程，学生可以直观地看到行驶过程的数据变化。这是一个直观的过程。

但这也产生一连串的疑问，这些数据是设定好的？还是实际发生所产生的呢？真实的情境中会是这样的吗？正如用动画模拟等底等高的圆锥体积是圆柱体积的三分之一时，在课堂上播放这些动画时通常不能引起学生的共鸣。其效果远远不如直接用烧杯倒水来得震撼、真实。

如何将实物实验与智能技术两者结合，笔者进行了一些尝试，取得了不错的效果。在教授“相遇问题”一课时，利用学校的智能机器人小车现有资源，进行实验教学。在课堂上把全班同学分成了6个大组，让智能机器人社团的学生组织组员编程，并且在大屏幕上，展示程序执行的过程。屏幕上展示速度变化，而讲台前的长木板则是两辆智能机器人小车以不同速度相对而行，当两车相遇时自动停止。整个实验过程，学生全体参与了机器人小车的编程，到最后直观的实验展示。学生对相遇问题中各个量之间的关系有了非常清澈理解。在课后即时进行的检测中，所有学生能独立完成全部5道题。

从实践来看，智能技术赋予小学数学实验课程了以下三点作用。其一释放教师的精力与学生的创新力。其二是学习效率会得到提升，而且可以做到因材施教。其三是会全面激发学生的求知欲，让学生的学习从被动转变为主动，这也是人工智能技术的一个重要优势。在这个学习场景中，学生能够通过环境的体验来完成知识的学习过程，这会在很大程度上促进学习的效率。

目前而言，对于以深度融合智能技术为特点的小学数学实验课程研究尚处于起步阶段，但其前景及目前带给师生的效能是正面的。

参考文獻：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育数学课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］刘跃武.数学实验课程的教学改革与实践［J］.教育观察，2016（05）.

［3］高文华，高丽，韩乐.双创教育背景下数学实验课程的教学研究与实践［J］.当代教育理论与实践，2019（11）.

［4］梅红，张智丰，覃森.数学实验课程翻转课堂教学模式的研究与实践［J］.教育现代化，2016（10）.