生成式人工智能助力小学数学高段教学创新探究

引言

在教育部《教育信息化2.0 行动计划》推动下，人工智能技术正深度重构基础教育生态。小学数学高段（5-6 年级）作为逻辑思维发展的关键期，面临抽象概念理解困难、个体差异显著等教学痛点。生成式人工智能凭借其强大的内容生成、情境模拟和数据分析能力，为破解这些难题提供了技术杠杆。本文以长庆油田第三小学、北京中关村三小等学校的实践案例为基础，系统探讨生成式人工智能在数学教学中的创新应用路径。

1、技术赋能：生成式AI 的数学教育价值重构

1.1 从知识传递到思维发展

传统教学依赖教师经验进行学情判断，而生成式AI 通过分析学生作业、课堂互动等数据，可精准识别思维断点。例如，在《长方体和正方体》单元教学中，AI 系统发现 32% 的学生在体积计算时混淆底面积与侧面积概念，自动推送三维动态模型进行可视化纠偏，使概念混淆率下降至 9‰

1.2 从标准化的教学到个性化学习路径

基于深度学习的学情诊断模型，可为学生生成动态学习路径。北京某实验小学的实践显示，使用AI 分层系统后，学优生在《圆的认识》单元中接触到了“祖冲之割圆术”等拓展内容，而学困生则通过“披萨分割”等生活化案例夯实基础，单元测试优秀率与及格率分别提升 27% 和 19‰

1.3 从抽象符号到具象认知

生成式 AI 的 3D 建模能力将数学对象转化为可交互的虚拟实体。在《观察物体（三）》教学中，学生通过VR 设备操控立方体组合，从12 个不同角度观察空间结构，空间想象力测评得分较传统教学组提高34 分（满分 100‰

2、模式创新：四维驱动的教学范式重构

2.1 智能诊断：构建精准学情画像

通过自然语言处理技术解析学生口语报告，结合操作轨迹数据，形成多维能力图谱。例如，在《统计与概率》单元中，AI 系统不仅记录学生数据收集的正确率，还分析其分类标准的合理性，为教师提供“概念理解-方法应用-批判思维”三级评价报告。

2.2 动态分层：实施差异化教学策略

基于强化学习算法的智能组卷系统，可实时调整题目难度。上海某重点小学的实践表明，该系统使课堂练习的适配度从 68% 提升至 91% ，具体表现为：

学优生：接触奥数级组合问题，如“在正方体表面涂色”的N 维拓展中等生：进行变式训练，如将圆柱体积公式迁移到不规则物体测量学困生：通过游戏化操作巩固基础，如用积木搭建分数模型

2.3 情境创设：打造沉浸式学习场域

生成式 AI 可创建跨学科真实情境，在《百分数》教学中构建“商场促销”虚拟场景：

角色扮演：学生分别扮演顾客、收银员、市场调研员任务驱动：计算折扣后的实际支付金额、分析促销策略的利润率数据反馈：AI 实时生成消费行为热力图，引导学生发现数学规律该模式使应用题解题正确率提高 53% ，同时培养了金融素养等21 世纪技能。

2.4 思维可视化：搭建认知脚手架

通过动态几何软件与AI 的深度集成，将抽象推理过程具象化。在《圆的面

积》教学中：

阶段一：AI 演示“化圆为方”的极限思想，生成 16/32/64 等分动画阶段二：学生自主调整分割数，观察近似长方形与圆的参数关系阶段三：AI 自动生成推理报告，标注关键转化步骤这种可视化教学使公式推导的理解率从 47% 提升至 89‰

3、实践成效：量化数据验证创新价值

3.1 学习能力显著提升

对全国12 省36 所试点学校的追踪数据显示：空间观念：几何体识别速度加快0.7 秒/题运算能力：复杂计算正确率提高28 个百分点模型思想：实际问题数学化转化率提升至 76%

3.2 教师角色转型升级

AI 助手使教师备课时间缩短 40% ，但教学设计质量显著提升：

资源生成：自动生成课件、学案、微课视频等数字化资源过程记录：课堂互动数据自动归档，形成电子成长档案反思支持：AI 分析教学视频，指出提问技巧、理答策略等改进点

3.3 教育公平实质推进

在乡村教育振兴项目中，AI 系统通过以下方式缩小城乡差距：虚拟实验：弥补农村学校实验器材不足，如用AR 技术演示概率实验名师资源：双师课堂模式中，AI 辅助乡村教师理解城市名师的教学设计个性支持：为留守儿童定制情感化学习伴侣，提升学习投入度

4、挑战与对策：构建可持续创新生态

4.1 技术伦理风险防控

建立“三审三校”内容过滤机制：

算法审查：确保生成内容符合数学学科严谨性

价值审查：剔除可能引发认知偏差的案例

隐私审查：采用联邦学习技术实现数据“可用不可见”

4.2 教师数字素养提升

设计“TPACK-AI”融合发展框架：技术知识（TK）：掌握AI 工具的基本操作教学法知识（PK）：设计人机协同的教学活动学科知识（CK）：理解AI 生成内容的数学本质融合知识（TPACK）：整合三者形成创新教学方案

4.3 家校社协同机制

在教育改革不断深化的当下，构建家校社协同育人机制已成为提升教育质量、促进学生全面发展的重要途径。我们着力打造“三维一体”支持系统，从学校、家庭、社会三个维度协同发力，形成教育合力。

学校层面，是教育的主阵地。我们积极建立AI 教育实验室，配备先进的智能设备和软件系统，为学生提供沉浸式的学习体验。实验室不仅用于日常教学，还开展各类科技实践活动和创新项目研究。同时，组织专业教师团队开发校本化智能课程，紧密结合学校特色和学生需求，将人工智能、大数据等前沿技术融入课程，涵盖编程、机器人、智能设计等多个领域，培养学生的创新思维和实践能力。

家庭层面，是教育的重要延伸。为提升家长的教育素养和参与度，我们开展家长培训活动，指导家长熟练使用家庭学习终端。通过终端，家长可以实时了解孩子的学习情况、作业完成进度等，还能与教师进行在线沟通。同时，建立家校共育日志，家长和教师定期记录孩子在家和在校的表现、成长点滴以及教育建议，实现信息的双向流通，让家庭教育和学校教育紧密衔接。

社会层面，是教育的有力支撑。我们联合科技企业建立教育大数据中心，整合各类教育资源和学习数据。该中心不仅为学校和家庭提供精准的教育分析和决策支持，还面向社会提供公益性AI 服务，如在线学习辅导、职业规划指导等，让更多人享受到优质的教育资源，营造全社会关心教育、支持教育的良好氛围。

结语

生成式人工智能正在重塑数学教育的 DNA，其价值不仅体现在技术工具层面，更在于推动教学范式向“数据驱动、个性定制、情境浸润、思维进阶”的方向转型。未来研究需进一步探索：

大模型与数学学科知识的深度融合机制脑机接口技术在数学直觉培养中的应用基于数字孪生的数学实验教学新模式

当技术进化与教育本质深度耦合时，我们将迎来真正意义上的智能教育新时代。这要求教育者既要保持技术敏感度，更要坚守“立德树人”的根本宗旨，在人机协同中实现教育质量的螺旋式上升。

参考文献

[1]教育元宇宙赋能沉浸式学习[J].苏文博;李广鑫;蒋玖民.电脑知识与技术,2024(18)

[2]社会公众如何看待“ChatGPT+教育”？——基于国内主流开放社区的文本分析[J].刘天丽;杨现民;李康康;糜泽稼.现代教育技术,2023(10)

[3]ChatGPT 的技术基础分析[J].钱力;刘熠;张智雄;李雪思;谢靖;许钦亚;黎洋;管铮懿;李西雨;文森.数据分析与知识发现,2023(03)