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【云端帮扶】第16期 AI技术在中学数学课堂教学中的应用
司琪，蓟州区第一中学初中部数学教师。热爱数学教育，深耕课堂，注重引导学生理清逻辑、主动思考，善于把抽象的数学知识化繁为简。尊重每一位学生的差异，耐心答疑解惑，在严谨的数理课堂中激发学生求知兴趣。秉持以生为本的教育初心，在教学中不断打磨自我，与学生共同成长进步。曾作为校青年教师代表作经验分享，获区级论文二等奖、校青年教师基本功大赛一等奖、校级演讲比赛二等奖等。
AI技术在中学数学课堂教学中的应用
摘要：在人工智能时代背景下，智慧教育成为教育发展的新趋势，中学数学是培养学生的逻辑思维能力及理性精神的重要课程，但当前数学教学中仍存在抽象概念难以理解、因材施教难度大等问题。因此，立足于初中数学课堂的实际现状，落实立德树人与教育高质量发展目标，研究人工智能辅助备课、上课以及学情分析的具体过程，基于各章节教学实例阐述其意义及具体做法，探索人工智能辅助初中数学教学的有效路径，并形成能进行推广的经验模式。
关键词：人工智能技术；中学数学课堂；立德树人；个性化教学；教育高质量发展
一、引言
教育现代化是教育高质量发展的主要任务，人工智能技术是实现教育现代化的重要抓手。新颁布的《义务教育数学课程标准(2022年版)》提出，数学教学应该注重培养学生的数感、量感、符号意识、运算能力、几何直观、空间观念、推理意识、数据意识、模型意识、应用意识和创新意识。在传统的初中数学课堂教学过程中，由于教学资源、教学时间以及教师精力有限的原因，很难做到“因材施教”，有的学生因为跟不上教学进度产生了畏惧心理，有的学有余力的学生得不到进一步拓展。
人工智能的发展为解决以上困境带来了曙光，它的大数据处理能力、智能化分析能力和个性化的服务功能可以与初中数学教学进行有机融合，提升教学效率，促进教学方式变革，实现对学生核心素养的有效培育。作为一名初中数学教师，尝试思考人工智能赋能初中数学课堂教学的方法，是适应教育发展形势的客观要求，也是坚持立德树人根本任务提高教育教学质量的实际需要。
二、AI技术赋能中学数学课堂的理论基础与价值导向
人工智能助力数学教学也是促进教育高质量发展的必由之路。教育高质量发展就是要实现教育的公平化、优质化、个性化，而人工智能技术能够突破地域限制以及资源壁垒，将优质数学教学资源传递到每一所学校，缩小城乡教育差距；以人工智能教学系统向学生提供精准的知识点讲授及练习，提高教学质量和效率；根据学生的学习数据分析制定个性化学习方案，适应不同学生的需求，真正做到“人人都能获得良好的数学教育，不同的人在数学上得到不同的发展”。
三、AI技术在初中数学不同章节教学中的应用案例分析
初中数学包括数与代数、图形与几何、统计与概率、综合与实践四个部分，各个部分所涉及的知识点各有特点，教学的目标也不尽相同，因此AI技术的教学应用也应该有所不同。下面将结合具体的章节来说明AI在课堂教学中的一些具体运用方式。
3.1 数与代数：借助AI工具突破抽象概念，提升运算能力
数与代数是初中数学的基础内容，包含有理数、无理数、代数式、方程、函数等内容，其特点是抽象性强、逻辑性严密。学生在学习中，常因难以理解抽象的概念而陷入学习困境。
以《一次函数》一章的教学为例，在传统的课堂教学中，教师往往通过黑板推导函数表达式，并根据图像讲解函数的性质，而学生很难真正体会到“k”和“b”取值大小对于函数图像的影响效果；运用AI互动教学技术可以做到：在课堂教学过程中使用AI教学系统构建一次函数动态展示模型，让学生自行输入不同的k值，b值，动态地展示出函数图像平移、倾斜的过程。如当学生输入k=1，b值从0到3变化过程中，AI工具可以动态呈现直线上升过程；b=0，k从1到-1变化过程中，直线关于y轴对称的过程一目了然。这种动态呈现将抽象的代数关系转化为形象的几何图形，让学生能够迅速地理解k和b的几何意义。
此外，在AI技术在《一元二次方程》中的应用上也具有重要意义。学生对于一元二次方程的求解过程中，易犯错误的地方有配方、因式分解等等，AI解题分析系统能够根据拍照上传的解题过程，找到出错的环节并给出原因，同时可以展示其他同学的不同解法以及不同解法的优缺点，比如用公式法还是用配方法，用因式分解的方法适合什么情况下的方程等等。让学生学会找到最佳的解题方法。另外还可以让AI推送一元二次方程的应用题，比如增长率问题、面积问题等贴近生活的题目，让学生用所学的数学知识来解决实际的问题，增强学生的应用意识。
3.2 图形与几何：利用AI图像识别与建模，培养空间观念
图形与几何部分强调培养学生具有几何直观和空间观念的能力，在这一模块中会涉及到平行线、三角形、四边形、圆等内容，并且要求学生具有较好的图形观察能力和逻辑推理能力。在传统的教学过程中，老师只是用一些简单的教具进行演示，对于较为复杂的图形变化很难表现出来，从而无法让学生有效锻炼自己的空间想象能力。
在《平行四边形的判定》这一节探究判定定理时，学生通过拖动模型的顶点，改变边的长度和夹角，观察图形是否仍为平行四边形，从而自主归纳出“两组对边分别相等的四边形是平行四边形”“对角线互相平分的四边形是平行四边形”等判定定理。这种自主探究式学习，充分调动了学生的积极性和主动性，培养了学生的空间观念和推理意识。
比如，在学习《圆的切线判定》一课时，AI可以形象地演示切线是如何形成的，当“圆心到直线的距离等于半径”的时候，直线与圆的位置关系如何，进而得出切线的判定定理；此外，还可以呈现出一些不同的情况：直线过圆上的点、直线不过圆上的点等等，并引导学生根据所学的切线判定定理来判断这些情况是否正确，强化知识迁移能力。
在讲授《图形的旋转》这一节课中，老师展示事先准备好的一个风车图片旋转的视频让学生观看，在接下来的操作练习过程中，学生可以用自己任意画的一个三角形进行操作，比如用口语化的文字命令AI：“把那个三角形绕点O旋转60度。”AI就会自动识别该命令，并将该图形旋转60度。这个环节把抽象概念：旋转中心、旋转方向、旋转角具象化了。
3.3 统计与概率：依托AI大数据分析，培养数据意识
统计与概率是初中数学与现实生活关联性最强的部分，包括数据的收集、整理、描述、分析以及对概率的计算等内容，要求学生具有数据意识和数据分析的能力。在传统的课堂教学中，由于数据收集比较繁琐、分析的方法也较为单一等原因导致学生缺乏学习的兴趣。
比如在《概率》的教学过程中，很难理解“频率趋近于概率”的这种随机现象。利用AI概率模拟工具可以做大量的重复试验，例如掷骰子试验、摸球试验等等。AI工具可以在很短的时间内完成几千次试验，记录每一次的试验结果，求出频率，并作出频率的变化图象。让学生观察图象的变化，观察当试验次数足够多的时候，频率会稳定到一个常数附近，进而了解概率的统计定义。
3.4 综合与实践：通过AI项目式学习，培养创新意识
例如，在长方体包装纸盒的设计制作这一综合实践活动中，学生在设计包装纸盒时，可以借助AI三维模型软件，根据产品尺寸以及包装需求设计不同样式的纸盒，并由AI软件自动完成对纸盒表面积和体积的计算，实现纸盒结构最优设计，节约用料；AI还能进行纸盒的展开演示。引导学生找出设计存在的问题加以改进，在成果汇报阶段，可以运用AI技术生成PPT、视频介绍自己的包装纸盒创意、工艺及使用价值。
四、AI技术在中学数学课堂应用中面临的挑战与应对策略
4.1 面临的挑战
一些初中数学老师对于AI技术的了解及掌握度不高，不能很好地结合教学内容运用AI工具，使得AI技术在课堂教学中呈现的形式过于表浅，在AI工具的帮助下，有些学生缺少了自主学习、主动思考的意识，当出现问题的时候就让AI工具直接给出答案，并没有注重解题思路及思维能力的锻炼。
4.2 应对策略
学校应定期让老师参加AI技术培训，邀请相关专家到学校进行讲座，教给老师们使用AI教学软件及相关技术，并鼓励老师多做AI教学方面的研究，互相之间进行交流，探讨怎样才能把AI技术应用到数学教学中去；教师自身也应当不断地学习关于AI的知识。三是提高信息技术素养，让人工智能成为教与学的利器。
首先，教师应正确认识AI工具，让学生对AI正确定位：AI是辅助自己的学习手段而不是代替自己的思考。在教学过程中注重培养学生的自主探索能力，让学生能够自行分析并解决相关问题，当学生无法解决难题的时候才借助于 AI 获得帮助。另外，老师还要加强在做题过程中的监督及指导，培养学生自己动手的能力以及逻辑思维能力。
五、结论与展望
将人工智能技术深度应用于中学数学课堂教学中，这是教育信息化发展的必然，也是实现立德树人根本任务，促进教育现代化的有效途径。利用人工智能技术可以打破传统教育教学壁垒，重构教学过程，重塑教学方式，为学生提供个性化、精准化的服务，促进学生核心素养的发展。
作为一名一线的初中数学教师，我们应该积极拥抱AI技术，在不断加强自身技术使用能力的同时也要提高自身的教学创新意识，把AI技术充分运用到自己的课堂上，但是也应该意识到AI技术只是帮助教师完成教学任务的一种手段，并不是代替教师本身的存在。在未来教学过程中，我们应坚持“以人为本”的教育理念，充分利用人工智能技术和传统教学的优势，探索人机协同的教学新模式，打造有温度的数学课堂，为培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人添砖加瓦。
总之，在今后的发展过程中，随着人工智能技术的不断成熟完善，其将会被更多地应用于中学数学课堂中，并且会逐渐发挥出更大的作用。相信在未来的一段时间内，人工智能技术会在中学数学课堂当中得到更为广泛的应用，并给中学数学课堂带来更多新的变化和发展。
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部.义务教育数学课程标准（2022年版）[S].北京:北京师范大学出版社,2022.
[2] 张奠宙.数学教育学导论[M].北京:高等教育出版社,2019.
[3]李芒.人工智能时代的教学变革[J].教育研究,2020(05):45-53.