AI赋能小学数学跨学科实践教学的创新探索

选题背景

在当前基础教育课程改革深化阶段，数学综合与实践领域教学仍面临三重现实困境：一是学科知识应用虚化：传统实践活动常止步于纸面计算，学生难以在真实场景中迁移数学思想；二是跨学科整合表层化：尽管新课标强调学科融合，但多数活动仅将多学科知识简单叠加；三是信息化技术应用缺失或不当：信息技术多局限于课件演示。

基于上述问题，这堂《班级运动场地规划》课程以真实问题驱动：在“每天运动2小时”的教育政策要求下，校园普遍存在体育空间不足的问题，引导学生用数学等学科知识解决这些问题。引入AI仿真平台：将“空间优化策略”等抽象概念具象为可视数据，突破经验型操作的局限性。多学科协同，小组协作：要求学生综合体育项目规则、数学参数计算与信息技术工具，在小组协作中体验“需求分析—建模—验证—迭代”的工程思维闭环，回应新课标对“模型意识”“创新意识”等核心素养要求。

教学目标

本设计以发展学生智能化时代的跨学科问题解决素养为核心目标，具体设定如下学习目标。

（一）知识应用与认知发展（数学核心素养落地）

1.空间优化策略及实践迁移：能准确运用“最大空间利用”“先大后小”“同类聚合”等布局策略，在AI设计平台通过有效调整使虚拟运动场地空间利用率提升，并能口头解释策略选择的数学依据。2.参数关联性分析能力：能在方案汇报中清晰表述场地参数与整体布局的数学关系。3.批判性技术观形成：通过“AI小助手”环节，能辨别技术建议的局限性。

（二）数字化实践能力（技术赋能创新）

1.工具迭代验证能力：能独立操作AI仿真平台，完成“设计→验证→迭代”循环，根据实时利用率反馈调整布局。2.数据驱动决策能力：在方案评选中，能依据量化标准为作品打分，并利用生成的条形统计图分析小组偏好。

（三）协作与态度养成（社会化学习素养）

跨学科协作：分工合作共同输出1份包含布局图、利用率数据、安全说明的完整方案。

教学设计创新

（一）教学理念创新：AI赋能的跨学科实践者培养

本设计突破传统单一学科知识单向传授的局限，其理念创新主要体现在三个方面：1.从“教师中心”到“学生作为知识共创者”的角色转变：本设计赋予学生“运动场地规划师”的职业角色，结合了深圳中小学运动场地稀缺的典型困境，确立了优化空间、满足运动功能需求、达成预算限制等多维度真实目标，学生不再被动地接受知识，而是在真实的问题情境中实现知识的主动学习、建构与创新应用。2.从“学科割裂”到“跨界融合解决真实问题”的内容重组：以真实问题为锚点，学生需要综合运用数学、体育、信息技术等学科知识，实现学科知识的深度整合。3.从“经验决策”到“数据驱动的迭代优化决策”：引入AI工具提供实时数据反馈，让学生拥有了决策科学化的意识，提升了决策能力。

（二）教学方法创新：项目式学习与智能化工具的深度耦合

本设计采用“项目式学习+人工智能”双驱动教学模式，其创新性突出体现在：1.智能化工具支持的迭代探究循环：本设计引入AI仿真平台，比传统项目式学习中依赖手工绘图与经验判断更加高效。2.基于真实情境的协作认知分工：数学组负责参数计算与优化建模，体育组论证功能合理性，技术组操作AI工具进行方案模拟与数据可视化。3.形成AI工具链：整合场地参数建模、三维空间模拟、实时计算利用率的多重AI工具。

教学实施

（一）情境回顾，任务聚焦（3分钟）

1.视频回顾：教师播放视频，回顾项目前3课时的关键活动：驱动性问题提出（如何合理规划班级运动场地）、实地测量场地数据、收集各项体育运动的尺寸与安全间距需求、初步的设计构思。

2.引入新课：教师点明本课核心任务—借助AI工具，将初步构想变成可实施的设计方案，并最终为班级评选出“最佳运动场地规划方案”。

3.明确目标：再次强调优化目标—在满足安全需求的前提下，尽可能提高空间利用率，使场地既实用又美观。

（二）小组协作，AI优化设计 （10分钟）

（三） 

1.启动AI工具：各小组在电脑上打开“智能场地规划”AI软件。教师简要重申软件核心功能：可拖拽不同体育项目的虚拟设施（按照前期收集的真实尺寸比例建模）、实时显示场地利用率和可容纳人数。

2.协作设计：小组内根据前期构思和数据，开始尝试在软件虚拟场地上摆放设施。

3.成员分工合作：操作拖拽、记录利用率变化、观察安全间距、提出调整建议。

4.关键策略引导：教师巡视，不断提示核心优化策略。

5.验证迭代：（1）学生通过反复拖拽、旋转、调整位置，观察AI软件实时反馈的空间利用率百分比和可容纳人数的变化。（2）鼓励学生进行“试错→分析→改进”循环，不断调整提升空间利用率。（3）教师解答技术疑问，并引导学生理解AI反馈的逻辑。

6.方案定型：各小组确定最优方案，并为方案构思一句简短的宣传口号，准备汇报。

（三）汇报展示，策略提炼（10分钟）

1.动态展示：小组代表动态演示AI设计方案：展示如何拖拽设施，解释布局思路，重点展示最终的空间利用率数值和布局效果图。

2.互动评价：其他小组认真观看，可针对方案的设计合理性、优化策略、空间利用率等提出问题或建设性修改意见。汇报小组简要回应。

3.策略总结：教师引导全班学生共同观察、比较各组的方案特点，板书核心策略关键词，强调数学中的“优化思想”。

（四）投票评选，数据说话（8分钟）

1.明确标准：是否遵循了“最大利用空间”“先安排大面积再安排小面积”“同类项目放一起”等优化策略，空间利用率是否达标（≥60%），整体布局是否合理、安全、美观。

2.学生投票：学生通过麻吉星投票器，为除本组外的其他小组的方案进行打分（如1—5分）。教师直观展示各组得票情况。师生共同分析统计图。

3.结果对比与揭晓：针对学生投票的结果，讨论异同点及原因。揭晓最佳方案。

（五）AI思辨，理性认知（5分钟）

1.对比分析：教师选取投票结果中两个有特色或差异较大的方案，请“AI小助手”对这两个方案进行多维度对比分析。

2.辩证讨论：教师引导学生思考：AI小助手说得都完全正确吗？它的建议是基于什么规则？我们需要全盘接受吗？

（六）分享收获，总结提升（4分钟）

1.自由分享：邀请学生分享本次项目式学习的收获：学到了哪些数学知识和方法？掌握了什么新技能？有什么感悟？

2.教师总结：（1）提炼核心收获：应用优化思想解决实际问题；利用数据支持决策；体验跨学科融合的魅力；感受团队合作的力量。（2）肯定学生在“发现问题→设计方案→验证迭代→展示评价”全过程中的积极投入和创造性思维。（3）预告下节课任务……

实际教学中，学生把学校操场的空间利用率从62%提升到91%，实现了数学知识的现实应用。

本文系广东省2025年度中小学教师教研能力提升计划项目课题“循证教学评价视角下的课堂师生互动行为优化策略研究”（项目编号：2025ZQJK148）的阶段性成果

（作者曾焕单位系北京师范大学未来教育学院；作者郭天宇、于鸿儒单位系广东省深圳市盐田区乐群实验小学）

《人民教育》2025年第15-16期，有修改