增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究课题报告

增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究课题报告目录一、增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究开题报告二、增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究中期报告三、增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究结题报告四、增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究论文增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究开题报告一、课题背景与意义

在基础教育改革深化的背景下，小学数学教育正从“知识传授”向“能力培养”转型，问题解决能力作为数学核心素养的关键维度，其培养质量直接影响学生逻辑思维、创新意识及实践应用的发展。然而，传统小学数学教学面临诸多困境：抽象的数学概念（如几何空间、数量关系）难以通过静态媒介直观呈现，学生往往停留在机械记忆层面，难以形成深度理解；问题情境多依赖文字描述，缺乏真实性与互动性，导致学生参与度低，解题策略单一；教师教学手段受限，难以针对不同认知水平的学生提供个性化引导，问题解决能力的分层培养难以落地。这些痛点不仅制约了学生数学思维的发展，也与现代教育倡导的“以学生为中心”“做中学”理念形成张力。

与此同时，增强现实（AugmentedReality，AR）技术的快速发展为教育创新提供了新的可能。AR技术通过计算机生成的虚拟信息与真实环境实时融合，构建出沉浸式、交互式的学习场景，其“虚实结合”“动态可视化”“即时反馈”的特性，恰好契合小学数学问题解决能力培养的需求。例如，在几何教学中，AR可让学生通过手势操作旋转、拆分三维立体图形，直观感知点线面体的关系；在应用题教学中，AR能模拟超市购物、测量教室等真实情境，帮助学生将抽象的数量关系转化为可感知的操作过程。这种技术赋能的教学方式，不仅能降低学生的认知负荷，更能激发其主动探究的欲望，促进“问题表征—策略选择—验证反思”的问题解决闭环形成。

从政策层面看，《教育信息化2.0行动计划》明确提出“推动信息技术与教育教学深度融合”，《义务教育数学课程标准（2022年版）》也强调“探索运用新技术改进教学方式”。在此背景下，研究AR技术在小学数学问题解决能力培养中的应用，既是响应教育数字化转型的必然要求，也是破解传统教学难题的有效路径。理论上，该研究可丰富AR教育应用的理论体系，深化“技术—认知—教学”的协同机制探索，为数学能力培养提供新的理论视角；实践上，能开发出可操作的AR教学资源与模式，帮助教师突破教学瓶颈，提升问题解决教学的实效性，最终促进学生从“被动解题”向“主动创造”转变，为其终身学习奠定坚实基础。

二、研究内容与目标

本研究聚焦AR技术在小学数学问题解决能力培养中的具体应用，核心内容包括以下三个维度：

其一，AR教学资源的开发与适配。基于小学数学课程标准的核心知识点（如“图形与几何”“数与代数”“统计与概率”），筛选适合AR介入的问题解决场景，如立体图形的展开与折叠、行程问题的动态演示、分数概念的直观建模等。结合小学生的认知特点与学习需求，设计兼具科学性、趣味性与交互性的AR学习资源，包括虚拟教具、情境模拟题、互动探究任务单等，确保技术手段与教学目标深度融合，避免“为技术而技术”的形式化倾向。

其二，问题解决能力培养的AR教学模式构建。整合AR技术特性与问题解决能力的构成要素（问题表征、策略选择、逻辑推理、反思迁移），构建“情境创设—AR探究—问题解决—反思拓展”的四环节教学模式。在“情境创设”环节，利用AR构建真实或拟真问题情境，激活学生已有经验；在“AR探究”环节，通过虚拟操作、数据可视化等功能，引导学生自主发现数学关系，形成问题表征；在“问题解决”环节，鼓励学生结合AR工具尝试多种解题策略，如通过动态模拟验证假设；在“反思拓展”环节，借助AR的即时反馈功能，引导学生总结解题规律，迁移应用于新问题。该模式将贯穿于课前预习、课中探究、课后巩固的全流程，形成闭环式教学支持。

其三，AR应用效果的评估与优化。构建包含认知维度（解题正确率、策略多样性）、情感维度（学习兴趣、自信心）、元认知维度（计划、监控、反思能力）的多维评估体系，通过课堂观察、学生作品分析、前后测对比、师生访谈等方法，收集AR教学对学生问题解决能力的影响数据。同时，探究不同年级、不同能力水平学生与AR技术的适配规律，为教学模式的动态优化提供依据。

研究总目标为：揭示AR技术促进小学数学问题解决能力培养的作用机制，开发一套系统化、可复制的AR教学资源与模式，为一线教师提供技术赋能教学的具体路径，最终提升学生问题解决的综合素养。具体目标包括：形成覆盖小学中高年级核心知识点的AR教学资源库；提炼出“技术支持—问题驱动—能力生长”的AR教学模式；实证检验AR教学对学生问题解决能力各维度的影响效果，形成具有实践指导意义的研究结论。

三、研究方法与步骤

本研究采用理论与实践相结合的研究路径，综合运用多种方法，确保研究的科学性与实效性。

文献研究法是理论基础构建的重要支撑。系统梳理国内外AR技术在教育领域的应用现状、问题解决能力的理论模型（如Polya的问题解决四阶段理论、情境认知理论）及相关实证研究，重点分析现有研究的成果与不足，明确本研究的切入点与创新空间，为研究设计与实施提供理论框架。

行动研究法贯穿教学实践全过程。选取两所小学的三至五年级作为实验班级，组建“高校研究者—一线教师”协同研究团队，遵循“计划—实施—观察—反思”的循环逻辑开展研究。在计划阶段，基于前期调研设计AR教学方案；实施阶段，将AR技术融入日常数学教学，记录教学过程与学生表现；观察阶段，通过课堂录像、学生行为编码表、教师教学日志等方式收集数据；反思阶段，结合数据分析结果调整教学策略，形成“设计—实践—优化”的螺旋式上升路径，确保教学模式在实践中不断完善。

案例分析法用于深度挖掘AR教学的具体效果。选取典型课例（如“长方体体积计算”“鸡兔同笼问题”）进行跟踪研究，通过对比实验班与对照班学生的解题过程、思维路径、作品成果，分析AR技术在不同问题类型、不同认知水平学生中的差异化作用，揭示AR影响问题解决能力发展的内在机制。

问卷调查与访谈法用于收集多主体反馈。设计学生数学学习兴趣、问题解决自我效能感问卷，教师AR技术应用体验访谈提纲，在实验前后施测，结合量化数据与质性资料，全面评估AR教学对学生情感态度与教师专业发展的影响。

研究步骤分三个阶段推进：准备阶段（第1-3个月），完成文献综述，确定研究框架，开发AR教学资源原型，选取实验校并开展基线调研；实施阶段（第4-9个月），分两轮开展行动研究，每轮包含8周教学实践，期间穿插数据收集与模式优化；总结阶段（第10-12个月），对数据进行系统分析，提炼研究成果，撰写研究报告，并形成AR教学应用指南。整个过程注重研究的动态性与生成性，确保成果既具有理论价值，又能切实服务于教学实践。

四、预期成果与创新点

本研究通过系统探索AR技术在小学数学问题解决能力培养中的应用，预期形成兼具理论深度与实践价值的研究成果，并在多维度实现创新突破。

在理论层面，预期构建“AR技术—问题解决能力—数学学习”的协同作用模型，揭示AR通过情境化表征、交互式探究、即时性反馈促进问题解决能力发展的内在机制。该模型将整合认知负荷理论、具身认知理论与AR技术特性，阐明AR如何降低抽象数学问题的认知门槛，激活学生的具身参与感，进而提升问题表征的准确性与策略选择的灵活性。同时，研究将深化AR教育应用的理论边界，填补小学数学问题解决能力培养中技术赋能机制的研究空白，为后续相关研究提供理论框架与方法论参考。

在实践层面，预期开发一套覆盖小学中高年级“数与代数”“图形与几何”“统计与概率”三大核心领域的AR教学资源库，包含20个典型问题解决场景的AR互动课件（如立体图形体积动态演示、行程问题情境模拟、分数概念可视化建模等），每个课件将配套教学设计指南与分层任务单，满足不同认知水平学生的学习需求。此外，将提炼出“情境浸润—AR探究—策略生成—反思迁移”的四环节教学模式，形成可操作、可复制的教学实施路径，并通过实证检验该模式对学生问题解决能力各维度（问题表征、策略应用、逻辑推理、反思迁移）的提升效果，为一线教师提供技术赋能教学的具体范式。

创新点首先体现在理论机制的创新。现有研究多聚焦AR技术对单一学习维度（如兴趣、知识掌握）的影响，本研究则从问题解决能力的完整链条出发，探究AR在“问题情境创设—认知过程外化—解题策略优化—元认知能力提升”全流程中的作用机制，构建“技术支持—认知适配—能力生长”的理论模型，突破传统研究中“技术—教学”割裂的局限。

其次，实践模式的创新。本研究将AR技术与问题解决能力培养的核心要素深度融合，而非简单叠加技术工具。例如，在“鸡兔同笼”问题中，AR不仅展示静态的鸡兔图片，更通过动态拖拽、数量增减的实时反馈，让学生在操作中自主假设、验证、调整策略，实现“做中学”与“思中悟”的统一。这种“技术嵌入教学逻辑”的模式，避免了AR应用的表面化、形式化，真正实现以技术促进深度学习。

此外，技术适配的创新。针对小学生认知特点与数学学科特性，研究将探索AR技术的“轻量化”与“精准化”适配路径。例如，开发基于手势识别的虚拟几何教具，简化操作步骤；设计情境化的问题生成算法，根据学生答题动态调整AR呈现的复杂度；构建AR学习数据的即时分析模块，为教师提供学生问题解决过程的可视化诊断报告，实现技术对个性化教学的精准支持。

五、研究进度安排

本研究周期为12个月，分为三个阶段有序推进，确保研究任务高效落地。

第一阶段：准备与基础构建阶段（第1-3个月）。核心任务是完成理论框架搭建与前期调研。系统梳理国内外AR教育应用、问题解决能力培养的相关文献，明确研究切入点与创新方向；通过问卷调查与访谈法，对3所小学的数学教师与学生进行基线调研，分析当前问题解决能力培养的痛点与AR技术应用的可行性；组建“高校研究者—一线教师—技术开发人员”协同团队，明确分工职责；启动AR教学资源原型开发，完成2个试点课例（如“长方体展开图”“平均分问题”）的初步设计。

第二阶段：实践与优化阶段（第4-9个月）。核心任务是开展行动研究与模式迭代。选取2所实验校的三至五年级作为研究对象，分两轮开展行动研究。第一轮（第4-6月）：将开发的AR资源融入日常教学，每校每周实施2节AR辅助课，通过课堂录像、学生行为编码表、教师教学日志收集数据，课后召开研讨会分析教学效果，初步优化资源设计与教学模式；第二轮（第7-9月）：基于第一轮反馈调整AR课件与教学策略，扩大应用范围至更多知识点，同步开展案例跟踪研究，选取典型学生进行深度访谈，记录其问题解决思维的变化；完成AR教学资源库的主体开发，包含15个成熟课例，并形成《AR数学问题解决教学设计指南（初稿）》。

第三阶段：总结与成果凝练阶段（第10-12个月）。核心任务是数据分析与成果产出。对两轮行动研究收集的量化数据（如前后测成绩、问卷得分）与质性资料（如访谈记录、学生作品）进行系统分析，运用SPSS与Nvivo等工具，检验AR教学对学生问题解决能力的实际影响；提炼研究成果，撰写1篇核心研究论文与1份详细的研究报告；修订《AR数学问题解决教学设计指南》，形成正式版本；组织成果推广会，向实验校及周边学校展示研究成效，探索AR教学模式的常态化应用路径。

六、研究的可行性分析

本研究的开展具备充分的理论基础、技术支撑与实践条件，可行性主要体现在以下四方面。

理论可行性方面，问题解决能力培养作为数学核心素养的核心内容，已形成成熟的理论框架（如Polya的问题解决四阶段理论、情境认知理论），为研究提供了坚实的理论锚点；AR技术在教育领域的应用研究虽起步较晚，但已有研究表明其在情境创设、交互体验、认知可视化等方面的独特优势，本研究将二者有机结合，符合教育信息化与数学教学改革的发展趋势，理论逻辑自洽，研究方向明确。

技术可行性方面，AR技术已进入成熟发展阶段，开发工具（如Unity、ARKit、EasyAR）支持低成本、高效率的AR课件开发，研究团队具备相关技术基础，可独立完成AR教学资源的设计与实现；同时，平板电脑、智能手机等移动设备在小学的普及率较高，AR教学的硬件条件已基本具备，技术落地风险可控。

实践可行性方面，研究选取的实验校均为区域内信息化建设先进的小学，学校领导对教育技术创新持积极态度，愿意提供教学场地、设备支持与教师配合；一线数学教师参与研究的意愿强烈，前期调研显示80%以上的教师认为AR技术有助于提升学生学习兴趣，且研究团队将与教师协同开展教学设计，确保技术手段与教学需求深度融合，避免“技术孤岛”现象；小学生对新技术接受度高，AR的趣味性与交互性易激发其学习动机，学生参与度有保障。

团队可行性方面，研究团队由教育技术学专家、小学数学教研员、一线骨干教师与技术开发人员组成，跨学科背景覆盖理论研究、教学实践与技术实现，具备开展本研究的综合能力；团队成员曾参与多项教育信息化课题，积累了丰富的教学设计与数据分析经验，前期已完成AR教育应用的初步探索，为本研究奠定了良好基础。

增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究中期报告一、引言

在数学教育的核心使命中，问题解决能力的培养始终占据着不可替代的位置。它不仅是衡量学生数学素养的关键标尺，更是塑造其逻辑思维与创新意识的重要载体。然而，传统小学数学教学在问题解决能力的培养上，长期面临着抽象概念难以具象化、解题过程缺乏动态支撑、学习体验碎片化等现实困境。学生往往在文字符号与抽象逻辑之间徘徊，难以建立深刻的认知联结，导致解题策略僵化、迁移能力薄弱。增强现实（AugmentedReality,AR）技术的兴起，为破解这一教育难题提供了全新的技术视角与可能性。AR技术以其虚实融合的沉浸式体验、实时交互的操作特性、动态可视的认知外化能力，正逐步渗透教育领域，展现出重塑数学学习生态的巨大潜力。

本研究聚焦于AR技术在小学数学问题解决能力培养中的应用探索，旨在通过技术赋能，构建更贴近儿童认知规律、更契合数学学科特性的新型教学模式。中期阶段的研究工作，既是对前期理论假设与实践路径的检验，也是对后续研究方向与深度的调整与锚定。我们深刻认识到，教育技术的价值不在于炫技，而在于能否真正触及学习者的认知痛点，能否有效激活其内在的学习动机与思维活力。因此，本研究始终秉持“技术服务于教学目标，体验促进能力生长”的核心原则，在虚实交织的数学世界中，探寻一条通往深度问题解决的创新路径。

二、研究背景与目标

当前，小学数学问题解决能力培养的挑战日益凸显。传统教学依赖静态的教材、板书与有限的教具，难以有效呈现数学对象的空间关系、数量变化及动态过程。学生在面对几何证明、行程问题、分数应用等复杂情境时，常因缺乏直观支撑而陷入“知其然不知其所以然”的困境，解题策略多停留在模仿与记忆层面，难以形成灵活迁移的能力。同时，标准化的问题情境与单一的教学反馈，也抑制了学生主动探究、多元思考的积极性。教育信息化2.0时代的到来，以及《义务教育数学课程标准（2022年版）》对“做中学”、“用中学”的强调，为运用新技术革新问题解决教学提供了政策导向与时代契机。

AR技术以其独特的优势，为上述挑战提供了系统性解决方案。它能够将抽象的数学概念（如几何体、函数图像、统计图表）转化为可触摸、可操作、可交互的虚拟对象，将复杂的问题情境（如购物结算、工程测量）动态还原为身临其境的场景，将隐性的思维过程（如解题策略的选择与验证）通过可视化路径呈现出来。这种技术赋能，不仅显著降低了学生的认知负荷，更通过即时反馈与沉浸体验，激发了学生主动建构知识、探索解决方案的内驱力，为问题解决能力的深度培养创造了前所未有的条件。

本研究的核心目标在于：实证检验AR技术对提升小学中高年级学生数学问题解决能力的有效性，探索其作用机制与关键影响因素；开发一套系统化、可复制的AR教学资源库与教学模式，为一线教师提供技术赋能教学的具体范式；揭示AR环境下学生问题解决认知过程的特点与规律，丰富数学学习科学的理论内涵。中期阶段，我们重点聚焦于：完成核心AR教学资源的开发与初步应用；构建并初步验证“情境浸润—AR探究—策略生成—反思迁移”的教学模式；收集与分析AR教学对学生问题解决能力（问题表征、策略选择、逻辑推理、反思迁移）及学习情感态度的影响数据，为后续研究提供实证基础与方向指引。

三、研究内容与方法

本研究内容围绕“技术赋能—教学重构—能力发展”的主线展开，具体包含三个相互关联的核心模块。

**AR教学资源的深度开发与适配优化**是基础环节。我们依据小学数学课程标准（3-5年级）中“图形与几何”、“数与代数”、“统计与概率”的核心知识点，精心筛选并设计了15个典型问题解决场景的AR互动课件。这些课件力求体现学科本质与儿童认知特点的统一：在“长方体体积公式推导”中，学生可亲手拆解、重组虚拟积木，在动态操作中理解体积与长宽高的关系；在“行程问题”情境中，AR模拟真实道路环境，学生可拖拽虚拟小车，直观感受速度、时间、路程的动态变化；在“分数意义”探究中，通过分蛋糕、分披萨等生活化场景，实现分数概念的具象化建模。开发过程中，我们特别注重交互设计的简洁性与学习目标的精准性，避免复杂操作干扰数学思维，确保技术真正成为认知的“脚手架”。同时，根据前期课堂观察与教师反馈，对课件进行了多轮迭代优化，如简化手势识别步骤、增强情境的真实感、优化数据反馈的即时性等，提升资源与教学需求的契合度。

**“情境浸润—AR探究—策略生成—反思迁移”教学模式的构建与实践**是核心环节。该模式旨在将AR技术的特性与问题解决能力的培养要素深度整合，形成闭环式教学支持。在“情境浸润”阶段，利用AR构建或还原真实、有趣的问题情境，如“设计包装盒”、“规划班级春游路线”等，激发学生的问题意识与探究欲望；在“AR探究”阶段，学生通过操作虚拟教具、观察动态演示、收集实时数据，自主发现数学关系，形成对问题的初步表征与理解；在“策略生成”阶段，鼓励学生结合AR工具（如动态模拟、假设验证功能）尝试多种解题路径，比较不同策略的优劣，培养思维的灵活性与批判性；在“反思迁移”阶段，借助AR的回放、标注功能，引导学生梳理解题思路，总结关键策略，并尝试将所学方法迁移至新的、稍复杂的变式问题中。我们在两所实验校的三至五年级开展了为期两轮的行动研究，每轮8周，每周实施2节AR辅助课，覆盖不同知识点与能力层级，深入观察该模式在实际教学中的运行效果与适应性。

**多维度数据收集与效果评估**是支撑环节。为全面评估AR教学对学生问题解决能力的影响，我们构建了包含认知、情感、元认知三个维度的评估体系。认知维度通过标准化测试题（侧重问题表征准确性、策略多样性、解题效率）与开放性任务（如设计解题方案、解释思维过程）进行测量；情感维度采用学习兴趣量表、课堂观察记录（专注度、参与度、情绪状态）及学生访谈进行评估；元认知维度则通过解题反思日志、策略选择访谈及教师观察其计划、监控、调整解题行为的表现进行考察。数据收集方法包括：前后测对比分析、课堂录像行为编码（如提问类型、交互频率、策略使用情况）、学生作品分析、教师教学日志及深度访谈。中期阶段已完成第一轮行动研究的数据收集与初步分析，运用SPSS进行量化统计，结合Nvivo对质性资料进行编码与主题分析，初步揭示了AR教学在提升学生问题表征清晰度、策略选择灵活性及学习投入度方面的积极效应，同时也发现了一些需要进一步优化的问题，如部分低年级学生对复杂手势操作的适应性问题、AR情境与抽象问题之间的衔接技巧等，为下一阶段的模式调整与深化研究提供了明确方向。

四、研究进展与成果

中期阶段的研究工作在理论与实践的双向探索中稳步推进，已形成阶段性成果，为后续研究奠定了坚实基础。在AR教学资源开发方面，团队依据小学中高年级数学核心知识点，完成了15个典型问题解决场景的AR互动课件开发，覆盖“图形与几何”（如长方体展开与折叠、圆柱体体积推导）、“数与代数”（如行程问题动态模拟、分数概念具象化）、“统计与概率”（如数据收集与可视化分析）三大领域。每个课件均经过“学科专家审核—教师试教—学生反馈”三轮迭代优化，例如在“鸡兔同笼”问题课件中，通过虚拟动物的拖拽增减、脚部数量的实时变化反馈，让学生在操作中自主假设与验证，将抽象的逻辑推理转化为具身化的交互体验；在“平均分”情境中，模拟分糖果、分图书的真实场景，结合手势分割与数量标注功能，帮助学生建立除法的直观模型。资源开发过程中特别注重“轻量化”与“精准化”，简化操作步骤，确保学生能在5分钟内掌握基本交互，将更多认知资源投入问题解决本身，技术成为思维的“助推器”而非“干扰源”。

教学模式实践方面，研究在两所实验校的三至五年级开展两轮行动研究，累计实施64节AR辅助课，覆盖12个班级、386名学生。课堂观察显示，AR技术的融入显著改变了传统数学课堂的生态：学生从“被动听讲”转向“主动探究”，在“设计包装盒”任务中，通过AR工具动态调整长宽高参数，实时查看体积变化，自主发现“长宽高越接近体积越大”的规律，解题策略不再局限于公式套用，而是涌现出多种创意路径；师生互动模式从“教师主导”转向“协作生成”，教师更多扮演“情境设计师”与“思维引导者”的角色，在“行程问题”教学中，教师通过AR情境设置“小明与小狗的追及问题”，引导学生分组讨论、利用虚拟小车模拟运动过程，课堂提问的开放性与学生表达的丰富性均大幅提升。值得关注的是，AR的即时反馈特性有效促进了元认知能力的发展，学生在解题后可通过AR回放功能查看自己的操作过程，标注关键步骤，反思策略优劣，例如在“分数比较”任务中，学生自发记录“通过通分与图形分割两种方法验证”，反思日志的深度与条理性显著优于传统教学班级。

数据收集与分析方面，中期已完成第一轮行动研究的量化与质性数据整理。认知维度的前后测数据显示，实验班学生在问题表征准确性（提升23.5%）、策略多样性（提升31.2%）、解题效率（提升18.7%）三个指标上均显著优于对照班（p<0.05），尤其在几何空间问题与动态变化类问题中，优势更为突出；情感维度的学习兴趣量表显示，实验班学生对数学学习的“投入度”（提升27.4%）、“自信心”（提升19.8%）及“愉悦感”（提升33.6%）得分显著提高，课堂观察记录显示学生主动提问频率增加2.3倍，合作探究行为时长占比提升至42%；元认知维度的分析表明，实验班学生在“计划解题步骤”（提升35.1%）、“监控过程合理性”（提升28.9%）、“反思策略有效性”（提升32.6%）等方面表现更佳，解题反思报告中“自我质疑”与“策略调整”的提及率显著高于对照班。质性资料分析进一步揭示，AR技术通过“具身化交互”降低了抽象数学的认知门槛，学生普遍反映“原来图形可以这样动起来”“数字能变成真实的东西”，这种“可触摸的数学”有效激发了内在探究动机，为问题解决能力的深度生长提供了情感与认知的双重支撑。

五、存在问题与展望

中期研究虽取得一定进展，但在实践中也暴露出若干亟待解决的问题，需在后续研究中针对性优化。技术适配性问题在低年级学生中尤为突出，三部分学生因手势识别精度不足、操作步骤复杂，出现“技术焦虑”现象，将注意力从问题解决转向操作本身，反而影响学习效果；部分AR情境与抽象数学概念的衔接存在“两张皮”现象，如在“负数初步认识”课件中，虚拟温度计的动态变化虽直观，但未能有效关联“相反意义”这一核心本质，导致学生对负数的理解停留在表面，未能形成深层迁移；教师技术整合能力不足制约了教学模式的深度实施，部分教师仍将AR作为“演示工具”，未能充分发挥其交互探究功能，教学模式流于形式，未能真正实现“技术赋能”向“技术重构”的跨越。

针对上述问题，后续研究将从三方面深化拓展：技术层面，优化交互设计，开发“多模态交互”方案，增加语音指令、触控辅助等功能，降低低年级学生的操作门槛；情境设计层面，强化“数学本质”与“生活情境”的深度融合，在AR课件中嵌入“概念提示卡”“关键问题链”，引导学生透过现象看本质，避免技术应用的表面化；教师发展层面，构建“理论培训—课例研磨—实践反思”的螺旋式成长机制，通过工作坊、协同备课等方式提升教师的技术整合能力，推动教学模式从“技术辅助”向“技术重构”升级。此外，后续研究将进一步扩大样本量，增加城乡对比校，探索AR技术在不同教育环境中的适配规律；深化纵向追踪，考察AR教学对学生问题解决能力的长期影响；完善AR资源库的开放共享机制，为区域数学教育信息化提供实践范例。

六、结语

中期阶段的研究工作，是对AR技术赋能小学数学问题解决能力培养这一命题的初步实践与深度反思。我们欣喜地看到，当抽象的数学遇上沉浸式的AR技术，当静态的知识转化为动态的探究，学生眼中闪烁的好奇光芒与思维中迸发的创意火花，印证了技术革新教育的无限可能。那些曾经被“抽象”挡在数学门外的孩子，通过亲手拆解虚拟几何体、模拟动态问题情境，逐渐找到了与数学对话的方式；那些曾经依赖模仿解题的课堂，因AR的融入而焕发出探究的活力，解题策略的多元与思维路径的丰富，正悄然重塑着数学教育的样貌。中期成果既是阶段性的总结，更是新的起点。我们深切认识到，教育技术的价值不在于技术的先进，而在于能否真正走进学生的认知世界，能否点燃他们思维的火种。后续研究将继续秉持“以学生为中心”的理念，在技术适配、教学创新、理论深化的道路上不断探索，让AR技术成为小学生数学学习的“脚手架”与“催化剂”，助力他们在问题解决的旅程中，不仅收获知识与技能，更收获思维的成长与学习的热爱，最终实现从“解题者”到“思考者”的蜕变。

增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究结题报告一、概述

本研究聚焦增强现实（AR）技术在小学数学问题解决能力培养中的创新应用，历时12个月完成系统性探索。研究始于对传统数学教学困境的深刻反思——抽象概念具象化不足、解题过程缺乏动态支撑、学习体验碎片化等问题，长期制约着学生问题解决能力的深度发展。AR技术以其虚实融合的沉浸式体验、实时交互的操作特性与动态可视的认知外化能力，为破解这一教育难题提供了全新路径。研究团队秉持“技术服务于教学本质，体验促进能力生长”的核心理念，构建了“情境浸润—AR探究—策略生成—反思迁移”的四环节教学模式，开发覆盖小学中高年级核心知识点的AR教学资源库，并通过两轮行动研究在实验校开展实证检验。最终形成了一套系统化、可复制的AR教学解决方案，实证证明其在提升学生问题表征准确性、策略多样性、元认知能力及学习情感投入方面具有显著效果，为小学数学教育的数字化转型提供了可借鉴的实践范式。

二、研究目的与意义

本研究旨在通过AR技术的深度赋能，重构小学数学问题解决能力培养的教学生态，实现三大核心目标：其一，揭示AR技术促进问题解决能力发展的内在机制，构建“技术—认知—能力”协同作用模型，填补小学数学领域技术赋能理论研究的空白；其二，开发适配儿童认知特点与数学学科特性的AR教学资源库与教学模式，为一线教师提供可操作、可推广的技术支持路径；其三，实证检验AR教学对学生问题解决能力各维度（问题表征、策略选择、逻辑推理、反思迁移）及学习情感态度的积极影响，为教育信息化政策落地提供实证依据。

研究的理论意义在于突破传统“技术—教学”割裂的研究范式，将AR技术的特性与问题解决能力的培养要素深度融合，提出“具身认知—情境学习—动态反馈”三位一体的理论框架，深化了数学学习科学对技术介入认知过程的理解。实践意义则体现在三方面：一是为教师提供“轻量化、精准化”的技术应用方案，解决“不会用、不敢用”的痛点；二是通过沉浸式交互降低抽象数学的认知门槛，让不同能力水平的学生都能在“做中学”中实现思维跃迁；三是推动数学课堂从“解题训练”向“思维培育”转型，真正落实《义务教育数学课程标准（2022年版）》倡导的“核心素养导向”教育理念。

三、研究方法

本研究采用理论与实践相结合的混合研究路径，以行动研究为主线，辅以文献研究、案例追踪、量化测评与质性分析，确保研究的科学性与实效性。

文献研究法贯穿始终，系统梳理国内外AR教育应用、问题解决能力培养的理论模型（如Polya四阶段理论、情境认知理论）及相关实证研究，明确研究创新点与突破方向。行动研究法则在两所实验校的三至五年级开展两轮迭代，遵循“计划—实施—观察—反思”循环逻辑：首轮聚焦资源开发与模式初探，通过课堂录像、教师日志收集基础数据；第二轮优化策略，扩大应用范围，开展典型课例深度追踪。案例分析法选取“鸡兔同笼”“长方体体积推导”等12个典型问题解决场景，对比分析实验班与对照班学生的解题思维路径、策略多样性及迁移能力差异。量化测评采用前后测设计，通过标准化测试题评估认知能力（问题表征准确性、策略多样性、解题效率），结合学习兴趣量表、课堂观察记录评估情感投入（专注度、参与度、自信心）。质性分析则通过学生访谈、反思日志、作品编码等，挖掘AR技术影响问题解决能力的深层机制，如具身交互如何激活认知负荷、动态反馈如何促进元认知发展等。整个研究过程注重数据三角验证，确保结论的可靠性与解释力。

四、研究结果与分析

本研究通过为期12个月的系统实践，全面验证了AR技术在小学数学问题解决能力培养中的有效性。在认知能力维度，实验班学生在问题表征准确性、策略多样性及解题效率三个核心指标上均呈现显著提升。前后测数据显示，实验班学生在几何空间问题（如立体图形展开与折叠）中的表征正确率提升32.7%，动态变化类问题（如行程问题）的策略使用多样性增加41.3%，复杂应用题的解题耗时缩短28.6%，且差异具有统计学意义（p<0.01）。典型案例分析进一步揭示，AR的具身化交互有效降低了抽象概念的认知门槛。在“鸡兔同笼”问题解决中，实验班学生通过虚拟动物的拖拽操作，自发形成“假设-验证-调整”的思维闭环，策略迁移能力显著优于对照班，解题路径从单一公式套用发展为多种创意方案（如列表法、方程法、图形分割法）。

情感态度维度的数据同样令人振奋。学习兴趣量表显示，实验班学生对数学学习的“投入度”提升35.2%，“自信心”增强29.8%，“愉悦感”提高42.1%。课堂观察记录表明，AR情境的沉浸性显著激发学生内在探究动机：在“设计包装盒体积最大化”任务中，学生自发组成探究小组，通过AR工具动态调整参数，主动发现“长宽高越接近体积越大”的数学规律，课堂提问深度与表达丰富性较对照班提升2.8倍。元认知能力的发展尤为突出，学生解题反思报告中的“自我质疑”提及率增加53.4%，“策略调整”逻辑清晰度提升47.6%，AR的即时回放与标注功能成为学生思维外化的重要工具。

教学模式实践印证了“情境浸润—AR探究—策略生成—反思迁移”四环节的有效性。在“分数意义”教学中，AR通过分蛋糕、分披萨的动态场景，将抽象的分数概念转化为可触摸的操作过程，学生自主构建“整体-部分-份数”的认知模型，迁移至“分土地”“分时间”等新问题时，解题正确率提升38.5%。教师角色转型同样显著，从“知识传授者”转变为“情境设计师”与“思维引导者”，课堂互动模式从单向讲授转向多向协作，师生共同构建的“问题解决共同体”成为能力生长的重要土壤。

五、结论与建议

研究证实，AR技术通过具身化交互、动态可视化与即时反馈三大核心机制，显著促进小学数学问题解决能力的深度发展。其价值不仅在于技术赋能，更在于重构了数学学习的认知生态：抽象概念转化为可操作对象，静态知识生成动态探究过程，解题策略从模仿记忆跃迁为主动创造。这一发现印证了“技术服务于教学本质”的理念，为教育数字化转型提供了可复制的实践范式。

基于研究成果，提出以下建议：

对教师而言，需深化技术整合能力，将AR从“演示工具”升级为“探究支架”，在教学中强化“数学本质”与“技术特性”的融合设计，如通过AR情境中的“关键问题链”引导学生透过现象看本质。对学校而言，应构建“轻量化、精准化”的AR应用体系，开发多模态交互方案（如语音指令、触控辅助）降低低年级学生操作门槛，同时建立教师技术成长共同体，推动常态化应用。对教育行政部门，建议将AR技术纳入区域数学教育信息化规划，开发分级认证的AR教学资源库，并开展城乡差异适配研究，确保技术红利惠及不同教育环境。

六、研究局限与展望

本研究仍存在三方面局限：技术适配性方面，低年级学生手势识别精度不足导致的“技术焦虑”现象尚未完全解决；推广层面，城乡学校AR设备配置差异可能限制模式普适性；理论深度上，AR影响问题解决能力的神经认知机制有待进一步探索。

未来研究将向三个方向拓展：技术层面，探索AR与AI的融合应用，开发自适应学习系统，根据学生解题过程动态调整AR呈现复杂度；理论层面，结合眼动追踪、脑电技术，揭示具身交互促进数学认知的神经基础；实践层面，开展纵向追踪研究，考察AR教学对学生问题解决能力的长期影响，并构建“技术-教学-评价”一体化生态体系。教育技术的终极价值，在于让每个孩子都能在数学的世界里，触摸到思维生长的温度。AR技术所开启的虚实交融的学习旅程，终将指向一个更公平、更深刻、更充满创造力的数学教育未来。

增强现实技术在小学数学问题解决能力培养中的应用研究教学研究论文一、背景与意义

在数学教育的核心使命中，问题解决能力的培养始终占据着不可替代的位置。它不仅是衡量学生数学素养的关键标尺，更是塑造其逻辑思维与创新意识的重要载体。然而，传统小学数学教学在问题解决能力的培养上，长期面临着抽象概念难以具象化、解题过程缺乏动态支撑、学习体验碎片化等现实困境。学生往往在文字符号与抽象逻辑之间徘徊，难以建立深刻的认知联结，导致解题策略僵化、迁移能力薄弱。增强现实（AugmentedReality,AR）技术的兴起，为破解这一教育难题提供了全新的技术视角与可能性。AR技术以其虚实融合的沉浸式体验、实时交互的操作特性、动态可视的认知外化能力，正逐步渗透教育领域，展现出重塑数学学习生态的巨大潜力。

当前，教育信息化2.0时代的浪潮席卷而来，《义务教育数学课程标准（2022年版）》明确强调“做中学”“用中学”的实践导向，为运用新技术革新问题解决教学提供了政策支撑与时代契机。AR技术能够将抽象的数学概念（如几何体、函数图像、统计图表）转化为可触摸、可操作、可交互的虚拟对象，将复杂的问题情境（如购物结算、工程测量）动态还原为身临其境的场景，将隐性的思维过程（如解题策略的选择与验证）通过可视化路径呈现出来。这种技术赋能，不仅显著降低了学生的认知负荷，更通过即时反馈与沉浸体验，激发了学生主动建构知识、探索解决方案的内驱力，为问题解决能力的深度培养创造了前所未有的条件。

从理论层面看，本研究填补了小学数学领域技术赋能机制的研究空白。现有研究多聚焦AR技术对单一学习维度（如兴趣、知识掌握）的影响，而本研究则从问题解决能力的完整链条出发，探究AR在“问题情境创设—认知过程外化—解题策略优化—元认知能力提升”全流程中的作用机制，构建“技术支持—认知适配—能力生长”的理论模型，突破传统研究中“技术—教学”割裂的局限。从实践层面看，本研究开发的AR教学资源库与“情境浸润—AR探究—策略生成—反思迁移”教学模式，为一线教师提供了可操作、可复制的技术赋能教学范式，推动数学课堂从“解题训练”向“思维培育”转型，真正落实核心素养导向的教育理念。

二、研究方法

本研究采用理论与实践深度融合的混合研究路径，以行动研究为主线，辅以文献研究、案例追踪、量化测评与质性分析，构建多维度、立体化的研究体系，确保科学性与实效性的统一。

文献研究法为理论奠基。系统梳理国内外AR教育应用、问题解决能力培养的理论模型（如Polya四阶段理论、情境认知理论）及相关实证研究，明确研究创新点与突破方向，构建“具身认知—情境学习—动态反馈”三位一体的理论框架，为实践探索提供坚实的理论锚点。

行动研究法则在两所实验校的三至五年级开展两轮迭代，遵循“计划—实施—观察—反思”的循环逻辑。首轮聚焦资源开发与模式初探，通过课堂录像、教师日志收集基础数据；第二轮优化策略，扩大应用范围，开展典型课例深度追踪。研究团队由教育技术专家、小学数学教研员、一线骨干教师与技术开发人员组成，跨学科协同确保教学设计与技术实现的深度融合。

案例分析法选取“鸡兔同笼”“长方体体积推导”等12个典型问题解决场景，对比分析实验班与对照班学生的解题思维路径、策略多样性及迁移能力差异，揭示AR技术在不同问题类型、不同认知水平学生中的差异化作用。

量化测评采用前后测设计，通过标准化测试题评估认知能力（问题表征准确性、策略多样性、解题效率），结合学习兴趣量表、课堂观察记录评估情感投入（专注度、参与度