面向STEM的信息技術(shù)項目式教學(xué)

韋勝洪

近年來，STEM教育在我國基礎(chǔ)教育領(lǐng)域快速發(fā)展，各級各類學(xué)校紛紛開始探索STEM課程與教學(xué)模式。今年，我校在初一年級的信息技術(shù)課中進行了STEM教育的探索，開展了面向STEM的信息技術(shù)項目式教學(xué)實踐。面向STEM的信息技術(shù)課，是指在信息技術(shù)課中融合STEM探究項目，讓學(xué)生利用信息技術(shù)進行項目式學(xué)習(xí)，探究科學(xué)和數(shù)學(xué)問題。本文將以“三門問題”項目為例介紹這一教學(xué)模式。

選擇探究問題

項目式學(xué)習(xí)是STEM教育的核心，而選擇一個合適的探究問題則是開展項目式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。對于探究問題的挑選，我們有三條原則：①問題內(nèi)容適合學(xué)生當(dāng)前的知識和能力;②問題探究過程適合用信息技術(shù)驅(qū)動;③問題兼具學(xué)術(shù)性和趣味性。具體來說，首先，面對初一年級的學(xué)生，我們選擇初中數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科的知識，即使有初二或初三的內(nèi)容，通過講解和自主探究，學(xué)生有能力接受。其次，探究問題在常規(guī)課堂上難以講清，而信息技術(shù)能夠幫助學(xué)生理解該問題。最后，探究問題要有一定的學(xué)術(shù)難度，但又不能太枯燥。過度強調(diào)問題的學(xué)術(shù)性而忽略趣味性，難以激發(fā)學(xué)生探究的熱情;僅僅強調(diào)趣味性而忽略問題的學(xué)術(shù)性，課程就會失去應(yīng)有的教育意義。

本文選取的“三門問題”就符合這些原則。首先，這是一個概率問題，所需用到的數(shù)學(xué)知識在初一年級學(xué)生的能力范圍內(nèi)。其次，三門問題本身較難理解，用語言很難解釋清楚，而信息技術(shù)，尤其是編程模擬的方法可以很好地解決這個問題。最后，三門問題源于一個電視節(jié)目，本身具有趣味性，同時探索問題的過程極具學(xué)術(shù)性，并能鍛煉學(xué)生的計算思維能力。三門問題又稱蒙提霍爾問題，源于美國的一個電視游戲節(jié)目。在節(jié)目中，參賽者會看見三扇關(guān)閉了的門，其中一扇門后有一輛汽車，另外兩扇門后面各有一頭山羊。如果參賽者選中后面有車的那扇門可贏得該汽車。游戲過程分為三步：①參賽者選定一扇門，但是先不打開;②節(jié)目主持人開啟剩下兩扇門中的一扇，露出其中一頭山羊;③主持人詢問參賽者是否要改變最初的選擇打開另外一扇門。這里所要探究的問題是：改變最初的選擇是否能夠增加參賽者贏得汽車的概率。

導(dǎo)入問題

選取合適的問題之后，課堂教學(xué)的第一步是導(dǎo)入問題，即讓學(xué)生理解所要探究的問題。以三門問題為例，筆者先簡單介紹了問題的背景和內(nèi)容，然后邀請學(xué)生現(xiàn)場玩幾次三門問題的游戲。進行了幾次游戲之后，學(xué)生基本理解了游戲的過程和問題的內(nèi)容。在問題介紹完畢之后，學(xué)生開始對問題進行思考和討論，完成初步探究。在本例中，筆者讓學(xué)生思考和討論：“改變最初選擇贏得汽車的概率是多少？為什么？”初步探究的時間不宜過長，一般3至5分鐘即可，因為學(xué)生此時僅僅是根據(jù)自己現(xiàn)有的知識和經(jīng)驗“拍腦袋”，而初步探討的目的是幫助學(xué)生理解探究問題的內(nèi)容。在初步探究之后，請學(xué)生給出自己的結(jié)論并簡單解釋原因。在本例中，筆者首先讓幾名持有不同答案的學(xué)生分享自己的想法，然后讓得出相同結(jié)論的學(xué)生舉手示意，觀察哪種結(jié)論占上風(fēng)。三門問題的結(jié)論是：改變最初的選擇，贏得汽車的概率是三分二。在教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生給出的答案是二分之一或者三分之一，而得出正確答案的學(xué)生也給不出合理的解釋。

信息技術(shù)驅(qū)動

在問題導(dǎo)入之后，下一步是引入信息技術(shù)來推動問題探究。首先需要讓學(xué)生組建學(xué)習(xí)小組，一般兩到三人為宜。隨后，教師向?qū)W生介紹所需用到的信息技術(shù)。以三門問題為例，學(xué)生需要用到搜索引擎和Python編程。學(xué)生使用搜索引擎檢索三門問題的相關(guān)資料，并將自己先前的結(jié)論和搜索到的資料進行對比。在學(xué)生完成資料檢索和閱讀之后，教師需要對探究問題進行簡要回顧，并進一步使用信息技術(shù)對其中難理解的部分進行分析和解釋。在本例中，筆者使用了Python編程對問題進行了建模和模擬。圖1展示了用于模擬三門問題的Python程序，其中包含了兩個函數(shù)：第一個函數(shù)choose_switch用于模擬改變最初選擇的游戲過程;第二個函數(shù)sim用于模擬多次游戲的過程，并計算出n次游戲之后的中獎概率。最后幾行代碼調(diào)用了上述函數(shù)對游戲過程進行了不同次數(shù)的模擬，并輸出模擬的結(jié)果（如圖2）。程序代碼可以事先準備好，也可以進行現(xiàn)場編程。筆者進行了現(xiàn)場編程，并且在編程過程中對程序代碼的每個模塊進行了詳細解釋。最后，基于程序的輸出結(jié)果，筆者向?qū)W生解釋了程序模擬的原理和三門問題的結(jié)論。從模擬結(jié)果可以看出，隨著游戲模擬次數(shù)的增加，中將概率不斷接近理論概率三分之二。

學(xué)生自主探究

良好的STEM教學(xué)離不開學(xué)生的自主探究。在引入信息技術(shù)并進行演示之后，要讓學(xué)生以小組為單位對問題進行自主探究。在本例中，程序代碼的第25行設(shè)置了不同的游戲模擬次數(shù)，學(xué)生需要修改這里的參數(shù)來進行不同的模擬實驗，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，學(xué)生將游戲模擬的次數(shù)設(shè)置成十萬、一百萬甚至一千萬次，然后運行程序并分析運行結(jié)果。在自主探究的過程中，小組成員之間要有分工，如有人負責(zé)修改代碼，有人負責(zé)記錄數(shù)據(jù)，有人負責(zé)分析結(jié)果等。在完成探究之后，每個小組需要完成一份探究報告，用來展示他們的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論，同時，報告中還要描述他們對三門問題的理解。由于本課程采用了兩課時的設(shè)計，時間較為緊張，學(xué)生只需要修改一行代碼，如果時間充裕且學(xué)生有較好的編程基礎(chǔ)，程序框架可以隱去部分代碼，讓學(xué)生自主完善。

課堂總結(jié)

課堂總結(jié)是整個課程實施的最后一環(huán)。首先，選擇有代表性的小組分享他們的探究報告。學(xué)生進行匯報分享的過程也是一次學(xué)習(xí)的過程，因為他們理解了探究問題和解題思路并不等于他們能夠清晰地向他人解釋這個問題和相關(guān)結(jié)論。

在學(xué)生匯報完成后，教師對課程內(nèi)容進行總結(jié)，并給出與主題相關(guān)的拓展性問題供學(xué)生課后思考和探究。在本例中，筆者留了“N門問題”作為拓展性問題。所謂“N門問題”，是指有N扇門，其中一扇門后有汽車，另外N-1扇門后是山羊。與三門問題類似，在參賽者做出最初選擇之后，主持人將打開N-2扇背后有山羊的門。這個問題是三門問題的通用表述，學(xué)生基于本課程所學(xué)的內(nèi)容，課后可以完成進一步探究。與此同時，如果課后的拓展性問題仍然適合用信息技術(shù)來驅(qū)動解決，可以將其設(shè)置為下次課的主題。