STEM教育理念下培養(yǎng)高中數(shù)學(xué)深度思維能力的線上教學(xué)實踐研究

薛彥旭

【摘要】教育事業(yè)的不斷發(fā)展與對STEM教育理念的學(xué)習(xí)和引入，在教學(xué)理念、教學(xué)核心素養(yǎng)和內(nèi)容等方面逐漸改變了高中數(shù)學(xué)的教學(xué)方式.基于全新教育教學(xué)模式下的STEM教育理念不斷深入高中數(shù)學(xué)教學(xué)，促使學(xué)生的思維能力和學(xué)習(xí)能力產(chǎn)生明顯的提高和進步.在STEM教育理念下，本文對高中數(shù)學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生深度思維能力的線上教學(xué)進行了實踐分析，并提出了有效建議.

【關(guān)鍵詞】STEM教育理念;高中學(xué)生;深度思維能力;線上教學(xué)

【基金項目】甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題《STEM教育理念下，線上教學(xué)對高中數(shù)學(xué)深度思維培養(yǎng)的實踐研究》（立項號GS[2020]GHB2733）.

一、概念的界定

STEM教育是一種注重科學(xué)和實踐的教育理念和教育模式.它涵蓋了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多門學(xué)科知識，它打破了傳統(tǒng)意義上的單學(xué)科知識傳授模式，注重跨學(xué)科知識的整合和實踐，是一種多學(xué)科相互融合的綜合教育.STEM中的“S”（Science，即科學(xué)）重在認識世界和解釋自然客觀規(guī)律，“T”（Technology，即技術(shù)）和“E”（Engineering，即工程）強調(diào)在尊重自然客觀規(guī)律之上對世界的改造，解決人類社會發(fā)展歷程中遇到的各種各樣的問題，“M”（Mathematics，即數(shù)學(xué)）則是構(gòu)建技術(shù)與工程兩門學(xué)科的基礎(chǔ)工具.STEM課程絕不是將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門學(xué)科的知識和教育簡單疊加起來，這四者之間是互相支撐、互相補充、均衡發(fā)展的關(guān)系.

思維的深度是指集中思維能力在資料中找出合乎邏輯的聯(lián)系，得出一定的結(jié)論，或?qū)追N解決方案加以比較研究，從而得出一種解決問題的辦法，即透過現(xiàn)象得出本質(zhì)的思考能力.它不僅決定著思想高度的提升，也決定著思維廣度的延伸，從某種程度上影響著思維的速度.

線上教學(xué)即網(wǎng)絡(luò)遠程教育，它是指跨越地理空間進行的教育教學(xué)活動.遠程教育涉及各種教育活動，主要包括課堂問題背景、授課方式、探討研究、合作交流和歸納總結(jié)等.它不僅克服了傳統(tǒng)教育在空間、時間、受教育年齡和教育環(huán)境等方面的限制，還帶來了嶄新的學(xué)習(xí)模式，它將使傳統(tǒng)教育發(fā)生巨大的變化.

二、利用線上教學(xué)平臺在高中數(shù)學(xué)教學(xué)中實踐STEM教育理念，凸顯教師主導(dǎo)地位，深化學(xué)生主體作用

高中數(shù)學(xué)教育教學(xué)的核心素養(yǎng)是培養(yǎng)學(xué)生的抽象概括能力、邏輯推理能力、數(shù)學(xué)建模能力、直觀想象能力、運算能力和數(shù)據(jù)處理能力，這些能力的養(yǎng)成會為學(xué)生今后的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ).科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，多元化信息教學(xué)輔助手段的介入，對高中數(shù)學(xué)教學(xué)方式提出了挑戰(zhàn)和更高的要求，即線上、線下教學(xué)中應(yīng)重點培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)科思維、核心素養(yǎng)的養(yǎng)成等.將STEM教育理念融入課堂教學(xué)勢在必行，而怎樣有效地融入科學(xué)、技術(shù)、工程內(nèi)容是當下教育研究的大熱門.

1.線上教學(xué)可以幫助教師在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識

在高中數(shù)學(xué)課堂中融入STEM教育理念，教師需細致分析教學(xué)目標以及學(xué)生的綜合特征、個體差異和跨學(xué)科知識儲備等.教師可繪制學(xué)習(xí)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)關(guān)系和切合點，為學(xué)生提供能在思維上連續(xù)具體地構(gòu)建學(xué)習(xí)中的真實情境和解決問題的辦法，當然包括線上、線下查閱的資料等，還應(yīng)巧妙設(shè)計課堂程序，優(yōu)化備課過程，形成高效的、學(xué)生容易接受的導(dǎo)學(xué)案和課件.例如，在進行空間幾何體的三視圖和直觀圖的教學(xué)設(shè)計時，教師可預(yù)設(shè)好情境、教學(xué)方法、自學(xué)方法、學(xué)生自主探究問題、同伴合作交流問題等，通過網(wǎng)絡(luò)平臺提供豐富的動態(tài)演示圖片或老師自帶實物進行演示，在課堂上讓學(xué)生動手構(gòu)建一些立體實物，通過從不同角度觀察、對比、歸納圖形的特征，嘗試總結(jié)三視圖和直觀圖的畫法，老師指引學(xué)生注意畫圖的注意事項，總結(jié)知識，感悟數(shù)學(xué)方法，積淀數(shù)學(xué)思想.

2.線上教學(xué)能幫助學(xué)生整合數(shù)學(xué)學(xué)科知識體系，交叉學(xué)科之間的邏輯關(guān)系、情境問題

當下是信息時代，知識量大，輻射領(lǐng)域廣，學(xué)生接觸的知識、信息量大，而線上學(xué)習(xí)不受時間、地域的影響，能為主動學(xué)習(xí)者提供豐富多彩的學(xué)習(xí)機會，隨時隨地可以學(xué)習(xí)，但在學(xué)習(xí)時學(xué)生要能去偽存真，養(yǎng)成一定的思維能力，從而吸取精華，整合信息，細化知識體系.在STEM教育理念下增強學(xué)科之間的聯(lián)系，能夠降低學(xué)生學(xué)習(xí)綜合知識的困難程度.融合各科目背景知識的學(xué)習(xí)和積累，構(gòu)建與數(shù)學(xué)的相關(guān)聯(lián)系，用數(shù)學(xué)思維主動去解決問題，這不僅增強了學(xué)生對數(shù)學(xué)學(xué)科的再認識，也鞏固了交叉學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而提升學(xué)生的綜合素養(yǎng).

三、利用線上教學(xué)輔助平臺深化STEM教育理念

1.在高中數(shù)學(xué)線上課堂融入科學(xué)和技術(shù)教育

在STEM教育理念之下，通過線上教育的教學(xué)方式可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、熱愛學(xué)習(xí)的好習(xí)慣，并能獨立研究問題、解決問題，從而提升創(chuàng)新思維能力.這就需要學(xué)生將已有的知識結(jié)合觀察能力、動手能力、抽象概括能力，把實際問題抽象概括為數(shù)學(xué)問題，再把教學(xué)理論和實踐結(jié)合起來，加深對學(xué)科的再認識.其主要目的就是讓學(xué)生從實際生活出發(fā)，利用實踐提升自身的創(chuàng)新能力和思維能力.

例題，水車是人類一項古老的發(fā)明，最早出現(xiàn)在東漢時期，是中國農(nóng)耕文化的重要組成部分，其原理是利用水流產(chǎn)生的動力將水從地勢低處提升到地勢高處進行灌溉.如圖1是一個水車的示意圖，已知水車逆時針勻速旋轉(zhuǎn)一圈的時間是80秒，半徑為3米，水車中心B（即圓心）距水面1.5米，若以水面為x軸、圓心到水面的垂線為y軸建立直角坐標系，水車的一個水斗從出水面點A處開始計時，經(jīng)過t秒后轉(zhuǎn)到P點的位置，則點P到水面的距離h與時間t的函數(shù)關(guān)系式為（）.

A.h=3sinπ40t-π6+1.5

B.h=1.5cosπ40t+π6+3

C.h=3cosπ40t-π3+1.5

D.h=1.5sinπ40t+π3+3

分析如圖所示，過P向x軸作垂線，垂足為E，過B作x軸的平行線交圓B于點C，交PE于點D，則h=PE=PD+1.5.

由BO=1.5，可得∠CBA=∠BAO=π6.

∵水車的角速度ω=2π80=π40，

∴由題意，可得∠PBA=π40t，

可得∠PBD=∠PBA-∠CBA=π40t-π6，

∴在△PBD中，PD=PBsin∠PBD=3sinπ40t-π6，

∴點P到水面的距離h=PD+1.5=3sinπ40t-π6+1.5.

學(xué)生查閱資料了解了用水流動力進行灌溉的知識，知道了水流動力的基本原理，并通過電腦模擬和計算器計算，擬合出水流動力距離h與時間t的正弦曲線，不僅知道了科學(xué)知識和生活應(yīng)用的聯(lián)系，更增強了學(xué)生探索自然界奧妙的能力.

2.信息技術(shù)與教學(xué)方式的融合

開展線上教學(xué)需要教師結(jié)合高中數(shù)學(xué)的課程特點設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)方式，即根據(jù)線上教學(xué)的特點，通過互動的教學(xué)方式開展高中數(shù)學(xué)學(xué)科線上教學(xué)，將STEM教學(xué)用到的自學(xué)資料、活動設(shè)計方案等提前分享到線上平臺，以便學(xué)生進行學(xué)習(xí)和實踐，逐步培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)習(xí)慣.老師則根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，按照之前下達的任務(wù)對學(xué)生的成績進行點評，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)高中數(shù)學(xué)的時候能夠利用STEM思維方式潛移默化地進行學(xué)習(xí)，以逐漸培養(yǎng)學(xué)生的思維能力.如在教學(xué)高中教材人教A版“橢圓”一節(jié)時，筆者利用學(xué)校的多媒體機房，在每個學(xué)生機上安裝了Excel和“幾何畫板”軟件，并在教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生繪制橢圓，根據(jù)橢圓標準方程的特點，給a和b設(shè)置一些參數(shù)，讓學(xué)生領(lǐng)會a和b取不同的值時橢圓的形狀變化.另外，學(xué)生可通過分組合作，觀察圖像的動態(tài)演示效果，歸納橢圓扁圓的變化情況，加深對橢圓數(shù)與形的體會和理解，同時增強對信息技術(shù)的應(yīng)用能力.

3.在高中數(shù)學(xué)線上課堂中融入工程教育

在新課改背景下，高中數(shù)學(xué)教材中多數(shù)知識的生成過程都是通過生活中的例子來呈現(xiàn)的.所以教師可通過線上微課平臺搭建高中數(shù)學(xué)線上課堂，通過線上展示高中數(shù)學(xué)與其他學(xué)科課程的結(jié)合進行教學(xué)，同時借助STEM理念對當前教學(xué)方式進行優(yōu)化，以學(xué)生為中心，通過線上微課平臺進行新舊知識的聯(lián)系.學(xué)生根據(jù)STEM教育理念收集學(xué)習(xí)中遇到的問題，并在線上與老師或者同學(xué)進行交流，進而解決自己遇到的問題.分析發(fā)現(xiàn)，線上學(xué)習(xí)更加有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識的積極性和主動性.如學(xué)習(xí)高中教材人教A版必修4“三角函數(shù)模型的簡單應(yīng)用”一節(jié)中，有如下例題.

例題：某游樂場中半徑為30米的摩天輪逆時針（固定從一側(cè)觀察）勻速旋轉(zhuǎn)，每5分鐘轉(zhuǎn)一圈，其最低點離底面5米，如果以你從最低點登上摩天輪的時刻開始計時，那么你與地面的距離y（米）隨時間t（秒）變化的關(guān)系式為（）.

A.y=30sin2π5t-π2+35

B.y=30sinπ150t-π2+35

C.y=30sin2π5t+π2+5

D.y=30sinπ150t+π2+5

分析設(shè)y=Asin（ωt+φ）+B.

由題意，可得A=30，ω=2π300=π150，B=30×2+5-30=35，（0，5）為最低點，

代入可得5=30sin φ+35，則sin φ=-1，

φ=-π2+2kπ，k=0時，φ=-π2，

∴y=30sinπ150t-π2+35，選B.

在項目問題解決中，筆者指引學(xué)生實地考察游樂場中摩天輪人與地面的距離y（米）隨時間t（秒）變化的關(guān)系，通過運算了解了工程問題，同時體會了科學(xué)研究的一般方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng).

隨著STEM教育理念的出現(xiàn)，教師在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)時應(yīng)當轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，適當?shù)乩肧TEM理念優(yōu)化教學(xué)方式，提升學(xué)生自身的綜合能力.而這也會成為各個學(xué)科進行教學(xué)的一種新方式，打破傳統(tǒng)單一的教學(xué)方式，延伸到其他學(xué)科之中，讓學(xué)生體會在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識的同時，還能夠利用數(shù)學(xué)思維和工具研究其他學(xué)科的問題，并最終轉(zhuǎn)化為學(xué)生內(nèi)在的綜合核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和研究能力.

【參考文獻】

[1]李創(chuàng)榮.STEM教育理念下高中數(shù)學(xué)教學(xué)實踐探索[J].散文選刊：中旬刊，2020（3）：24-25.

[2]戴天竹.STEM教育理念在高中數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)數(shù)學(xué)：高中版，2020（6）：84-85.