STEM理念下數(shù)學(xué)教學(xué)優(yōu)化策略

周雄

【摘要】STEM教育理念自2007年開始引入我國(guó)至今已有十余年的時(shí)間，且經(jīng)過十余年的發(fā)展，STEM教育理念在教育教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸演變?yōu)椤癝TEM+”教育、“STEM”教育.該教育理念強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四類領(lǐng)域的跨學(xué)科融合，基于STEM理念下的學(xué)科教學(xué)，有利于教師培養(yǎng)復(fù)合型STEM人才，符合現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)新課改政策對(duì)學(xué)科人才培養(yǎng)所提出的要求.本文將STEM理念在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用作為研究背景，以初中學(xué)段數(shù)學(xué)學(xué)科中的幾何圖形教學(xué)內(nèi)容為例，從融合可行性與融合優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用策略兩個(gè)維度展開分析，旨在提升初級(jí)中學(xué)段數(shù)學(xué)學(xué)科“教”與“學(xué)”的有效性.

【關(guān)鍵詞】STEM理念；初中數(shù)學(xué)；幾何圖形

將STEM理念應(yīng)用于學(xué)科教學(xué)實(shí)踐中，“STEM”所代表的是一種跨學(xué)科的、學(xué)科整合的教育觀念，并非僅局限于科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)學(xué)科間的簡(jiǎn)單相加.基于STEM教育理念的學(xué)科教學(xué)實(shí)踐強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決具體的問題，并從探索視角開展學(xué)習(xí)活動(dòng).STEM教育理念下的學(xué)科教學(xué)具備體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性以及設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，與此同時(shí)，STEM教育理念倡導(dǎo)知識(shí)與能力的地位相等、倡導(dǎo)教學(xué)問題的設(shè)計(jì)與教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)以生活為基礎(chǔ).

1STEM理念融合數(shù)學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

初中數(shù)學(xué)教學(xué)貫徹實(shí)施STEM理念具備較多的優(yōu)勢(shì)，其一在于能夠促進(jìn)學(xué)生思考，STEM理念下的數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)踐，教師需要在教學(xué)環(huán)節(jié)中或多或少地向?qū)W生滲透其他學(xué)科知識(shí)，而教師做跨學(xué)科滲透的過程即是促進(jìn)學(xué)生思考的過程，學(xué)生可以在教師的教學(xué)引導(dǎo)下通過思考了解數(shù)學(xué)知識(shí)與其他學(xué)科之間的緊密聯(lián)系，學(xué)生也可以將幾何圖形相關(guān)內(nèi)容中的平面直角坐標(biāo)系知識(shí)作為基礎(chǔ)解決科學(xué)領(lǐng)域中的物理學(xué)知識(shí)，如利用坐標(biāo)圖象探究圖象中所隱藏的物理量關(guān)系.其二在于能夠提升學(xué)生解決問題的能力，在以往的初中數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)踐中教師大多以概念呈現(xiàn)→典型例題講解→教學(xué)總結(jié)為主線開展教學(xué)，在課時(shí)安排相對(duì)緊張的條件下此種教學(xué)模式雖然能夠保證學(xué)生的知識(shí)獲得，但并不利于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，而STEM理念下的數(shù)學(xué)教學(xué)，更為側(cè)重學(xué)生的自主探究，要求教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)探究具體問題的情境，并鼓勵(lì)學(xué)生投入至問題探究之中.

2STEM理念下數(shù)學(xué)教學(xué)優(yōu)化策略

2.1構(gòu)建STEM教育框架

將現(xiàn)有的與STEM教育相關(guān)的理論研究作為基礎(chǔ)，構(gòu)建STEM教育框架，見下圖1所示.

由圖1所示的STEM教育框架可知，于框架的最頂端為STEM的教育目標(biāo)，即通過開學(xué)可教育培養(yǎng)復(fù)合型、應(yīng)用型的STEM人才.分析該教育目標(biāo)，其本質(zhì)是為了能夠擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，使學(xué)生在一個(gè)特定的問題情境之中接觸和掌握更多的知識(shí)，由此可見學(xué)科融合是STEM教育理念最為顯著的特點(diǎn).在初中數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)踐中可供任課教師實(shí)現(xiàn)學(xué)科融合的切入點(diǎn)主要在于教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)引導(dǎo)、教學(xué)延伸四個(gè)維度，教師可以將多學(xué)科知識(shí)融合成為教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生構(gòu)建更為全面的知識(shí)體系，也可以通過教學(xué)設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生思考與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的其他領(lǐng)域知識(shí)，亦或是將數(shù)學(xué)知識(shí)作為基礎(chǔ)向?qū)W生延伸與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的其他學(xué)科知識(shí).

2.2梳理STEM教學(xué)思路

本節(jié)將上文的STEM教育框架作為基礎(chǔ)基于STEM理念的跨學(xué)科特點(diǎn)從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)引導(dǎo)、教學(xué)延伸四個(gè)維度概述STEM理念下的數(shù)學(xué)課堂教學(xué)思路：

其一，教學(xué)目標(biāo)跨學(xué)科.STEM理念下的教學(xué)目標(biāo)跨學(xué)科需要教師在設(shè)定教學(xué)目標(biāo)的過程中融入STEM教育所涵蓋的科學(xué)、工程、技術(shù)三個(gè)領(lǐng)域.

例如教師在執(zhí)教“最短路徑問題”一課中，本節(jié)課程的教學(xué)目標(biāo)為學(xué)生能夠利用最短路徑規(guī)律解決較為簡(jiǎn)單的路徑問題，那么在教學(xué)目標(biāo)設(shè)定環(huán)節(jié)中教師則可以設(shè)定跨工程學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)，并基于這一目標(biāo)于具體的教學(xué)環(huán)節(jié)中融入道路橋梁工程中的道路選址、橋梁選址問題，從而使跨工程學(xué)科的教學(xué)目標(biāo)為教師在課堂教學(xué)實(shí)踐中貫徹STEM教育提供明確的指引.

其二，教學(xué)內(nèi)容跨學(xué)科.STEM理念下的教學(xué)內(nèi)容跨學(xué)科需要教師在教學(xué)實(shí)踐中關(guān)注跨學(xué)科領(lǐng)域教學(xué)資源的搜集，一般情況下，教材所給出的教學(xué)資源并不能夠支撐教師開展STEM教育，所以建議教師利用互聯(lián)網(wǎng)渠道與優(yōu)秀教學(xué)案例、網(wǎng)絡(luò)資源之中篩選與課堂教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的跨學(xué)科資源.

例如教師在執(zhí)教“投影”一課中，可以將光線照射三角尺形成中心投影/平行投影的微視頻作為教學(xué)資源，于課堂教學(xué)初始階段利用教室內(nèi)的多媒體設(shè)備為學(xué)生呈現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容跨物理學(xué)科知識(shí)，一方面強(qiáng)化數(shù)學(xué)知識(shí)與物理知識(shí)之間的聯(lián)系拓展學(xué)生的知識(shí)視野，另一方面為學(xué)生后續(xù)的正投影學(xué)習(xí)奠定認(rèn)知基礎(chǔ).

其三，教學(xué)引導(dǎo)跨學(xué)科.STEM理念下的教學(xué)引導(dǎo)跨學(xué)科需要教師在教學(xué)實(shí)踐中重視引導(dǎo)學(xué)生思考數(shù)學(xué)問題或?qū)W習(xí)任務(wù)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用.

例如教師在執(zhí)教“平行線的性質(zhì)”一課中，待學(xué)生掌握了平行線基本性質(zhì)后，教師可以利用課堂教學(xué)冗余時(shí)間向?qū)W生滲透與道路工程相關(guān)的交通信號(hào)燈安裝知識(shí)，使學(xué)生了解信號(hào)燈的基準(zhǔn)軸與地面平行的道路工程相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)教學(xué)引導(dǎo)跨工程領(lǐng)域知識(shí)，一方面強(qiáng)化數(shù)學(xué)知識(shí)與工程領(lǐng)域知識(shí)之間的聯(lián)系，另一方面拓展學(xué)生的視野拉近數(shù)學(xué)知識(shí)與實(shí)際生活之間的距離.

其四，教學(xué)延伸跨學(xué)科.STEM理念下的教學(xué)延伸需要教師將側(cè)重點(diǎn)放在教學(xué)總結(jié)與課后作業(yè)布置兩個(gè)方面.

例如教師在執(zhí)教“角的平分線的性質(zhì)”一課中，于課堂教學(xué)總結(jié)環(huán)節(jié)可以向?qū)W生延伸平分角工具在工程建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用知識(shí)，使學(xué)生了解可以應(yīng)用平分角工具測(cè)量房屋屋頂、門窗、櫥柜框架等的角度是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)教學(xué)延伸跨工程學(xué)科知識(shí)拓展學(xué)生的視野.于本節(jié)課程結(jié)束后教師還可以布置制作角平分工具，并應(yīng)用所制作的角平分工具測(cè)量家中門窗、櫥柜框架角度是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)，一方面促使數(shù)學(xué)知識(shí)向?qū)嶋H生活的過渡，另一方面使學(xué)生掌握較為簡(jiǎn)單的工程測(cè)量技術(shù).

2.3優(yōu)化STEM教學(xué)實(shí)踐

為詳盡分析，本節(jié)以九上“圖案設(shè)計(jì)”一課為例論述STEM理念下的數(shù)學(xué)課堂教學(xué)實(shí)踐，具體的操作程序見下文內(nèi)容：

2.3.1課前準(zhǔn)備

課前準(zhǔn)備是教師開展課堂教學(xué)活動(dòng)的關(guān)鍵，而STEM理念下的課前準(zhǔn)備，教師除需要把握教情學(xué)情外，還需對(duì)本節(jié)課程的跨學(xué)科知識(shí)分布進(jìn)行梳理.首先，在教情方面，本節(jié)課程的教學(xué)重難點(diǎn)在于學(xué)生能夠利用平移、軸對(duì)稱以及旋轉(zhuǎn)的圖形變換方法設(shè)計(jì)圖案；在學(xué)情方面，學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)課程之前已經(jīng)掌握了圖形平移、軸對(duì)稱的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)也了解了圖形旋轉(zhuǎn)的性質(zhì).但諸如上述知識(shí)在實(shí)際生活中的具體應(yīng)用，學(xué)生接觸較少、能力有待提升.其次，在跨學(xué)科知識(shí)分布方面，結(jié)合本節(jié)課程的教學(xué)內(nèi)容，基于“STEM”進(jìn)行知識(shí)劃分，具體如下：

S：學(xué)生在進(jìn)行圖案設(shè)計(jì)的過程中需要客觀地思考，并融入科學(xué)的想法與理念；

T：學(xué)生需要掌握幾何畫板的應(yīng)用技術(shù)，并應(yīng)用幾何畫板完成圖案設(shè)計(jì)；

E：在圖案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中學(xué)生組內(nèi)討論，并對(duì)所設(shè)計(jì)的圖案進(jìn)行嚴(yán)密的計(jì)算，保證每一步操作的規(guī)范性；

M：學(xué)生在圖案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中需選擇初始圖形及圖形變換方式，學(xué)生能夠體驗(yàn)圖形變換的過程并獲得一個(gè)精美的圖案.

2.3.2課中教學(xué)

首先，教師于多媒體大屏幕上呈現(xiàn)新冠病毒圖片（下圖2）與敦煌洞窟與中歐教堂圖片（下圖3），并提出“觀看大屏幕中各個(gè)圖案的特征，思考這些圖案是怎樣形成的”的教學(xué)問題，在教學(xué)內(nèi)容方面跨生物學(xué)科知識(shí)與建筑工程學(xué)科知識(shí)，利用圖案呈現(xiàn)幫助學(xué)生回顧圖形平移、圖形旋轉(zhuǎn)與圖形軸對(duì)稱的特征.

其次，教師于多媒體大屏幕上呈現(xiàn)多種圖案，如圖4，并設(shè)置“結(jié)合上述圖案結(jié)合各個(gè)圖案形成的規(guī)律畫出每一個(gè)圖案的基本圖形”的學(xué)習(xí)任務(wù)，在教學(xué)引導(dǎo)方面跨科學(xué)學(xué)科知識(shí)，使學(xué)生能夠以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度基于圖形變換特性將各個(gè)圖案的基本圖形再現(xiàn)出來(lái).

最后，教師指導(dǎo)班級(jí)學(xué)生應(yīng)用智能手機(jī)下載幾何畫板APP，并鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用幾何畫板APP的相關(guān)功能，結(jié)合自己的偏好選擇一個(gè)基礎(chǔ)圖形進(jìn)行圖案設(shè)計(jì)，通過教學(xué)引導(dǎo)在達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上為學(xué)生體驗(yàn)圖案設(shè)計(jì)技術(shù)、幾何畫板應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)設(shè)契機(jī).待圖案設(shè)計(jì)結(jié)束后教師可以要求班級(jí)學(xué)生以小組為單位對(duì)所設(shè)計(jì)的圖案，其基礎(chǔ)圖形是否符合旋轉(zhuǎn)、抽對(duì)稱、平移的圖形變換特性進(jìn)行周密地計(jì)算.

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文以初中數(shù)學(xué)幾何圖形部分教學(xué)內(nèi)容為例概述了STEM理念融合初中數(shù)學(xué)教學(xué)的可行性與優(yōu)勢(shì)，分析了STEM理念下初中數(shù)學(xué)教學(xué)優(yōu)化的策略.通過本文上述的理論研究得以明確STEM理念在初中數(shù)學(xué)教學(xué)中的融合具備可行性，且在初中數(shù)學(xué)“教”與“學(xué)”兩個(gè)方面均具備融合的優(yōu)勢(shì).總體來(lái)看，STEM理念下的初中數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)踐教師需要將STEM理念的跨學(xué)科特點(diǎn)作為切入點(diǎn)，除構(gòu)建STEM教育框架、梳理STEM教育實(shí)施思路、做好STEM教育實(shí)踐外教師還需主動(dòng)提升自身的跨學(xué)科資源收集能力，通過科學(xué)、工程與技術(shù)學(xué)科知識(shí)與數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)的有機(jī)融合拓展學(xué)生的認(rèn)知視野，強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力.

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