淺議基于STEM理念的小學數(shù)學問題解決能力培養(yǎng)

鄭碧英

STEM理念是美國《科學》雜志制定的12項研究主題之一,強調(diào)科學(science)、技術(shù)(technology)、工程(engineering)和數(shù)學(mathematics)的交叉融合,其研究成果被美國《化學與工程評論》等學術(shù)期刊廣泛引用。數(shù)學問題解決能力是現(xiàn)代科學研究中不可或缺的一種能力,因此,在小學數(shù)學教學中培養(yǎng)學生的STEM理念,不僅有助于提高小學階段數(shù)學教學質(zhì)量,而且有助于提高學生的創(chuàng)新思維能力和實踐能力。但現(xiàn)實中很多小學數(shù)學教師未能采取有效方法指導學生進行問題解決,因此培養(yǎng)學生的問題解決能力就顯得非常重要。

一、 建立問題情境,引導學生進行問題解決

在小學階段,數(shù)學教師可以借助STEM理念,為學生創(chuàng)設問題情境,引導學生進行問題解決,這樣不僅可以有效地提高教學效率,還有助于激發(fā)學生學習興趣、提高學生學習成績。例如:在教學“列方程解決實際問題”時,教師可以通過游戲的方式激發(fā)學生學習興趣。首先在課堂上出示圖片,然后給學生提出問題:你能把上面的數(shù)字找出來嗎?你能想出解決問題的辦法嗎?讓學生自己去找答案,師生共同來驗證答案正確與否。最后得出結(jié)論:這道題其實可以用方程的形式來進行解決,這樣不僅快速,而且簡便。通過游戲形式讓學生進行自我探索,不僅能培養(yǎng)學生學習數(shù)學的興趣和熱情,還能激發(fā)學生的學習潛能和創(chuàng)新意識,提問也有助于激勵學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

二、 加強數(shù)學文化的滲透,提高學生數(shù)學素養(yǎng)

數(shù)學是一門文化,但一些教師對數(shù)學文化的認識不夠深刻,未能意識到其重要性,忽視這方面的教學,進而導致學生很難有效進行問題解決。因此,在教學中我們要加強數(shù)學文化的滲透,提高學生對數(shù)學知識和文化的理解與認知,使學生掌握學習策略和方法,增強解決數(shù)學問題的能力。

例如,在學習“圓”這一部分的內(nèi)容時,有些學生對圓的面積或者周長等方面的知識還存在一定的誤區(qū),因此,教師可以設計一個“套圈”的STEM教學方案,讓學生自己制作“鋼絲套”。學生在制作的過程中,需要獨立計算需要的鋼絲的長度,并制作不同大小的“圈”,然后開始“套圈”游戲。在游戲中,學生需要自己選擇大小不同的“圈”,并根據(jù)圈的形狀、周長進行計算,對比出不同形狀的鋼絲對套圈效果的影響。這時,學生就會對圓形的周長有一定的認識。這一游戲不僅增加了課堂教學的趣味性,也提高了學生對知識的理解和應用能力,實現(xiàn)了對傳統(tǒng)課堂的轉(zhuǎn)變。

三、 將PBL教學方法與STEM理念相結(jié)合,提升學生實踐能力

(一)設計思路

從國內(nèi)外對問題解決能力的界定可以看出,問題解決能力是指一個人在面對問題時,能夠理智思考,找出問題的原因,并基于理解的問題提出可行的解決方案的能力。它涉及的技能包括邏輯思維能力、分析能力、判斷能力、創(chuàng)造性思維,以及對過去經(jīng)驗和知識的運用。在現(xiàn)實中,具備良好的問題解決能力對于學業(yè)、工作、生活都有著重要的意義。通過實踐經(jīng)驗和不斷學習,一個人的問題解決能力可以不斷提升,從而更加有效地應對生活和工作中的各種挑戰(zhàn)。因此,教師應重視學生問題意識的培養(yǎng),提升他們的學習能力和計算思維水平。PBL(以問題為中心的學習)是一種有效的課堂教學方法,能夠引導學生形成理順問題思維的能力,促進他們解決問題能力的提升和獨立思考。PBL所涉及的問題通常是從實際生活中抽象出來的,這有助于學生提高解釋問題的能力和運用知識解決實際問題的能力。同時,PBL也注重小組間的合作和溝通,采用分組協(xié)作的方式,將大問題細化成若干小問題,再通過整合小問題的答案得出最終的解決方案。在討論中,學生能夠通過互相交換見解、推理思考等方式深入理解問題,并最終達成共識,得出解決方案。

在進行問題解決能力訓練時,通過建立問題情景,讓學生通過小組協(xié)作來尋找答案的方法,與PBL的教學理念不謀而合。因此,教師可以將PBL和STEM的教學理念相融合,采用以人為核心的團隊協(xié)作模式,來提高學生解決問題的能力。

(二)案例分析

以小學五年級上冊數(shù)學教材中的“可能性:拋一擲”為例,目的是讓學生在探討事件發(fā)生概率的基礎(chǔ)上,理解游戲規(guī)則的公平性,進而依據(jù)教師提供的實例來思考解決問題方法的可行性。

1. 提出問題

首先,教師可在STEM理念的基礎(chǔ)上,通過與現(xiàn)實生活相聯(lián)系,創(chuàng)造一個生動的問題情境,刺激學生的探究欲望。例如教師可舉例向?qū)W生說明:小李與小王進行擲色子比賽,比賽規(guī)則為:小李與小王共同擲兩個色子,若所有色子的點數(shù)加起來為2、3、4、10、11、12,就算小李贏;若擲出色子之和為5、6、7、8、9,就算小王贏了。繼而讓學生分組討論小王和小李哪個會贏。

2. 抽象問題

讓學生使用圖像化編程制作擲色子游戲,討論在此游戲中哪一方贏的概率更大,并以此為依據(jù)填寫討論結(jié)果統(tǒng)計表。在此過程中,學生需思考如何用圖形化編程,完成擲色子游戲。在這種情況下,教師可以將問題進行轉(zhuǎn)化,并通過圖形化編程指導學生進行思考。但由于點數(shù)的不確定,兩顆色子點數(shù)的總和也不確定。所以,要讓學生在圖形化編程中求這兩個隨機數(shù)的和,并做記錄。最后,教師請學生分組討論如何擲色子才能獲勝。首先,各小組在進行討論后,將結(jié)果以思維導圖的方式展示出來,并以此為依據(jù)進行比賽方案的策劃;其次,在學生完成思維導圖的繪制后,讓學生互相評估,并進行修正;最終,經(jīng)過修正后,每組需各自提出一個擲色子的方案。

3. 分解問題

在分解問題的過程中,教師需鼓勵學生進行分組討論,將編程中的難題分成幾個小問題,然后逐步進行解答。在此基礎(chǔ)上,學生將學習怎樣與其他同學一起思考和處理問題。具體工作流程按以下方式進行。

第一步:啟動。設置一個啟動按鈕,可以是小綠旗或者任何一個按鈕,一旦啟動,擲色子游戲開始。

第二步:建立三個新的變量,“色子1號”“色子2號”及“和”,按下變量按鍵后,便會新建變量。

第三步:設定一個隨機數(shù)。由于色子的號碼是1～6,因此將色子1號和色子2號設置成1～6的數(shù)字,然后按下運算后,便“在×到×間隨機選擇數(shù)字”。

第四步:設置和。將和設置為1+2,點擊“加法符號”按鍵。

第五步:設定暫停按鍵,并記錄結(jié)果。使程序不斷進行循環(huán),直至按下一個中止,該中止由學生隨意設定,然后單擊“控制一,反復運行”和“探測一,已按下×鍵”。當比賽程序結(jié)束后,學生需將每一次的比賽結(jié)果記錄在表格中。

4. 解決問題

通過統(tǒng)計結(jié)果,學生可以看出擁有5個和的小王贏得更多,而在比賽前大部分學生都認為擁有6個和的小李會贏。此時,教師和學生需從數(shù)學的觀點來討論小王獲得勝利的原因,經(jīng)過討論,發(fā)現(xiàn)有24種組合可以得到結(jié)果5～9,而且得到結(jié)果7的概率最大,所以小王獲勝概率更大。

5. 總結(jié)與評價

本案例使用圖形化編程作為工具,讓學生以分組形式制作編程程序,來探究兩枚色子點數(shù)的總和,以此來提高學生的學習興趣。在教學后,教師要引導學生梳理、提煉、總結(jié)新學內(nèi)容,一起分享學后的收獲,遇到了什么問題以及如何解決問題。在此過程中,教師要針對學生的真實情況,指導學生進行自我評估,從而鞏固學生解決問題的能力。

四、 為學生提供動手操作和合作交流的機會

科學探究就是通過對知識和問題的分析,探究問題的產(chǎn)生原因、探索方法,進而獲取知識并運用相關(guān)的方式來解決問題的一種活動。在問題解決教學中,我們可以創(chuàng)設情境,為學生提供有效的動手操作和合作交流環(huán)境與機會來激發(fā)學生探究新知,培養(yǎng)他們的問題解決能力。例如在學習了三角形之后,筆者為學生準備了三角形的模型,并讓學生通過動手操作和交流展示把每個模型進行分類,同時結(jié)合課本知識進行拓展,如:利用三角板可以做什么?怎樣做?這是一個什么問題?你能用這種方法解決這個問題嗎?在對圖形進行分類時就可以引入STEM理念。通過實踐發(fā)現(xiàn),三角形模型比圓形、正方形模型更容易讓學生進行分類、分組和交流等多種活動模式,可以使學生對幾何圖形有一個整體的認識,同時讓學生體會到合作交流帶來的快樂。

(一)讓學生動手操作,體驗數(shù)學在現(xiàn)實生活中的應用

讓學生動手操作,是一種有效的課堂教學模式,能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識,激發(fā)他們學習數(shù)學的熱情和興趣,使他們更好地將數(shù)學知識與現(xiàn)實生活聯(lián)系起來。例如在對“三角形”相關(guān)的一些知識進行講解時可以借助多媒體資源來幫助學生去理解。如:利用幾何畫板展示三角形及其圖形特點;在了解了正方形、長方形、平行四邊形等相關(guān)內(nèi)容后,可以為學生提供更多操作機會來展示:在生活中哪些東西是長方形和正方形?我們把它們用這些符號表示出來。

(二)增加動手機會,讓學生經(jīng)歷“做”的過程

數(shù)學知識相對比較抽象,學生學習起來難度較大。在教學過程中,教師可以適當增加動手機會,讓學生經(jīng)歷“做”的過程,感受數(shù)學知識的應用價值。在“圓”這一節(jié)內(nèi)容學習時,教師可以讓學生將圓剪成許多小塊,然后以小組為單位進行操作。學生在操作過程中可能會發(fā)現(xiàn)很多問題,如剪好的圓無法完全重合。這時教師可以引導學生思考:為什么會出現(xiàn)這些問題?學生在回答后,教師可以讓學生進行小組間討論,找到解決問題的方法。學生通過小組討論后發(fā)現(xiàn):在剪成小塊后,圓與圓之間的距離需要與圓的直徑相符合才能重合。教師還可以引導學生在剪紙過程中觀察并思考“為什么需要與圓直徑相符合才能重合?”,增強學生動手操作的能力和思考與解決問題的能力。

(三)真實體驗,提升空間能力

小學數(shù)學教科書中有很多實踐性內(nèi)容,但教師教學時受時間和空間因素的制約,很難進行實踐。信息技術(shù)與數(shù)學教學的融合將會給我們的教學帶來革命性的變革,教師可以通過為學生營造一個真實或虛幻的學習情境,讓學生在信息化學習的氛圍中進行體驗與學習,并主動地建構(gòu)自己的學習體驗。

以“長方體的認識”這部分內(nèi)容的學習為例,學生第一次接觸立體圖形,雖然我們可以通過口述的方式把平面圖形與立體圖形的關(guān)系告訴學生,但是學生理解起來還是有一定難度的。因此,筆者使用多媒體課件進行動態(tài)演示:由無數(shù)個點組成一條線,再由無數(shù)條線組成一個平面,進而由無數(shù)條線組成一個平面,最后由無數(shù)個面疊加形成立體圖形。過程簡明清晰,一目了然。利用多媒體課件,創(chuàng)設“虛擬現(xiàn)實”立體圖形,使學生在理解層面上,從二維到三維有了質(zhì)的飛躍。利用多媒體技術(shù),實現(xiàn)點→線→面→體的快速轉(zhuǎn)換過程,大大節(jié)省了教學時間。在整個教學過程中,學生的學習熱情高漲、興趣濃厚、積極主動。同時,學生們增長了知識,并不由自主地產(chǎn)生了學習立體圖形知識的強烈渴望。在教學工具的幫助下,教學效率大大提高。

五、 提高學生的評價與反思能力

(一)以學為用,克服困難

首先,在課堂上,教師可以強調(diào)實踐活動的重要性,比如“求長方形與正方形的周長”教學中,教師可以讓學生用尺子在白板上畫出圖形,通過實踐活動去探索問題。其次,教師要根據(jù)學生的年齡特征,適時編出一些口訣,通過朗朗上口的口訣來強化學生的動手能力。最后,在課堂上,教師可以鼓勵學生相互競爭,看哪個同學有良好的學習習慣,哪個同學有超強的實踐能力,例如在使用自我評估和相互評估卡片時,新增對學生的學習行為進行評估的欄目。此外,在培養(yǎng)學生良好的動手操作意識時,教師要適時給予鼓勵,激發(fā)學生形成良好的動手操作習慣。

(二)提高歸納和總結(jié)能力

以STEM為核心的教育思想更加重視對學生綜合素質(zhì)的提高,其中,歸納是一項關(guān)鍵的解題技能,也是“指向標”,與學生能否及時察覺到自己所做的事情有關(guān)。因此,教師應該引導學生培養(yǎng)與之對應的反思意識,在課堂上設置歸納總結(jié)環(huán)節(jié),讓學生積極參與,使其能夠在每一節(jié)課、每次作業(yè)、每次考試之后,對所學內(nèi)容進行反思和總結(jié)。比如在“求長方形與正方形的周長”一課中,設置“課后小結(jié)”部分,教師指導學生對學習過程中遇到的問題加以歸納和思考。唯有通過歸納、總結(jié),思考自己犯下的錯誤,才能避免在下次學習中繼續(xù)犯錯。思考不僅可以促進學生成績的持續(xù)提高,還可以提高其歸納總結(jié)的能力,這對培養(yǎng)學生對數(shù)學問題的解決能力有著非常重要的作用。

(三)培養(yǎng)評價觀念

1. 評價準則協(xié)調(diào)一致

評價指標是實施評價的先決條件,是評價系統(tǒng)的重要組成部分。實際教學中,教師和學生對于學習積極性的評價標準并不統(tǒng)一,會出現(xiàn)學生自我認知評價評分較高,而教師對學生評價評分偏低的情況。這就要求教師在教學過程中與學生保持良好的交流,促進其認知能力的提升,并在教學過程中實現(xiàn)師生評價同步。例如采用多維評價表——自我評價互評卡,并將評價級別在卡片上打印出來,有助于學生更好地掌握評價準則。

2. 建立評價系統(tǒng)

仍以“求長方形與正方形的周長”一課為例,在自我評價和互評卡上,既有教師的評價,也有學生自我評價和小組互評。自評互評模塊可以讓學生從回答問題積極性、回答問題準確度、小組合作參與度、思維方式獨特性、解決方式創(chuàng)新性、分工協(xié)作配合度、時間把握準確性、學習習慣保持度這八個方面對自己或小組成員的表現(xiàn)進行多方位評價。這種評價模式既注重學生的解題效果,又注重其解題過程和解題態(tài)度。鼓勵學生進行自我評價,有助于其形成自省的好習慣,找到自身優(yōu)勢與不足。恰當?shù)剡\用多維度評價表,可以促進學生相互激勵、相互借鑒,實現(xiàn)團隊合作,促進團隊發(fā)展。在教學活動中,教師要對取得進步的學生進行表揚,同時也應對那些仍需繼續(xù)努力的學生進行激勵,并針對其弱點給出建議,從而幫助其克服困難。三種評價方式相互配合,構(gòu)成了完整的三層評價系統(tǒng),使學生能在三個層面上更好地了解自己。

3. 共享評價氛圍

要提高評價活動的效果,就必須通過小組合作,創(chuàng)造在評價中學習的氛圍,使評價意識升華為班級文化。在“求長方形與正方形的周長”一課中,將學生分組后,每組均成立“評價委員會”,其負責管理自我評價和互評卡進行總結(jié)后形成的評價表,以確保評價活動的真實性和普及性。評價氛圍的營造,可以使學生在不知不覺中尊重評價,善于評價,學會評價。對于學習能力不夠的學生來說,積極的評價氛圍可以在某種意義上激發(fā)其學習積極性,有利于班級形成良性競爭、共同進步的學習氛圍?；赟TEM理念的小學數(shù)學問題解決能力培養(yǎng)需要營造一個積極的共享評價氛圍,以促進學生的自主學習和探索能力的提高。具體措施如下:

第一,設計有針對性的評價方案。通過制定有針對性的評價方案,激發(fā)學生的學習熱情和興趣。評價方案應該包含學科知識技能、實踐能力、問題解決能力、創(chuàng)新意識、團結(jié)協(xié)作和表達能力等,讓學生能夠逐步提高自己的理解、實踐、解決問題和交流的能力。

第二,結(jié)合實踐環(huán)境,將評價過程落實到實際應用中去。教師應將學生的實際應用和實踐經(jīng)驗作為評價依據(jù),鼓勵學生運用所學的數(shù)學知識和方法解決實際問題,創(chuàng)新數(shù)學問題解決的思路和方法。同時,通過實踐過程中的問題反饋和對策建議,指導學生對解決問題的方法和思路進行總結(jié)和評估。

第三,鼓勵學生分享和交流評價經(jīng)驗。評價過程是一個互動交流的過程,在評價過程中鼓勵學生互相分享和交流自己的經(jīng)驗,提出不同的看法和想法,加深學生對問題解決過程的理解和掌握。同時,教師應該積極參與,發(fā)揮指導和引導作用,讓學生能夠從老師的指導中發(fā)現(xiàn)和改進自己的不足。

第四,建立貢獻機制。在評價過程中,學生在解決問題中可以找到自己的優(yōu)勢和所擅長的領(lǐng)域。為了鼓勵學生發(fā)揮優(yōu)勢,學校可以建立獎勵方案,例如提供數(shù)學方面的獎勵和榮譽,并建立貢獻機制,鼓勵學生將自己的經(jīng)驗和成果分享出來,促進學生學習優(yōu)秀范例共同進步。

總之,基于STEM理念的小學數(shù)學問題解決能力的培養(yǎng)需要建立好的共享和互動的評價氛圍,鼓勵學生在實踐中運用所學進行問題解決,并得到有效的認可和宣傳,從而促進學生不斷提高數(shù)學知識的應用和實踐能力。

六、 結(jié)語

總之,小學數(shù)學與STEM教育有機融合教學可以使單一的數(shù)學課堂變得有趣與生動。STEM教育特有的跨學科特征,使其能夠在幫助學生解決數(shù)學知識的同時培養(yǎng)學生多方面的能力,尤其是可以幫助學生打開數(shù)學和科學素養(yǎng)之門,有助于我國數(shù)學教育的整體發(fā)展。