基于STEM教育理念的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐研究

【摘" 要】 在當(dāng)代社會(huì)，科技的迅猛發(fā)展使得傳統(tǒng)的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)模式面臨諸多挑戰(zhàn)，已難以滿足培養(yǎng)跨學(xué)科創(chuàng)新人才的需求。而STEM教育理念則強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科整合、實(shí)際應(yīng)用以及創(chuàng)新能力的培育，為大學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)改革指明了新的方向。文章深入探究了大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革的必要性，并從實(shí)踐導(dǎo)向、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、數(shù)字技術(shù)運(yùn)用以及評(píng)價(jià)體系的優(yōu)化等維度，提出了具體的改革策略。研究表明，基于STEM理念的教學(xué)改革能夠顯著提升學(xué)生的跨學(xué)科綜合能力、實(shí)際問題解決能力以及創(chuàng)新意識(shí)，從而更好地培養(yǎng)滿足未來社會(huì)需求的人才。本文不僅為大學(xué)數(shù)學(xué)教育提供了新的思路，也為建立以STEM為核心的高等教育改革體系提供了有力的理論支持。

【關(guān)鍵詞】 STEM教育理念；大學(xué)數(shù)學(xué)；教學(xué)改革；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

隨著科技進(jìn)步，全球?qū)邆渚C合能力的人才的需求持續(xù)攀升。在此背景下，大學(xué)數(shù)學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維與分析技能的核心學(xué)科，其重要性日益凸顯。然而，傳統(tǒng)的高校數(shù)學(xué)教學(xué)模式過分側(cè)重理論知識(shí)，忽視了數(shù)學(xué)在解決實(shí)際問題中的實(shí)用價(jià)值，難以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才綜合能力的迫切需求。而STEM教育理念則強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生跨學(xué)科整合與實(shí)際操作能力的培養(yǎng)，為數(shù)學(xué)課程改革提供了新視角。本文將基于STEM教育理念，深入分析大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革的必要性與具體實(shí)施方案，旨在為提升高校學(xué)生創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)提供有力支撐。

一、基于STEM教育理念的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革的必要性

（一）有助于提升學(xué)生的跨學(xué)科綜合能力

基于STEM教育理念的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革，能夠顯著提升學(xué)生的跨學(xué)科綜合能力。STEM教育作為一種跨學(xué)科教育模式，高度重視科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)之間的內(nèi)在聯(lián)系。教師在大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中融入STEM理念，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)理論的同時(shí)，深刻理解數(shù)學(xué)在其他學(xué)科中的實(shí)際應(yīng)用。例如，通過將數(shù)學(xué)應(yīng)用于物理、工程學(xué)的模型構(gòu)建中，學(xué)生可以掌握數(shù)學(xué)的應(yīng)用方法，同時(shí)領(lǐng)略其他學(xué)科的核心概念。這種跨學(xué)科能力的培育，有助于學(xué)生在未來的工作中有效應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜任務(wù)。

（二）有助于增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力

基于STEM教育理念的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革，引導(dǎo)學(xué)生積極探索實(shí)際問題，從而有效提升他們的實(shí)際應(yīng)用能力。在傳統(tǒng)數(shù)學(xué)課堂中，許多學(xué)生僅局限于掌握課本解題的技巧，往往缺乏對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中應(yīng)用的敏銳洞察力。而STEM教育理念則注重實(shí)際應(yīng)用，要求教師以真實(shí)問題為載體，引導(dǎo)學(xué)生在知識(shí)中尋找解決復(fù)雜問題的途徑。例如，教師在課程中引入工程案例，將數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)分析作為課堂的核心元素，使學(xué)生通過案例分析積累應(yīng)對(duì)復(fù)雜情景的思維與技能。這種模式不僅加深了學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)的理解，還極大提升了他們解決復(fù)雜問題的能力。因此，大學(xué)數(shù)學(xué)課堂不再僅僅是學(xué)習(xí)理論知識(shí)的空間，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榱四M真實(shí)場(chǎng)景、進(jìn)行實(shí)踐探索的寶貴平臺(tái)。

二、基于STEM教育理念的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革策略

（一）將數(shù)學(xué)教學(xué)與工程和科技應(yīng)用相結(jié)合，增強(qiáng)課程的實(shí)踐導(dǎo)向

在STEM教育理念引導(dǎo)下，大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革的一個(gè)核心在于將數(shù)學(xué)課程與工程和科技實(shí)踐緊密結(jié)合，以增強(qiáng)課程的實(shí)用性和應(yīng)用導(dǎo)向。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)分析數(shù)學(xué)與工程技術(shù)的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建貼近實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，讓學(xué)生在真實(shí)情景下掌握數(shù)學(xué)知識(shí)。教師可以選取典型的工程或科技案例引入課堂，如在微積分課程中引入動(dòng)力學(xué)的速度與加速度問題，通過數(shù)學(xué)建模解釋動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的變化，這樣不僅有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中理解抽象概念，還能幫助學(xué)生了解微積分在工程中的實(shí)際效用。

為了進(jìn)一步提高課程的實(shí)踐性，數(shù)學(xué)教師可與工程、物理和計(jì)算機(jī)科學(xué)的教師協(xié)作，共同設(shè)計(jì)跨學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在解決真實(shí)問題時(shí)自然而然地運(yùn)用建模、數(shù)據(jù)分析等方法。以概率與統(tǒng)計(jì)課程為例，教師可引入工程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，讓學(xué)生在真實(shí)數(shù)據(jù)的操作中感受數(shù)學(xué)的應(yīng)用價(jià)值，掌握統(tǒng)計(jì)學(xué)在數(shù)據(jù)科學(xué)中的基本應(yīng)用。

此外，為了強(qiáng)化工程和科技應(yīng)用的實(shí)踐體驗(yàn)，教師可設(shè)置小型實(shí)驗(yàn)或仿真任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生在課程中使用軟件平臺(tái)如Matlab、GeoGebra，讓學(xué)生直觀地觀察數(shù)學(xué)原理的實(shí)際應(yīng)用。例如，在講解線性代數(shù)時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析任務(wù)，通過矩陣計(jì)算和模型構(gòu)建讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中感受數(shù)學(xué)對(duì)結(jié)構(gòu)分析的支撐作用。數(shù)學(xué)與工程的結(jié)合，可以讓課堂從純粹的理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)向豐富的實(shí)操體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的跨學(xué)科興趣。

（二）引入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生在真實(shí)情景中探索數(shù)學(xué)問題

在STEM教育理念的指導(dǎo)下，教師可將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)引入大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)突破了傳統(tǒng)的講授模式，強(qiáng)調(diào)在真實(shí)或模擬情景中的自主探索，使學(xué)生可以在動(dòng)手實(shí)踐中深化對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用。對(duì)此，教師可以設(shè)計(jì)富有實(shí)際背景的項(xiàng)目任務(wù)，通過分析和解決現(xiàn)實(shí)問題，逐步引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建起對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的深層認(rèn)知。

例如，在概率與統(tǒng)計(jì)課程中，教師可設(shè)計(jì)以“交通流量預(yù)測(cè)”為主題的項(xiàng)目，通過數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)計(jì)分析與模型構(gòu)建，讓學(xué)生切身體驗(yàn)到概率知識(shí)在現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際應(yīng)用。首先教師應(yīng)設(shè)置具備挑戰(zhàn)性和情境感的任務(wù)，明確目標(biāo)、背景和問題，幫助學(xué)生找準(zhǔn)項(xiàng)目的方向。如公共健康數(shù)據(jù)的解讀、氣象預(yù)測(cè)模型的搭建或經(jīng)濟(jì)趨勢(shì)分析。在項(xiàng)目初始階段，教師可鼓勵(lì)學(xué)生收集、整理與項(xiàng)目相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)和技術(shù)工具，協(xié)助他們初步構(gòu)思項(xiàng)目框架。在此過程中，教師應(yīng)適時(shí)提供必要的數(shù)學(xué)工具和數(shù)據(jù)處理技術(shù)支持，助力學(xué)生順利進(jìn)入項(xiàng)目實(shí)踐。

在項(xiàng)目實(shí)施階段，教師可以將學(xué)生分組，促使其通過小組合作完成任務(wù)，并鼓勵(lì)他們?cè)诮Ｅc解決問題的過程中展開討論和交流，以碰撞出不同的思維火花。例如，在生態(tài)系統(tǒng)建模項(xiàng)目中，學(xué)生需通過分組合作，用微分方程描述不同物種數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化，并在不同假設(shè)下調(diào)整模型參數(shù)，以更準(zhǔn)確地刻畫系統(tǒng)行為。

教師應(yīng)定期檢查學(xué)生的項(xiàng)目進(jìn)度，提供有針對(duì)性的反饋。例如，若學(xué)生在數(shù)據(jù)分析中遇到數(shù)據(jù)噪聲的問題，教師可以介紹去噪方法。如移動(dòng)平均或加權(quán)平均，幫助學(xué)生提升數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。此外，教師可設(shè)置階段性報(bào)告環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過課堂展示或小組討論匯報(bào)進(jìn)展，這樣既有利于鞏固其對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的掌握，也可以提供展示和反思的機(jī)會(huì)。

（三）運(yùn)用數(shù)字技術(shù)和在線資源，豐富數(shù)學(xué)教學(xué)的表現(xiàn)形式

在STEM教育理念的指導(dǎo)下，教師在大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中運(yùn)用數(shù)字技術(shù)和在線資源增加課堂表現(xiàn)形式，是促進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新的重要策略。數(shù)字工具可為教師帶來多樣化的教學(xué)手段，使學(xué)生更直觀地理解數(shù)學(xué)概念，也可滿足各類學(xué)習(xí)需求。教師引入互動(dòng)式數(shù)字化工具，可以將傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)課堂轉(zhuǎn)化為充滿動(dòng)感的實(shí)踐平臺(tái)。例如，教師可使用GeoGebra、Desmos等動(dòng)態(tài)軟件，展示函數(shù)變化、幾何形變，從而使抽象的數(shù)學(xué)理論借助動(dòng)畫呈現(xiàn)。

教師可運(yùn)用仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中操作數(shù)學(xué)模型，這有助于學(xué)生探索理論背后的規(guī)律。例如，在微積分課堂中，教師可以利用動(dòng)態(tài)軟件演示極限和導(dǎo)數(shù)的演化，讓學(xué)生在逐步縮小區(qū)間的過程中觀察變化率的微妙變化，這種互動(dòng)操作使學(xué)生獲得了對(duì)數(shù)學(xué)概念的直觀感知。

教師可以借助翻轉(zhuǎn)課堂，將部分教學(xué)內(nèi)容提前錄制成視頻，或設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)供學(xué)生自學(xué)，使學(xué)生可在課前通過在線平臺(tái)觀看視頻、完成練習(xí)，使課堂時(shí)間集中于討論和實(shí)際操作，以深化對(duì)知識(shí)的理解。同時(shí)，學(xué)生可借助Moodle、edX等平臺(tái)自測(cè)，以及時(shí)掌握學(xué)習(xí)進(jìn)度和薄弱環(huán)節(jié)。課堂上，教師專注于答疑和互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生在討論中思考，并通過在線測(cè)驗(yàn)和知識(shí)回顧工具，引導(dǎo)學(xué)生自我評(píng)估學(xué)習(xí)進(jìn)展，在互動(dòng)學(xué)習(xí)中強(qiáng)化知識(shí)掌握。

此外，數(shù)據(jù)可視化工具豐富了課堂內(nèi)容的表現(xiàn)形式。教師可使用Tableau或Python的matplotlib庫，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柱狀圖、散點(diǎn)圖等形象直觀的形式，幫助學(xué)生觀察數(shù)據(jù)的分布和趨勢(shì)。例如，在統(tǒng)計(jì)課程中，真實(shí)數(shù)據(jù)的可視化讓學(xué)生更加理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可引導(dǎo)他們逐步掌握數(shù)據(jù)分析的技能，從而使數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)由抽象化為直觀，使得學(xué)生的數(shù)學(xué)認(rèn)知更加深刻。與此同時(shí)，教師可利用在線資源庫擴(kuò)展學(xué)生的學(xué)習(xí)空間。創(chuàng)建或整合已有資源，將數(shù)字教材、視頻講解、在線題庫等集中到同一平臺(tái)，方便學(xué)生根據(jù)自己的進(jìn)度和需求選擇內(nèi)容學(xué)習(xí)。

為加強(qiáng)學(xué)生間的交流，教師可以設(shè)計(jì)在線互動(dòng)環(huán)節(jié)，利用論壇、微信群或Slack等平臺(tái)，發(fā)布討論主題或難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生分享思路、相互解答。這樣既突破了課堂時(shí)間的限制，也可以讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中獲得反饋。

在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，數(shù)字技術(shù)的運(yùn)用可進(jìn)一步支持跨學(xué)科合作。例如，在數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目中，學(xué)生可通過在線協(xié)作完成復(fù)雜計(jì)算，進(jìn)而使數(shù)據(jù)預(yù)處理到結(jié)果分析的整個(gè)過程都能在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，協(xié)作工具的記錄功能更便于學(xué)生回顧決策和計(jì)算過程。這就提升了數(shù)字技能，還強(qiáng)化了學(xué)生的溝通與協(xié)作，從而為跨學(xué)科研究打下了基礎(chǔ)。

情景化問題設(shè)計(jì)也使在線資源的應(yīng)用更加生動(dòng)。教師可從公共數(shù)據(jù)資源庫選取與課程內(nèi)容匹配的數(shù)據(jù)集，設(shè)計(jì)情景并提出任務(wù)，讓學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識(shí)和數(shù)字工具進(jìn)行分析。比如在概率課上引入疾病傳播的情景化問題，學(xué)生通過數(shù)據(jù)分析和傳播概率的計(jì)算，可以體驗(yàn)到數(shù)學(xué)在現(xiàn)實(shí)問題中的重要性，這種真實(shí)問題的探究有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

（四）優(yōu)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，注重對(duì)學(xué)生綜合能力的考察

在基于STEM教育理念的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革中，優(yōu)化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是深化教學(xué)成效、推動(dòng)課程創(chuàng)新的關(guān)鍵舉措。傳統(tǒng)評(píng)價(jià)通常聚焦書面考試，重視知識(shí)點(diǎn)的記憶與解題技巧，卻容易忽略學(xué)生在分析、創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用等方面的能力。而STEM教育引導(dǎo)下的評(píng)價(jià)方式則提倡綜合性與多維度考量，鼓勵(lì)教師從多方面入手，打造符合現(xiàn)代教育需求的評(píng)價(jià)框架，助力數(shù)學(xué)教學(xué)改革的推進(jìn)。

首先，評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞STEM理念構(gòu)建多元評(píng)價(jià)模式，以避免單一終結(jié)性考試的局限。教師可分階段設(shè)置評(píng)價(jià)，包括過程性評(píng)價(jià)與階段性考核。例如，可納入項(xiàng)目報(bào)告、課堂討論、案例分析等多種形式，并細(xì)化任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，明確每個(gè)環(huán)節(jié)的目標(biāo)，如在項(xiàng)目報(bào)告中側(cè)重?cái)?shù)據(jù)分析的完整性，課堂討論中關(guān)注學(xué)生的邏輯思維等。

其次，實(shí)際應(yīng)用能力的考察需要采用更開放的評(píng)價(jià)形式。相較于傳統(tǒng)封閉式考試，開放性問題或項(xiàng)目更適合展現(xiàn)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。例如，教師可設(shè)置實(shí)際應(yīng)用題，要求學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)解決工程或數(shù)據(jù)問題。通過這樣的開放式評(píng)價(jià)，學(xué)生得以運(yùn)用建模、分析和推理展示綜合應(yīng)用能力。此外，案例分析也是一種有效途徑，教師可提供生物統(tǒng)計(jì)或金融分析等實(shí)際案例，考查學(xué)生在跨學(xué)科問題中的數(shù)學(xué)應(yīng)用與綜合思維能力。

再次，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化還可納入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)成果，跟蹤學(xué)生在實(shí)際項(xiàng)目中的表現(xiàn)，全面評(píng)估其數(shù)據(jù)收集、分析邏輯和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等多方面素質(zhì)。長期項(xiàng)目中的展示環(huán)節(jié)可讓教師觀察到學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展，也有助于學(xué)生在互動(dòng)中提升自我。例如，在統(tǒng)計(jì)學(xué)課程中，教師可設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析項(xiàng)目，讓學(xué)生對(duì)其數(shù)據(jù)收集到分析全程進(jìn)行答辯，通過持續(xù)性觀察其問題解決過程和邏輯推理能力，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其能力發(fā)展情況。

此外，為了更系統(tǒng)地考查學(xué)生的跨學(xué)科應(yīng)用能力，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以適當(dāng)增加跨學(xué)科項(xiàng)目的權(quán)重。微積分或線性代數(shù)等課程可設(shè)計(jì)綜合項(xiàng)目，要求學(xué)生結(jié)合物理或工程知識(shí)進(jìn)行建模和分析。例如，在微積分課程中，教師可設(shè)定物理運(yùn)動(dòng)建模任務(wù)，要求學(xué)生用微分方程模擬物體運(yùn)動(dòng)軌跡并預(yù)測(cè)特定條件下的行為，從而讓學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中自然提升數(shù)學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

最后，同伴互評(píng)與自我評(píng)價(jià)能夠有效豐富評(píng)價(jià)維度。項(xiàng)目展示或報(bào)告提交后，通過同伴之間的評(píng)價(jià)反饋，學(xué)生能更全面地認(rèn)知自身優(yōu)勢(shì)與不足；自我評(píng)價(jià)中，學(xué)生通過回顧分析過程反思模型優(yōu)化或數(shù)據(jù)處理方式，可以提升自我改進(jìn)的意識(shí)。

三、結(jié)語

本文研究了基于STEM教育理念的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)改革，展示了該理念如何促進(jìn)教學(xué)的跨學(xué)科融合、實(shí)踐導(dǎo)向及創(chuàng)新能力培養(yǎng)，為學(xué)生打造更全面的學(xué)術(shù)成長環(huán)境。而高校通過結(jié)合數(shù)學(xué)教學(xué)與科技、工程領(lǐng)域，引入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)更新教學(xué)手段，以及改進(jìn)評(píng)價(jià)體系，有效提升了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新思維。這種改革符合現(xiàn)代教育的發(fā)展需求，也為未來的人才培養(yǎng)模式提供了新的思路。展望未來，高校要繼續(xù)探索STEM教育理念在多學(xué)科中的應(yīng)用，以進(jìn)一步提升高等教育人才培育的整體質(zhì)量和創(chuàng)新力。

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