基于STEM教育的數(shù)學(xué)問題解決教學(xué)研究

劉俊含 吳華

【摘 要】STEM教育理念強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新實(shí)踐和多學(xué)科整合，這為以問題為導(dǎo)向的數(shù)學(xué)教學(xué)提供了新思路。將STEM教育理念和數(shù)學(xué)問題解決過程相融合，是對現(xiàn)有數(shù)學(xué)教學(xué)的創(chuàng)新。這種新的教學(xué)模式將教學(xué)過程從課前準(zhǔn)備、課堂實(shí)施、課后反思與評價(jià)三方面進(jìn)行了闡述。整個教學(xué)過程通過問題情境引出數(shù)學(xué)問題，學(xué)生在教師啟發(fā)下找到解決數(shù)學(xué)問題的條件和思路，提升學(xué)生的STEM跨學(xué)科能力。該模式的提出能夠推動STEM教育與數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)深度融合，提升學(xué)生跨學(xué)科思維和問題解決能力。

【關(guān)鍵詞】STEM教育;數(shù)學(xué)問題解決;數(shù)學(xué)教學(xué)

STEM教育是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的組合，它強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，即將四門學(xué)科組合成有機(jī)整體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力[1]。

近年來，STEM教育在國內(nèi)外相關(guān)國家和組織的推動下取得諸多進(jìn)展。以美國、加拿大為代表的西方國家和日本、新加坡等亞洲國家都制定并實(shí)施了關(guān)于提升學(xué)生動手能力和創(chuàng)新思維的STEM培養(yǎng)目標(biāo)和項(xiàng)目課程。在中國，以培養(yǎng)學(xué)生STEM能力為定位的課下培訓(xùn)機(jī)構(gòu)迅速遍及全國;上海、深圳等一線城市的試點(diǎn)學(xué)校也開展了豐富多彩的STEM課堂教學(xué)。但不論校內(nèi)還是校外的STEM課程，都以設(shè)置科學(xué)課、綜合實(shí)踐活動、動手操作課的形式開展。數(shù)學(xué)作為STEM四大學(xué)科中的基礎(chǔ)學(xué)科，是工程、技術(shù)、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域的研究工具。如果借助數(shù)學(xué)課堂開展STEM教育活動，不僅能豐富STEM的應(yīng)用性，也有利于打破克服數(shù)學(xué)課堂枯燥乏味的特點(diǎn)。

1? ?數(shù)學(xué)問題解決

數(shù)學(xué)家波利亞將數(shù)學(xué)解題分為理解題目、擬定方案、執(zhí)行方案、回顧四個過程，并針對每個過程給出相應(yīng)的啟發(fā)性策略，形成一張“怎樣解題表”[2]。培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力不僅在于提升學(xué)生的數(shù)學(xué)思維，更重要的是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中能夠形成適應(yīng)社會、獨(dú)立生存的必要素養(yǎng)。數(shù)學(xué)作為STEM四大學(xué)科里唯一的基礎(chǔ)學(xué)科，數(shù)學(xué)問題解決與STEM教育理念的融合可以提升學(xué)生解決數(shù)學(xué)問題、探究創(chuàng)新方面的能力，進(jìn)而使學(xué)生獲得主動思考、解決各類問題的能力，達(dá)到“1+1>2”的效果。

2? ?基于STEM教育的數(shù)學(xué)問題解決

STEM教育在國際廣受歡迎是因?yàn)樗鶑?qiáng)調(diào)的創(chuàng)新、創(chuàng)造以及動手實(shí)踐的屬性。而數(shù)學(xué)問題解決STEM教學(xué)下的教學(xué)目標(biāo)不單是傳遞數(shù)學(xué)知識與技能，更多的是一種運(yùn)用多學(xué)科知識的體驗(yàn)，即將數(shù)學(xué)等學(xué)科作為應(yīng)用工具。在具體的教學(xué)目標(biāo)下，將STEM作為依托的數(shù)學(xué)問題解決以生成性目標(biāo)為重心，不再過分關(guān)注預(yù)設(shè)性的教學(xué)目標(biāo)，在保證數(shù)學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)知識扎實(shí)的前提下開放更多活動和探究給學(xué)生，讓學(xué)生在創(chuàng)造中學(xué)數(shù)學(xué)。

在基于STEM的數(shù)學(xué)課堂上，學(xué)生沉浸在情境化的數(shù)學(xué)世界中，師生通過各種創(chuàng)造性的“做”來完成教學(xué)過程。因?yàn)镾TEM教育要求創(chuàng)新性思維，即基于創(chuàng)造的體驗(yàn)性學(xué)習(xí)，所以在教學(xué)設(shè)計(jì)上，教師對預(yù)設(shè)問題的設(shè)計(jì)較少，學(xué)生在合作探究中生成的問題較多。

3? ?基于STEM教育的數(shù)學(xué)問題解決教學(xué)模式

基于STEM教育的數(shù)學(xué)問題解決作為STEM與數(shù)學(xué)問題解決相融合的教學(xué)模式，以學(xué)生創(chuàng)新思維、實(shí)踐探究能力的培養(yǎng)為根本目標(biāo)，尤其側(cè)重以實(shí)踐創(chuàng)新和科學(xué)精神為引領(lǐng)，讓學(xué)生在STEM多學(xué)科知識的運(yùn)用中實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展和個性發(fā)展。本研究結(jié)合數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)際，設(shè)計(jì)了STEM教育下的數(shù)學(xué)問題解決教學(xué)模式，如圖1所示[3]。

該模式作為基于STEM教育而提出的一種數(shù)學(xué)教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)問題解決能力為根本目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)以解決問題和實(shí)踐創(chuàng)新為導(dǎo)向，鼓勵學(xué)生在數(shù)學(xué)課堂上運(yùn)用跨學(xué)科知識解決問題，實(shí)現(xiàn)個性化全面發(fā)展。轉(zhuǎn)變數(shù)學(xué)課堂以傳統(tǒng)講授為主的形式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的熱情。針對數(shù)學(xué)問題解決教學(xué)模型，有以下幾點(diǎn)需要說明。

首先，從教師“教”的角度來說，解決數(shù)學(xué)問題的教學(xué)模式在課前準(zhǔn)備上，要求教師針對本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)提出具有情境性的數(shù)學(xué)問題，并且該問題要靠近班級內(nèi)大部分學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，即提出的問題既要有挑戰(zhàn)性，又要能使學(xué)生有動力、有能力去解決。基于STEM教育的數(shù)學(xué)課堂顯然不會只有數(shù)學(xué)學(xué)科知識，相關(guān)學(xué)科知識準(zhǔn)備指教師應(yīng)將本節(jié)課數(shù)學(xué)問題涉及的科學(xué)、技術(shù)、工程類知識準(zhǔn)備好，以應(yīng)對課堂上學(xué)生可能出現(xiàn)的對跨學(xué)科知識不了解而產(chǎn)生的問題。由于學(xué)生的生活環(huán)境不同，所以不能要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)科學(xué)技術(shù)類知識，學(xué)生在課前完成本節(jié)數(shù)學(xué)教學(xué)的基礎(chǔ)知識預(yù)習(xí)即可。

其次，教師在引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)階段需注意，除了使用問題串的形式外，還可以鼓勵學(xué)生之間互相引導(dǎo)探究，讓學(xué)生自己找到解決辦法。此時(shí)，教師的觀察指導(dǎo)就發(fā)揮了重要作用。既要觀察同組內(nèi)每個學(xué)生參與討論的情況，也要觀察各組集體討論時(shí)的氛圍與進(jìn)展。在這一過程中，課堂實(shí)錄必不可少，課堂實(shí)錄不僅有助于教師在課后反思自己的教學(xué)，還可以讓教師從微觀角度觀察學(xué)生課堂的學(xué)習(xí)動態(tài)和思維變化。課堂實(shí)施階段是學(xué)生主體地位最明顯的階段，也是一節(jié)課的關(guān)鍵。

最后，以創(chuàng)造性導(dǎo)向和問題解決導(dǎo)向作為評價(jià)的基礎(chǔ)。在評價(jià)方式上，采取過程性評價(jià)、迭代式評價(jià)，注重學(xué)生學(xué)習(xí)中廣泛收集各類信息，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)評價(jià)，并根據(jù)學(xué)生情緒狀態(tài)調(diào)整的情況進(jìn)行疊加式的動態(tài)評價(jià)，打破傳統(tǒng)數(shù)學(xué)教學(xué)中通過筆試評定是否達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的模式。STEM教學(xué)目標(biāo)是在培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)中發(fā)展學(xué)生解決問題的能力，因此教師應(yīng)通過學(xué)生是否能根據(jù)一個實(shí)際問題運(yùn)用所學(xué)和已掌握的多學(xué)科知識建立評價(jià)方案，并安排好計(jì)劃實(shí)施。同時(shí)，針對幾何內(nèi)容的教學(xué)評價(jià)可以采用產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作實(shí)物等方式進(jìn)行。通過對作品的創(chuàng)造性進(jìn)行合理評價(jià)，來衡量學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造性問題解決能力。

當(dāng)前我國對數(shù)學(xué)人才和創(chuàng)新人才的需求迫切。STEM 教育為傳統(tǒng)教學(xué)提供了更多參考價(jià)值和教學(xué)觀念。STEM教育的多學(xué)科融合理念，對提升學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力有著重要作用。在分析STEM教育與數(shù)學(xué)教學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上，本研究創(chuàng)新性地構(gòu)建融合STEM教育的數(shù)學(xué)問題解決教學(xué)模式，為數(shù)學(xué)課堂的開展提供了新思路，對教學(xué)模型進(jìn)行具體闡釋和應(yīng)用。接下來，本研究還將結(jié)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步深入研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]朱學(xué)彥，孔寒冰.科技人力資源開發(fā)探究——美國STEM學(xué)科集成戰(zhàn)略解讀[J].高等工程教育研究，2008（2）.

[2]（美）波利亞著.涂泓，馮承天譯.怎樣解題：數(shù)學(xué)思維的新方法[M].上海：上海科技教育出版社，2007.

[3]李彤彤.創(chuàng)客式教學(xué)：面向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的STEAM課程教學(xué)新范式[J].中國電化教育，2018（9）.

【作者簡介】

劉俊含（1996～），女，佤族，遼寧大連人，遼寧師范大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院課程與教學(xué)論（數(shù)學(xué)）專業(yè)2018級碩士研究生。研究方向：現(xiàn)代教育技術(shù)與課程整合。

吳華（1964～），女，碩士，教授。研究方向：現(xiàn)代教育技術(shù)與課程整合。