基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計框架及應用

潘掖雪 周錦程 陳小紅 石定埔

【摘 要】根據我國教育改革的需要以及普通高中數(shù)學課程標準的要求，結合數(shù)學教學設計過程和STEM跨學科項目設計模式，構建了一套基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計框架。該框架與一般數(shù)學教學設計的區(qū)別主要體現(xiàn)在：需要分析數(shù)學教學內容與其他學科之間的聯(lián)系;設計了具體、可操作的評價量表;強調學生動手操作環(huán)節(jié)，加強學生對知識的理解和運用;有展示結果環(huán)節(jié)，鍛煉學生的表達能力，提升學習興趣和增強自信心。實踐表明，基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學對學生學習動機、學習效果等呈現(xiàn)出良好的影響。

【關鍵詞】STEM教育;高中數(shù)學;教學設計;教學實踐

一、問題提出

近年來，科技的日益革新已影響到經濟、社會和教育的發(fā)展，為確保我國在經濟、技術和國防等領域的持續(xù)發(fā)展，越來越多的研究人員開始關注STEM教育。STEM教育是集科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數(shù)學（Mathematics）等多領域融合的綜合教育。但STEM教育不僅提倡學習這四個領域的知識，還提倡一種新的教學方式：注重實踐、注重動手、注重過程。目前，STEM教育理念在高中數(shù)學的應用案例較少，因此，根據我國教育改革的需要以及普通高中數(shù)學課程標準的要求，結合STEM教育多學科融合的核心理念，探索并構建基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計框架，以及檢驗基于此框架的數(shù)學教學設計在實踐中的應用效果，具有一定的理論和實踐價值。

二、基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計框架

（一）數(shù)學教學設計過程

數(shù)學教學設計過程是一個系統(tǒng)工程，其核心問題是教什么？怎樣教？達到什么效果？數(shù)學教學設計應注意三個基本點：理解數(shù)學學科，即對數(shù)學思想方法、數(shù)學本質的理解;理解學生，即理解學生的數(shù)學學習規(guī)律;理解數(shù)學教學，即對數(shù)學教學規(guī)律、特點的理解。數(shù)學教學設計最核心的部分就是引導學生自己概括出數(shù)學的本質，使學生在數(shù)學學習過程中保持高水平的思維活動。何小亞教授指出，數(shù)學教學過程是數(shù)學教案中內容最多的，其結構取決于所采用的教學模式[1]，基于STEM教育理念的數(shù)學教學設計不可能只是采用單一的教學模式，而是應根據教學內容、教學目標和學生的情況采取多種模式相結合。熊惠民在其著作《中學數(shù)學教學設計與案例研究》中提出了數(shù)學教學設計的過程（如圖1）[2]。

（二）STEM跨學科項目設計模式

隨著信息技術的高速發(fā)展，人類已進入大數(shù)據為核心驅動的時代，面對激烈的競爭環(huán)境，培養(yǎng)什么樣的人成了各國教育者需要思考的問題。例如，北京師范大學余勝泉教授詳細分析了STEM教育的九大核心理念（跨學科性、情境性、體驗性、趣味性、協(xié)作性、設計性、藝術性、實證性、技術性）和跨學科整合的三種基本取向（學科知識整合取向、生活經驗整合取向、學習者中心整合取向），提出了STEM跨學科項目設計模式，該教學模式分為教學分析、項目或問題、工具與資源設計、教學支架設計、學習活動設計、評價設計、總結與強化練習、項目應用與改進共8個環(huán)節(jié)（如圖2）[3]。

（三）基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計框架的構建

結合數(shù)學教學設計過程和STEM跨學科項目設計模式，以及心理學、教育學的理論基礎，筆者設計了如圖3所示的基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計框架，下面就該模式的各個階段進行具體闡述。

1.教學任務

高中數(shù)學教學的任務可總結為四個方面：一是關注學生的預習，對于淺顯易懂的知識讓學生提前預習，給學生自主學習的機會;二是注重培養(yǎng)學生的數(shù)學思維能力，教師要鼓勵學生積極思考，敢于探索和創(chuàng)新;三是注重數(shù)學思想方法的滲透，促進學生思維的發(fā)展，例如在求函數(shù)的值域和最值問題時，運用數(shù)形結合思想可把代數(shù)式的精確刻畫和幾何圖形的直觀描述相結合，從而避免復雜的計算和推理過程;四是注重對教學內容的情感性加工，在以往的教學中，有的教師可能只關注條理性和邏輯性，而忽視了教學的情感性和趣味性，導致有些學生對數(shù)學提不起興趣，所以，教師要讓學生在數(shù)學學習中獲得積極的情感體驗。因此，教師在設計基于STEM教育理念的數(shù)學教學時，要明確教學任務，這是跨學科數(shù)學教學有效開展的前提條件。

2.教學分析

教學分析是教學設計的準備環(huán)節(jié)，不論是哪個學科，教學內容、教學目標、教學重難點和學習者特征這四個方面都應納入分析的環(huán)節(jié)。以下主要介紹教學分析中的跨學科知識。STEM教育的實質是綜合課程的教育，把獨立、分散的學科知識通過各種學習活動使學生在解決問題的過程中習得和運用。高中數(shù)學與科學、技術、工程之間存在著相互補充、共同發(fā)展的關系。因此，在數(shù)學教學設計中，教師要善于發(fā)現(xiàn)和總結數(shù)學與其他學科之間的聯(lián)系，繪制跨學科知識地圖，將這些零散的知識融入數(shù)學課堂教學中，把學生學到的零散知識轉變成探究世界相互聯(lián)系的過程。

3.開發(fā)階段

構建基于STEM理念的高中數(shù)學教學設計框架的第三階段是開發(fā)階段，主要包括活動方案和評價設計。作為教學設計的核心環(huán)節(jié)，該階段需要根據教學分析的內容撰寫詳細的教學計劃，這是教師有效實施教學的階段，更是體現(xiàn)學生學習需求的具體路徑。此外，該階段需要教師設計評價標準（見表1、表2），為了保證評價工具的有效性以及彌補以往教學中測試的不足，應將特定的基于STEM理念的數(shù)學課程內容融入評價工具的設計和編制中[4]，設計具體的操作步驟，使得評價方式和評價指標多元化，尊重學生的個體化差異，讓學生在接受學校教育的同時發(fā)展自己的長處。

按照上文圖2的教學設計框架，活動方案包括8個環(huán)節(jié)。其中，建構主義理論的內容豐富，其核心可以概括為以學生為中心，強調學生對知識的主動發(fā)現(xiàn)、主動探索和主動建構。在知識建構與合作探究環(huán)節(jié)，教師應注意學生的知識儲備，引導學生學會利用各種資源進行信息搜索并與同學互相交流合作[5]。霍華德·加德納（Howard Gardner）的多元智能理論表明，每個人至少有8種智能，這些智能在每個人身上的組合方式各不相同[6]，因此，對于學生來說就存在多樣性和差異性。在小組合作和活動開展環(huán)節(jié)，教師要尊重學生的個體差異，注意每個小組學生的角色扮演，及時觀察各小組活動開展的情況，并對遇到困難的小組給予幫助和指導。弗賴登塔爾（H.Freudenthal）的數(shù)學教育理論強調學生對數(shù)學知識的“再創(chuàng)造”[7]，因此，在展示結果環(huán)節(jié)讓學生介紹小組成果，分享經驗，其實質就是學生對數(shù)學知識內化的過程。這個過程有助于培養(yǎng)學生的溝通表達能力，提高學生參與數(shù)學活動過程的興趣。最后的評價環(huán)節(jié)分為學生評價和教師評價，兩種評價方式相結合能從不同角度檢驗基于STEM教育理念的教學設計的實施效果。

三、基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計

按照融入STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計框架，以一次函數(shù)模型為例進行教學設計，主要分為以下三個步驟。

（一）教學任務

一次函數(shù)模型的應用教學不僅能夠培養(yǎng)學生理性分析問題的良好習慣，更有利于培養(yǎng)學生數(shù)形結合研究其他函數(shù)性質的能力。用一次函數(shù)模型來解決現(xiàn)實中的問題，學生需要經歷探索的基本過程，獲得數(shù)學活動意識、經驗和方法以及運用多學科知識解決問題的創(chuàng)新意識和能力。

過程性評價和總結性評價可依據教學內容在上文表1、表2中進行適當修改，這樣既有助于教師對學生有全面的了解，更有助于學生對自己有客觀的認識。同時，根據評價結果，有利于教師對教學中遇到的問題進行總結和反思，及時修改完善教學設計和指導教學實施。

四、教學實施結果及建議

為更好地了解基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計對學生學習動機、態(tài)度、效果的影響，在實施教學實驗的第二天，筆者對學生進行了問卷調查。問卷編制包括意識、能力、承諾三個維度[8]。調查結果顯示，基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計對于學生學習態(tài)度的影響不夠突出，但對學生的學習動機、學習效果等方面有較為積極的影響，因此，結合教學實施結果，提出如下建議。

（一）完善學校相關的軟硬件設施建設

學校應完善軟硬件設施建設，例如多媒體教學設備的更新、學習資料的補充等，以便于學生在學習中更好地了解數(shù)學。教師引導學生多關注各學科知識之間的內在聯(lián)系并加強反思與總結，這將有助于轉變學生的學習態(tài)度。

（二）開發(fā)基于學生真實感受的課程內容

基于STEM教育理念的數(shù)學課程，是以數(shù)學為基礎，運用數(shù)學的計算和邏輯思維解決實際問題，而實際問題源于生活。因此，教師可根據教學內容和學生實際情況，借助信息技術和各種場所，營造適合跨學科學習的氛圍，創(chuàng)設基于學生真實感受的教學課堂。

（三）提高教師基于STEM教學設計的綜合能力

對于數(shù)學教師而言，基于STEM教育理念進行教學設計不僅要求教師熟練掌握本專業(yè)知識，還要了解其他學科的知識領域，這樣才能更好地實現(xiàn)學科融合。因此，教師必須努力提高課程開發(fā)與整合的能力以及教學實施和評價的能力，只有這些綜合能力提高了，才能更好地將STEM教育理念融入學科教學，培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)。

（四）設計合理的基于STEM教育理念的過程性和總結性評價

過程性評價（見上文表1）尊重學生個體差異，它涵蓋了學生在材料收集、合作探究、方案設計、活動開展、信息技術工具使用、結果展示等方面表現(xiàn)。總結性評價（見上文表2）是對學生以小組為單位完成作業(yè)匯報的評價，包括學生的準備階段、實施階段和最后的展示階段。在教學活動開始時，教師將評分標準發(fā)給每個小組學生，輔助學生在完成活動的同時進行參照。合理的評價設計能夠提高學生的參與度，增強學生的信心，這既能在一定程度上提高學生自主探索新知的能力，又能培養(yǎng)學生的語言組織、表達以及分析問題、規(guī)劃問題等能力。因此，在教學過程中，教師應設計合理的基于STEM教育理念的過程性和總結性評價方案。

五、結語

STEM教育強調多學科知識的融合，使學生在情境性、體驗性的氛圍中最大限度地激發(fā)學習的求知欲，讓學生在實踐中理解和運用相關知識概念解決問題，培養(yǎng)學生的綜合能力與創(chuàng)新思維。實踐表明：STEM教育理念融入高中數(shù)學教學是可行的，基于STEM教育理念的高中數(shù)學教學設計豐富了教師的教學方式和學生的學習方式，但是對高一學生學習態(tài)度的影響不夠突出，主要原因在于高一學生自己探索知識的意識比較低且綜合運用知識解決問題的能力還比較薄弱。因此，教師在運用STEM教育理念時，需要圍繞教學任務，從學生的自身特點、具體學習環(huán)境等因素出發(fā)，使STEM教育理念在數(shù)學教學中真正落到實處。

參考文獻：

[1]何小亞，姚靜.中學數(shù)學教學設計[M].北京：科學出版社，2008.

[2]熊惠民.中學數(shù)學教學設計與案例研究[M].北京：科學出版社，2014.

[3]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015（4）：13-22.

[4]張輝蓉，唐佳欣，楊淏璇.基于深度學習的中小學生STEAM學習質量評價指標體系構建[J].中國電化教育，2021（1）：102-109.

[5]肖林.基于建構主義教學觀的有效教學探究[J].基礎教育研究，2020（3）：36-39.

[6]顧紅霞.新時代英語專業(yè)教學評價的多元智能研究：基于《英語專業(yè)本科教學指南》視角[J].外語學刊，2021（2）：126-130.

[7]潘升華.基于弗賴登塔爾理論的高中函數(shù)教學研究與實踐[D].大連：遼寧師范大學，2018.

[8]826全美.基于課程標準的STEM教學設計[M].林悅，譯.北京：中國青年出版社，2018.

（責任編輯：陸順演）