基于STEM理念下的高中數學課堂教學設計探討

江蘇省蘇州實驗中學科技城校

朱仁林 陸 瑩

1 引言

STEM是由四個單詞的首字母縮寫而來，分別來自科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)與數學(Mathematics)這四門學科.這四門學科分別針對于不同能力的培養，比如數學注重邏輯思維的培養，而科學注重創新思維的培養.但同時它們之間又具有十分緊密的聯系，比如數學屬于一項科學工具；而科學又是工程的基礎.近年來，隨著STEM教育模式的出現，人們更傾向于從多個角度去看待一門學科的包容性，這說明人們傳統的認知與思維習慣發生了改變.同時STEM教育模式與傳統的課堂教學相比，更傾向于以某個特定的項目或任務去引導學生擁有或提高特定的技能，在教學過程中運用多種媒介將多個領域的學科知識整合，突破傳統教學中單一的學科知識傳授，以此提高學生的綜合能力.本文中簡要介紹如何在高中數學課程中運用STEM教學模式，以良好的教學驅動有效的學習，促進學生的全面發展.

2 將數學知識與科學接軌

在STEM教學模式下，教師要時刻把握這四門學科之間的聯系，以培養學生的綜合能力為目的，創新自身的教學手段.數學知識的運用是科學探究的基礎，同時科學理論也可以為數學問題的解決提供支持.在數學知識的學習中，學生能夠掌握數與數之間的結構關系，對含有代數關系的事物進行邏輯推理以及數學計算，在這個過程中，教師應該合理融入科學的觀念，尋找數學與科學這兩個學科之間的結合點，確保學生在學習數學知識的過程中能夠有效達到對科學知識的滲透，使學生的科學素養得以提高，這樣學生在解決其他問題時也能有基本的科學知識與素質支撐.

3 以數學知識驅動技術培養

在《普通高中數學課程標準》中明確指出，隨著各項信息技術的應用，培養學生有關技術的使用方法成為了教師在課堂上的另一個潛在目標.在建構主義的指導下，教師需要時刻優化教學設計，以良好的教學模式驅動教學理論與學生認知的結合，同時也要善于整合信息技術，將教學內容與信息技術有機地結合，幫助學生認識數學知識本質的同時掌握一定的技術能力.在這個目標下，教師可以利用一些輔助工具創建課堂游戲，通過解決游戲中的問題來獲取知識，也可以在普及知識時運用《幾何畫板》、Flash軟件等，加強學生對知識的印象，同時在這個過程中學生不僅能提取到核心知識，還能提高自身的信息技術素養.

4 注重數學學科素養的提升

在高中數學課堂教學中，教師要注重學生學習數學概念思維習慣的養成，全面提高學生的數學學科素養.在實踐過程中，將概念知識領域化，對基本概念劃分領域以及使用范疇，幫助學生精準掌握有關概念的使用條件及方法；同時要求學生熟練應用基本的數學運算符以及算法，這樣學生在解決問題的時候能夠更加快速地找到突破口，且學生在使用數學符號描述數學問題時，學生的思維能力能夠得到很好的提升，這也是構成學生數學學科素養的重要內容.因此，在進行課堂教學時，教師要培養學生在數學各方面的認知與能力，以此提高學生的數學學科素養.

5 教學案例

在探討了將STEM教學模式應用到高中數學課堂的策略后，教師應該抓住緊要核心，結合教學內容提前做好教學設計，同時課后結合課堂實際效果進行優化總結.現以“三角函數”中的單擺問題為例，簡述如何將課堂教學內容與STEM教學模式相結合，在完成課堂教學目標的同時訓練學生的綜合能力.

5.1 教學目標

基于STEM課程模式，以培養學生綜合能力為宗旨，力爭將課堂教學內容與各個學科知識技能相結合.

5.1.1 知識與技能目標

(1)掌握單擺(擺角小于5°)的等時性；

(2)能夠用三角函數表示單擺擺動時位移與時間的關系；

(3)學會利用手機軟件繪制單擺運動的函數圖象.

5.1.2 過程與方法目標

(1)在課堂學習過程中經歷單擺函數圖象的繪制過程，體會單擺的擺動與解析式之間的關系，培養觀察、分析、歸納等思維能力；

(2)引導學生通過實際操作的方式檢驗自己的猜想，提高學生在課堂學習過程中的實踐能力.

5.1.3 情感態度與價值觀

(1)通過手機軟件繪制單擺運動的函數圖象，體會數學學科與信息技術之間的關聯，增強學生的學習興趣；

(2)學會用數學的眼光觀察現實世界，鼓勵學生動手操作，勇于嘗試.

5.2 教學重點、難點

重點：發現并且驗證單擺(擺角小于5°)的等時性，能夠繪制單擺運動的函數圖象.

難點：利用手機軟件繪制單擺運動的函數圖象.

5.3 教學過程

5.3.1 教學情境

播放擺鐘(世界上最高的擺鐘)、秋千在平面做擺動的視頻.

問題1你知道擺針為什么可以測量時間嗎？

問題2你蕩秋千時，用力蕩一次，每次下降和上升所花費的時間是一樣的，還是越來越短？

設計意圖：在引入教學內容時，借用實際生活中的事例來吸引學生的學習興趣，引發學生思考，有利于拉近學生與知識之間的聯系，培養學生觀察世界、發現數學的科學素養和人文素養.這種通過實際問題引入知識的方式，能夠讓學生體會生活中的數學，突出研究三角函數模型與實際問題相結合的重要意義.

5.3.2 設計方案

通過視頻可以觀察到擺針每擺動一下就是一秒，說明擺針每次擺動的時間是相同的.那如何驗證這一點呢？鼓勵學生自己動手，六人一小組，模擬單擺運動.設計一個方案，寫出實驗所需的器材和物品，設計好實驗的操作步驟，列出需要測量的數據.學生經過一番討論之后，可以各組學生分享自己的實驗方案，說出自己的設計意圖，或者目前存在的問題，集思廣益，共同完善實驗方案.學生利用20 m的細繩、兩個粘鉤、一個螺母、量角器、秒表進行實驗.但是發現秒表計算單擺運動的周期是不夠準確的，可以向學生推薦使用手機錄像.

設計意圖：在設計實驗方案的過程中，學生之間相互交流、合作，取長補短.學生盡可能地利用自己身邊的材料，自制工具和設備，培養動手能力，提升學生的工程素養.在實驗設計中加入技術元素，提高學生的技術素養.

5.3.3 科學史知識

學生通過實驗裝置自主收集幾組螺母的擺動周期，教師引導學生進一步思考它們擺動的周期是否相同，以及擺角是否決定周期，進而發現單擺運動(擺角小于5°)的等時性.同時，教師可以向學生介紹相關的科學史料，單擺的等時性是由意大利科學家伽利略發現，并且介紹伽利略發現單擺等時性的一些趣事.

設計意圖：成功并不是一蹴而就的，實驗方案需要學生不斷地完善.教師應鼓勵學生堅持不懈，認真鉆研，提高學生之間的協作能力，樹立集體意識.單個的數據不能說明問題，大量的實驗結果才能說明實驗結論的準確性.教師融入科普知識，學生正確認識科學知識，激發學習興趣，提升藝術素養.

5.3.4 科學技術

通過實驗結果發現單擺的擺動周期在擺角小于5°的時候是相同的，發現其周期現象，將之與三角函數相聯系，利用手機拍攝視頻，然后用Kmplayer軟件截圖，PowerPoint插入視頻連續截圖，保證一個周期的運動，觀察生成的圖象來確定位移與時間之間的的關系.圖象形似三角函數圖象，學生很容易聯想到本章所學的三角函數的圖象.通過GeoGebra擬合函數圖象，確定其與三角函數的關系.

設計意圖：讓學生自己歸納總結利用函數模型解決實際問題的一般步驟，然后在老師的幫助下完善結果，促進學生用科學的方法解決實際問題，認識和使用技術手段，增強使用技術手段的意識.

5.3.5 總結交流

教師帶領學生回顧本節課內容.本節課通過實驗驗證了單擺運動的等時性，在擺角小于5°時成立，所以擺鐘的擺線較長，擺角較小.又借助軟件驗證了位移和時間的關系可以通過三角函數模型加以刻畫，加深了對三角函數的認識和應用.