基于STEAM教育理念的初中數(shù)學跨學科項目式教學研究

耿寧　吳華

2022年4月，教育部發(fā)布《義務教育數(shù)學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”），與時俱進地將課程內容與育人目標有機結合，突出學習和教學活動的實踐導向。新課標將數(shù)學課程劃分為四個領域，在其中的“綜合與實踐”領域指出，使用主題活動或項目學習方式，以跨學科主題學習為主體開展教育教學活動，逐步培養(yǎng)學生的數(shù)學核心素養(yǎng)。新課標也指出，跨學科學習在當前教育研究與教學改革中仍是一個新的課題。

當前，STEAM（科學、技術、工程、藝術、數(shù)學）教育與學科教學整合的跨學科學習活動主要集中于科學、物理與化學等需要模擬實驗或者實際操作的課程，對數(shù)學學科這樣思維性強、計算量大的學科研究較少。本文將初中數(shù)學跨學科項目式教學與STEAM教育理念相融合，在新課標的框架下探索初中階段教學新模式，更新教與學的方式，整體提升學生綜合素質和數(shù)學核心素養(yǎng)，以期為初中教學實踐提供更多的選擇與方向。

一、STEAM教育與跨學科教學簡述

（一）STEAM教育

STEAM教育作為跨學科K-12項目式教學的重要途徑，可以運用PBL（Project-Based learning）項目式教學模式將現(xiàn)實情境中的問題抽象轉化，利用科學、技術、工程、數(shù)學等多種學科知識，通過游戲化、可操作性的學生群體協(xié)作活動完成教學目標和人文關懷。這種跨學科知識的整合就是以項目或問題為教學的根本立足點，以多學科知識交互、教學資源與工具、教學環(huán)節(jié)（過程）與評價為支線的整體設計，是學生多學科綜合素質培養(yǎng)的可行路徑之一。

（二）跨學科教學

跨學科的本質在于打破學科間的門戶壁壘與學科偏見，通過“范式”之間的轉換產(chǎn)出創(chuàng)新性成果。基于此觀點和相關文獻梳理，筆者將數(shù)學學科的“跨學科教學”理解為：以數(shù)學學科學習為根本立足點，融合物理、化學、生物等其他學科知識解決生活或科學情境中實際問題的教學活動。

新課標提出，“綜合與實踐”學習領域內的跨學科學習主要包括主題活動和項目學習等，其分類與案例整理如下頁表1所示。新課標同時要求教師在選取教學內容開展綜合與實踐活動過程中要發(fā)掘合適項目、聚焦現(xiàn)實情境、挖掘跨學科問題、關注學生問題解決全過程。

二、初中數(shù)學跨學科項目式教學的要求

（一）要準確把握跨學科“數(shù)學要素”

在初中數(shù)學跨學科整合的教學中，數(shù)學教材多數(shù)采用“情境與問題”專欄開展教學任務，并在問題解決過程中通過工程學流程框圖明確學習任務及步驟、清晰展示解題過程。需要注意的是，跨學科整合并不是相關學科知識的簡單組合。首先，教師要在創(chuàng)設跨學科問題情境的同時，挖掘出不同類型跨學科問題中的“數(shù)學要素”。其次，教師要把握其中的數(shù)學本質問題，有效歸納出可進行項目式教學的數(shù)學目標問題，在跨學科項目式教學中深化“數(shù)學認知”。最后，教師要培養(yǎng)學生數(shù)學學科核心素養(yǎng)、工程思維和邏輯推理能力，通過“數(shù)學+”跨學科活動起到“1+1>2”的應用效果。

（二）要合理運用可視化動態(tài)軟件

教育信息化2.0時代對人才培養(yǎng)的需求趨向于復合型，動態(tài)數(shù)學專用軟件與數(shù)學教學的深度融合也是基礎教育改革的重要課題之一。當前，幾何畫板、GeoGebra等動態(tài)軟件的功能受到廣大一線教師的認可，動態(tài)軟件在教學中的可視化操作能夠彌補實物教具在抽象數(shù)學學習內容上的教學缺陷，提高學生學習的趣味性與積極性。為此，教師在跨學科整合課題研究時，可以通過動態(tài)軟件虛擬呈現(xiàn)跨學科情境（如細胞分裂、杠桿平衡原理等），讓學生直觀感受跨學科問題情境；也可以加強學生對數(shù)學教育技術的具身操作，使學生在信息技術支持下進行數(shù)據(jù)分析、曲線擬合、統(tǒng)計處理、模型構建等多維數(shù)學活動。這樣，可以提升教師本身和學生的計算機應用水平，培養(yǎng)師生的信息素養(yǎng)并促進學生有意義學習。

（三）要著力培養(yǎng)創(chuàng)新與實踐能力

跨學科項目式教學就是要將創(chuàng)新實踐融入到學生學習過程中來，通過信息技術操作與展示，將抽象的數(shù)學問題直觀化、將科學內容具象化；通過情境感知與問題解決，發(fā)現(xiàn)數(shù)學中的藝術，完成數(shù)學中的工程問題；通過動手操作、實際體驗等教學環(huán)節(jié)，真正運用所學的知識解決實際問題。

三、跨學科項目式教學模式探究

新課標強調注重跨學科主題學習與數(shù)學學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)，雖未在其中明確指出“STEAM教育”，但在人教版教材編寫內容中的“信息技術應用”“數(shù)學活動”及其他板塊均有相關內容體現(xiàn)。基于STEAM教育理念的初中數(shù)學跨學科項目式教學應以STEAM教育理念的“雙重導向”為指引（即以“跨學科融合導向”為項目或活動開展的知識基礎，以“創(chuàng)新實踐導向”為跨學科育人的目標任務），采用PBL項目式教學模式，構建以教學準備、教學環(huán)節(jié)、教師活動、學生活動、技術支持為支線的教學設計模型。教學實踐路徑實施如下頁圖1所示。

（一）教學準備

教學準備是構建教學模型、完成教學與活動設計的前置條件。教師在開展跨學科項目式教學前需要選取適當?shù)目鐚W科內容，這一內容不僅是整個教與學活動的“主心骨”，也是支撐教學活動并使其富有課程屬性的“內容物”。選取跨學科內容后教師要結合新課標、教材和學生學情作具體分析研判，做好教學設計前的一系列準備。

一個恰當?shù)目鐚W科內容需要滿足以下三個特征：一是跨學科學習內容中的學習對象包含符號表征（敘述性）和圖象表征（描繪性）等兩種數(shù)學外在表征分類，且各類表征至少含其分類中的一種表現(xiàn)形式（如函數(shù)對象包含函數(shù)解析式、函數(shù)圖象等不同表征形式）；二是跨學科學習內容需要貼近學生的生活情境或較為完備的科學情境，充分考慮到STEAM相關學科綜合素質的提升（如購物與預算問題、航天器、天體運動情境等），指向實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；三是跨學科學習內容需要適配學生當前認知與心理發(fā)展水平，使學生發(fā)揮“最近發(fā)展區(qū)”的潛力并搭建多學科支架，產(chǎn)生認知沖突來提高學生的學習興趣與積極的求知態(tài)度，并通過學習活動（多元感知與具身操作等）使數(shù)學外在表征轉化為數(shù)學內在表征（如函數(shù)對象的性質運用、函數(shù)間的邏輯表達等），最終形成知識網(wǎng)絡體系。

（二）教學環(huán)節(jié)

1. 情境模擬

跨學科學習內容需要依托情境的創(chuàng)設來完成其教學功能。作為教學過程的初始步驟，教師應針對跨學科教學內容做好充分的相應學科知識儲備，設計對應跨學科知識內容的活動或項目，以情境的模擬呈現(xiàn)來支撐教學過程的順利開展，通過產(chǎn)生認知沖突來提高學生的學習興趣，使其形成積極的求知態(tài)度，引發(fā)學生對數(shù)學問題的思考，發(fā)展思維能力。

情境的創(chuàng)設要滿足以下兩個要求：一是根據(jù)新課標要求創(chuàng)設的情境需要至少包含數(shù)學情境、科學情境、現(xiàn)實情境的三者之一，體現(xiàn)跨學科知識在情境中的實用價值；二是創(chuàng)設的情境要具有可操作性（探索性），教師要能在情境中挖掘出學生感興趣的話題與問題，學生也可以從情境中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，通過具身操作和實踐體驗來培養(yǎng)解決實際問題的能力并獲得學業(yè)成就感。

2. 要素分析

要素分析作為整個教學設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)，問題的定義形式、問題解決的前置知識基礎、問題解決中需要用到的思想方法與資料等都會影響到后續(xù)項目式教學活動的開展。通過跨學科問題情境的創(chuàng)設，教師應引導學生對情境進行發(fā)掘與思考，以自主探索或群體討論等方式發(fā)現(xiàn)情境中的數(shù)學問題，經(jīng)過歸納與總結后提出本節(jié)課的主線問題。學生在情境中會挖掘出不同類型的跨學科問題，教師要在學生提出問題時通過問題串（鏈）帶領學生發(fā)現(xiàn)問題中的“數(shù)學要素”，有效歸納出可進行項目式教學的目標問題。確定好目標問題后，學生需要對問題的定義形式、問題中的基本要素、下一步的研究方向與解決問題步驟等作出初步研判。這就需要由教師引導學生通過多種形式（如自由思考、小組合作、組間辯論、板演推理等）將目標問題“條目化”，分解為前后連續(xù)、可執(zhí)行的數(shù)學問題系統(tǒng)，并依據(jù)此系統(tǒng)制訂研究或活動方案。

3. 規(guī)程計劃

根據(jù)明晰的問題要素和“小步子”數(shù)學問題系統(tǒng)預設，學生需要查閱相關項目的文獻資料和學習資源（如已發(fā)表的研究成果與案例、網(wǎng)絡學習資源、跨學科知識內容等），以小組分工與合作的形式進行學習活動。教師要在此過程中依據(jù)工程學活動觀點引導學生在“做中學”，實現(xiàn)活動中的主客體認知合作交互。教師要多采用啟發(fā)式教學法，用“問題串”鼓勵和暗示學生依托多方面資源大膽設計開放性的活動方案，將集體構思具象化、科學化，在綜合考慮學生實踐能力、知識儲備和可操作性等的基礎上，設計出符合教學目標、科學合理的項目實踐方案，培養(yǎng)學生的工程思維與創(chuàng)新能力。

4. 探索發(fā)現(xiàn)

作為教學（設計）過程中的核心環(huán)節(jié)，活動探索與發(fā)現(xiàn)主要采用PBL項目式教學模式?；赟TEAM教育理念的教學模型不僅要求跨學科融合育人，同時也要通過實踐活動環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。模型設計過程中活動探究環(huán)節(jié)要充分利用信息技術平臺（數(shù)學專用軟件與其他辦公軟件）優(yōu)勢開展包含但不限于小組合作、組間互動、軟件操作、數(shù)據(jù)分析、教師指導等的項目實踐。以往的數(shù)學活動著重開展數(shù)學實驗與數(shù)學建模等，本模型則主要是以學生的信息技術操作能力與資源整合能力的提升為目標，結合“線上+線下”混合式教學的背景，探索通過幾何畫板、GeoGebra、Matlab、Excel等動態(tài)軟件對教學效果的增益。

5. 互動交流

學生通過活動或項目的探究，會根據(jù)已有的知識經(jīng)驗與所得的數(shù)據(jù)或性質等得到初步的活動結論與建議，并據(jù)此撰寫出每個學習小組的專題研究報告（成果）。教師要通過多樣化的展示活動，引導學生大膽展示、勇于質疑、提出意見與建議，在展示過程中提升學生語言表達能力、邏輯思維能力和開拓創(chuàng)新能力。教師也要根據(jù)學生的小組匯報情況作出全面、合理的修改意見和補充建議，對學生活動探究過程中出現(xiàn)的問題給予引導。

6. 反饋重塑

反饋重塑環(huán)節(jié)是對師生設計與實施過程檢驗的“試金石”。在教師層面，應對活動預設進行適應學生反饋的、適應教學環(huán)境的、適應課堂問題的及時修訂與改變；做好活動或項目式教學的反思并對活動教學法有更新的認識與體會，轉變只關注知識本位而忽視項目式教學的功能導向。在學生層面，要在活動開展、展示與評價過程中發(fā)現(xiàn)已有活動方案的不足與漏洞，通過反饋與優(yōu)化來完善活動設計、調整實施進程，并針對新進程中的新問題開展“再實踐”。教師應將過程性評價和操作性評價貫穿教育教學活動的始終，在活動設計、小組分工、活動開展、結論意見等方面作出客觀、公正的評價。總結性評價一般設置在課堂小結或課后作業(yè)階段，以創(chuàng)新性作業(yè)、訪談調查等形式開展評價工作。

課題項目：1.本文系遼寧師范大學2020年度本科教學改革研究項目“信息技術環(huán)境下以學科核心素養(yǎng)為導向融合STEAM的數(shù)學教學研究與實踐”階段性成果之一。項目編號：LS202001。2.本文系遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目“以學科核心素養(yǎng)為導向融合STEAM教育理念的跨學科教學研究與實踐”研究成果之一。

（責任編輯：楊強）