在科學(xué)課堂實(shí)施STEM教育培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)

◇李俊杰（廣東：順德德勝學(xué)校〔小學(xué)部〕）

小學(xué)科學(xué)課是我國基礎(chǔ)教育階段開設(shè)的一門學(xué)科，具有基礎(chǔ)性、實(shí)踐性、綜合性特點(diǎn)，在教育過程中面向全體學(xué)生，倡導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為宗旨。而STEM課程的重點(diǎn)是加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培育。目前的科學(xué)課中也涉及技術(shù)與工程領(lǐng)域內(nèi)容，但如果要在科學(xué)課中開展STEM教育，除了科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)外，還需要培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。實(shí)施STEM教育的最好方式就是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)可能是世界上最跨界的學(xué)習(xí)方式，因此我們需要打破各學(xué)科之間的界限，建立各學(xué)科之間的互通互聯(lián)，才能夠更好地實(shí)施STEM教育，才能夠培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

粵教版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)下冊(cè)中有“身邊的橋梁”單元，包括梁橋、拱橋、桁架橋等橋梁內(nèi)容的學(xué)習(xí)，通過前面幾節(jié)課的學(xué)習(xí)，到單元的最后一課進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)與制作，讓學(xué)生對(duì)自己學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行遷移與運(yùn)用，從而加深對(duì)前幾課內(nèi)容的理解。本單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，如果在教學(xué)過程中加入數(shù)學(xué)素養(yǎng)，那就既可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)課的教學(xué)目標(biāo)，又可以很好地實(shí)施STEM教育。因此，筆者以此單元教學(xué)為例，重點(diǎn)談一下如何在科學(xué)課中實(shí)施STEM教育，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

數(shù)學(xué)素養(yǎng)是學(xué)生發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決多種情境下的數(shù)學(xué)問題的能力。要在此單元教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，可以從以下幾點(diǎn)入手，從而在科學(xué)教學(xué)過程中，更好地促進(jìn)學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)的形成。

一、在科學(xué)課堂培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題的能力

發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題是解決數(shù)學(xué)問題的關(guān)鍵，發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容合理地設(shè)置問題情境，因此設(shè)置問題情境可以進(jìn)一步提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題的能力。基于此，我們?cè)凇吧磉叺臉蛄骸眴卧校梢栽O(shè)置問題情境來引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題。

例如：本單元教學(xué)中有拱橋、桁架橋、懸索橋等，其中拱橋的拱形結(jié)構(gòu)是其承重的關(guān)鍵，力從拱面通過拱傳到拱腳，起到承重的作用。在此教學(xué)內(nèi)容中，教師通過出示多張拱橋的圖片，讓學(xué)生觀察拱橋，發(fā)現(xiàn)拱形的存在，發(fā)現(xiàn)問題后，再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步提出一個(gè)數(shù)學(xué)問題。學(xué)生在思考的過程中，對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)重新梳理與認(rèn)識(shí)，從而提出基于自身知識(shí)儲(chǔ)備的數(shù)學(xué)問題，以此提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題的能力。

例如：本單元教學(xué)內(nèi)容中的桁架橋。桁架橋是典型的公鐵兩用橋，教師通過出示多個(gè)桁架橋圖片，引導(dǎo)學(xué)生觀察里面的共同點(diǎn)，從而引出三角形。教師接著引導(dǎo)學(xué)生回顧三角形的特性，進(jìn)一步提到三角形具有穩(wěn)定性，引導(dǎo)學(xué)生提出數(shù)學(xué)問題。學(xué)生基本上可以提出一些具有一定水平的數(shù)學(xué)問題。在此內(nèi)容教學(xué)過程中，學(xué)生提出問題的能力得到提升，為接下來的橋梁設(shè)計(jì)做鋪墊。橋梁設(shè)計(jì)是本單元內(nèi)容的匯總，也是對(duì)本單元內(nèi)容的知識(shí)梳理。學(xué)生通過制作實(shí)現(xiàn)工程與技術(shù)素養(yǎng)的提升。在制作前，教師要設(shè)置問題情境，出示多個(gè)工程設(shè)計(jì)圖，引導(dǎo)學(xué)生思考如何才能更好地制作出自己理想的橋梁。橋梁制作前需要設(shè)計(jì)，通過繪圖的方式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)工程圖的繪制。在繪制過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)的數(shù)學(xué)問題會(huì)進(jìn)一步增多，為接下來表達(dá)、解釋與解決問題做了很好的鋪墊。

在《設(shè)計(jì)與制作：我的小橋》一課時(shí)，教師結(jié)合所學(xué)知識(shí)，將現(xiàn)實(shí)生活場景引入課堂教學(xué)。讓學(xué)生觀察周邊橋梁的限高高度，了解道路的實(shí)際寬度，在材料提供上，以比例尺形式給學(xué)生提供1：100的精確尺寸。學(xué)生在設(shè)計(jì)方案時(shí)，通過測量與計(jì)算，對(duì)橋墩的跨距、橋面的長度得出較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，從而引發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)的思考與關(guān)注。學(xué)生將數(shù)學(xué)所學(xué)知識(shí)遷移至本課的教學(xué)中，結(jié)合實(shí)際生活場景，運(yùn)用數(shù)學(xué)、科學(xué)相關(guān)知識(shí)來解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，設(shè)計(jì)出具有實(shí)際意義的橋梁作品。

二、在科學(xué)課堂培養(yǎng)學(xué)生表達(dá)數(shù)學(xué)問題能力

表達(dá)是將思維所得的成果，用語言、語音、語調(diào)、表情、行為等方式反映出來的一種行為。表達(dá)數(shù)學(xué)問題是通過用語言等方式反映數(shù)學(xué)問題。學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題后，如何表達(dá)是教師引導(dǎo)的關(guān)鍵。表達(dá)需要簡潔明了，直奔主題，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)表達(dá)數(shù)學(xué)問題，可以反映學(xué)生思維所得的成果。在本單元教學(xué)內(nèi)容中，我們可以讓學(xué)生對(duì)自己的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行表述，但同時(shí)也應(yīng)該注意引導(dǎo)學(xué)生表達(dá)其中的數(shù)學(xué)問題。

如：當(dāng)橋面做成什么形狀時(shí)，紙橋承重力會(huì)強(qiáng)一些？這個(gè)時(shí)候?qū)W生對(duì)于形狀的表達(dá)就很重要，需要學(xué)生描述形狀。有的形狀學(xué)生認(rèn)識(shí)，有的形狀不認(rèn)識(shí)，對(duì)于表達(dá)不出來的形狀，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行圖形表達(dá)或通過動(dòng)作表達(dá)，學(xué)生不一定非得通過語言表達(dá)。表達(dá)的方式有很多，教師一定要引導(dǎo)學(xué)生有這個(gè)表達(dá)的環(huán)節(jié)，這樣對(duì)于STEM教育內(nèi)容而言，就不會(huì)缺少數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，從而讓科學(xué)課程中的STEM教育更具實(shí)效。再比如：引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的比例尺關(guān)系運(yùn)用于設(shè)計(jì)方案中，進(jìn)行表達(dá)。通過比例尺的計(jì)算方式，引入現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際尺寸，然后用自己的語言來呈現(xiàn)，從而進(jìn)一步為自己設(shè)計(jì)的橋梁作品提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。學(xué)生通過設(shè)計(jì)、計(jì)算、表達(dá)，進(jìn)一步加深了自己對(duì)數(shù)學(xué)、科學(xué)相關(guān)知識(shí)的理解，并將所學(xué)知識(shí)通過語言表達(dá)出來，從而促進(jìn)思維的發(fā)展。

因此，在科學(xué)課中進(jìn)行STEM教育時(shí)，一定要培養(yǎng)學(xué)生表達(dá)數(shù)學(xué)問題的能力。這樣既能夠抓住培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)的核心，又能夠促進(jìn)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的形成。

三、在科學(xué)課堂培養(yǎng)學(xué)生解釋數(shù)學(xué)問題的能力

解釋的意思是分析說明，解釋數(shù)學(xué)問題是分析和說明其發(fā)現(xiàn)和表達(dá)的數(shù)學(xué)問題。當(dāng)學(xué)生在進(jìn)行橋梁內(nèi)容學(xué)習(xí)的時(shí)候，解釋數(shù)學(xué)問題是其形成數(shù)學(xué)素養(yǎng)必不可少的環(huán)節(jié)內(nèi)容。如何解釋數(shù)學(xué)問題，需要教師根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行適當(dāng)鋪墊和引導(dǎo)。

例如：在學(xué)習(xí)《橋梁里的框架》一課中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了數(shù)學(xué)問題。是不是三角形結(jié)構(gòu)承重能力會(huì)更強(qiáng)？學(xué)生也通過語言進(jìn)行了表達(dá)，但是如何解釋這種情況是問題的關(guān)鍵。這就需要教師培養(yǎng)學(xué)生解釋數(shù)學(xué)問題的能力。學(xué)生通過制作簡易的形狀正方體，然后通過承重的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，形成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，闡述正方體的承重情況，從而分析說明正方體內(nèi)有三角形承重能力會(huì)更強(qiáng)一些，解釋三角形具有穩(wěn)定性。再比如：在學(xué)習(xí)《設(shè)計(jì)與制作：我的小橋》時(shí)，學(xué)生通過觀察道路的尺寸來設(shè)計(jì)橋梁的跨度，從而引發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題，學(xué)會(huì)計(jì)算。橋梁的跨度要比道路的寬度長，不能將橋墩設(shè)計(jì)在道路中間。如：每條道路寬3.5米，三條道路寬10.05米，學(xué)生在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，會(huì)關(guān)注橋梁的跨度不少于10.05米，加上柱子的寬度，來設(shè)計(jì)橋面的長度。用數(shù)學(xué)計(jì)算的方式得出較為精準(zhǔn)的尺寸，用較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來解釋設(shè)計(jì)橋面尺寸的緣由，為自己的作品提供強(qiáng)有力的證據(jù)。

解釋，在科學(xué)課中就是尋找證據(jù)，用數(shù)學(xué)的方式就是學(xué)會(huì)分析數(shù)據(jù)才能夠形成證據(jù)。因此，在科學(xué)課中培養(yǎng)學(xué)生解釋數(shù)學(xué)問題的能力是STEM教育中必不可少的環(huán)節(jié)之一。

四、在科學(xué)課堂培養(yǎng)學(xué)生解決數(shù)學(xué)問題的能力

解決問題是檢驗(yàn)學(xué)習(xí)的重要指標(biāo)。如果在學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)了問題、表達(dá)了觀點(diǎn)、解釋了原因，最后不能夠解決問題，那就如同紙上談兵。所以培養(yǎng)學(xué)生解決數(shù)學(xué)問題的能力是最終目的。在《設(shè)計(jì)與制作：我的小橋》一課中，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行計(jì)算與分析，最終通過自己的設(shè)計(jì)圖紙制作出一座橋梁。在這個(gè)過程中，學(xué)生需要測量，計(jì)算出結(jié)果后才可以畫出精準(zhǔn)而科學(xué)的設(shè)計(jì)圖紙，所謂的計(jì)算結(jié)果就是解決問題的最好呈現(xiàn)。最后學(xué)生根據(jù)自己繪制的設(shè)計(jì)圖制作橋梁，橋梁作品就是解決問題的證據(jù)。

再如：引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注現(xiàn)實(shí)生活。在設(shè)計(jì)橋梁作品時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注實(shí)際道路中間有花壇，花壇的尺寸是多大，那我們橋墩設(shè)計(jì)的寬度應(yīng)該是多少。學(xué)生再結(jié)合自己設(shè)計(jì)的作品，看有沒有將花壇的尺寸計(jì)算在內(nèi)，如果沒有應(yīng)該如何加入。新數(shù)學(xué)問題的提出，引發(fā)學(xué)生再次思考，思考后再進(jìn)行改進(jìn)，通過運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算與測量，來解決現(xiàn)實(shí)生活中的場景問題。在這一問題提出的過程中，教師不要直接告知學(xué)生，而是通過不斷追問，來激發(fā)學(xué)生的思考，讓學(xué)生從自己的角度去審視自己的作品，改進(jìn)自己的方案，從而激發(fā)學(xué)生思維的形成，培養(yǎng)學(xué)生解決數(shù)學(xué)問題的能力。

STEM課程重點(diǎn)是加強(qiáng)對(duì)科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的培育。科學(xué)的核心是發(fā)現(xiàn)；技術(shù)的核心是發(fā)明；工程的核心是建造；數(shù)學(xué)的核心是建模。我們?cè)诮虒W(xué)過程中，要盡量避免設(shè)計(jì)單一的問題讓學(xué)生思考，要結(jié)合實(shí)際生活與現(xiàn)實(shí)場景，激起學(xué)生的參與熱情，關(guān)注現(xiàn)實(shí)生活，讓他們知道可以利用自己所學(xué)的知識(shí)，來解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，從而促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的形成。這些素養(yǎng)的形成不是單一的，是在學(xué)生主動(dòng)解決問題的過程中逐漸顯現(xiàn)出來的。

除此之外，在科學(xué)課的教學(xué)過程中，實(shí)施STEM教育培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，需要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決多種情境下的數(shù)學(xué)問題，從而真正實(shí)現(xiàn)將STEM教育融入科學(xué)課程，進(jìn)一步推動(dòng)STEM教育的實(shí)施與落地，最終實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的目的。