基于STEAM理念的初中數學教學研究

摘 要：STEAM教育理念作為教育領域的創新思潮，特別強調跨學科的整合和動手能力，旨在通過親歷實踐喚醒學生的創造力.研究分析顯示，以STEAM理念為基礎的數學課題活動對于培育學生的核心素養大有裨益，它是一個以實際操作為重，強調學科間相互結合的研究方式.此方法不僅有助于學生深化對知識的掌握，激發求知的熱情，也有利于在參與實踐的過程中提升他們的團隊合作意識、創造力及跨領域應用解題的技巧．

關鍵詞：STEAM理念；數學活動課；初中數學；教學設計

STEAM教育理念代表了一種創新交叉學科的教學模式，此模式綜合了科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）以及數學（Mathematics）領域.通過數學實踐課程，學生可以在參與數學實踐的同時深化對學科知識的掌握，培育其實際應用能力并積累相關經驗.^［1］從學生的視角來看，這不僅有助于他們更深入地掌握所學知識，激發他們對學習的熱情，還可在參與活動的過程中提升他們的團隊合作精神、創新思維及應用跨領域知識解題的技巧；從教師的視角來看，這既有益于提高教師的教學技巧，也有助于推動教師更新其教學理念，進一步營造出更優質的教育氛圍，有利于學生全面成長.

1 科學與數學活動課的融合設計

科學領域與數學學科互相交叉、依存，眾多的科研難題離不開數學技術的輔助，同樣，數學的進步也受到科研發展的激勵.

1.1 結合科學發展史進行融合設計

借助敘述數學與科學領域歷史上的關鍵發現以及這些發現背后的逸聞軼事，能夠喚起學生學習的熱情.例如，教師講述希臘數學家畢達哥拉斯是如何揭秘直角三角形的邊長關系，并探討此理論對后續幾何學與物理學領域產生的深遠影響，可以展現數學與科學的共同進步，并點燃學生對科學領域的求知欲．

1.2 結合前沿科學熱點進行融合設計

教師可以將時下流行的科學進展主題融入教學，引導學生掌握所涉及的科學概念，并進一步提煉出數學問題，使課堂更具吸引力和實用價值，進而顯著增強學生的學習效果和學習熱情．

1.3 結合自然科學現象進行融合設計

教師指導學生注意身邊自然奇觀，并闡釋其發生的根源，進而將其抽象成數學問題，并構建相應的數學模型，借此協助學生深入領會數學觀點．

1.4 活動示例

（1）活動內容1：車輪做成圓形的數學原理.

數學學習目的：把握圓形的概念及其根本特征，并熟練識別點和圓相對位置上的關系.

STEAM教學宗旨：掌握輪子材質演變史和有關物理摩擦力的知識.

活動過程：在教學互動中，學生運用卡紙剪裁出圓形后，以直尺作為軸讓其旋轉觀察，便可見到圓的中心至桌面高度保持恒定，其移動軌跡呈直線狀，當學生以同樣手法制作正方形并滾動時，則會注意到其中心的移動軌跡為曲線.此現象引出教師講解制造圓形輪子的依據之一是其滾動時，與接觸面的距離保持一致，保證運動穩定.制作圓形車輪的另一依據涉及摩擦力的問題，即圓形輪子在滾動時生成的摩擦力遠小于其他形狀發生的滑動摩擦力，從而使得運動更為節能.至于車輪的材料，也由早期的木頭進化到鐵，再到如今廣泛應用的橡膠制品，車輪設計的優化是在不斷進行的.

（2）活動內容2：設計遮陽棚.

數學學習目的：利用直角三角形邊與角的相互關系來處理現實生活中的問題.

STEAM教育宗旨：掌握日照與地表之間角度差異的變動模式.

活動過程：位居北半球的一座民宅，其窗戶面向南方，窗口處高度定為h，該地在中午時分時陽光直射.照射至地表的光與水平面形成的角度區間，下限為α，上限為β，其中α代表冬至日中午時分的角度，β則是夏至日角度.配備這扇窗戶上方的遮陽設施，可以在夏季極大程度地擋住熾烈的日照，同樣能在冬季極大程度地讓陽光投射到室內.學生通過運算得出遮陽棚的長度為htanβ-tanα.由于地球繞著太陽旋轉和自身旋轉的緣故，使得日照角度隨南北半球和四季更迭而產生變動.

2 技術與數學活動課的融合設計

數學概念往往歸屬于較高層次的抽象范疇，其邏輯性日漸突出.伴隨著多媒體與信息科技的持續創新及其發展，這些技術與數學教育的深度結合早已演變成一種不可阻擋的發展動向.^［2］此種融合帶來了教學模式的多元化，令原本抽象難懂的數學理念更為形象生動，由此使得學生掌握起來也愈加便捷．

2.1 圖形輔助技術

在教學活動中，教師應用如GeoGebra（以下簡稱“GGB”）、幾何畫板等數學軟件來形象地展現形狀的變化原理與計算法則，幫助學生加深對這些知識點的掌握．

2.2 現代技術工具的使用

教育階段有學生運用現代化技術設備親自實操的要求，所以教師可指導學生預先搜尋使用技巧，于課堂上進行示范，同時重申安全操作的重要性，以便增進教學成效及學生的操作技能．

2.3 活動示例

（1）活動內容1：二次函數圖象變化.

數學學習目的：精通二次方程的最值求解.

STEAM 教學宗旨：利用GGB 演示圖象變化.

活動過程：檢視91×99，92×98，…，98×92，99×91的結果，并推測哪一個乘積值最大.

學生通過計算求出95×95的積最大.

師：這個問題能夠通過掌握的拋物線方程原理來解開嗎？

生：將算式設為（90+x）×（100-x）=-x2+10x+9000=-（x-5）2+9025.

鑒于a小于零，故在x取值為5的情形下，其峰值達9025，即乘積95乘以95達到頂峰.依托GGB數學軟件驗證函數曲線（如圖1）.

（2）活動內容2：設計并制作筆筒.

數學學習目的：能夠嫻熟理解立體物體及其三維視圖和平面展示圖之間的聯系.

STEAM教學宗旨：構思并創造一個筆筒，并通過3D打印技術來實現筆筒的制造.

活動過程：構想出一個心儀的筆筒設計，并草繪其正、側、俯三個視角圖及展開示意圖，隨后動手制作筆筒樣品.基礎設計階段結束后，教師先對DiskStation Manager （DSM）軟件操作進行詳細講解，然后讓學生根據指導進行筆筒的設計制作，并運用3D打印技術將作品實物化.此過程有助于學生對現代尖端工具的操作技巧進行基本學習．

3 工程與數學活動課的融合設計

工程學與數學緊密相連，工程學提供了數學應用于現實世界的場景，數學則為工程領域的難題提供理論基礎和邏輯推演的方法.融匯工程思維時，重要的是確保學生明確掌握了“追求何種目標”“以何種方式執行”及“結果如何評估”.學生得以遵循既定的程序圖紙執行工程規劃，亦能運用自己的創意思考，提出個性化的觀點．

3.1 通過工程實際問題導入

構建問題場景過程中，需依托課程實際所需，巧妙結合如建筑施工、地形測量等現實案例，借此帶動學生深刻掌握相關的工程概念與執行流程.如此，借助這些真實場景，學生能夠更清晰地理解數學理論與工程操作的深刻關聯，并對數學在工程領域中的運用有更深刻地領悟．

3.2 在教學過程中實際操作

在實施教學活動時，教師應當認真構思并融入多項與實踐操作相關的工程問題，引領學生攻克諸多工程難題，既能深化其對工程概念的領悟與運用，又極大程度地挖掘其學習的天賦，由此不斷釋放他們的創意與動手實踐的能力.^［3］該教育方法不單增添了課程的多樣性，還有力地推動了學生全方位素質的進步．

3.3 活動示例

活動內容：制作測角儀，測量樹的高度.

數學學習目的：精通銳角三角函數，以此處理現實生活中的難題.

STEAM教學宗旨：掌握量角器的工作原理并親手制作一把量角器.

活動過程：運用銳角三角函數進行樹木高度計算.假設樹高為x米，測量點到樹木的水平距離是10米，接下來需確定觀測角度α.教師引導學生自行動手組裝一套量角裝置，將一條細繩的一端固定在半圓形的量角板中央，另一端則掛上一個墜物，構建出一個基礎版的測角工具（如圖2）.使用時將量角裝置舉至眼前，使用者的視線高度距離地面1.5米，讓視線經過量角工具的半徑線并對準樹木最頂端.測量出的觀測角度是45°.根據三角比的運算法則，樹的高度=10+1.5=11.5（米）.

4 藝術與數學活動課的融合設計

數學自身即是藝術表現的一種形式，它的每一個數學符號都以其獨有的方式顯露了藝術之美.數學是科學領域的象征，藝術代表了文學領域，兩者結合升華了數學之美.

4.1 展示藝術作品

以教材內容為基礎，采用圖象、視頻等多媒體資料對學習材料進行課堂引入，如觀賞建筑藝術、分析配色與布局.此舉能將抽象知識轉化為直觀具體的形象，給學生帶來視覺上的震撼，觸動他們的情感共鳴與好奇心，進而激發他們探索知識的熱情.在此過程中，學生被引導去感知美，體驗美，并激發出創造美的靈感．

4.2 在教學過程中滲透藝術情感

教師在教學過程中依據課程素材恰當引入藝術感受，包括社會學、心理學，以及哲學等知識領域，助力學生感悟多樣情緒，提升其情感展現和調控技巧.藝術情緒的涵養同樣有利于激發學生建立正面積極的生活觀和價值理念，增強其感情的豐富性，有助于人格發展的圓滿．

4.3 活動示例

活動內容：多邊形平面鑲嵌.

數學學習目的：了解多邊形拼接所需的前提條件.

STEAM教學宗旨：感受平鋪和鑲嵌的美感.

活動過程：教師示范多種多邊形平鋪圖樣，如具有美感的彭羅斯圖案，引導學生探索圖中相同大小的三角形，從而喚起他們對學習主題的熱情，指導學生裁剪幾種正多邊形，探究使用單一類型的正多邊形拼接時，能形成平面圖案的是哪些正多邊形.在親自實踐探究的過程中，學生觀察到正三角形、正方形、正六邊形能夠實現平面的鋪滿，并由此歸納出兩個平鋪條件：①周圍相接的角相加之和必須是360°；②相鄰的多邊形之間須共享一條邊.學生經過深入研究，發現只要頂點處各圖形角度之和為360°，且分享共同邊緣，具有相似尺寸和形態的三角形與四邊形同樣能夠實現拼接.

5 結語

本文探討了在STEAM教育理念指導下，實施數學實踐課程的實用性.筆者通過研究相關學術資料并對教師進行采訪，分析當前數學活動課程的施行情況，強調整合兩種方式的重要性.筆者在深入整理教學材料之后，總結發現STEAM教育理念和數學活動課程在教育觀念層面達成共鳴，均以培養學生的親身實踐為核心，追求培養學生的創新思維，共同強調跨學科的綜合運用.所以，這項研究試圖將這兩個領域結合起來，旨在激發學生的跨領域能力與創新思維，同時促進教師個人成長和提升教學質量，以改善和提高課程設計的效果．

參考文獻

［1］李娟.初中數學與STEAM理念融合的教學策略探究［J］.好家長，2024（28）：83-85．

［2］王姣，趙院娥.基于STEAM理念的初中數學應用題教學策略分析［N］.山西科技報，2024-06-18（B06）．

［3］吳樹榮.STEAM教育理念下的初中數學應用題教學策略研究［J］.數學學習與研究，2024（12）：56-58．