STEM教育理念在中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：數(shù)學(xué)作為一門重要的基礎(chǔ)性學(xué)科，其蘊(yùn)涵著建模思維、邏輯思維、逆向思維、應(yīng)用思維等多種數(shù)學(xué)思維，這些思維同時(shí)影響著其他理工科目此后的學(xué)習(xí).因此，在數(shù)學(xué)教學(xué)中如何提升學(xué)生的學(xué)科綜合素養(yǎng)成為教師研究的熱點(diǎn).

關(guān)鍵詞：中學(xué)數(shù)學(xué)；教學(xué)設(shè)計(jì)；STEM教育理念

數(shù)學(xué)作為學(xué)生學(xué)習(xí)的主要科目之一，其深度及廣度在中學(xué)階段均有著明顯的提升，這些變化不僅是因?yàn)閷W(xué)習(xí)進(jìn)程的深入，更重要的是因?yàn)楸姸嗬砉た颇慷紝?duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)能力有著一定的要求.因此，如何調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的積極性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣，使其學(xué)好中學(xué)數(shù)學(xué)是數(shù)學(xué)教師應(yīng)該解決的首要問題.注重跨學(xué)科綜合性教育的STEM理念能夠切實(shí)解決上述問題.本文探討STEM教育理念內(nèi)涵及其優(yōu)勢，研究STEM教育理念在數(shù)學(xué)教學(xué)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，以期幫助學(xué)生打好數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，提高各學(xué)科綜合學(xué)習(xí)能力，促使學(xué)生全面發(fā)展.

1STEM教育理念與數(shù)學(xué)教育

1.1STEM教育理念及優(yōu)勢

STEM教育理念最初見于美國國家科學(xué)委員會(huì)在1986年發(fā)表的重要報(bào)告上，后因被美國總統(tǒng)布什（G.Bush）稱為“全球競爭力的關(guān)鍵”而受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注.STEM教育主要的教學(xué)策略是以科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四位為一體，具體來說，就是通過讓學(xué)生親身參與與教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目，將知識(shí)與實(shí)際生活相結(jié)合，以此來培養(yǎng)學(xué)生的理工思維與探究能力，提高其解決問題的綜合素養(yǎng).［1］與傳統(tǒng)課程不同，STEM教育理念是一種能夠打破學(xué)科界限的創(chuàng)新型理念，在教學(xué)上有著諸多優(yōu)勢，具體如下.

（1）跨學(xué)科融合，提高學(xué)生綜合素質(zhì).

將STEM教育理念融入數(shù)學(xué)教學(xué)中，可以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)多學(xué)科的融合學(xué)習(xí)，此舉不單單能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)、豐富其人文領(lǐng)域儲(chǔ)備，更可以提高學(xué)生的審美，激發(fā)他們的創(chuàng)造力與邏輯思維能力，為其未來全方位發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

（2）注重“發(fā)現(xiàn)問題—解決問題”的探索式學(xué)習(xí)方式.

STEM教育理念在課程當(dāng)中強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生自主探索，學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，在過程中觀察、操作、體驗(yàn)、探究，最后學(xué)會(huì)創(chuàng)造，從而系統(tǒng)地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與解決問題的能力.STEM教育理念不追求讓學(xué)生掌握做具體東西或解答具體題目的知識(shí)點(diǎn)，而是強(qiáng)調(diào)掌握一種思考方法，讓學(xué)生可以舉一反三，應(yīng)用到不同領(lǐng)域的方法.

（3）學(xué)習(xí)中合作，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)與溝通能力.

學(xué)習(xí)并不是一條獨(dú)木橋，只有與伙伴通力合作，才能夠獲得更大的收獲.STEM教育理念倡導(dǎo)學(xué)生互相交流，及時(shí)與同伴交換意見，因?yàn)榱己玫膱F(tuán)隊(duì)關(guān)系是完成更大成績的基礎(chǔ).遇到困難時(shí)及時(shí)發(fā)揮集體的力量，懂得團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，是學(xué)習(xí)成長之路必不可少的一課.

1.2數(shù)學(xué)教育中的STEM

作為STEM教育理念四位一體中的重要環(huán)節(jié)，數(shù)學(xué)中的諸多知識(shí)點(diǎn)、規(guī)律定理、思想方法都可以完美地與STEM教育理念相融合.例如，數(shù)學(xué)中的函數(shù)模塊，其定理與思維方法在其他許多學(xué)科都有所應(yīng)用，如地理科目中的氣溫變化與維度關(guān)系、物理科目中的歐姆定律、化學(xué)科目中的溶液pH值與加入酸堿的聯(lián)系規(guī)律等.學(xué)生在學(xué)習(xí)其他學(xué)科的過程中不斷地使用函數(shù)知識(shí)，來解決現(xiàn)實(shí)情境問題，使數(shù)學(xué)與其他學(xué)科的學(xué)習(xí)相輔相成.此外，函數(shù)復(fù)雜多變的圖象可以使用計(jì)算機(jī)畫圖軟件等技術(shù)進(jìn)行繪制，從而幫助學(xué)生將函數(shù)與圖象對(duì)應(yīng)記憶、學(xué)習(xí)，更直觀地理解函數(shù)性質(zhì).

數(shù)學(xué)始終與我們的生活息息相關(guān)，是一切科學(xué)的基礎(chǔ)及技術(shù)發(fā)展的最大助推力.改革發(fā)展數(shù)學(xué)教育以促進(jìn)各領(lǐng)域技術(shù)的創(chuàng)新也始終是我國教育的重要目標(biāo).另外，在新課改愈發(fā)深入的背景下，數(shù)學(xué)教育的發(fā)展也愈發(fā)注重學(xué)生多方面的數(shù)學(xué)素養(yǎng)、應(yīng)用及創(chuàng)新能力的培養(yǎng).將STEM教育理念融入數(shù)學(xué)教育中不僅會(huì)順應(yīng)新課改發(fā)展的要求，同樣也能夠改善傳統(tǒng)教育積弊甚深的現(xiàn)狀.

2基于STEM教育理念的中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)要求

教育理念的革新一般是為了幫助教師、學(xué)生擺脫目前所遭遇的一些教、學(xué)困境.因此，在應(yīng)用STEM教育理念的過程中，教師需要充分發(fā)揮其能夠打破學(xué)科界限的優(yōu)點(diǎn)，有意識(shí)地將各學(xué)科與數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)與實(shí)踐項(xiàng)目集中起來融入數(shù)學(xué)教學(xué)中，以此培養(yǎng)學(xué)生的分析、探究、思考能力及綜合素養(yǎng)，來打破僵持的教、學(xué)困境.STEM教育理念實(shí)施過程中需要遵循以下三點(diǎn)：第一，數(shù)學(xué)教師需主動(dòng)了解其他學(xué)科中（物理、化學(xué)之類的理工科目）與數(shù)學(xué)有關(guān)的內(nèi)容，并將兩者有機(jī)地結(jié)合；第二，教師需靈活運(yùn)用現(xiàn)有的技術(shù)條件，如計(jì)算畫圖軟件、思維導(dǎo)圖軟件等，為學(xué)生創(chuàng)造更直觀、高效的學(xué)習(xí)環(huán)境；第三，教師需引導(dǎo)學(xué)生掌握一定的工程知識(shí)，以便學(xué)生能夠靈活地使用數(shù)學(xué)知識(shí)解決生活中的工程類問題，提高學(xué)生的邏輯思維能力.

3基于STEM教育理念的中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

筆者以“相似三角形的妙用——工程中測量物體高度”為例，展示關(guān)于STEM教育理念在中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例，以供廣大教師進(jìn)行教學(xué)參考.

3.1課前要求學(xué)生準(zhǔn)備資料

提前要求學(xué)生準(zhǔn)備與課程內(nèi)容相關(guān)的資料，本質(zhì)上是在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)合理利用身邊的科學(xué)技術(shù)來幫助自己學(xué)習(xí).本節(jié)課要求學(xué)生課前使用軟尺精確測量自己的身高，此舉緊扣STEM教育理念中的技術(shù)環(huán)節(jié)，便于養(yǎng)成學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考的習(xí)慣.

3.2創(chuàng)設(shè)情境趣味導(dǎo)學(xué)

教師用趣味故事來構(gòu)建情境導(dǎo)入，可以營造輕松有趣的學(xué)習(xí)氛圍，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的注意力與求知欲，激發(fā)其對(duì)此節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)的熱情；設(shè)計(jì)層次遞進(jìn)的問題則會(huì)引導(dǎo)學(xué)生深入地進(jìn)行思考，使其將知識(shí)與實(shí)際問題相結(jié)合，符合STEM教育理念中的工程環(huán)節(jié)，圍繞真實(shí)實(shí)踐項(xiàng)目展開教學(xué).在本節(jié)課中教師可以講述如下的故事，在中國古代有一位名叫趙爽的數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家，他曾經(jīng)注解過《周髀算經(jīng)》，并詳細(xì)地推導(dǎo)證明了勾股定理（勾三股四弦五）的正確性.一日空閑之時(shí)，他來到院子中央，抬頭望見像火球一般耀眼的太陽，不禁道出自己的疑問“太陽距離地球有多高”，此后他終日冥思苦想，終于利用物體高度、影子長度及相似三角形的相關(guān)知識(shí)推導(dǎo)出來了著名的“日高公式”（如圖1）.根據(jù)這個(gè)故事，同學(xué)們思考以下兩個(gè)問題.

問題1想一想我國古代并沒有現(xiàn)在這些先進(jìn)測量儀器，那么趙爽是如何推導(dǎo)出日高公式的呢？他推導(dǎo)公式時(shí)所用的思想能用現(xiàn)在所學(xué)的知識(shí)去理解、解釋嗎？

問題2能否利用趙爽所用的思想以及現(xiàn)在所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)來測量一下學(xué)校路燈的高度呢？

3.3課堂團(tuán)隊(duì)協(xié)作探究

在此環(huán)節(jié)，教師將學(xué)生分為數(shù)個(gè)小組來進(jìn)行測量學(xué)校路燈的探究活動(dòng)，分組后引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)制定測量計(jì)劃，詳細(xì)內(nèi)容如下.

步驟1：將班級(jí)學(xué)生隨機(jī)分為八組，每組至少推出三位同學(xué)，并且三位同學(xué)的身高具有較大差異.

步驟2：被推選的同學(xué)記作“驗(yàn)證者”，小組其余成員記作“觀察者”，隨即讓“驗(yàn)證者”同時(shí)站在陽光比較充足但不會(huì)被太陽直射，“觀察者”需要準(zhǔn)確且快速地將“驗(yàn)證者”的身高、影長以及測量時(shí)間錄入數(shù)據(jù)表，為消除誤差保持實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，要求學(xué)生多次測量并取平均值.

步驟3 ：再次隨機(jī)選擇數(shù)名“驗(yàn)證者”，讓其身高具體有明顯差異者兩兩站入陽光下，讓“觀測者”根據(jù)教師所給的結(jié)論觀察身高的影長是否真的存在正比關(guān)系.

師：經(jīng)過本次身高與影子的實(shí)踐活動(dòng)，大家知道趙爽的日高公式是如何推導(dǎo)的了嗎？他運(yùn)用的是什么數(shù)學(xué)知識(shí)呢？

生：知道了，他是運(yùn)用相似三角形的比例關(guān)系（如圖2）來推測太陽的高度.

3.4結(jié)合實(shí)際，拓展延伸

師：古人的勤奮與智慧讓我們有機(jī)會(huì)學(xué)到今天成體系的知識(shí)，我們也要學(xué)會(huì)在生活中靈活使用這些來解決實(shí)際問題.那么，回歸今天活動(dòng)的主題，請小組再次進(jìn)行討論并請代表上來展示.

經(jīng)過教師的細(xì)心引導(dǎo)以及實(shí)踐項(xiàng)目的調(diào)動(dòng)，各小組都積極討論，并提交了多種解決測量路燈高度的方法，下面抽取四種實(shí)用性最強(qiáng)的方法進(jìn)行展示，如圖3所示.

師：上述四種方法中均使用到了我們今天所學(xué)的影子構(gòu)建相似三角形的方法，但是，今天所想出來的方法有一個(gè)很大的弊端，那就是只能在有太陽的情況下進(jìn)行，那如果碰上陰天或者夜晚，該怎么辦呢？接下來我會(huì)設(shè)計(jì)一道問題，這個(gè)問題的解題思路就不能用影子辦法了.

問題某工程隊(duì)想要測量一棵樹的高度，其在樹的東面距離樹25米的地方，垂直豎起一根高為3米的測量桿，并派了一名隊(duì)員從測量桿處向東面移動(dòng)，直至樹頂與測量桿頂部相重合，此時(shí)人離測量桿正好5米，隊(duì)員眼睛距離地面1.5米，問樹的高度？

師：在這道題中，我們應(yīng)如何構(gòu)建相似三角形來解決問題呢？

師：如圖4所示，我們可以從點(diǎn)E向直線AB作垂線，垂線交CD于點(diǎn)G.

生：是的老師，這樣這副圖例就會(huì)出現(xiàn)很多相似的三角形來供我們解題了，那我們可以先設(shè)樹高（AB）的長度為h，利用△AHE∽△CGE來進(jìn)行解答，過程如下.

解析：設(shè)樹高（AB）為h.

因?yàn)椤鰽HE∽△CGE，

所以HEGE=AHCG=h-HBCD-GD，

即305=h-1.53-1.5，

則h=10.5（米）.

師：在解這道題的過程中，工程隊(duì)不是借用影子，而是借用了人的眼睛，使用“三點(diǎn)一線”的視覺效果知識(shí)來構(gòu)建相似三角形測量樹木的高度，在此我們學(xué)會(huì)了另一種可以用來測量物體高度的方法.

3.5布置作業(yè)，訓(xùn)練鞏固

課后作業(yè)的設(shè)置需注重一定的開放性與協(xié)作性.開放性將引導(dǎo)學(xué)生學(xué)著利用現(xiàn)代信息技術(shù)來開闊自己的視野，輔助自己的學(xué)習(xí)；協(xié)作性能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力.在本節(jié)課中教師可以設(shè)置“月亮與地球的距離是多少”“在古代有沒有人去測量呢”“他們的測量方法都是什么呢”“古代還有哪些關(guān)于使用到相似三角形知識(shí)的例子呢”等問題，要求同學(xué)以小組為單位，查找和整理相關(guān)資料并在復(fù)習(xí)課上進(jìn)行展示分享.

4結(jié)語

將STEM教育理念融入中學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)之中，能夠幫助學(xué)生打破學(xué)科界限，使其將各學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通，大幅提高學(xué)生的學(xué)科綜合素養(yǎng)與解決實(shí)際問題的能力.

參考文獻(xiàn)

［1］吳秋菊，劉生貴.STEM教育理念下初中數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)——以“相似三角形應(yīng)用——為學(xué)校旗桿量身高”為例［J］.數(shù)學(xué)教學(xué)研究，2022（5）：26-30.