基于STEM教育理念的小學數學跨學科主題學習

摘要：小學數學長期采用分科教學模式，這在一定程度上割裂了數學與生活、數學與其他學科的聯系，導致學生在解決復雜問題時無法靈活利用多學科知識進行綜合性處理。STEM理念融合科學、技術、工程和數學等四門學科的學習內容、思維方法，通過小組分工協作，積極主動地實踐探索，自主解決問題，有效達成發展學生綜合素養的目標。基于STEM教育理念的小學數學跨學科主題學習要充分體現“融合性、情境性、趣味性、體驗性、協作性、設計性”，融合多學科學習內容，制定跨學科綜合素養目標，讓學生在真實情境中發現問題、提出問題，通過小組合作交流，提出研究假設，設計實驗方案，主動實踐研究，解釋生活現象，設計制作作品等，培養學生創新精神和實踐能力，發展學生的核心素養。

關鍵詞：STEM教育理念；跨學科主題學習；核心素養；教學模式

小學數學長期采用分科教學模式。分科教學模式極大地提高了知識的傳播效率，充分確保了受教育者在最短時間內對所面對的知識體系形成系統性的認知。然而，這種教學模式也存在一些弊端，如割裂了數學與生活的聯系，導致學生覺得數學冰冷枯燥而失去學習興趣；割裂了數學與其他學科的聯系，導致學生在解決復雜問題時無法靈活利用多學科知識進行綜合性處理。《義務教育課程方案（2022年版）》提出設立“跨學科主題學習”活動，要求各個學科開展不低于10%課時的跨學科學習。《義務教育數學課程標準（2022年版）》提出“設計情境真實、較為復雜的問題，引導學生綜合運用數學學科和跨學科的知識與方法解決問題”。跨學科主題學習打破了教學中學科之間的割裂狀態，實現了學習內容的綜合化，使得學生在不同的學習內容之間建立有意義的連接，有利于強化學生對知識形成整體、全面、系統的理解，形成批判性思維、創新思維等高階思維能力，且對培養學生自主探究、團隊意識、協作學習能力等方面有著重要的意義。

一、小學數學跨學科主題學習的內涵與特點

2010年，美國哈佛大學零點項目首席專家鮑爾斯將“跨學科學習”界定為個人與群體將兩個或兩個以上學科或已確立的領域中的觀點和思維方式整合起來的過程。跨學科學習通過知識“整合”，促進主體對相關主題的基礎性和實踐性的理解，此種“理解”超越單一學科的范圍。也有學者認為，跨學科學習的本質是學習者創造性地聯結某一主題的多個學科知識，對主題屬性進行多維整合。跨學科學習強調認知的整體性，是一種融知識綜合與問題解決于一體的深度學習方式。國內學者張華認為“跨學科學習是整合兩種或兩種以上學科的觀念、方法與思維方式以解決真實問題、產生跨學科理解的課程與教學取向。”“作為落實數學核心素養培育的基本方式，跨學科主題學習旨在讓學生體會到數學自身知識體系與其他學科以及現實生活之間的密切聯系，促進學生運用跨學科的知識發現、分析和解決問題、提升學科課程的育人實效。”由此可見，小學數學跨學科主題學習是指以小學數學學科為依托，基于特定的主題構建學習任務，融合其他學科的學習內容與方法進行學習和探究的綜合實踐活動。

二、基于STEM教育理念的小學數學跨學科主題學習的特征

STEM是科學、技術、工程和數學四門學科的簡稱。STEM教育是學生以真實情境中的現實問題為學習起點，融合科學、技術、工程、數學四門學科的學習內容、思維方法，通過小組分工協作，積極主動地投入實踐探索活動中，自主解決問題，培養學生在實踐中發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的能力，有效達成發展學生綜合素養的目標。STEM教育不是多學科知識的簡單疊加，而是強調不同學科的有機融合。STEM教育的核心就是在分科教學體系中建立一座溝通的橋梁，構建學科之間的內在聯系，鼓勵學生運用多學科知識解決問題，為他們提供整體認識世界的機會。

余勝泉等學者認為，“STEM教育具備以下核心特征：跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性等”。由此可見，STEM教育理念與跨學科主題學習有異曲同工之妙，對教師深入開展跨學科主題學習有許多可借鑒之處。我們認為，基于STEM教育理念的小學數學跨學科主題學習要突出以下六個特性：一是融合性。要深入研究不同學科之間的關聯，探尋合適的跨學科主題學習內容，融合不同學科的知識、方法，制定跨學科的綜合素養目標。二是情境性。要聯系學習內容，從學生生活中提煉真實問題，促進學生積極主動地深入探索，解決問題，并在解決真實生活問題的過程中融入社會生活，獲得真實的生活體驗。三是趣味性。學生學習的趣味不應只是通過外在的感官刺激獲得一時的快感，而應通過具有現實性、挑戰性的真實問題激發其探究欲望，并在解決問題后獲得成功體驗。四是體驗性。STEM教育整合不同學科知識方法的目的在于解決生活中的真實性問題，培養學生的創新精神和實踐能力。

因此，STEM教育理念下的跨學科主題學習更多強調學生進行動手、動腦，自主參與體驗解決問題的全過程。五是協作性。學生的個性化思考是重要的，但信息時代的迭代發展，單靠個體的力量已很難順利解決問題。綜合運用多學科知識解決生活中的真實問題離不開團隊的協作，群體協同進行相互幫助、相互啟發，共同設計活動方案，開展實驗探索研究，進行總結反思等，通過合作發揮各自所長，培養協同合作意識，提升團隊協作水平，提高團隊解決問題的能力。六是設計性。STEM教育要求學習產出環節包含設計作品，通過設計促進知識的融合與遷移運用，通過作品外化學習的結果、外顯習得的知識和能力。跨學科主題學習倡導學生積極設計作品，解決生活中的實際問題，評價學習成果，獲得成功的體驗，維持和進一步激發學生實踐探索的積極性。

三、基于STEM教育理念的小學數學跨學科主題學習的實施

基于STEM理念的小學數學跨學科主題學習要基于數學學科的教學實際，遵循兒童認知規律，選擇合適的跨學科主題學習內容，制定可行性的綜合素養發展目標，創設真實的問題情境，引導學生運用多學科知識解決問題，充分體現跨學科主題學習的“融合性、情境性、趣味性、體驗性、協作性、設計性”，在自主、合作的探究實踐中發展學生的核心素養。下面以人教版小學數學教材六年級下冊“有趣的平衡”教學為例，談談如何基于STEM教育理念實施跨學科主題學習。

（一）跨學科主題學習內容的選擇

跨學科主題學習強調不同學科的有機“融合”，這不僅體現在學習內容、方法的相關聯上，也體現在不同學科解決問題思維方式的互補上。將有意義的相關學科知識加以組織，融合于同一主題任務，以促使學生跨過學科的界限，通過不同學科知識之間的遷移、貫通、聯想和頓悟，運用不同學科的知識方法解決問題，實現“1 + 1大于2”的效果，提升學生綜合應用知識的能力。如“有趣的平衡”一課是研究“杠桿原理”背后隱藏的數學原理，與蘇教版小學科學教材五年級下冊“簡單機械”單元“撬重物的竅門”在研究內容上具有本質的一致，都是通過實驗探究杠桿保持平衡的規律：要使杠桿保持平衡，必須使“左邊的刻度數 × 棋子數（或鉤碼數） = 右邊的刻度數 × 棋子數（或鉤碼數）”。此外，在研究方法上都采用了實驗法探究知識背后的原理。這樣將不同學科相關聯的學習內容放在一起學習探究，有助于學生體會數學與科學之間的聯系，減輕學生的學習負擔。但是，站在各自學科的視角，它們又具有不同的側重點：“有趣的平衡”是在學生掌握了比例知識的基礎上設計的，目的是通過實驗讓學生初步感受杠桿原理，發現反比例關系，加深對反比例關系的理解；“撬重物的竅門”則是讓學生初步認識杠桿的結構，通過對平衡尺如何才能平衡的探索，了解用杠桿撬起重物可以省力以及小桿秤稱重物的原理。前者側重深化對數學知識的理解，后者側重解釋生活現象，解決生活中的問題。由此可見，通過跨學科主題學習能夠很好地將二者有機地融合在一起，形成良性互補，既重視從數學的角度用反比例的知識來解釋杠桿平衡的本質原理，又重視從科學的角度解釋生活現象，解決實際問題，達到學以致用的目的，深化對數學知識的理解，提高學生解決實際問題的能力。

（二）跨學科主題學習目標的設定

跨學科主題學習目標不僅要體現多學科目標的融合，還要更多地體現STEM教育綜合素養目標。STEM素養是一種復合型的素養，除了包含相關知識、科學精神、科學思維和方法之外，還包含了如何整合概念、過程和思維的方式以及將其應用于解決現實世界問題的整體性理解。這些素養直接指向學生將來如何更有效地解決實際生活中復雜的挑戰性問題。如“有趣的平衡”一課的目標設定，既要體現數學、科學學科的要求，又要體現如何更好地發展學生的綜合素養。為此，我們制定如下教學目標：

1.在具體情境中提出問題、作出假設、開展實驗，通過分析實驗數據，探索杠桿背后隱藏的科學原理，加深對反比例關系的理解。

2.培養學生認真傾聽，善于與同伴合作交流，對他人的結果提出合理質疑的科學精神以及探究意識和歸納概括能力。

3.感受杠桿原理在生活中的應用，學會利用杠桿原理制作小桿秤等工具，增強學生的應用意識，培養學生的創新精神和實踐能力。

上述目標不僅有數學原理的表達與應用，還有從問題、假設、實驗到結論的科學探究完整過程，更有工程與技術的綜合應用，即通過制作小桿秤等深化對數學原理和實驗探究的理解和應用。因此，基于STEM教育理念的跨學科主題學習的目標設定應致力于提升學生的綜合素養和實踐創新能力，培養綜合型人才和應用型人才。

（三）跨學科主題學習過程的實施

1.創設真實情境，發現提出問題

STEM教育不是教授學生孤立、抽象的學科知識，而是強調把知識還原于真實的生活，結合生活中有趣、挑戰的問題，通過學生的問題解決完成教學。跨學科主題學習只有鑲嵌在真實的問題情境中，有意義的探究活動才會真正發生。教師要創設真實、有趣、富有挑戰性的生活情境，將學生置身于現實世界之中，面對真實問題，激起學生主動探索的欲望，并從真實的問題情境中發現問題、提出問題。如在“有趣的平衡”主題學習中，教師先播放介紹桿秤的歷史和各種類型桿秤的視頻，激起學生對桿秤的好奇心和探索欲望。接著，教師提出：“我國在漢代就出現了木質桿秤，并沿用至今。在電子秤出現之前，人們都使用桿秤稱物品重量。你們想不想要制作一個桿秤？”在得到學生肯定回答后，教師讓學生小組討論：怎樣制作桿秤？制作桿秤會遇到哪些困難？啟發學生自主發現并提出問題：桿秤的秤星怎么標注？所稱物品的質量和秤砣質量之間有什么關系？杠桿保持平衡有什么科學原理？等等。科學研究始于問題。通過介紹桿秤的歷史和種類，教師引發學生制作桿秤的興趣，并由此產生探究性問題，以任務驅動方式促進學生積極主動地深入探究。這不僅有利于激發學生的探究欲望，還有利于幫助學生形成良好的科學思維習慣——像科學家一樣觀察、思考，然后發現并提出有價值的問題。

2.提出研究假設，設計實驗方案

STEM教育與學科融合不是滲透而是發掘，是從學科中找到STEM教育的關聯點、生長點，繼而在此基礎上建構。一方面，要避免STEM教育寄生于學科，另一方面，要避免二者的“貌合神離”，要確保STEM教育與學科從分裂式共存邁向統一式共生。不管是數學還是科學的教材，都強調讓學生用實驗的方法探索、發現杠桿平衡的原理，這是二者在研究方法上的關聯點。但數學學科主要按照教材設定的實驗步驟開展實驗研究，這不利于學生學會在真實情境中解決生活中的問題。跨學科主題學習不僅要關注知識之“聯”，還應關注思維方法之“通”。為此，本主題學習要融合科學學科研究問題的思維方法，重視學生在面對新問題時，通過小組合作、收集資料、交流討論等，自主提出研究假設，設計實驗方案，實現多學科思維方法和學科精神的融通。針對學生提出的“杠桿保持平衡有什么科學原理”的問題，教師應引導學生充分討論交流，提出“要使杠桿保持平衡，必須使左邊的刻度數 × 棋子數 = 右邊的刻度數 × 棋子數”的理論假設，并設計實驗方案（見表1）。

3.小組互助協作，主動實踐探究

STEM教育理念下的跨學科主題學習不是培養被動學習知識的“能手”，而是要培養善于解決問題的“高手”，要將學習的主動權交給學生，以強化學生對學習過程的自主建構。如本主題學習，學生在前文所述合作設計研究方案的基礎上，分工準備實驗的材料，如選一根粗細均勻的竹竿（長約1 m）、打孔的工具、記號筆、繩子、塑料袋、棋子等。材料的準備過程不僅考驗學生在實踐中解決問題的能力，也激發學生深入思考后續要開展的實驗，即準備的材料如何更好地為順利開展實驗研究服務。在充分準備的基礎上，小組合作開展實驗研究，具體步驟如下：（1）制作杠桿。在竹竿中點的位置打個小孔并拴上繩子，然后從中點開始每隔8 cm用記號筆做一個記號。在這一過程中提升學生動手制作的技能、技巧，發展學生的技術素養。（2）分步實驗。按照實驗方案開展實驗一至實驗四，收集實驗結果數據。（3）發現結論。通過對比實驗數據，引導學生發現杠桿平衡的原理，即要使竹竿保持平衡，必須使“左邊的刻度數 × 棋子數=右邊的刻度數 × 棋子數”，由此驗證了實驗假設是正確的。（4）溝通聯系。引導學生觀察對比實驗四的數據，發現“當左邊的刻度數和棋子數保持不變時，右邊刻度數和所放棋子數成反比例關系”，在實踐中進一步深化對反比例關系的理解，并學會用數學的原理方法來解釋生活中的現象。

4.應用發現結論，解釋生活現象

STEM教育理念下的跨學科主題學習的體驗性還體現在應用發現的結論解釋生活中的現象，獲得成功的體驗，增強學生進行科學探索的信心和興趣。如本主題學習，學生可以應用杠桿原理解釋撬重物的竅門等生活中類似的問題、有關杠桿的省力和費力現象以及同學們經常玩的蹺蹺板怎樣坐能夠達到左右平衡等問題。此外，教師還可介紹公元前3世紀提出“假如給我一個支點，我就能推動地球”的古希臘學者阿基米德根據杠桿原理完成了“投石器”等一系列發明創造。這些歷史故事可以增強跨學科主題學習的人文性，激發學生不斷勇攀科學高峰的探索精神。

5.動手設計作品，發展綜合素養

在科學、技術、工程和數學這四種學科素養中，需要通過技術和工程素養將科學素養、數學素養體現出來，因此技術和工程素養就成為STEM素養的關鍵內核。工程與技術把數學的原理方法以及科學研究的成果有目的地、創造性地應用于實踐，解決現實生活中的問題，并將其轉化為現實生產力，幫助我們更好地認識世界、改造世界。本主題學習中，學生在經歷杠桿原理的探索、發現過程之后，主動應用科學探究的成果以及發現的數學原理動手制作桿秤，解決主題學習活動開始前提出的問題，體驗成功的喜悅。從知識到應用，學生需要面對一個個新的挑戰，比如，選擇合適的秤桿、秤砣，確定秤盤、提紐的位置以及確定秤星的點和秤星所表示的質量等。解決這些挑戰性的問題需要學生以數學、科學作為基礎性工具，運用杠桿平衡原理再次經歷合作交流、動手實踐、主動探索的過程。通過經歷這樣的社會性實踐過程，提高學生協同互助的水平，培養創新精神與實踐能力，發展學生工程、技術素養。

總之，基于STEM教育理念的跨學科主題學習，在內容的選擇上，不僅要關注不同學科內容的聯系，更要關注學科思維方式、學科精神等的融合，以體現多學科的融合性；要注重從真實生活情境中發現和提出問題，將探究實踐活動融入具體生活情境中，體現學習的情境性。在學習方式上，要以探究性實踐學習為主，以小組合作學習為主要組織形式，讓學生像科學家一樣經歷問題的提出、方案的擬定、研究的展開、結論的獲得以及實踐應用的全過程，體現跨學科學習的協作性、體驗性，培養學生的合作意識和實踐能力。工程與技術是STEM的重要組成部分，跨學科主題學習要注重運用所發現的知識原理進行設計作品，體現學習的設計性，提升學生的綜合素養。

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（責任編輯：趙春艷）