基于STEM理念下的高中數(shù)學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)探討

江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)科技城校

朱仁林 陸 瑩

1 引言

STEM是由四個(gè)單詞的首字母縮寫而來，分別來自科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)與數(shù)學(xué)(Mathematics)這四門學(xué)科.這四門學(xué)科分別針對于不同能力的培養(yǎng)，比如數(shù)學(xué)注重邏輯思維的培養(yǎng)，而科學(xué)注重創(chuàng)新思維的培養(yǎng).但同時(shí)它們之間又具有十分緊密的聯(lián)系，比如數(shù)學(xué)屬于一項(xiàng)科學(xué)工具；而科學(xué)又是工程的基礎(chǔ).近年來，隨著STEM教育模式的出現(xiàn)，人們更傾向于從多個(gè)角度去看待一門學(xué)科的包容性，這說明人們傳統(tǒng)的認(rèn)知與思維習(xí)慣發(fā)生了改變.同時(shí)STEM教育模式與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)相比，更傾向于以某個(gè)特定的項(xiàng)目或任務(wù)去引導(dǎo)學(xué)生擁有或提高特定的技能，在教學(xué)過程中運(yùn)用多種媒介將多個(gè)領(lǐng)域的學(xué)科知識整合，突破傳統(tǒng)教學(xué)中單一的學(xué)科知識傳授，以此提高學(xué)生的綜合能力.本文中簡要介紹如何在高中數(shù)學(xué)課程中運(yùn)用STEM教學(xué)模式，以良好的教學(xué)驅(qū)動(dòng)有效的學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展.

2 將數(shù)學(xué)知識與科學(xué)接軌

在STEM教學(xué)模式下，教師要時(shí)刻把握這四門學(xué)科之間的聯(lián)系，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力為目的，創(chuàng)新自身的教學(xué)手段.數(shù)學(xué)知識的運(yùn)用是科學(xué)探究的基礎(chǔ)，同時(shí)科學(xué)理論也可以為數(shù)學(xué)問題的解決提供支持.在數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí)中，學(xué)生能夠掌握數(shù)與數(shù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，對含有代數(shù)關(guān)系的事物進(jìn)行邏輯推理以及數(shù)學(xué)計(jì)算，在這個(gè)過程中，教師應(yīng)該合理融入科學(xué)的觀念，尋找數(shù)學(xué)與科學(xué)這兩個(gè)學(xué)科之間的結(jié)合點(diǎn)，確保學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識的過程中能夠有效達(dá)到對科學(xué)知識的滲透，使學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)得以提高，這樣學(xué)生在解決其他問題時(shí)也能有基本的科學(xué)知識與素質(zhì)支撐.

3 以數(shù)學(xué)知識驅(qū)動(dòng)技術(shù)培養(yǎng)

在《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出，隨著各項(xiàng)信息技術(shù)的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生有關(guān)技術(shù)的使用方法成為了教師在課堂上的另一個(gè)潛在目標(biāo).在建構(gòu)主義的指導(dǎo)下，教師需要時(shí)刻優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，以良好的教學(xué)模式驅(qū)動(dòng)教學(xué)理論與學(xué)生認(rèn)知的結(jié)合，同時(shí)也要善于整合信息技術(shù)，將教學(xué)內(nèi)容與信息技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，幫助學(xué)生認(rèn)識數(shù)學(xué)知識本質(zhì)的同時(shí)掌握一定的技術(shù)能力.在這個(gè)目標(biāo)下，教師可以利用一些輔助工具創(chuàng)建課堂游戲，通過解決游戲中的問題來獲取知識，也可以在普及知識時(shí)運(yùn)用《幾何畫板》、Flash軟件等，加強(qiáng)學(xué)生對知識的印象，同時(shí)在這個(gè)過程中學(xué)生不僅能提取到核心知識，還能提高自身的信息技術(shù)素養(yǎng).

4 注重?cái)?shù)學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的提升

在高中數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中，教師要注重學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)概念思維習(xí)慣的養(yǎng)成，全面提高學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)科素養(yǎng).在實(shí)踐過程中，將概念知識領(lǐng)域化，對基本概念劃分領(lǐng)域以及使用范疇，幫助學(xué)生精準(zhǔn)掌握有關(guān)概念的使用條件及方法；同時(shí)要求學(xué)生熟練應(yīng)用基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算符以及算法，這樣學(xué)生在解決問題的時(shí)候能夠更加快速地找到突破口，且學(xué)生在使用數(shù)學(xué)符號描述數(shù)學(xué)問題時(shí)，學(xué)生的思維能力能夠得到很好的提升，這也是構(gòu)成學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的重要內(nèi)容.因此，在進(jìn)行課堂教學(xué)時(shí)，教師要培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)學(xué)各方面的認(rèn)知與能力，以此提高學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)科素養(yǎng).

5 教學(xué)案例

在探討了將STEM教學(xué)模式應(yīng)用到高中數(shù)學(xué)課堂的策略后，教師應(yīng)該抓住緊要核心，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容提前做好教學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)課后結(jié)合課堂實(shí)際效果進(jìn)行優(yōu)化總結(jié).現(xiàn)以“三角函數(shù)”中的單擺問題為例，簡述如何將課堂教學(xué)內(nèi)容與STEM教學(xué)模式相結(jié)合，在完成課堂教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)訓(xùn)練學(xué)生的綜合能力.

5.1 教學(xué)目標(biāo)

基于STEM課程模式，以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為宗旨，力爭將課堂教學(xué)內(nèi)容與各個(gè)學(xué)科知識技能相結(jié)合.

5.1.1 知識與技能目標(biāo)

(1)掌握單擺(擺角小于5°)的等時(shí)性；

(2)能夠用三角函數(shù)表示單擺擺動(dòng)時(shí)位移與時(shí)間的關(guān)系；

(3)學(xué)會(huì)利用手機(jī)軟件繪制單擺運(yùn)動(dòng)的函數(shù)圖象.

5.1.2 過程與方法目標(biāo)

(1)在課堂學(xué)習(xí)過程中經(jīng)歷單擺函數(shù)圖象的繪制過程，體會(huì)單擺的擺動(dòng)與解析式之間的關(guān)系，培養(yǎng)觀察、分析、歸納等思維能力；

(2)引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)際操作的方式檢驗(yàn)自己的猜想，提高學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過程中的實(shí)踐能力.

5.1.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀

(1)通過手機(jī)軟件繪制單擺運(yùn)動(dòng)的函數(shù)圖象，體會(huì)數(shù)學(xué)學(xué)科與信息技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；

(2)學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)的眼光觀察現(xiàn)實(shí)世界，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手操作，勇于嘗試.

5.2 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：發(fā)現(xiàn)并且驗(yàn)證單擺(擺角小于5°)的等時(shí)性，能夠繪制單擺運(yùn)動(dòng)的函數(shù)圖象.

難點(diǎn)：利用手機(jī)軟件繪制單擺運(yùn)動(dòng)的函數(shù)圖象.

5.3 教學(xué)過程

5.3.1 教學(xué)情境

播放擺鐘(世界上最高的擺鐘)、秋千在平面做擺動(dòng)的視頻.

問題1你知道擺針為什么可以測量時(shí)間嗎？

問題2你蕩秋千時(shí)，用力蕩一次，每次下降和上升所花費(fèi)的時(shí)間是一樣的，還是越來越短？

設(shè)計(jì)意圖：在引入教學(xué)內(nèi)容時(shí)，借用實(shí)際生活中的事例來吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生思考，有利于拉近學(xué)生與知識之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生觀察世界、發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)的科學(xué)素養(yǎng)和人文素養(yǎng).這種通過實(shí)際問題引入知識的方式，能夠讓學(xué)生體會(huì)生活中的數(shù)學(xué)，突出研究三角函數(shù)模型與實(shí)際問題相結(jié)合的重要意義.

5.3.2 設(shè)計(jì)方案

通過視頻可以觀察到擺針每擺動(dòng)一下就是一秒，說明擺針每次擺動(dòng)的時(shí)間是相同的.那如何驗(yàn)證這一點(diǎn)呢？鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手，六人一小組，模擬單擺運(yùn)動(dòng).設(shè)計(jì)一個(gè)方案，寫出實(shí)驗(yàn)所需的器材和物品，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)的操作步驟，列出需要測量的數(shù)據(jù).學(xué)生經(jīng)過一番討論之后，可以各組學(xué)生分享自己的實(shí)驗(yàn)方案，說出自己的設(shè)計(jì)意圖，或者目前存在的問題，集思廣益，共同完善實(shí)驗(yàn)方案.學(xué)生利用20 m的細(xì)繩、兩個(gè)粘鉤、一個(gè)螺母、量角器、秒表進(jìn)行實(shí)驗(yàn).但是發(fā)現(xiàn)秒表計(jì)算單擺運(yùn)動(dòng)的周期是不夠準(zhǔn)確的，可以向?qū)W生推薦使用手機(jī)錄像.

設(shè)計(jì)意圖：在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過程中，學(xué)生之間相互交流、合作，取長補(bǔ)短.學(xué)生盡可能地利用自己身邊的材料，自制工具和設(shè)備，培養(yǎng)動(dòng)手能力，提升學(xué)生的工程素養(yǎng).在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中加入技術(shù)元素，提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng).

5.3.3 科學(xué)史知識

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)裝置自主收集幾組螺母的擺動(dòng)周期，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考它們擺動(dòng)的周期是否相同，以及擺角是否決定周期，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)單擺運(yùn)動(dòng)(擺角小于5°)的等時(shí)性.同時(shí)，教師可以向?qū)W生介紹相關(guān)的科學(xué)史料，單擺的等時(shí)性是由意大利科學(xué)家伽利略發(fā)現(xiàn)，并且介紹伽利略發(fā)現(xiàn)單擺等時(shí)性的一些趣事.

設(shè)計(jì)意圖：成功并不是一蹴而就的，實(shí)驗(yàn)方案需要學(xué)生不斷地完善.教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生堅(jiān)持不懈，認(rèn)真鉆研，提高學(xué)生之間的協(xié)作能力，樹立集體意識.單個(gè)的數(shù)據(jù)不能說明問題，大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能說明實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性.教師融入科普知識，學(xué)生正確認(rèn)識科學(xué)知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升藝術(shù)素養(yǎng).

5.3.4 科學(xué)技術(shù)

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)單擺的擺動(dòng)周期在擺角小于5°的時(shí)候是相同的，發(fā)現(xiàn)其周期現(xiàn)象，將之與三角函數(shù)相聯(lián)系，利用手機(jī)拍攝視頻，然后用Kmplayer軟件截圖，PowerPoint插入視頻連續(xù)截圖，保證一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)，觀察生成的圖象來確定位移與時(shí)間之間的的關(guān)系.圖象形似三角函數(shù)圖象，學(xué)生很容易聯(lián)想到本章所學(xué)的三角函數(shù)的圖象.通過GeoGebra擬合函數(shù)圖象，確定其與三角函數(shù)的關(guān)系.

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生自己歸納總結(jié)利用函數(shù)模型解決實(shí)際問題的一般步驟，然后在老師的幫助下完善結(jié)果，促進(jìn)學(xué)生用科學(xué)的方法解決實(shí)際問題，認(rèn)識和使用技術(shù)手段，增強(qiáng)使用技術(shù)手段的意識.

5.3.5 總結(jié)交流

教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧本節(jié)課內(nèi)容.本節(jié)課通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了單擺運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性，在擺角小于5°時(shí)成立，所以擺鐘的擺線較長，擺角較小.又借助軟件驗(yàn)證了位移和時(shí)間的關(guān)系可以通過三角函數(shù)模型加以刻畫，加深了對三角函數(shù)的認(rèn)識和應(yīng)用.