面向STEM的信息技術項目式教學

韋勝洪

近年來，STEM教育在我國基礎教育領域快速發展，各級各類學校紛紛開始探索STEM課程與教學模式。今年，我校在初一年級的信息技術課中進行了STEM教育的探索，開展了面向STEM的信息技術項目式教學實踐。面向STEM的信息技術課，是指在信息技術課中融合STEM探究項目，讓學生利用信息技術進行項目式學習，探究科學和數學問題。本文將以“三門問題”項目為例介紹這一教學模式。

選擇探究問題

項目式學習是STEM教育的核心，而選擇一個合適的探究問題則是開展項目式學習的基礎。對于探究問題的挑選，我們有三條原則：①問題內容適合學生當前的知識和能力;②問題探究過程適合用信息技術驅動;③問題兼具學術性和趣味性。具體來說，首先，面對初一年級的學生，我們選擇初中數學、物理、化學等學科的知識，即使有初二或初三的內容，通過講解和自主探究，學生有能力接受。其次，探究問題在常規課堂上難以講清，而信息技術能夠幫助學生理解該問題。最后，探究問題要有一定的學術難度，但又不能太枯燥。過度強調問題的學術性而忽略趣味性，難以激發學生探究的熱情;僅僅強調趣味性而忽略問題的學術性，課程就會失去應有的教育意義。

本文選取的“三門問題”就符合這些原則。首先，這是一個概率問題，所需用到的數學知識在初一年級學生的能力范圍內。其次，三門問題本身較難理解，用語言很難解釋清楚，而信息技術，尤其是編程模擬的方法可以很好地解決這個問題。最后，三門問題源于一個電視節目，本身具有趣味性，同時探索問題的過程極具學術性，并能鍛煉學生的計算思維能力。三門問題又稱蒙提霍爾問題，源于美國的一個電視游戲節目。在節目中，參賽者會看見三扇關閉了的門，其中一扇門后有一輛汽車，另外兩扇門后面各有一頭山羊。如果參賽者選中后面有車的那扇門可贏得該汽車。游戲過程分為三步：①參賽者選定一扇門，但是先不打開;②節目主持人開啟剩下兩扇門中的一扇，露出其中一頭山羊;③主持人詢問參賽者是否要改變最初的選擇打開另外一扇門。這里所要探究的問題是：改變最初的選擇是否能夠增加參賽者贏得汽車的概率。

導入問題

選取合適的問題之后，課堂教學的第一步是導入問題，即讓學生理解所要探究的問題。以三門問題為例，筆者先簡單介紹了問題的背景和內容，然后邀請學生現場玩幾次三門問題的游戲。進行了幾次游戲之后，學生基本理解了游戲的過程和問題的內容。在問題介紹完畢之后，學生開始對問題進行思考和討論，完成初步探究。在本例中，筆者讓學生思考和討論：“改變最初選擇贏得汽車的概率是多少？為什么？”初步探究的時間不宜過長，一般3至5分鐘即可，因為學生此時僅僅是根據自己現有的知識和經驗“拍腦袋”，而初步探討的目的是幫助學生理解探究問題的內容。在初步探究之后，請學生給出自己的結論并簡單解釋原因。在本例中，筆者首先讓幾名持有不同答案的學生分享自己的想法，然后讓得出相同結論的學生舉手示意，觀察哪種結論占上風。三門問題的結論是：改變最初的選擇，贏得汽車的概率是三分二。在教學過程中，筆者發現多數學生給出的答案是二分之一或者三分之一，而得出正確答案的學生也給不出合理的解釋。

信息技術驅動

在問題導入之后，下一步是引入信息技術來推動問題探究。首先需要讓學生組建學習小組，一般兩到三人為宜。隨后，教師向學生介紹所需用到的信息技術。以三門問題為例，學生需要用到搜索引擎和Python編程。學生使用搜索引擎檢索三門問題的相關資料，并將自己先前的結論和搜索到的資料進行對比。在學生完成資料檢索和閱讀之后，教師需要對探究問題進行簡要回顧，并進一步使用信息技術對其中難理解的部分進行分析和解釋。在本例中，筆者使用了Python編程對問題進行了建模和模擬。圖1展示了用于模擬三門問題的Python程序，其中包含了兩個函數：第一個函數choose_switch用于模擬改變最初選擇的游戲過程;第二個函數sim用于模擬多次游戲的過程，并計算出n次游戲之后的中獎概率。最后幾行代碼調用了上述函數對游戲過程進行了不同次數的模擬，并輸出模擬的結果（如圖2）。程序代碼可以事先準備好，也可以進行現場編程。筆者進行了現場編程，并且在編程過程中對程序代碼的每個模塊進行了詳細解釋。最后，基于程序的輸出結果，筆者向學生解釋了程序模擬的原理和三門問題的結論。從模擬結果可以看出，隨著游戲模擬次數的增加，中將概率不斷接近理論概率三分之二。

學生自主探究

良好的STEM教學離不開學生的自主探究。在引入信息技術并進行演示之后，要讓學生以小組為單位對問題進行自主探究。在本例中，程序代碼的第25行設置了不同的游戲模擬次數，學生需要修改這里的參數來進行不同的模擬實驗，并記錄相關數據。例如，學生將游戲模擬的次數設置成十萬、一百萬甚至一千萬次，然后運行程序并分析運行結果。在自主探究的過程中，小組成員之間要有分工，如有人負責修改代碼，有人負責記錄數據，有人負責分析結果等。在完成探究之后，每個小組需要完成一份探究報告，用來展示他們的實驗數據和結論，同時，報告中還要描述他們對三門問題的理解。由于本課程采用了兩課時的設計，時間較為緊張，學生只需要修改一行代碼，如果時間充裕且學生有較好的編程基礎，程序框架可以隱去部分代碼，讓學生自主完善。

課堂總結

課堂總結是整個課程實施的最后一環。首先，選擇有代表性的小組分享他們的探究報告。學生進行匯報分享的過程也是一次學習的過程，因為他們理解了探究問題和解題思路并不等于他們能夠清晰地向他人解釋這個問題和相關結論。

在學生匯報完成后，教師對課程內容進行總結，并給出與主題相關的拓展性問題供學生課后思考和探究。在本例中，筆者留了“N門問題”作為拓展性問題。所謂“N門問題”，是指有N扇門，其中一扇門后有汽車，另外N-1扇門后是山羊。與三門問題類似，在參賽者做出最初選擇之后，主持人將打開N-2扇背后有山羊的門。這個問題是三門問題的通用表述，學生基于本課程所學的內容，課后可以完成進一步探究。與此同時，如果課后的拓展性問題仍然適合用信息技術來驅動解決，可以將其設置為下次課的主題。