基于STEAM教育理念的初中數學實驗課程構建探析

王惠，甘肅省蘭州市第二十二中學高級教師，甘肅省級骨干教師，蘭州市優秀教師、優秀黨員。主持了省級課題“基于初中跨學科數學綜合實踐活動課程開發與實施的研究”并已結題。在各級刊物公開發表了多篇論文。

隨著課程改革的不斷深入，數學教學應從重結論、輕過程轉變為強調學生探索新知的經歷和獲得新知的體驗。在這個過程中，數學實驗能夠以更加直觀的方式加深學生對數學知識的理解和掌握，形成對數學知識的深度學習。

一、問題提出

數學源于直觀和實踐，數學無論怎樣地形式化，實驗都是重要的學習方法[1]。然而，在現實教學場景中，有些教師忽視了數學實驗的重要作用。很多高中學校以選修課的形式將數學實驗課納入教學，而初中學校數學實驗還停留在輔助數學課堂教學的階段。

數學實驗僅僅輔助數學教學遠遠不能滿足學生的認知需求和實踐需求。基于STEAM教育理念，在初中學段 “完全可以用實驗方法去探索真理、發現真理，以創新精神為核心的素質教育必然要呼喚數學實驗。[2]”

二、課程構建的思考

1.對STEAM教育理念的認識

STEAM教育是集科學、技術、工程、藝術、數學于一體的新型教學模式。有學者認為，STEAM教育是在真實的問題情境以學科整合的方式培養學生STEAM素養的一種教育模式，基本內涵主要為基于真實問題解決的教育、學科整合的教育、培養必需技能的教育[3];也有學者認為，STEAM教育是科學、技術、工程、藝術、數學等學科的融會貫通與有機整合，代表一種跨學科融合的課程理念[4]。總之，關注學科的融合、關注真實情境的問題解決、關注學生的綜合實踐體驗、關注培養創新意識是STEAM教育理念的核心[5]。

2.數學實驗課程的定位

數學教育是基礎教育的重要組成部分，把數學實驗課程設置為輔助數學學習的實踐課程，可以有效搭建起數學思想與數學實踐之間的橋梁。從理論層面上看，數學實驗課程以建構主義學習理論、情境認知理論、認知發展理論及再創造理論為基礎;就課程的性質而言，教學實驗可再現數學的發現過程，回歸數學產生前的本來面目，有助于揭示知識的形成過程，進而使學生構建起屬于自己的認知結構。

3.數學實驗課程的特點

所謂數學實驗課程，是指學生在教師指導下學習使用一定的儀器、設備、材料和手段，得出或驗證某些科學結論的課程。數學實驗課程呈現出的特點有：所有數學實驗都力求從學生的實際出發，以學生熟悉和感興趣的問題引入主題情境，并在嘗試性的探究中展開數學學習。數學實驗課程不僅可以改變輔助課堂教學的局限性，為學生提供實踐的時間和空間，還能引領學生實現數學知識的再創造。

三、數學實驗課程的構建

1.內容選取

統編版初中數學教材中的數學實驗課程的內容可以梳理為表1所示內容。

2.實驗設計

從課程創生的角度來看，實驗課程的設計應包括明確的實驗主題、實驗目標、實驗活動與實驗評價。其中，實驗主題的確定需要對教材文本進行深度挖掘，并整合課內課外資源;實驗目標要以學生學習所能達到的結果為出發點，反映出實驗目標的可操作性和學習結果的層次性;實驗活動要“以目標為導向，在創設實驗情景的同時考慮活動載體的實效性，使實驗效果在有限的時間內達到最優化”[6];實驗評價要根據不同實驗課程的類型，或對實驗報告進行等級評定或對實驗中的表現進行過程性評價，通過評價發現問題并改進。

3.基本類型

（1）幾何體制作實驗

模型制作的實驗主要依據課本知識，利用有關工具進行折、剪、拼、測等活動，通過觀察、分析、猜想、歸納等思維過程，獲得數學知識或找到解決方法。這是一種建立在直觀數學理解基礎上的實驗，學生根據學過的知識，以個人或小組形式進行實驗，教師對制作過程提供指導。以“截一個幾何體”教學后的數學實驗“制作煙筒的轉角”為例。

實驗目標：經歷切截幾何體的活動過程，體會圓柱體在切截過程中的變化;將圓柱體的創意設計進行展示交流。

實驗用具：蘿卜、土豆、塑料紙板、膠帶、剪刀等。

【活動一】制作圓柱體，觀察問題

①圓柱體要截得的截面是長方形，應該怎樣截？

②圓柱體能截得三角形的截面嗎？

③圓柱體的截面有哪些形狀？

④按照下圖截圓柱體得到的截面是什么形狀？

【活動二】制作煙筒的轉角

教師引導學生設計方案，計算截面角度，使兩個圓柱體的截面完全對接，完成煙筒轉角的制作。

【活動三】利用圓柱體進行創意設計的制作

①觀察生活中的圓柱體，進行創意設計。（教師可以提示生活中的圓柱體模型等）。

②你知道什么是切角圓柱體嗎？嘗試利用計算機繪制切角圓柱體。

實驗評價：結合模型制作以及制作過程中反映出的解決問題的方法與能力綜合評定。

（2）數學建模的實驗

數學模型是運用數理邏輯方法和數學語言建構的科學或工程模型。初中數學中常見的方程模型、函數模型、幾何模型、統計模型等，都可以通過觀察、收集、比較、歸納、轉化、構建等一系列認識活動來完成建模過程。以“一次函數的圖象和性質”課后的數學實驗“生活中的數學模型”為例。

實驗目標：用數學的眼光發現現實生活中的數學問題，嘗試提出問題。在解決問題的全過程中，體會模型思想，發展應用意識，提高實踐能力，了解數學的價值。

實驗活動：

①提出問題：小明的爸爸穿42碼的鞋，長度為26厘米;小明的媽媽穿38碼的鞋，長度為24厘米;猜想小明穿40碼的鞋，長度是多少？

②怎樣運用學過的一次函數知識建立數學模型，并解決這個問題？

③如何通過添加條件，以獲得對函數模型的驗證。

④收集生活中的數學實例，并將這些實例作為有效學習的資源，自主建構數學模型，體驗做數學的快樂。

⑤綜合運用不等式與方程、函數的相關知識解決問題，體會三者之間的內在聯系。

⑥反思參與活動的全過程，將研究的過程和結果形成報告，進行交流。

實驗評價：教師對學生建模中的錯誤予以糾正，不足予以補充，精彩的予以表揚。

（3）積累經驗的實驗

將數學知識與實驗活動有機結合起來，豐富學生的感知，激發學生興趣，是實現新課改教學理念的重要途徑。以“平面鑲嵌”課后的數學實驗“從人頭形器口彩陶瓶中看到的數學美”為例。

實驗目標：了解平面鑲嵌的特點，感悟人頭形器口彩陶瓶中的數學美，提高圖形分析能力，培養學生的審美情趣。

實驗活動：教師提供背景素材，指導學生實驗活動。

①人頭形器口彩陶瓶的來歷。

②通過資料的查閱，用數據說明彩陶瓶的年代、高、口徑、底徑等結構信息。

③用平面圖形的鑲嵌原理說明該瓶的數學美。

④觀看《國家寶藏》，了解其守護責任與前世傳奇。

實驗評價：結合活動的開展以及數學知識的遷移運用給出綜合評定。

（4）社會調查的實驗

社會實踐調查是實施數學實驗課程常用的方法，其形式是組織學生利用課余時間對某一問題進行信息收集，提高學生獲取信息的能力，加深對數學知識的理解。以“概率初步”課后的數學實驗“中學生手機軟件的使用情況調查”為例。

實驗目標：培養學生收集、整理、分析、提煉數據的能力。感受概率模型的應用，拓寬學習知識面，提高學生研究性學習能力。

實驗活動：

①根據實驗主題設計調查問卷，了解中學生手機軟件的使用情況。主要從手機自帶軟件和下載軟件、對學習的幫助和影響等方面考慮。

②收集整理調查數據，制作相關統計圖。

③結合繪制的統計圖形，分析中學生手機軟件的使用情況，形成調查報告。

④根據所得的數據，你還能提出什么問題和建議？在數據收集和整理的過程中，你有哪些收獲和體會？你還知道哪些手機軟件？

實驗評價：以過程性評價為主，結合調查問卷及分析報告，給出綜合評定。

總之，基于STEAM教育理念的數學實驗課程構建，給數學教學帶來了新的思路和契機。作為課程轉型升級的需要，在初中階段開設數學實驗課程，不僅為學生提供了實踐學習的空間，使知識的形成與能力的培養相伴而行;更能體現讓讓數學教學增效減負的課改理念，進而實現學生從學習能力的培養到核心素養的發展。

參考文獻

[1]李相形.基于信息技術環境下初中數學實驗教學的探究[J].課程教育研究，2013（36）：152-153

[2]黃俊麗.在中學數學教學中引入數學實驗的實踐和體會[J].中學課程輔導.教學研究，2014（8）：72-73.

[3]彭敏，郭夢嬌. STEAM教育的基本內涵與發展路徑研究[J].教育理論與實踐，2018（25）：14-18.

[4][5]宋乃慶，蔣秋，高鑫.STEAM教育理念在我國小學數學教科書中的滲透探析[J].課程教材教法，2020（6）：81-87

[6]王惠.基于目標分類學（修訂版）理論指導的初中數學課堂教學有效性研究[J].教育教學論壇2017（9）：201-202.

（責任編輯? ?姚力寧）