基于STEM教育的數學問題解決教學研究

劉俊含 吳華

【摘 要】STEM教育理念強調創新實踐和多學科整合，這為以問題為導向的數學教學提供了新思路。將STEM教育理念和數學問題解決過程相融合，是對現有數學教學的創新。這種新的教學模式將教學過程從課前準備、課堂實施、課后反思與評價三方面進行了闡述。整個教學過程通過問題情境引出數學問題，學生在教師啟發下找到解決數學問題的條件和思路，提升學生的STEM跨學科能力。該模式的提出能夠推動STEM教育與數學學科教學深度融合，提升學生跨學科思維和問題解決能力。

【關鍵詞】STEM教育;數學問題解決;數學教學

STEM教育是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的組合，它強調多學科的交叉融合，即將四門學科組合成有機整體，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力[1]。

近年來，STEM教育在國內外相關國家和組織的推動下取得諸多進展。以美國、加拿大為代表的西方國家和日本、新加坡等亞洲國家都制定并實施了關于提升學生動手能力和創新思維的STEM培養目標和項目課程。在中國，以培養學生STEM能力為定位的課下培訓機構迅速遍及全國;上海、深圳等一線城市的試點學校也開展了豐富多彩的STEM課堂教學。但不論校內還是校外的STEM課程，都以設置科學課、綜合實踐活動、動手操作課的形式開展。數學作為STEM四大學科中的基礎學科，是工程、技術、醫學、計算機等眾多領域的研究工具。如果借助數學課堂開展STEM教育活動，不僅能豐富STEM的應用性，也有利于打破克服數學課堂枯燥乏味的特點。

1? ?數學問題解決

數學家波利亞將數學解題分為理解題目、擬定方案、執行方案、回顧四個過程，并針對每個過程給出相應的啟發性策略，形成一張“怎樣解題表”[2]。培養學生解決問題的能力不僅在于提升學生的數學思維，更重要的是讓學生在學習中能夠形成適應社會、獨立生存的必要素養。數學作為STEM四大學科里唯一的基礎學科，數學問題解決與STEM教育理念的融合可以提升學生解決數學問題、探究創新方面的能力，進而使學生獲得主動思考、解決各類問題的能力，達到“1+1>2”的效果。

2? ?基于STEM教育的數學問題解決

STEM教育在國際廣受歡迎是因為它所強調的創新、創造以及動手實踐的屬性。而數學問題解決STEM教學下的教學目標不單是傳遞數學知識與技能，更多的是一種運用多學科知識的體驗，即將數學等學科作為應用工具。在具體的教學目標下，將STEM作為依托的數學問題解決以生成性目標為重心，不再過分關注預設性的教學目標，在保證數學學科基礎知識扎實的前提下開放更多活動和探究給學生，讓學生在創造中學數學。

在基于STEM的數學課堂上，學生沉浸在情境化的數學世界中，師生通過各種創造性的“做”來完成教學過程。因為STEM教育要求創新性思維，即基于創造的體驗性學習，所以在教學設計上，教師對預設問題的設計較少，學生在合作探究中生成的問題較多。

3? ?基于STEM教育的數學問題解決教學模式

基于STEM教育的數學問題解決作為STEM與數學問題解決相融合的教學模式，以學生創新思維、實踐探究能力的培養為根本目標，尤其側重以實踐創新和科學精神為引領，讓學生在STEM多學科知識的運用中實現全面發展和個性發展。本研究結合數學教學實際，設計了STEM教育下的數學問題解決教學模式，如圖1所示[3]。

該模式作為基于STEM教育而提出的一種數學教學模式，以培養學生數學問題解決能力為根本目標，強調以解決問題和實踐創新為導向，鼓勵學生在數學課堂上運用跨學科知識解決問題，實現個性化全面發展。轉變數學課堂以傳統講授為主的形式，激發學生學習數學的熱情。針對數學問題解決教學模型，有以下幾點需要說明。

首先，從教師“教”的角度來說，解決數學問題的教學模式在課前準備上，要求教師針對本節課的教學內容和教學目標提出具有情境性的數學問題，并且該問題要靠近班級內大部分學生的“最近發展區”，即提出的問題既要有挑戰性，又要能使學生有動力、有能力去解決。基于STEM教育的數學課堂顯然不會只有數學學科知識，相關學科知識準備指教師應將本節課數學問題涉及的科學、技術、工程類知識準備好，以應對課堂上學生可能出現的對跨學科知識不了解而產生的問題。由于學生的生活環境不同，所以不能要求學生課前預習科學技術類知識，學生在課前完成本節數學教學的基礎知識預習即可。

其次，教師在引導發現階段需注意，除了使用問題串的形式外，還可以鼓勵學生之間互相引導探究，讓學生自己找到解決辦法。此時，教師的觀察指導就發揮了重要作用。既要觀察同組內每個學生參與討論的情況，也要觀察各組集體討論時的氛圍與進展。在這一過程中，課堂實錄必不可少，課堂實錄不僅有助于教師在課后反思自己的教學，還可以讓教師從微觀角度觀察學生課堂的學習動態和思維變化。課堂實施階段是學生主體地位最明顯的階段，也是一節課的關鍵。

最后，以創造性導向和問題解決導向作為評價的基礎。在評價方式上，采取過程性評價、迭代式評價，注重學生學習中廣泛收集各類信息，根據學生的學習表現進行實時評價，并根據學生情緒狀態調整的情況進行疊加式的動態評價，打破傳統數學教學中通過筆試評定是否達成教學目標的模式。STEM教學目標是在培養學生的STEM素養中發展學生解決問題的能力，因此教師應通過學生是否能根據一個實際問題運用所學和已掌握的多學科知識建立評價方案，并安排好計劃實施。同時，針對幾何內容的教學評價可以采用產品設計、制作實物等方式進行。通過對作品的創造性進行合理評價，來衡量學習者的創造性問題解決能力。

當前我國對數學人才和創新人才的需求迫切。STEM 教育為傳統教學提供了更多參考價值和教學觀念。STEM教育的多學科融合理念，對提升學生創新能力和實踐能力有著重要作用。在分析STEM教育與數學教學關系的基礎上，本研究創新性地構建融合STEM教育的數學問題解決教學模式，為數學課堂的開展提供了新思路，對教學模型進行具體闡釋和應用。接下來，本研究還將結合教學實驗結果做進一步深入研究。

【參考文獻】

[1]朱學彥，孔寒冰.科技人力資源開發探究——美國STEM學科集成戰略解讀[J].高等工程教育研究，2008（2）.

[2]（美）波利亞著.涂泓，馮承天譯.怎樣解題：數學思維的新方法[M].上海：上海科技教育出版社，2007.

[3]李彤彤.創客式教學：面向核心素養培養的STEAM課程教學新范式[J].中國電化教育，2018（9）.

【作者簡介】

劉俊含（1996～），女，佤族，遼寧大連人，遼寧師范大學數學學院課程與教學論（數學）專業2018級碩士研究生。研究方向：現代教育技術與課程整合。

吳華（1964～），女，碩士，教授。研究方向：現代教育技術與課程整合。