STEM教育理念下培養高中數學深度思維能力的線上教學實踐研究

薛彥旭

【摘要】教育事業的不斷發展與對STEM教育理念的學習和引入，在教學理念、教學核心素養和內容等方面逐漸改變了高中數學的教學方式.基于全新教育教學模式下的STEM教育理念不斷深入高中數學教學，促使學生的思維能力和學習能力產生明顯的提高和進步.在STEM教育理念下，本文對高中數學教學中培養學生深度思維能力的線上教學進行了實踐分析，并提出了有效建議.

【關鍵詞】STEM教育理念;高中學生;深度思維能力;線上教學

【基金項目】甘肅省教育科學“十三五”規劃2020年度課題《STEM教育理念下，線上教學對高中數學深度思維培養的實踐研究》（立項號GS[2020]GHB2733）.

一、概念的界定

STEM教育是一種注重科學和實踐的教育理念和教育模式.它涵蓋了科學、技術、工程、數學等多門學科知識，它打破了傳統意義上的單學科知識傳授模式，注重跨學科知識的整合和實踐，是一種多學科相互融合的綜合教育.STEM中的“S”（Science，即科學）重在認識世界和解釋自然客觀規律，“T”（Technology，即技術）和“E”（Engineering，即工程）強調在尊重自然客觀規律之上對世界的改造，解決人類社會發展歷程中遇到的各種各樣的問題，“M”（Mathematics，即數學）則是構建技術與工程兩門學科的基礎工具.STEM課程絕不是將科學、技術、工程和數學四門學科的知識和教育簡單疊加起來，這四者之間是互相支撐、互相補充、均衡發展的關系.

思維的深度是指集中思維能力在資料中找出合乎邏輯的聯系，得出一定的結論，或對幾種解決方案加以比較研究，從而得出一種解決問題的辦法，即透過現象得出本質的思考能力.它不僅決定著思想高度的提升，也決定著思維廣度的延伸，從某種程度上影響著思維的速度.

線上教學即網絡遠程教育，它是指跨越地理空間進行的教育教學活動.遠程教育涉及各種教育活動，主要包括課堂問題背景、授課方式、探討研究、合作交流和歸納總結等.它不僅克服了傳統教育在空間、時間、受教育年齡和教育環境等方面的限制，還帶來了嶄新的學習模式，它將使傳統教育發生巨大的變化.

二、利用線上教學平臺在高中數學教學中實踐STEM教育理念，凸顯教師主導地位，深化學生主體作用

高中數學教育教學的核心素養是培養學生的抽象概括能力、邏輯推理能力、數學建模能力、直觀想象能力、運算能力和數據處理能力，這些能力的養成會為學生今后的發展奠定堅實的基礎.科學技術的飛速發展，多元化信息教學輔助手段的介入，對高中數學教學方式提出了挑戰和更高的要求，即線上、線下教學中應重點培養學生數學學科思維、核心素養的養成等.將STEM教育理念融入課堂教學勢在必行，而怎樣有效地融入科學、技術、工程內容是當下教育研究的大熱門.

1.線上教學可以幫助教師在教學中培養學生自主學習的意識

在高中數學課堂中融入STEM教育理念，教師需細致分析教學目標以及學生的綜合特征、個體差異和跨學科知識儲備等.教師可繪制學習內容的結構關系和切合點，為學生提供能在思維上連續具體地構建學習中的真實情境和解決問題的辦法，當然包括線上、線下查閱的資料等，還應巧妙設計課堂程序，優化備課過程，形成高效的、學生容易接受的導學案和課件.例如，在進行空間幾何體的三視圖和直觀圖的教學設計時，教師可預設好情境、教學方法、自學方法、學生自主探究問題、同伴合作交流問題等，通過網絡平臺提供豐富的動態演示圖片或老師自帶實物進行演示，在課堂上讓學生動手構建一些立體實物，通過從不同角度觀察、對比、歸納圖形的特征，嘗試總結三視圖和直觀圖的畫法，老師指引學生注意畫圖的注意事項，總結知識，感悟數學方法，積淀數學思想.

2.線上教學能幫助學生整合數學學科知識體系，交叉學科之間的邏輯關系、情境問題

當下是信息時代，知識量大，輻射領域廣，學生接觸的知識、信息量大，而線上學習不受時間、地域的影響，能為主動學習者提供豐富多彩的學習機會，隨時隨地可以學習，但在學習時學生要能去偽存真，養成一定的思維能力，從而吸取精華，整合信息，細化知識體系.在STEM教育理念下增強學科之間的聯系，能夠降低學生學習綜合知識的困難程度.融合各科目背景知識的學習和積累，構建與數學的相關聯系，用數學思維主動去解決問題，這不僅增強了學生對數學學科的再認識，也鞏固了交叉學科之間的內在聯系，從而提升學生的綜合素養.

三、利用線上教學輔助平臺深化STEM教育理念

1.在高中數學線上課堂融入科學和技術教育

在STEM教育理念之下，通過線上教育的教學方式可激發學生學習的興趣，培養學生主動學習、熱愛學習的好習慣，并能獨立研究問題、解決問題，從而提升創新思維能力.這就需要學生將已有的知識結合觀察能力、動手能力、抽象概括能力，把實際問題抽象概括為數學問題，再把教學理論和實踐結合起來，加深對學科的再認識.其主要目的就是讓學生從實際生活出發，利用實踐提升自身的創新能力和思維能力.

例題，水車是人類一項古老的發明，最早出現在東漢時期，是中國農耕文化的重要組成部分，其原理是利用水流產生的動力將水從地勢低處提升到地勢高處進行灌溉.如圖1是一個水車的示意圖，已知水車逆時針勻速旋轉一圈的時間是80秒，半徑為3米，水車中心B（即圓心）距水面1.5米，若以水面為x軸、圓心到水面的垂線為y軸建立直角坐標系，水車的一個水斗從出水面點A處開始計時，經過t秒后轉到P點的位置，則點P到水面的距離h與時間t的函數關系式為（）.

A.h=3sinπ40t-π6+1.5

B.h=1.5cosπ40t+π6+3

C.h=3cosπ40t-π3+1.5

D.h=1.5sinπ40t+π3+3

分析如圖所示，過P向x軸作垂線，垂足為E，過B作x軸的平行線交圓B于點C，交PE于點D，則h=PE=PD+1.5.

由BO=1.5，可得∠CBA=∠BAO=π6.

∵水車的角速度ω=2π80=π40，

∴由題意，可得∠PBA=π40t，

可得∠PBD=∠PBA-∠CBA=π40t-π6，

∴在△PBD中，PD=PBsin∠PBD=3sinπ40t-π6，

∴點P到水面的距離h=PD+1.5=3sinπ40t-π6+1.5.

學生查閱資料了解了用水流動力進行灌溉的知識，知道了水流動力的基本原理，并通過電腦模擬和計算器計算，擬合出水流動力距離h與時間t的正弦曲線，不僅知道了科學知識和生活應用的聯系，更增強了學生探索自然界奧妙的能力.

2.信息技術與教學方式的融合

開展線上教學需要教師結合高中數學的課程特點設計相應的教學方式，即根據線上教學的特點，通過互動的教學方式開展高中數學學科線上教學，將STEM教學用到的自學資料、活動設計方案等提前分享到線上平臺，以便學生進行學習和實踐，逐步培養學生的自學習慣.老師則根據學生學習的效率，按照之前下達的任務對學生的成績進行點評，讓學生在學習高中數學的時候能夠利用STEM思維方式潛移默化地進行學習，以逐漸培養學生的思維能力.如在教學高中教材人教A版“橢圓”一節時，筆者利用學校的多媒體機房，在每個學生機上安裝了Excel和“幾何畫板”軟件，并在教學中指導學生繪制橢圓，根據橢圓標準方程的特點，給a和b設置一些參數，讓學生領會a和b取不同的值時橢圓的形狀變化.另外，學生可通過分組合作，觀察圖像的動態演示效果，歸納橢圓扁圓的變化情況，加深對橢圓數與形的體會和理解，同時增強對信息技術的應用能力.

3.在高中數學線上課堂中融入工程教育

在新課改背景下，高中數學教材中多數知識的生成過程都是通過生活中的例子來呈現的.所以教師可通過線上微課平臺搭建高中數學線上課堂，通過線上展示高中數學與其他學科課程的結合進行教學，同時借助STEM理念對當前教學方式進行優化，以學生為中心，通過線上微課平臺進行新舊知識的聯系.學生根據STEM教育理念收集學習中遇到的問題，并在線上與老師或者同學進行交流，進而解決自己遇到的問題.分析發現，線上學習更加有利于激發學生學習數學知識的積極性和主動性.如學習高中教材人教A版必修4“三角函數模型的簡單應用”一節中，有如下例題.

例題：某游樂場中半徑為30米的摩天輪逆時針（固定從一側觀察）勻速旋轉，每5分鐘轉一圈，其最低點離底面5米，如果以你從最低點登上摩天輪的時刻開始計時，那么你與地面的距離y（米）隨時間t（秒）變化的關系式為（）.

A.y=30sin2π5t-π2+35

B.y=30sinπ150t-π2+35

C.y=30sin2π5t+π2+5

D.y=30sinπ150t+π2+5

分析設y=Asin（ωt+φ）+B.

由題意，可得A=30，ω=2π300=π150，B=30×2+5-30=35，（0，5）為最低點，

代入可得5=30sin φ+35，則sin φ=-1，

φ=-π2+2kπ，k=0時，φ=-π2，

∴y=30sinπ150t-π2+35，選B.

在項目問題解決中，筆者指引學生實地考察游樂場中摩天輪人與地面的距離y（米）隨時間t（秒）變化的關系，通過運算了解了工程問題，同時體會了科學研究的一般方法，有助于培養學生良好的科學素養.

隨著STEM教育理念的出現，教師在指導學生學習時應當轉變教學方式，適當地利用STEM理念優化教學方式，提升學生自身的綜合能力.而這也會成為各個學科進行教學的一種新方式，打破傳統單一的教學方式，延伸到其他學科之中，讓學生體會在學習數學知識的同時，還能夠利用數學思維和工具研究其他學科的問題，并最終轉化為學生內在的綜合核心素養，提升學生的創新能力和研究能力.

【參考文獻】

[1]李創榮.STEM教育理念下高中數學教學實踐探索[J].散文選刊：中旬刊，2020（3）：24-25.

[2]戴天竹.STEM教育理念在高中數學課堂教學中的應用[J].中學數學：高中版，2020（6）：84-85.