STEM教育理念在中學數學教學設計中的應用

摘要：數學作為一門重要的基礎性學科，其蘊涵著建模思維、邏輯思維、逆向思維、應用思維等多種數學思維，這些思維同時影響著其他理工科目此后的學習.因此，在數學教學中如何提升學生的學科綜合素養成為教師研究的熱點.

關鍵詞：中學數學；教學設計；STEM教育理念

數學作為學生學習的主要科目之一，其深度及廣度在中學階段均有著明顯的提升，這些變化不僅是因為學習進程的深入，更重要的是因為眾多理工科目都對學生的數學能力有著一定的要求.因此，如何調動學生學習數學的積極性，激發學生學習數學的興趣，使其學好中學數學是數學教師應該解決的首要問題.注重跨學科綜合性教育的STEM理念能夠切實解決上述問題.本文探討STEM教育理念內涵及其優勢，研究STEM教育理念在數學教學中的設計與應用，以期幫助學生打好數學基礎，提高各學科綜合學習能力，促使學生全面發展.

1STEM教育理念與數學教育

1.1STEM教育理念及優勢

STEM教育理念最初見于美國國家科學委員會在1986年發表的重要報告上，后因被美國總統布什（G.Bush）稱為“全球競爭力的關鍵”而受到社會各界的廣泛關注.STEM教育主要的教學策略是以科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四位為一體，具體來說，就是通過讓學生親身參與與教學內容有關的實踐項目，將知識與實際生活相結合，以此來培養學生的理工思維與探究能力，提高其解決問題的綜合素養.［1］與傳統課程不同，STEM教育理念是一種能夠打破學科界限的創新型理念，在教學上有著諸多優勢，具體如下.

（1）跨學科融合，提高學生綜合素質.

將STEM教育理念融入數學教學中，可以幫助學生實現對多學科的融合學習，此舉不單單能幫助學生學習科學文化知識、豐富其人文領域儲備，更可以提高學生的審美，激發他們的創造力與邏輯思維能力，為其未來全方位發展打下堅實的基礎.

（2）注重“發現問題—解決問題”的探索式學習方式.

STEM教育理念在課程當中強調讓學生自主探索，學會發現問題，解決問題，在過程中觀察、操作、體驗、探究，最后學會創造，從而系統地提升學生的學習能力與解決問題的能力.STEM教育理念不追求讓學生掌握做具體東西或解答具體題目的知識點，而是強調掌握一種思考方法，讓學生可以舉一反三，應用到不同領域的方法.

（3）學習中合作，培養團隊意識與溝通能力.

學習并不是一條獨木橋，只有與伙伴通力合作，才能夠獲得更大的收獲.STEM教育理念倡導學生互相交流，及時與同伴交換意見，因為良好的團隊關系是完成更大成績的基礎.遇到困難時及時發揮集體的力量，懂得團隊協作的重要性，是學習成長之路必不可少的一課.

1.2數學教育中的STEM

作為STEM教育理念四位一體中的重要環節，數學中的諸多知識點、規律定理、思想方法都可以完美地與STEM教育理念相融合.例如，數學中的函數模塊，其定理與思維方法在其他許多學科都有所應用，如地理科目中的氣溫變化與維度關系、物理科目中的歐姆定律、化學科目中的溶液pH值與加入酸堿的聯系規律等.學生在學習其他學科的過程中不斷地使用函數知識，來解決現實情境問題，使數學與其他學科的學習相輔相成.此外，函數復雜多變的圖象可以使用計算機畫圖軟件等技術進行繪制，從而幫助學生將函數與圖象對應記憶、學習，更直觀地理解函數性質.

數學始終與我們的生活息息相關，是一切科學的基礎及技術發展的最大助推力.改革發展數學教育以促進各領域技術的創新也始終是我國教育的重要目標.另外，在新課改愈發深入的背景下，數學教育的發展也愈發注重學生多方面的數學素養、應用及創新能力的培養.將STEM教育理念融入數學教育中不僅會順應新課改發展的要求，同樣也能夠改善傳統教育積弊甚深的現狀.

2基于STEM教育理念的中學數學教學設計要求

教育理念的革新一般是為了幫助教師、學生擺脫目前所遭遇的一些教、學困境.因此，在應用STEM教育理念的過程中，教師需要充分發揮其能夠打破學科界限的優點，有意識地將各學科與數學教學內容相關的知識點與實踐項目集中起來融入數學教學中，以此培養學生的分析、探究、思考能力及綜合素養，來打破僵持的教、學困境.STEM教育理念實施過程中需要遵循以下三點：第一，數學教師需主動了解其他學科中（物理、化學之類的理工科目）與數學有關的內容，并將兩者有機地結合；第二，教師需靈活運用現有的技術條件，如計算畫圖軟件、思維導圖軟件等，為學生創造更直觀、高效的學習環境；第三，教師需引導學生掌握一定的工程知識，以便學生能夠靈活地使用數學知識解決生活中的工程類問題，提高學生的邏輯思維能力.

3基于STEM教育理念的中學數學教學設計

筆者以“相似三角形的妙用——工程中測量物體高度”為例，展示關于STEM教育理念在中學數學教學設計中的應用案例，以供廣大教師進行教學參考.

3.1課前要求學生準備資料

提前要求學生準備與課程內容相關的資料，本質上是在引導學生學會合理利用身邊的科學技術來幫助自己學習.本節課要求學生課前使用軟尺精確測量自己的身高，此舉緊扣STEM教育理念中的技術環節，便于養成學生主動學習、主動思考的習慣.

3.2創設情境趣味導學

教師用趣味故事來構建情境導入，可以營造輕松有趣的學習氛圍，充分調動學生的注意力與求知欲，激發其對此節內容學習的熱情；設計層次遞進的問題則會引導學生深入地進行思考，使其將知識與實際問題相結合，符合STEM教育理念中的工程環節，圍繞真實實踐項目展開教學.在本節課中教師可以講述如下的故事，在中國古代有一位名叫趙爽的數學家和天文學家，他曾經注解過《周髀算經》，并詳細地推導證明了勾股定理（勾三股四弦五）的正確性.一日空閑之時，他來到院子中央，抬頭望見像火球一般耀眼的太陽，不禁道出自己的疑問“太陽距離地球有多高”，此后他終日冥思苦想，終于利用物體高度、影子長度及相似三角形的相關知識推導出來了著名的“日高公式”（如圖1）.根據這個故事，同學們思考以下兩個問題.

問題1想一想我國古代并沒有現在這些先進測量儀器，那么趙爽是如何推導出日高公式的呢？他推導公式時所用的思想能用現在所學的知識去理解、解釋嗎？

問題2能否利用趙爽所用的思想以及現在所學的數學知識來測量一下學校路燈的高度呢？

3.3課堂團隊協作探究

在此環節，教師將學生分為數個小組來進行測量學校路燈的探究活動，分組后引導學生利用所學知識制定測量計劃，詳細內容如下.

步驟1：將班級學生隨機分為八組，每組至少推出三位同學，并且三位同學的身高具有較大差異.

步驟2：被推選的同學記作“驗證者”，小組其余成員記作“觀察者”，隨即讓“驗證者”同時站在陽光比較充足但不會被太陽直射，“觀察者”需要準確且快速地將“驗證者”的身高、影長以及測量時間錄入數據表，為消除誤差保持實驗準確性，要求學生多次測量并取平均值.

步驟3 ：再次隨機選擇數名“驗證者”，讓其身高具體有明顯差異者兩兩站入陽光下，讓“觀測者”根據教師所給的結論觀察身高的影長是否真的存在正比關系.

師：經過本次身高與影子的實踐活動，大家知道趙爽的日高公式是如何推導的了嗎？他運用的是什么數學知識呢？

生：知道了，他是運用相似三角形的比例關系（如圖2）來推測太陽的高度.

3.4結合實際，拓展延伸

師：古人的勤奮與智慧讓我們有機會學到今天成體系的知識，我們也要學會在生活中靈活使用這些來解決實際問題.那么，回歸今天活動的主題，請小組再次進行討論并請代表上來展示.

經過教師的細心引導以及實踐項目的調動，各小組都積極討論，并提交了多種解決測量路燈高度的方法，下面抽取四種實用性最強的方法進行展示，如圖3所示.

師：上述四種方法中均使用到了我們今天所學的影子構建相似三角形的方法，但是，今天所想出來的方法有一個很大的弊端，那就是只能在有太陽的情況下進行，那如果碰上陰天或者夜晚，該怎么辦呢？接下來我會設計一道問題，這個問題的解題思路就不能用影子辦法了.

問題某工程隊想要測量一棵樹的高度，其在樹的東面距離樹25米的地方，垂直豎起一根高為3米的測量桿，并派了一名隊員從測量桿處向東面移動，直至樹頂與測量桿頂部相重合，此時人離測量桿正好5米，隊員眼睛距離地面1.5米，問樹的高度？

師：在這道題中，我們應如何構建相似三角形來解決問題呢？

師：如圖4所示，我們可以從點E向直線AB作垂線，垂線交CD于點G.

生：是的老師，這樣這副圖例就會出現很多相似的三角形來供我們解題了，那我們可以先設樹高（AB）的長度為h，利用△AHE∽△CGE來進行解答，過程如下.

解析：設樹高（AB）為h.

因為△AHE∽△CGE，

所以HEGE=AHCG=h-HBCD-GD，

即305=h-1.53-1.5，

則h=10.5（米）.

師：在解這道題的過程中，工程隊不是借用影子，而是借用了人的眼睛，使用“三點一線”的視覺效果知識來構建相似三角形測量樹木的高度，在此我們學會了另一種可以用來測量物體高度的方法.

3.5布置作業，訓練鞏固

課后作業的設置需注重一定的開放性與協作性.開放性將引導學生學著利用現代信息技術來開闊自己的視野，輔助自己的學習；協作性能培養學生的團隊協作能力.在本節課中教師可以設置“月亮與地球的距離是多少”“在古代有沒有人去測量呢”“他們的測量方法都是什么呢”“古代還有哪些關于使用到相似三角形知識的例子呢”等問題，要求同學以小組為單位，查找和整理相關資料并在復習課上進行展示分享.

4結語

將STEM教育理念融入中學數學的教學之中，能夠幫助學生打破學科界限，使其將各學科知識融會貫通，大幅提高學生的學科綜合素養與解決實際問題的能力.

參考文獻

［1］吳秋菊，劉生貴.STEM教育理念下初中數學教學設計——以“相似三角形應用——為學校旗桿量身高”為例［J］.數學教學研究，2022（5）：26-30.