基于STEAM教育理念的初中数学实验课程构建探析

王惠，甘肃省兰州市第二十二中学高级教师，甘肃省级骨干教师，兰州市优秀教师、优秀党员。主持了省级课题“基于初中跨学科数学综合实践活动课程开发与实施的研究”并已结题。在各级刊物公开发表了多篇论文。

随着课程改革的不断深入，数学教学应从重结论、轻过程转变为强调学生探索新知的经历和获得新知的体验。在这个过程中，数学实验能够以更加直观的方式加深学生对数学知识的理解和掌握，形成对数学知识的深度学习。

一、问题提出

数学源于直观和实践，数学无论怎样地形式化，实验都是重要的学习方法[1]。然而，在现实教学场景中，有些教师忽视了数学实验的重要作用。很多高中学校以选修课的形式将数学实验课纳入教学，而初中学校数学实验还停留在辅助数学课堂教学的阶段。

数学实验仅仅辅助数学教学远远不能满足学生的认知需求和实践需求。基于STEAM教育理念，在初中学段 “完全可以用实验方法去探索真理、发现真理，以创新精神为核心的素质教育必然要呼唤数学实验。[2]”

二、课程构建的思考

1.对STEAM教育理念的认识

STEAM教育是集科学、技术、工程、艺术、数学于一体的新型教学模式。有学者认为，STEAM教育是在真实的问题情境以学科整合的方式培养学生STEAM素养的一种教育模式，基本内涵主要为基于真实问题解决的教育、学科整合的教育、培养必需技能的教育[3];也有学者认为，STEAM教育是科学、技术、工程、艺术、数学等学科的融会贯通与有机整合，代表一种跨学科融合的课程理念[4]。总之，关注学科的融合、关注真实情境的问题解决、关注学生的综合实践体验、关注培养创新意识是STEAM教育理念的核心[5]。

2.數学实验课程的定位

数学教育是基础教育的重要组成部分，把数学实验课程设置为辅助数学学习的实践课程，可以有效搭建起数学思想与数学实践之间的桥梁。从理论层面上看，数学实验课程以建构主义学习理论、情境认知理论、认知发展理论及再创造理论为基础;就课程的性质而言，教学实验可再现数学的发现过程，回归数学产生前的本来面目，有助于揭示知识的形成过程，进而使学生构建起属于自己的认知结构。

3.数学实验课程的特点

所谓数学实验课程，是指学生在教师指导下学习使用一定的仪器、设备、材料和手段，得出或验证某些科学结论的课程。数学实验课程呈现出的特点有：所有数学实验都力求从学生的实际出发，以学生熟悉和感兴趣的问题引入主题情境，并在尝试性的探究中展开数学学习。数学实验课程不仅可以改变辅助课堂教学的局限性，为学生提供实践的时间和空间，还能引领学生实现数学知识的再创造。

三、数学实验课程的构建

1.内容选取

统编版初中数学教材中的数学实验课程的内容可以梳理为表1所示内容。

2.实验设计

从课程创生的角度来看，实验课程的设计应包括明确的实验主题、实验目标、实验活动与实验评价。其中，实验主题的确定需要对教材文本进行深度挖掘，并整合课内课外资源;实验目标要以学生学习所能达到的结果为出发点，反映出实验目标的可操作性和学习结果的层次性;实验活动要“以目标为导向，在创设实验情景的同时考虑活动载体的实效性，使实验效果在有限的时间内达到最优化”[6];实验评价要根据不同实验课程的类型，或对实验报告进行等级评定或对实验中的表现进行过程性评价，通过评价发现问题并改进。

3.基本类型

（1）几何体制作实验

模型制作的实验主要依据课本知识，利用有关工具进行折、剪、拼、测等活动，通过观察、分析、猜想、归纳等思维过程，获得数学知识或找到解决方法。这是一种建立在直观数学理解基础上的实验，学生根据学过的知识，以个人或小组形式进行实验，教师对制作过程提供指导。以“截一个几何体”教学后的数学实验“制作烟筒的转角”为例。

实验目标：经历切截几何体的活动过程，体会圆柱体在切截过程中的变化;将圆柱体的创意设计进行展示交流。

实验用具：萝卜、土豆、塑料纸板、胶带、剪刀等。

【活动一】制作圆柱体，观察问题

①圆柱体要截得的截面是长方形，应该怎样截？

②圆柱体能截得三角形的截面吗？

③圆柱体的截面有哪些形状？

④按照下图截圆柱体得到的截面是什么形状？

【活动二】制作烟筒的转角

教师引导学生设计方案，计算截面角度，使两个圆柱体的截面完全对接，完成烟筒转角的制作。

【活动三】利用圆柱体进行创意设计的制作

①观察生活中的圆柱体，进行创意设计。（教师可以提示生活中的圆柱体模型等）。

②你知道什么是切角圆柱体吗？尝试利用计算机绘制切角圆柱体。

实验评价：结合模型制作以及制作过程中反映出的解决问题的方法与能力综合评定。

（2）数学建模的实验

数学模型是运用数理逻辑方法和数学语言建构的科学或工程模型。初中数学中常见的方程模型、函数模型、几何模型、统计模型等，都可以通过观察、收集、比较、归纳、转化、构建等一系列认识活动来完成建模过程。以“一次函数的图象和性质”课后的数学实验“生活中的数学模型”为例。

实验目标：用数学的眼光发现现实生活中的数学问题，尝试提出问题。在解决问题的全过程中，体会模型思想，发展应用意识，提高实践能力，了解数学的价值。

实验活动：

①提出问题：小明的爸爸穿42码的鞋，长度为26厘米;小明的妈妈穿38码的鞋，长度为24厘米;猜想小明穿40码的鞋，长度是多少？

②怎样运用学过的一次函数知识建立数学模型，并解决这个问题？

③如何通过添加条件，以获得对函数模型的验证。

④收集生活中的数学实例，并将这些实例作为有效学习的资源，自主建构数学模型，体验做数学的快乐。

⑤综合运用不等式与方程、函数的相关知识解决问题，体会三者之间的内在联系。

⑥反思参与活动的全过程，将研究的过程和结果形成报告，进行交流。

实验评价：教师对学生建模中的错误予以纠正，不足予以补充，精彩的予以表扬。

（3）积累经验的实验

将数学知识与实验活动有机结合起来，丰富学生的感知，激发学生兴趣，是实现新课改教学理念的重要途径。以“平面镶嵌”课后的数学实验“从人头形器口彩陶瓶中看到的数学美”为例。

实验目标：了解平面镶嵌的特点，感悟人头形器口彩陶瓶中的数学美，提高图形分析能力，培养学生的审美情趣。

实验活动：教师提供背景素材，指导学生实验活动。

①人头形器口彩陶瓶的来历。

②通过资料的查阅，用数据说明彩陶瓶的年代、高、口径、底径等结构信息。

③用平面圖形的镶嵌原理说明该瓶的数学美。

④观看《国家宝藏》，了解其守护责任与前世传奇。

实验评价：结合活动的开展以及数学知识的迁移运用给出综合评定。

（4）社会调查的实验

社会实践调查是实施数学实验课程常用的方法，其形式是组织学生利用课余时间对某一问题进行信息收集，提高学生获取信息的能力，加深对数学知识的理解。以“概率初步”课后的数学实验“中学生手机软件的使用情况调查”为例。

实验目标：培养学生收集、整理、分析、提炼数据的能力。感受概率模型的应用，拓宽学习知识面，提高学生研究性学习能力。

实验活动：

①根据实验主题设计调查问卷，了解中学生手机软件的使用情况。主要从手机自带软件和下载软件、对学习的帮助和影响等方面考虑。

②收集整理调查数据，制作相关统计图。

③结合绘制的统计图形，分析中学生手机软件的使用情况，形成调查报告。

④根据所得的数据，你还能提出什么问题和建议？在数据收集和整理的过程中，你有哪些收获和体会？你还知道哪些手机软件？

实验评价：以过程性评价为主，结合调查问卷及分析报告，给出综合评定。

总之，基于STEAM教育理念的数学实验课程构建，给数学教学带来了新的思路和契机。作为课程转型升级的需要，在初中阶段开设数学实验课程，不仅为学生提供了实践学习的空间，使知识的形成与能力的培养相伴而行;更能体现让让数学教学增效减负的课改理念，进而实现学生从学习能力的培养到核心素养的发展。

参考文献

[1]李相形.基于信息技术环境下初中数学实验教学的探究[J].课程教育研究，2013（36）：152-153

[2]黄俊丽.在中学数学教学中引入数学实验的实践和体会[J].中学课程辅导.教学研究，2014（8）：72-73.

[3]彭敏，郭梦娇. STEAM教育的基本内涵与发展路径研究[J].教育理论与实践，2018（25）：14-18.

[4][5]宋乃庆，蒋秋，高鑫.STEAM教育理念在我国小学数学教科书中的渗透探析[J].课程教材教法，2020（6）：81-87

[6]王惠.基于目标分类学（修订版）理论指导的初中数学课堂教学有效性研究[J].教育教学论坛2017（9）：201-202.

（责任编辑   姚力宁）