基于STEM教育理念的高中数学教学设计框架及应用

潘掖雪 周锦程 陈小红 石定埔

【摘 要】根据我国教育改革的需要以及普通高中数学课程标准的要求，结合数学教学设计过程和STEM跨学科项目设计模式，构建了一套基于STEM教育理念的高中数学教学设计框架。该框架与一般数学教学设计的区别主要体现在：需要分析数学教学内容与其他学科之间的联系;设计了具体、可操作的评价量表;强调学生动手操作环节，加强学生对知识的理解和运用;有展示结果环节，锻炼学生的表达能力，提升学习兴趣和增强自信心。实践表明，基于STEM教育理念的高中数学教学对学生学习动机、学习效果等呈现出良好的影响。

【关键词】STEM教育;高中数学;教学设计;教学实践

一、问题提出

近年来，科技的日益革新已影响到经济、社会和教育的发展，为确保我国在经济、技术和国防等领域的持续发展，越来越多的研究人员开始关注STEM教育。STEM教育是集科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）等多领域融合的综合教育。但STEM教育不仅提倡学习这四个领域的知识，还提倡一种新的教学方式：注重实践、注重动手、注重过程。目前，STEM教育理念在高中数学的应用案例较少，因此，根据我国教育改革的需要以及普通高中数学课程标准的要求，结合STEM教育多学科融合的核心理念，探索并构建基于STEM教育理念的高中数学教学设计框架，以及检验基于此框架的数学教学设计在实践中的应用效果，具有一定的理论和实践价值。

二、基于STEM教育理念的高中数学教学设计框架

（一）数学教学设计过程

数学教学设计过程是一个系统工程，其核心问题是教什么？怎样教？达到什么效果？数学教学设计应注意三个基本点：理解数学学科，即对数学思想方法、数学本质的理解;理解学生，即理解学生的数学学习规律;理解数学教学，即对数学教学规律、特点的理解。数学教学设计最核心的部分就是引导学生自己概括出数学的本质，使学生在数学学习过程中保持高水平的思维活动。何小亚教授指出，数学教学过程是数学教案中内容最多的，其结构取决于所采用的教学模式[1]，基于STEM教育理念的数学教学设计不可能只是采用单一的教学模式，而是应根据教学内容、教学目标和学生的情况采取多种模式相结合。熊惠民在其著作《中学数学教学设计与案例研究》中提出了数学教学设计的过程（如图1）[2]。

（二）STEM跨学科项目设计模式

随着信息技术的高速发展，人类已进入大数据为核心驱动的时代，面对激烈的竞争环境，培养什么样的人成了各国教育者需要思考的问题。例如，北京师范大学余胜泉教授详细分析了STEM教育的九大核心理念（跨学科性、情境性、体验性、趣味性、协作性、设计性、艺术性、实证性、技术性）和跨学科整合的三种基本取向（学科知识整合取向、生活经验整合取向、学习者中心整合取向），提出了STEM跨学科项目设计模式，该教学模式分为教学分析、项目或问题、工具与资源设计、教学支架设计、学习活动设计、评价设计、总结与强化练习、项目应用与改进共8个环节（如图2）[3]。

（三）基于STEM教育理念的高中数学教学设计框架的构建

结合数学教学设计过程和STEM跨学科项目设计模式，以及心理学、教育学的理论基础，笔者设计了如图3所示的基于STEM教育理念的高中数学教学设计框架，下面就该模式的各个阶段进行具体阐述。

1.教學任务

高中数学教学的任务可总结为四个方面：一是关注学生的预习，对于浅显易懂的知识让学生提前预习，给学生自主学习的机会;二是注重培养学生的数学思维能力，教师要鼓励学生积极思考，敢于探索和创新;三是注重数学思想方法的渗透，促进学生思维的发展，例如在求函数的值域和最值问题时，运用数形结合思想可把代数式的精确刻画和几何图形的直观描述相结合，从而避免复杂的计算和推理过程;四是注重对教学内容的情感性加工，在以往的教学中，有的教师可能只关注条理性和逻辑性，而忽视了教学的情感性和趣味性，导致有些学生对数学提不起兴趣，所以，教师要让学生在数学学习中获得积极的情感体验。因此，教师在设计基于STEM教育理念的数学教学时，要明确教学任务，这是跨学科数学教学有效开展的前提条件。

2.教学分析

教学分析是教学设计的准备环节，不论是哪个学科，教学内容、教学目标、教学重难点和学习者特征这四个方面都应纳入分析的环节。以下主要介绍教学分析中的跨学科知识。STEM教育的实质是综合课程的教育，把独立、分散的学科知识通过各种学习活动使学生在解决问题的过程中习得和运用。高中数学与科学、技术、工程之间存在着相互补充、共同发展的关系。因此，在数学教学设计中，教师要善于发现和总结数学与其他学科之间的联系，绘制跨学科知识地图，将这些零散的知识融入数学课堂教学中，把学生学到的零散知识转变成探究世界相互联系的过程。

3.开发阶段

构建基于STEM理念的高中数学教学设计框架的第三阶段是开发阶段，主要包括活动方案和评价设计。作为教学设计的核心环节，该阶段需要根据教学分析的内容撰写详细的教学计划，这是教师有效实施教学的阶段，更是体现学生学习需求的具体路径。此外，该阶段需要教师设计评价标准（见表1、表2），为了保证评价工具的有效性以及弥补以往教学中测试的不足，应将特定的基于STEM理念的数学课程内容融入评价工具的设计和编制中[4]，设计具体的操作步骤，使得评价方式和评价指标多元化，尊重学生的个体化差异，让学生在接受学校教育的同时发展自己的长处。

按照上文图2的教学设计框架，活动方案包括8个环节。其中，建构主义理论的内容丰富，其核心可以概括为以学生为中心，强调学生对知识的主动发现、主动探索和主动建构。在知识建构与合作探究环节，教师应注意学生的知识储备，引导学生学会利用各种资源进行信息搜索并与同学互相交流合作[5]。霍华德·加德纳（Howard Gardner）的多元智能理论表明，每个人至少有8种智能，这些智能在每个人身上的组合方式各不相同[6]，因此，对于学生来说就存在多样性和差异性。在小组合作和活动开展环节，教师要尊重学生的个体差异，注意每个小组学生的角色扮演，及时观察各小组活动开展的情况，并对遇到困难的小组给予帮助和指导。弗赖登塔尔（H.Freudenthal）的数学教育理论强调学生对数学知识的“再创造”[7]，因此，在展示结果环节让学生介绍小组成果，分享经验，其实质就是学生对数学知识内化的过程。这个过程有助于培养学生的沟通表达能力，提高学生参与数学活动过程的兴趣。最后的评价环节分为学生评价和教师评价，两种评价方式相结合能从不同角度检验基于STEM教育理念的教学设计的实施效果。

三、基于STEM教育理念的高中数学教学设计

按照融入STEM教育理念的高中数学教学设计框架，以一次函数模型为例进行教学设计，主要分为以下三个步骤。

（一）教学任务

一次函数模型的应用教学不仅能够培养学生理性分析问题的良好习惯，更有利于培养学生数形结合研究其他函数性质的能力。用一次函数模型来解决现实中的问题，学生需要经历探索的基本过程，获得数学活动意识、经验和方法以及运用多学科知识解决问题的创新意识和能力。

过程性评价和总结性评价可依据教学内容在上文表1、表2中进行适当修改，这样既有助于教师对学生有全面的了解，更有助于学生对自己有客观的认识。同时，根据评价结果，有利于教师对教学中遇到的问题进行总结和反思，及时修改完善教学设计和指导教学实施。

四、教学实施结果及建议

为更好地了解基于STEM教育理念的高中数学教学设计对学生学习动机、态度、效果的影响，在实施教学实验的第二天，笔者对学生进行了问卷调查。问卷编制包括意识、能力、承诺三个维度[8]。调查结果显示，基于STEM教育理念的高中数学教学设计对于学生学习态度的影响不够突出，但对学生的学习动机、学习效果等方面有较为积极的影响，因此，结合教学实施结果，提出如下建议。

（一）完善学校相关的软硬件设施建设

学校应完善软硬件设施建设，例如多媒体教学设备的更新、学习资料的补充等，以便于学生在学习中更好地了解数学。教师引导学生多关注各学科知识之间的内在联系并加强反思与总结，这将有助于转变学生的学习态度。

（二）开发基于学生真实感受的课程内容

基于STEM教育理念的数学课程，是以数学为基础，运用数学的计算和逻辑思维解决实际问题，而实际问题源于生活。因此，教师可根据教学内容和学生实际情况，借助信息技术和各种场所，营造适合跨学科学习的氛围，创设基于学生真实感受的教学课堂。

（三）提高教师基于STEM教学设计的综合能力

对于数学教师而言，基于STEM教育理念进行教学设计不仅要求教师熟练掌握本专业知识，还要了解其他学科的知识领域，这样才能更好地实现学科融合。因此，教师必须努力提高课程开发与整合的能力以及教学实施和评价的能力，只有这些综合能力提高了，才能更好地将STEM教育理念融入学科教学，培养学生的STEM素养。

（四）设计合理的基于STEM教育理念的过程性和总结性评价

过程性评价（见上文表1）尊重学生个体差异，它涵盖了学生在材料收集、合作探究、方案設计、活动开展、信息技术工具使用、结果展示等方面表现。总结性评价（见上文表2）是对学生以小组为单位完成作业汇报的评价，包括学生的准备阶段、实施阶段和最后的展示阶段。在教学活动开始时，教师将评分标准发给每个小组学生，辅助学生在完成活动的同时进行参照。合理的评价设计能够提高学生的参与度，增强学生的信心，这既能在一定程度上提高学生自主探索新知的能力，又能培养学生的语言组织、表达以及分析问题、规划问题等能力。因此，在教学过程中，教师应设计合理的基于STEM教育理念的过程性和总结性评价方案。

五、结语

STEM教育强调多学科知识的融合，使学生在情境性、体验性的氛围中最大限度地激发学习的求知欲，让学生在实践中理解和运用相关知识概念解决问题，培养学生的综合能力与创新思维。实践表明：STEM教育理念融入高中数学教学是可行的，基于STEM教育理念的高中数学教学设计丰富了教师的教学方式和学生的学习方式，但是对高一学生学习态度的影响不够突出，主要原因在于高一学生自己探索知识的意识比较低且综合运用知识解决问题的能力还比较薄弱。因此，教师在运用STEM教育理念时，需要围绕教学任务，从学生的自身特点、具体学习环境等因素出发，使STEM教育理念在数学教学中真正落到实处。

参考文献：

[1]何小亚，姚静.中学数学教学设计[M].北京：科学出版社，2008.

[2]熊惠民.中学数学教学设计与案例研究[M].北京：科学出版社，2014.

[3]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015（4）：13-22.

[4]张辉蓉，唐佳欣，杨淏璇.基于深度学习的中小学生STEAM学习质量评价指标体系构建[J].中国电化教育，2021（1）：102-109.

[5]肖林.基于建构主义教学观的有效教学探究[J].基础教育研究，2020（3）：36-39.

[6]顾红霞.新时代英语专业教学评价的多元智能研究：基于《英语专业本科教学指南》视角[J].外语学刊，2021（2）：126-130.

[7]潘升华.基于弗赖登塔尔理论的高中函数教学研究与实践[D].大连：辽宁师范大学，2018.

[8]826全美.基于课程标准的STEM教学设计[M].林悦，译.北京：中国青年出版社，2018.

（责任编辑：陆顺演）