基于STEM理念下的高中数学课堂教学设计探讨

江苏省苏州实验中学科技城校

朱仁林 陆 莹

1 引言

STEM是由四个单词的首字母缩写而来，分别来自科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)与数学(Mathematics)这四门学科.这四门学科分别针对于不同能力的培养，比如数学注重逻辑思维的培养，而科学注重创新思维的培养.但同时它们之间又具有十分紧密的联系，比如数学属于一项科学工具；而科学又是工程的基础.近年来，随着STEM教育模式的出现，人们更倾向于从多个角度去看待一门学科的包容性，这说明人们传统的认知与思维习惯发生了改变.同时STEM教育模式与传统的课堂教学相比，更倾向于以某个特定的项目或任务去引导学生拥有或提高特定的技能，在教学过程中运用多种媒介将多个领域的学科知识整合，突破传统教学中单一的学科知识传授，以此提高学生的综合能力.本文中简要介绍如何在高中数学课程中运用STEM教学模式，以良好的教学驱动有效的学习，促进学生的全面发展.

2 将数学知识与科学接轨

在STEM教学模式下，教师要时刻把握这四门学科之间的联系，以培养学生的综合能力为目的，创新自身的教学手段.数学知识的运用是科学探究的基础，同时科学理论也可以为数学问题的解决提供支持.在数学知识的学习中，学生能够掌握数与数之间的结构关系，对含有代数关系的事物进行逻辑推理以及数学计算，在这个过程中，教师应该合理融入科学的观念，寻找数学与科学这两个学科之间的结合点，确保学生在学习数学知识的过程中能够有效达到对科学知识的渗透，使学生的科学素养得以提高，这样学生在解决其他问题时也能有基本的科学知识与素质支撑.

3 以数学知识驱动技术培养

在《普通高中数学课程标准》中明确指出，随着各项信息技术的应用，培养学生有关技术的使用方法成为了教师在课堂上的另一个潜在目标.在建构主义的指导下，教师需要时刻优化教学设计，以良好的教学模式驱动教学理论与学生认知的结合，同时也要善于整合信息技术，将教学内容与信息技术有机地结合，帮助学生认识数学知识本质的同时掌握一定的技术能力.在这个目标下，教师可以利用一些辅助工具创建课堂游戏，通过解决游戏中的问题来获取知识，也可以在普及知识时运用《几何画板》、Flash软件等，加强学生对知识的印象，同时在这个过程中学生不仅能提取到核心知识，还能提高自身的信息技术素养.

4 注重数学学科素养的提升

在高中数学课堂教学中，教师要注重学生学习数学概念思维习惯的养成，全面提高学生的数学学科素养.在实践过程中，将概念知识领域化，对基本概念划分领域以及使用范畴，帮助学生精准掌握有关概念的使用条件及方法；同时要求学生熟练应用基本的数学运算符以及算法，这样学生在解决问题的时候能够更加快速地找到突破口，且学生在使用数学符号描述数学问题时，学生的思维能力能够得到很好的提升，这也是构成学生数学学科素养的重要内容.因此，在进行课堂教学时，教师要培养学生在数学各方面的认知与能力，以此提高学生的数学学科素养.

5 教学案例

在探讨了将STEM教学模式应用到高中数学课堂的策略后，教师应该抓住紧要核心，结合教学内容提前做好教学设计，同时课后结合课堂实际效果进行优化总结.现以“三角函数”中的单摆问题为例，简述如何将课堂教学内容与STEM教学模式相结合，在完成课堂教学目标的同时训练学生的综合能力.

5.1 教学目标

基于STEM课程模式，以培养学生综合能力为宗旨，力争将课堂教学内容与各个学科知识技能相结合.

5.1.1 知识与技能目标

(1)掌握单摆(摆角小于5°)的等时性；

(2)能够用三角函数表示单摆摆动时位移与时间的关系；

(3)学会利用手机软件绘制单摆运动的函数图象.

5.1.2 过程与方法目标

(1)在课堂学习过程中经历单摆函数图象的绘制过程，体会单摆的摆动与解析式之间的关系，培养观察、分析、归纳等思维能力；

(2)引导学生通过实际操作的方式检验自己的猜想，提高学生在课堂学习过程中的实践能力.

5.1.3 情感态度与价值观

(1)通过手机软件绘制单摆运动的函数图象，体会数学学科与信息技术之间的关联，增强学生的学习兴趣；

(2)学会用数学的眼光观察现实世界，鼓励学生动手操作，勇于尝试.

5.2 教学重点、难点

重点：发现并且验证单摆(摆角小于5°)的等时性，能够绘制单摆运动的函数图象.

难点：利用手机软件绘制单摆运动的函数图象.

5.3 教学过程

5.3.1 教学情境

播放摆钟(世界上最高的摆钟)、秋千在平面做摆动的视频.

问题1你知道摆针为什么可以测量时间吗？

问题2你荡秋千时，用力荡一次，每次下降和上升所花费的时间是一样的，还是越来越短？

设计意图：在引入教学内容时，借用实际生活中的事例来吸引学生的学习兴趣，引发学生思考，有利于拉近学生与知识之间的联系，培养学生观察世界、发现数学的科学素养和人文素养.这种通过实际问题引入知识的方式，能够让学生体会生活中的数学，突出研究三角函数模型与实际问题相结合的重要意义.

5.3.2 设计方案

通过视频可以观察到摆针每摆动一下就是一秒，说明摆针每次摆动的时间是相同的.那如何验证这一点呢？鼓励学生自己动手，六人一小组，模拟单摆运动.设计一个方案，写出实验所需的器材和物品，设计好实验的操作步骤，列出需要测量的数据.学生经过一番讨论之后，可以各组学生分享自己的实验方案，说出自己的设计意图，或者目前存在的问题，集思广益，共同完善实验方案.学生利用20 m的细绳、两个粘钩、一个螺母、量角器、秒表进行实验.但是发现秒表计算单摆运动的周期是不够准确的，可以向学生推荐使用手机录像.

设计意图：在设计实验方案的过程中，学生之间相互交流、合作，取长补短.学生尽可能地利用自己身边的材料，自制工具和设备，培养动手能力，提升学生的工程素养.在实验设计中加入技术元素，提高学生的技术素养.

5.3.3 科学史知识

学生通过实验装置自主收集几组螺母的摆动周期，教师引导学生进一步思考它们摆动的周期是否相同，以及摆角是否决定周期，进而发现单摆运动(摆角小于5°)的等时性.同时，教师可以向学生介绍相关的科学史料，单摆的等时性是由意大利科学家伽利略发现，并且介绍伽利略发现单摆等时性的一些趣事.

设计意图：成功并不是一蹴而就的，实验方案需要学生不断地完善.教师应鼓励学生坚持不懈，认真钻研，提高学生之间的协作能力，树立集体意识.单个的数据不能说明问题，大量的实验结果才能说明实验结论的准确性.教师融入科普知识，学生正确认识科学知识，激发学习兴趣，提升艺术素养.

5.3.4 科学技术

通过实验结果发现单摆的摆动周期在摆角小于5°的时候是相同的，发现其周期现象，将之与三角函数相联系，利用手机拍摄视频，然后用Kmplayer软件截图，PowerPoint插入视频连续截图，保证一个周期的运动，观察生成的图象来确定位移与时间之间的的关系.图象形似三角函数图象，学生很容易联想到本章所学的三角函数的图象.通过GeoGebra拟合函数图象，确定其与三角函数的关系.

设计意图：让学生自己归纳总结利用函数模型解决实际问题的一般步骤，然后在老师的帮助下完善结果，促进学生用科学的方法解决实际问题，认识和使用技术手段，增强使用技术手段的意识.

5.3.5 总结交流

教师带领学生回顾本节课内容.本节课通过实验验证了单摆运动的等时性，在摆角小于5°时成立，所以摆钟的摆线较长，摆角较小.又借助软件验证了位移和时间的关系可以通过三角函数模型加以刻画，加深了对三角函数的认识和应用.