STEM教育理念在初中数学教学设计中的应用

【摘 要】要想使学生的思维、能力、知识、价值观等方面都得到正向发展，且在教学过程中实现多学科的交叉融合，构建适合我国学生发展的学科体系，传统的单一式、灌输式的教学模式显然行不通。基于此，笔者提出将STEM教育理念融入数学课堂中，旨在激发学生的学习兴趣和学习热情，提高学生的学习能力。STEM教育理念强调各学科的相互渗透以及实践与理论的结合，能够更好地促进学生全面发展。本文以STEM教育理念为指导，尝试以初中数学中的“平面直角坐标系”为例进行教學设计。

【关键词】STEM教育;平面直角坐标系;教学设计;初中数学

【中图分类号】G633.6  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2021）28-0237-03

我国在基础教育方面仍普遍存在各学科知识缺乏有效整合的现象，而且教师往往采取灌输式的教学方式，导致学生只是通过死记硬背来学习，并没有真正理解所学知识，不能将不同学科的知识融会贯通，这严重影响了学生的学习效果。美国教育家杜威指出，教育就是学生经验的不断改造和重新组织，并且提出了“从做中学”的教学方法。学生只有亲自参与到知识的探索过程中，才能够有效吸收知识并且灵活应用[1]。为了更好地促进学生的全面发展，我国的数学课标也已将原来的“双基”（基础知识和基本技能）、“双能”（分析问题和解决问题的能力）改为现在的“四基”（基础知识、基本技能、基本思想、基本活动经验）、“四能”（发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的能力）[2]，其原因就是在新时代的背景下，传统数学中的“双基”已不能适应现代数学教学，甚至影响着数学教学的改革和发展，而“四基”“四能”的提出能够有效培养学生的思维能力和数学素养。

1   STEM教育理念概述

STEM是由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四个英文单词的首字母组合而成，STEM教育理念提倡以跨学科的方式解决问题，整合了科学、技术、工程和数学四门学科的基础知识和思维方法，强调学生动手、动脑、参与学习过程，使学生不仅能获得结果性知识，还能获得过程性知识[3]。学生在教师的合理引导下，完成独立思考、动手操作、小组合作解决问题的学习过程，这样学生所获得的知识是自己自主构建的，而非来自于外部的灌输。STEM教育的目标正是要帮助学生获得直接经验，强调学生在做和学中发展多元智能，培养学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的能力，这与课标提出的“四基”“四能”是相符的。总之，STEM教育的最终目的是将学生的学习变被动为主动，充分发挥学生的想象力和创造力。本文以人教版初中数学七年级下册第七章“平面直角坐标系”为例，制定了基于STEM教育理念的教学设计方案。

2   基于STEM理念的“平面直角坐标系”的教学设计

2.1  教材分析

平面直角坐标系是初中生必学的教学内容，中学数学课程教材研究开发中心经过合理地设计，将其安排在初中数学七年级下册第七章中。本节内容是在学生已经掌握了数轴的相关知识的基础上展开的，直角坐标系是数轴的延伸，它建立了平面内的点与有序实数对的一一对应关系。学好平面直角坐标系的相关知识是学生后面学习函数知识和空间直角坐标系的可靠基础，所以平面直角坐标系起着承上启下的作用。本节内容要求学生认识有序数对，认识并会建平面直角坐标系，掌握横轴、纵轴、原点、象限等概念，学会建立点与坐标的一一对应关系。平面直角坐标系在中考中占有很大比重，通常是与函数结合起来对学生进行考查，选择题、填空题、解答题都会涉及，是学生需要掌握的一个重要知识点。

2.2  学情分析

（1）学生已有基础：一是平面直角坐标系以数轴为基础，学生在七年级上册第一章学习有理数知识时开始接触数轴相关知识，已经具备了数形结合的基本思想，对于任意给定的某一实数，学生都能够很快在数轴上找到其位置。二是经历了数年的数学学习，学生在探索、研究、对比和发现的过程中慢慢地形成了一定的观察能力、归纳能力、概括能力和运算能力，为本节课的学习打下了良好的基础。

（2）学生认知困难：与在数轴上表示点不同的是，平面直角坐标系中的点是一对有序实数，许多学生经常将横坐标与纵坐标的位置写反，故理解坐标的含义对学生学好平面直角坐标系至关重要。

2.3  教学目标

S（科学）：融合了地理中方位、经度、纬度等学科知识，让学生体会到数学在地理学发展中的作用。

T（技术）：按照教师的要求动手做实验;会建直角坐标系。

E（工程）：运用工程的思维进行项目实施。

M（数学）：学会记录数据;理解坐标的意义。

2.4  教学重难点

重点：认识平面直角坐标系，理解点的坐标含义。

难点：会建平面直角坐标系，会找对应点。

2.5  教学过程

2.5.1  情境导入

教师创设问题情境，让学生完成下面的事件：

事件1：请同学们用手指出课本第72页第4行文字;事件2：请同学们说出操场的位置;事件3：×××同学，你能帮老师取一下作业本吗？在教师办公室第二排第一列的办公桌上;事件4：请同学们将课本翻到71页，然后找到“指挥员”一词的位置。

（对于上述事件，学生都能轻而易举地完成）

师：同学们发现刚才老师提到的四个事件有什么共同特点吗？

生：都是要找某一物的准确位置。

2.5.2  探索新知

活动1：“点兵点将”

教师示范：我们规定横向为“排”，纵向为“列”。如同学I的座位，我们可以说是第二排第三列，用点

（2，3）表示，我们习惯上把“排”写在前面，把“列”写在后面;再如同学X的座位，我们可以说是第四排第六列，用点（4，6）表示。

师：下面请同桌2人为一小组，采取“一人提问另一人作答”的模式，指出班上部分同学的座位号，要求说明是第几排第几列并用点（a，b）表示。然后两人调换，重复这一实验，并做好记录。（教师提前将记录卡发下去，每位学生一张，如表1所示）

学生活动：小组合作、分工明确、执行任务。

活动2：在地球儀上确定我国任一城市的位置

教师先向学生介绍地球仪上的经线和纬线知识，并向学生介绍如何用英文首字母表示“东南西北”。

师：同学们试着在地球仪上找出北纬30度有我国哪些城市？

生：有成都、重庆、杭州、上海和宁波等城市。

师：同学们再试着在地球仪上找出东经110度有我国哪些省份？

生：有海南、广东、广西、湖南、湖北、陕西、内蒙古等。

师：只知道经度或者是纬度能确定某一地区的具体位置吗？

生：不能。

师：若同时知道经度和纬度能确定某一地区的具体位置吗？

教师示范：我们先在地球仪上找到北京的位置，发现它在北纬39.9度、东经116.3度，则可用点（39.9N，116.3E）表示，我们习惯上把纬度写在前面，把经度写在后面;再如武汉位于北纬30.5度，东经114.3度，用点（30.5N，114.3E）表示。

师：下面请同桌2人为一小组，同样采取“一人提问另一人作答”的模式，指出我国部分城市的具体位置，要求说明经纬度各是多少并用点（a，b）表示，然后两人调换身份，重复这一实验，并做好记录。（教师提前将记录卡发下去，每位学生一张，如表2所示）

学生活动：小组合作、分工明确、执行任务。

设计目的：以活动的方式让学生亲自参与知识的探索过程，提高了学生的学习兴趣和积极性，教师可以由此引出“有序数对”的定义，为接下来引出平面直角坐标系做铺垫。

有序数对：如第二排第三列，第四排第六列，北纬39.9度、东经116.3度，北纬30.5度、东经114.3度这样含有两个数来表示一个确定的位置，其中两个数各表示不同的含义，我们把这种有顺序的两个数a与b组成的数对，叫做有序数对，记作（a，b）[4]。

引出平面直角坐标系：对于教室中各学生的座位或是地球仪中各地区的位置，类似于这样不在同一条直线上的研究对象，再利用数轴的知识来确定其位置就行不通了。（如图1所示）

师：若我们将第三排看成是一个数轴，以学生O为原点，取右方向为正方向，相邻学生间距为1个单位，则学生Q和学生M分别在哪个位置？

生：学生Q在数轴上坐标为2的点上;学生M在数轴上坐标为?2的点上。

师：那学生H呢？学生d呢？他们的位置又该如何表示？此时利用一个数轴还能准确表示他们的位置吗？

学生活动：学生四人为一小组展开讨论，在教师的引导、前面的活动的启发下，学生得出结论：针对在同一条直线上的研究对象，可以用画数轴的方式表示其位置，而在平面上的研究对象，则需要两个数才能确定其位置，并且这两个数所表示的含义不同。某小组引出两条相互垂直、原点重合的数轴，取第三排为x轴，取向右方向为正方向，取第三列为 y轴，取向上方向为正方向，将相邻学生间距看作为1个单位，并用有序数对来表示学生位置，将学生O用点（0，0）表示，学生H用点（?1，1）表示，学生d用点（3，?2）表示。

接着教师向全班学生介绍平面直角坐标系，并向学生介绍坐标轴、原点、象限等知识。

师：还有别的表示方法吗？是否一定要以学生O为原点呢？

各小组积极探讨，给出了不同的表示方法。（让学生学会建立平面直角坐标系）

2.5.3  例题讲解

例：在同一平面直角坐标系中描出下列各点：A（0，3）、B（?4，0）、C（2，3）、D（3，2）、E（?3，3）、F（?2，?3）、H（4，?5）。

教师给出例题，让学生先独立思考并动手操作，可与同桌讨论。然后教师在黑板上进行示范，归纳解题思路和步骤。

2.5.4  课堂小结

教师通过口头提问的方式帮助学生回顾本节课所学的知识，强调重点和难点。指出容易混淆的地方，再次强调横坐标与纵坐标的含义[5]。

2.5.5  作业布置

基础题：习题7.1中的第1、第4两题。

思考题：①x轴和 y轴上的点各有什么特征？②第一、第二、第三、第四象限的点各有什么特征？

作业分基础题和思考题，由简到难，符合学生认知规律和接受能力。基础题有利于帮助学生巩固本节知识，思考题也符合学生最近发展区，能够培养学生的观察能力。

基于STEM教育理论对“平面直角坐标系”进行教学设计，目的在于提高课堂教学质量和学生对知识的吸收率。教师通过引导学生参与探索知识的活动，激发学生的学习热情，让学生在做中学，在学中做。这样的教学能丰富学生的直接经验，培养学生的创新能力，使学生真正理解学习内容。

【参考文献】

[1]张建伟，孙燕青.从“做中学”到建构主义—探究学习的理论轨迹[J].教育理论与实践，2006（4）.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中数学课程标准（2011年版）[M].北京：人民教育出版社，2011.

[3]管光海.STEM教育实践中的问题与建议[J].中国民族教育，2018（Z1）.

[4]中学数学课程教材研究开发中心.义务教育教科书七年级（下册）[M].北京：人民教育出版社，2012.

[5]匡丽媛.基于STEAM教育理念的数学活动的开发[D].上海：上海师范大学，2018.

【作者简介】

石舢（1995～），男，汉族，安徽安庆人，喀什大学数学与统计学院学科数学专业2020级硕士研究生。研究方向：中小学数学课程教学研究。