STEM教育中促进小学生数学建模能力发展的教学策略研究

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数学建模同时兼顾了数学和现实世界两个维度,是一项综合性很强的解决问题的手段。如果把培养可靠的公民作为数学教育的核心目标,数学建模尤其重要。数学建模能力作为一种心理能力在数字化时代的重要性更加凸显,在许多国家的课程中都非常注重对学生数学建模能力的培养。STEM教育跨学科、真实性的特征与数学建模相契合,数学建模既是学生参与STEM教育学习的基础支撑,又是STEM教育一直追求的目标。本研究通过对STEM教育中促进小学生数学建模能力发展的教学策略进行研究,有助于丰富和发展数学建模和STEM教育的相关研究与教育教学实践。本研究首先通过文献研究法分析了数学建模的研究现状与理论成果,构建了数学建模的心理加工能力发展的概念框架;其次,基于概念框架提出在STEM教育中发展小学生数学建模能力的教学策略,并结合数学建模例题对教学策略进行了详细地分析;第三,依据教学策略设计了《飞快的自行车》和《火灾救援》教学案例,并对教学案例进行了理论说明与解读;最后,将两个教学案例付诸课堂实践,并通过临床观察、任务单分析和访谈分析,综合评估在STEM教育中促进小学生数学建模能力发展的教学策略应用效果。本研究的工作主要有以下几个方面:(1)概念框架的构建。本研究通过文献分析,基于小学生的认知发展阶段,采用经典的五阶段建模循环,并依据学习者历经的数学建模心理加工过程,把数学建模能力水平划分为六个能力水平以评价小学生数学建模的心理加工能力,从而构建了数学建模的心理加工能力发展的概念框架,为在STEM教育中开展数学建模教学活动奠定了理论基础。(2)教学策略的探索。本研究基于数学建模的心理加工能力发展的概念框架,提出建模情境生活化和游戏化策略以创设合适的建模情境、搭建建模脚手架策略以帮助学生更高效地分析建模问题并掌握数学建模循环、建模问题符号化和图表化策略助力学生学会数学化建模问题,同时在理论上对于教学策略何以促进数学建模能力发展做出说明,在实践角度上对于教学策略的应用做出解释,以帮助教学设计者在教学实践中更好的理解与应用。(3)教学案例的应用实践。本研究基于数学建模的心理加工能力发展的概念框架和在STEM教育促进数学建模能力发展的教学策略,设计了《飞快的自行车》和《火灾救援》两个教学案例,并从理论上对教学案例中STEM教育理念与数学建模相融合的教学内容与教学活动进行说明与解读,然后设计了教学实践流程并将教学案例付诸课堂实践。(4)教学策略的效果测评。本研究通过数学建模能力水平评价学生数学建模的心理加工能力,依据学习目标达成情况评分细则判断学生对知识技能的掌握程度,通过临床法和访谈法从侧面揭示学生应用数学建模解决问题的思路和学习目标达成情况,从而以质性研究的方法评估在STEM教育中促进小学生数学建模能力发展的教学策略应用效果。最终发现,在STEM教育中通过工程实践能够触发学生开展科学探究活动,在科学探究的过程中能够训练学生的数学建模能力。本研究的创新成果体现在:①构建了数学建模的心理加工能力发展的概念框架;②提出了面向STEM教育的发展数学建模能力的教学策略,包括建模情境生活化和游戏化策略、搭建建模脚手架策略、建模问题符号化和图表化策略;③设计了两个面向STEM教育的发展数学建模能力的教学案例。本研究的不足之处在于:①研究结论没有进行一般化推广;②笔者自身教学经验有限一定程度的影响学生学习效果。未来可将教学策略和案例在多个班级开展教学实践,获取更多的测评反馈,对策略与案例进行优化使其具有普适性。
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