面向STEM的信息技术项目式教学

    韦胜洪

    

    近年来，STEM教育在我国基础教育领域快速发展，各级各类学校纷纷开始探索STEM课程与教学模式。今年，我校在初一年级的信息技术课中进行了STEM教育的探索，开展了面向STEM的信息技術项目式教学实践。面向STEM的信息技术课，是指在信息技术课中融合STEM探究项目，让学生利用信息技术进行项目式学习，探究科学和数学问题。本文将以“三门问题”项目为例介绍这一教学模式。

    选择探究问题

    项目式学习是STEM教育的核心，而选择一个合适的探究问题则是开展项目式学习的基础。对于探究问题的挑选，我们有三条原则：①问题内容适合学生当前的知识和能力;②问题探究过程适合用信息技术驱动;③问题兼具学术性和趣味性。具体来说，首先，面对初一年级的学生，我们选择初中数学、物理、化学等学科的知识，即使有初二或初三的内容，通过讲解和自主探究，学生有能力接受。其次，探究问题在常规课堂上难以讲清，而信息技术能够帮助学生理解该问题。最后，探究问题要有一定的学术难度，但又不能太枯燥。过度强调问题的学术性而忽略趣味性，难以激发学生探究的热情;仅仅强调趣味性而忽略问题的学术性，课程就会失去应有的教育意义。

    本文选取的“三门问题”就符合这些原则。首先，这是一个概率问题，所需用到的数学知识在初一年级学生的能力范围内。其次，三门问题本身较难理解，用语言很难解释清楚，而信息技术，尤其是编程模拟的方法可以很好地解决这个问题。最后，三门问题源于一个电视节目，本身具有趣味性，同时探索问题的过程极具学术性，并能锻炼学生的计算思维能力。三门问题又称蒙提霍尔问题，源于美国的一个电视游戏节目。在节目中，参赛者会看见三扇关闭了的门，其中一扇门后有一辆汽车，另外两扇门后面各有一头山羊。如果参赛者选中后面有车的那扇门可赢得该汽车。游戏过程分为三步：①参赛者选定一扇门，但是先不打开;②节目主持人开启剩下两扇门中的一扇，露出其中一头山羊;③主持人询问参赛者是否要改变最初的选择打开另外一扇门。这里所要探究的问题是：改变最初的选择是否能够增加参赛者赢得汽车的概率。

    导入问题

    选取合适的问题之后，课堂教学的第一步是导入问题，即让学生理解所要探究的问题。以三门问题为例，笔者先简单介绍了问题的背景和内容，然后邀请学生现场玩几次三门问题的游戏。进行了几次游戏之后，学生基本理解了游戏的过程和问题的内容。在问题介绍完毕之后，学生开始对问题进行思考和讨论，完成初步探究。在本例中，笔者让学生思考和讨论：“改变最初选择赢得汽车的概率是多少？为什么？”初步探究的时间不宜过长，一般3至5分钟即可，因为学生此时仅仅是根据自己现有的知识和经验“拍脑袋”，而初步探讨的目的是帮助学生理解探究问题的内容。在初步探究之后，请学生给出自己的结论并简单解释原因。在本例中，笔者首先让几名持有不同答案的学生分享自己的想法，然后让得出相同结论的学生举手示意，观察哪种结论占上风。三门问题的结论是：改变最初的选择，赢得汽车的概率是三分二。在教学过程中，笔者发现多数学生给出的答案是二分之一或者三分之一，而得出正确答案的学生也给不出合理的解释。

    信息技术驱动

    在问题导入之后，下一步是引入信息技术来推动问题探究。首先需要让学生组建学习小组，一般两到三人为宜。随后，教师向学生介绍所需用到的信息技术。以三门问题为例，学生需要用到搜索引擎和Python编程。学生使用搜索引擎检索三门问题的相关资料，并将自己先前的结论和搜索到的资料进行对比。在学生完成资料检索和阅读之后，教师需要对探究问题进行简要回顾，并进一步使用信息技术对其中难理解的部分进行分析和解释。在本例中，笔者使用了Python编程对问题进行了建模和模拟。图1展示了用于模拟三门问题的Python程序，其中包含了两个函数：第一个函数choose_switch用于模拟改变最初选择的游戏过程;第二个函数sim用于模拟多次游戏的过程，并计算出n次游戏之后的中奖概率。最后几行代码调用了上述函数对游戏过程进行了不同次数的模拟，并输出模拟的结果（如图2）。程序代码可以事先准备好，也可以进行现场编程。笔者进行了现场编程，并且在编程过程中对程序代码的每个模块进行了详细解释。最后，基于程序的输出结果，笔者向学生解释了程序模拟的原理和三门问题的结论。从模拟结果可以看出，随着游戏模拟次数的增加，中将概率不断接近理论概率三分之二。

    学生自主探究

    良好的STEM教学离不开学生的自主探究。在引入信息技术并进行演示之后，要让学生以小组为单位对问题进行自主探究。在本例中，程序代码的第25行设置了不同的游戏模拟次数，学生需要修改这里的参数来进行不同的模拟实验，并记录相关数据。例如，学生将游戏模拟的次数设置成十万、一百万甚至一千万次，然后运行程序并分析运行结果。在自主探究的过程中，小组成员之间要有分工，如有人负责修改代码，有人负责记录数据，有人负责分析结果等。在完成探究之后，每个小组需要完成一份探究报告，用来展示他们的实验数据和结论，同时，报告中还要描述他们对三门问题的理解。由于本课程采用了两课时的设计，时间较为紧张，学生只需要修改一行代码，如果时间充裕且学生有较好的编程基础，程序框架可以隐去部分代码，让学生自主完善。

    课堂总结

    课堂总结是整个课程实施的最后一环。首先，选择有代表性的小组分享他们的探究报告。学生进行汇报分享的过程也是一次学习的过程，因为他们理解了探究问题和解题思路并不等于他们能够清晰地向他人解释这个问题和相关结论。

    在学生汇报完成后，教师对课程内容进行总结，并给出与主题相关的拓展性问题供学生课后思考和探究。在本例中，笔者留了“N门问题”作为拓展性问题。所谓“N门问题”，是指有N扇门，其中一扇门后有汽车，另外N-1扇门后是山羊。与三门问题类似，在参赛者做出最初选择之后，主持人将打开N-2扇背后有山羊的门。这个问题是三门问题的通用表述，学生基于本课程所学的内容，课后可以完成进一步探究。与此同时，如果课后的拓展性问题仍然适合用信息技术来驱动解决，可以将其设置为下次课的主题。