韋勝洪

近年來(lái)，STEM教育在我國(guó)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域快速發(fā)展，各級(jí)各類學(xué)校紛紛開始探索STEM課程與教學(xué)模式。今年，我校在初一年級(jí)的信息技術(shù)課中進(jìn)行了STEM教育的探索，開展了面向STEM的信息技術(shù)項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐。面向STEM的信息技術(shù)課，是指在信息技術(shù)課中融合STEM探究項(xiàng)目，讓學(xué)生利用信息技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，探究科學(xué)和數(shù)學(xué)問題。本文將以“三門問題”項(xiàng)目為例介紹這一教學(xué)模式。

選擇探究問題

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是STEM教育的核心，而選擇一個(gè)合適的探究問題則是開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。對(duì)于探究問題的挑選，我們有三條原則：①問題內(nèi)容適合學(xué)生當(dāng)前的知識(shí)和能力;②問題探究過程適合用信息技術(shù)驅(qū)動(dòng);③問題兼具學(xué)術(shù)性和趣味性。具體來(lái)說，首先，面對(duì)初一年級(jí)的學(xué)生，我們選擇初中數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科的知識(shí)，即使有初二或初三的內(nèi)容，通過講解和自主探究，學(xué)生有能力接受。其次，探究問題在常規(guī)課堂上難以講清，而信息技術(shù)能夠幫助學(xué)生理解該問題。最后，探究問題要有一定的學(xué)術(shù)難度，但又不能太枯燥。過度強(qiáng)調(diào)問題的學(xué)術(shù)性而忽略趣味性，難以激發(fā)學(xué)生探究的熱情;僅僅強(qiáng)調(diào)趣味性而忽略問題的學(xué)術(shù)性，課程就會(huì)失去應(yīng)有的教育意義。

本文選取的“三門問題”就符合這些原則。首先，這是一個(gè)概率問題，所需用到的數(shù)學(xué)知識(shí)在初一年級(jí)學(xué)生的能力范圍內(nèi)。其次，三門問題本身較難理解，用語(yǔ)言很難解釋清楚，而信息技術(shù)，尤其是編程模擬的方法可以很好地解決這個(gè)問題。最后，三門問題源于一個(gè)電視節(jié)目，本身具有趣味性，同時(shí)探索問題的過程極具學(xué)術(shù)性，并能鍛煉學(xué)生的計(jì)算思維能力。三門問題又稱蒙提霍爾問題，源于美國(guó)的一個(gè)電視游戲節(jié)目。在節(jié)目中，參賽者會(huì)看見三扇關(guān)閉了的門，其中一扇門后有一輛汽車，另外兩扇門后面各有一頭山羊。如果參賽者選中后面有車的那扇門可贏得該汽車。游戲過程分為三步：①參賽者選定一扇門，但是先不打開;②節(jié)目主持人開啟剩下兩扇門中的一扇，露出其中一頭山羊;③主持人詢問參賽者是否要改變最初的選擇打開另外一扇門。這里所要探究的問題是：改變最初的選擇是否能夠增加參賽者贏得汽車的概率。

導(dǎo)入問題

選取合適的問題之后，課堂教學(xué)的第一步是導(dǎo)入問題，即讓學(xué)生理解所要探究的問題。以三門問題為例，筆者先簡(jiǎn)單介紹了問題的背景和內(nèi)容，然后邀請(qǐng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)玩幾次三門問題的游戲。進(jìn)行了幾次游戲之后，學(xué)生基本理解了游戲的過程和問題的內(nèi)容。在問題介紹完畢之后，學(xué)生開始對(duì)問題進(jìn)行思考和討論，完成初步探究。在本例中，筆者讓學(xué)生思考和討論：“改變最初選擇贏得汽車的概率是多少？為什么？”初步探究的時(shí)間不宜過長(zhǎng)，一般3至5分鐘即可，因?yàn)閷W(xué)生此時(shí)僅僅是根據(jù)自己現(xiàn)有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)“拍腦袋”，而初步探討的目的是幫助學(xué)生理解探究問題的內(nèi)容。在初步探究之后，請(qǐng)學(xué)生給出自己的結(jié)論并簡(jiǎn)單解釋原因。在本例中，筆者首先讓幾名持有不同答案的學(xué)生分享自己的想法，然后讓得出相同結(jié)論的學(xué)生舉手示意，觀察哪種結(jié)論占上風(fēng)。三門問題的結(jié)論是：改變最初的選擇，贏得汽車的概率是三分二。在教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生給出的答案是二分之一或者三分之一，而得出正確答案的學(xué)生也給不出合理的解釋。

信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)

在問題導(dǎo)入之后，下一步是引入信息技術(shù)來(lái)推動(dòng)問題探究。首先需要讓學(xué)生組建學(xué)習(xí)小組，一般兩到三人為宜。隨后，教師向?qū)W生介紹所需用到的信息技術(shù)。以三門問題為例，學(xué)生需要用到搜索引擎和Python編程。學(xué)生使用搜索引擎檢索三門問題的相關(guān)資料，并將自己先前的結(jié)論和搜索到的資料進(jìn)行對(duì)比。在學(xué)生完成資料檢索和閱讀之后，教師需要對(duì)探究問題進(jìn)行簡(jiǎn)要回顧，并進(jìn)一步使用信息技術(shù)對(duì)其中難理解的部分進(jìn)行分析和解釋。在本例中，筆者使用了Python編程對(duì)問題進(jìn)行了建模和模擬。圖1展示了用于模擬三門問題的Python程序，其中包含了兩個(gè)函數(shù)：第一個(gè)函數(shù)choose_switch用于模擬改變最初選擇的游戲過程;第二個(gè)函數(shù)sim用于模擬多次游戲的過程，并計(jì)算出n次游戲之后的中獎(jiǎng)概率。最后幾行代碼調(diào)用了上述函數(shù)對(duì)游戲過程進(jìn)行了不同次數(shù)的模擬，并輸出模擬的結(jié)果（如圖2）。程序代碼可以事先準(zhǔn)備好，也可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程。筆者進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)編程，并且在編程過程中對(duì)程序代碼的每個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)解釋。最后，基于程序的輸出結(jié)果，筆者向?qū)W生解釋了程序模擬的原理和三門問題的結(jié)論。從模擬結(jié)果可以看出，隨著游戲模擬次數(shù)的增加，中將概率不斷接近理論概率三分之二。

學(xué)生自主探究

良好的STEM教學(xué)離不開學(xué)生的自主探究。在引入信息技術(shù)并進(jìn)行演示之后，要讓學(xué)生以小組為單位對(duì)問題進(jìn)行自主探究。在本例中，程序代碼的第25行設(shè)置了不同的游戲模擬次數(shù)，學(xué)生需要修改這里的參數(shù)來(lái)進(jìn)行不同的模擬實(shí)驗(yàn)，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，學(xué)生將游戲模擬的次數(shù)設(shè)置成十萬(wàn)、一百萬(wàn)甚至一千萬(wàn)次，然后運(yùn)行程序并分析運(yùn)行結(jié)果。在自主探究的過程中，小組成員之間要有分工，如有人負(fù)責(zé)修改代碼，有人負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)，有人負(fù)責(zé)分析結(jié)果等。在完成探究之后，每個(gè)小組需要完成一份探究報(bào)告，用來(lái)展示他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論，同時(shí)，報(bào)告中還要描述他們對(duì)三門問題的理解。由于本課程采用了兩課時(shí)的設(shè)計(jì)，時(shí)間較為緊張，學(xué)生只需要修改一行代碼，如果時(shí)間充裕且學(xué)生有較好的編程基礎(chǔ)，程序框架可以隱去部分代碼，讓學(xué)生自主完善。

課堂總結(jié)

課堂總結(jié)是整個(gè)課程實(shí)施的最后一環(huán)。首先，選擇有代表性的小組分享他們的探究報(bào)告。學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)分享的過程也是一次學(xué)習(xí)的過程，因?yàn)樗麄兝斫饬颂骄繂栴}和解題思路并不等于他們能夠清晰地向他人解釋這個(gè)問題和相關(guān)結(jié)論。

在學(xué)生匯報(bào)完成后，教師對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并給出與主題相關(guān)的拓展性問題供學(xué)生課后思考和探究。在本例中，筆者留了“N門問題”作為拓展性問題。所謂“N門問題”，是指有N扇門，其中一扇門后有汽車，另外N-1扇門后是山羊。與三門問題類似，在參賽者做出最初選擇之后，主持人將打開N-2扇背后有山羊的門。這個(gè)問題是三門問題的通用表述，學(xué)生基于本課程所學(xué)的內(nèi)容，課后可以完成進(jìn)一步探究。與此同時(shí)，如果課后的拓展性問題仍然適合用信息技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)解決，可以將其設(shè)置為下次課的主題。