STEM教育理念下的科學(xué)建模實(shí)踐研究

徐敬標(biāo)

在課堂整合的時(shí)代背景下，STEM教育在國內(nèi)外科學(xué)教育界掀起了熱潮。STEM教育理念包含體驗(yàn)、協(xié)作、創(chuàng)造、分享等，而科學(xué)建模作為一項(xiàng)重要的科學(xué)探究過程技能，它能夠有效突出STEM教育理念。通過研究小學(xué)教材中經(jīng)典的模型制作探究性課例——《降落傘》，尋找STEM教育理念與科學(xué)建模相融合的有效途徑，為一線教師提供參考。

STEM教育理念下的科學(xué)建模過程

科學(xué)模型是一種再現(xiàn)原型某種特征（如結(jié)構(gòu)、功能、關(guān)系、過程等）的物質(zhì)或思維等形式的類似物，建模即建構(gòu)模型，主要是利用模型進(jìn)行研究與學(xué)習(xí)。STEM教育理念下的科學(xué)建模流程如圖1，五個(gè)階段貫徹了STEM教育的四種理念，突出了STEM教育的特征。

研究設(shè)計(jì)及實(shí)施過程

《降落傘》是蘇教版《科學(xué)》教材四年級(jí)下冊(cè)第三單元《無處不在的力》的最后一課，它是小學(xué)教材中經(jīng)典的模型制作探究性課例，一共開展三次系列活動(dòng)，每次活動(dòng)時(shí)長為一個(gè)半小時(shí)。《降落傘》所體現(xiàn)的STEM教育素養(yǎng)見表1。

1.設(shè)計(jì)與實(shí)施

教學(xué)目標(biāo)：了解降落傘是利用空氣對(duì)傘的阻力減緩下降速度與降落傘結(jié)構(gòu);能設(shè)計(jì)并畫出降落傘的示意圖，能選擇合適的材料并使用工具制作出降落傘模型;能探究影響降落傘下降快慢的因素。

教學(xué)重點(diǎn)：設(shè)計(jì)、制作與分析降落傘模型。

教學(xué)難點(diǎn)：探究影響降落傘下降快慢的因素。

教學(xué)準(zhǔn)備：塑料袋、防水布、棉線、膠帶、剪刀、夾子、秒表、熟雞蛋等。

（1）確定建模對(duì)象

師：（播放一段運(yùn)動(dòng)員跳傘的視頻）是什么原因讓運(yùn)動(dòng)員從高空落下卻安全著陸呢？

生：降落傘幫助運(yùn)動(dòng)員減慢了下落的速度。

師：在無風(fēng)的條件下，降落傘在下降的過程中受到哪些力的作用？

生：向下的重力和向上的空氣阻力。

師：運(yùn)動(dòng)員跳傘時(shí)降落傘起到什么樣的作用呢？

師：根據(jù)不同的用途降落傘也有許多不同的類型（出示圖片），看過不同類型的降落傘后你覺得降落傘可以分為哪幾個(gè)結(jié)構(gòu)？

（小結(jié)：降落傘由傘面、傘繩和重物構(gòu)成。）

師：這次同學(xué)們來做一回小小工程師，制作一個(gè)降落傘。你們覺得一個(gè)性能良好的降落傘需要具備哪些特點(diǎn)？

生：能減慢下落的速度;能平穩(wěn)（豎直向下）下落;不能破損或破洞、美觀……

師：沒錯(cuò)！我們要制作的降落傘也是有要求的，我們來看一下本次制作降落傘的任務(wù)單。最終我們制作的降落傘能從3樓落下并最大限度保護(hù)運(yùn)送的熟雞蛋的蛋殼不破碎。

（2）建立合適模型

根據(jù)任務(wù)單的要求設(shè)計(jì)并繪制出降落傘的設(shè)計(jì)圖，任務(wù)單見表2。

（每個(gè)小組匯報(bào)自己的設(shè)計(jì)。）

討論：你準(zhǔn)備做成什么形狀的傘面？圓形的傘面要怎么剪？傘繩準(zhǔn)備粘貼在哪里，怎么粘貼？

交流：有沒有什么其他的問題？

每個(gè)小組按照設(shè)計(jì)圖選擇材料開始制作降落傘。小組制作完成后對(duì)其進(jìn)行加固和系上同樣重的重物，最后上交給教師。

（3）測試交流模型

對(duì)制作好的降落傘進(jìn)行調(diào)試，給每個(gè)小組3次機(jī)會(huì)試放降落傘并觀察現(xiàn)象，記錄每次降落傘下降的時(shí)間。

師：剛剛同學(xué)們都測試了自己的降落傘，在觀察每個(gè)小組放飛的降落傘之后。你有什么發(fā)現(xiàn)？

生：降落傘下降的速度不同。

交流：為什么降落傘下降快慢會(huì)不同，你覺得這與什么因素有關(guān)呢？為了達(dá)到要求，我們需要什么樣的降落傘？

討論：選擇一個(gè)你認(rèn)為會(huì)影響降落傘下降快慢的因素，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來證明你的觀點(diǎn)。

交流：每個(gè)小組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其他小組質(zhì)疑或提出意見，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。選用教師準(zhǔn)備好的不同尺寸的降落傘進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在實(shí)驗(yàn)記錄單上，討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

總結(jié)：傘面面積越大、重物越輕、透氣性越差的降落傘下降速度越慢。

（4）修改優(yōu)化模型

為了最大限度地使降落傘下降得慢一些，每個(gè)小組根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、制作中遇到的問題和之前的制作反思討論降落傘的改進(jìn)方法，寫在實(shí)驗(yàn)記錄單的背面。有些小組準(zhǔn)備重新制作降落傘，寫出或畫出重新設(shè)計(jì)的降落傘，部分學(xué)生的想法如下：

小組1：我們打算把傘繩剪短一些，再把傘繩對(duì)齊。膠帶總是掙開，后期需要加緊。傘面的面積太小，我們打算把傘面改為邊長50厘米的正方形。

小組2：我們打算更換材料重新制作降落傘，傘面要大一點(diǎn)，換牢固一些的膠帶捆綁。

按照要求改進(jìn)降落傘，下課之前所有小組的作品上交給教師。

（5）反思評(píng)價(jià)模型

明確最終對(duì)降落傘的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。給每個(gè)小組充分的時(shí)間繼續(xù)改進(jìn)和完善降落傘，對(duì)每個(gè)小組制作降落傘的美觀度進(jìn)行打分。給予每個(gè)小組2次機(jī)會(huì)再次試放降落傘，活動(dòng)中觀察并思考自己作品的不足之處，做測試前最后一次調(diào)試。

給準(zhǔn)備好測試的小組安裝重物（熟雞蛋），小組依次試放降落傘并記錄雞蛋下落之后蛋殼的破碎程度，教師進(jìn)行打分。最終根據(jù)是否豎直下落、雞蛋的完好程度和降落傘的美觀程度評(píng)選出一組制作最精良的降落傘。

2.測試與評(píng)價(jià)

為檢測研究者的教學(xué)是否有效地達(dá)到了設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)，研究者對(duì)學(xué)生及其作品做了測試和評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)分為兩個(gè)部分，一是在整個(gè)課例實(shí)施過程中學(xué)生測試、反思自己的作品并調(diào)試和改進(jìn)的形成性評(píng)價(jià)，二是最終課例結(jié)束之后對(duì)學(xué)生的降落傘測試和對(duì)學(xué)生發(fā)放調(diào)查問卷的終結(jié)性評(píng)價(jià)。這兩次評(píng)價(jià)都在之前的課例實(shí)施過程中有所體現(xiàn)，下面研究者主要針對(duì)終結(jié)性評(píng)價(jià)對(duì)此課的教學(xué)效果進(jìn)行分析。

首先分析對(duì)學(xué)生作品的測試與評(píng)價(jià)。研究者依據(jù)教學(xué)目標(biāo)和本課所體現(xiàn)的STEM教育理念設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)單對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行測試（見表3、表4）。

對(duì)作品的評(píng)價(jià)包含了對(duì)學(xué)生STEM素養(yǎng)的評(píng)價(jià)，特別是技術(shù)和工程素養(yǎng)。研究者為檢測學(xué)生科學(xué)知識(shí)的掌握情況，進(jìn)行了問卷調(diào)查（見表5）。調(diào)查問卷由單選和問答題組成，問卷對(duì)于科學(xué)知識(shí)的考查分為降落傘原理、結(jié)構(gòu)、影響降落傘下降快慢的因素和降落傘的作用，最后一題考查科學(xué)態(tài)度。

教學(xué)反思

本課一共三個(gè)課時(shí)，第一課時(shí)以制作為主，第二課時(shí)以探究實(shí)驗(yàn)為主，第三課時(shí)是拓展延伸。在實(shí)施之前對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次修改。根據(jù)學(xué)生所做出的降落傘模型和對(duì)學(xué)生科學(xué)知識(shí)的調(diào)查結(jié)果顯示：大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)達(dá)到了原定的教學(xué)目標(biāo)，在制作模型的過程中培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手操作和解決問題的能力;人數(shù)較少、課堂時(shí)間充足、工具材料齊全等因素使得課例進(jìn)行得十分順利;學(xué)生在課堂上發(fā)言活躍、設(shè)計(jì)制作環(huán)節(jié)認(rèn)真投入，課堂參與度較高。但還是存在一些問題，比如討論降落傘下降快慢的影響因素時(shí)，學(xué)生不會(huì)控制變量，教師的引導(dǎo)和解釋也沒有讓他們完全理解，導(dǎo)致他們雖然通過觀察得出了正確的結(jié)論，但是不明白其中的原理。

由此，我認(rèn)為STEM教育理念與科學(xué)建模的融合需要遵循以下平衡原則。

1.與STEM教育理念間的平衡

在每個(gè)環(huán)節(jié)中有效滲透STEM教育理念，這需要設(shè)計(jì)出的課例能夠體現(xiàn)出STEM教育的體驗(yàn)性、綜合性、趣味性、開放性等特征，需要強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)的思想，讓學(xué)生考慮所做模型的實(shí)用性。

2.案例的難易與學(xué)生接受間的平衡

STEM建模課例的設(shè)計(jì)要抓住學(xué)生的心理特點(diǎn)和STEM教育的特點(diǎn)。首先在特定的教學(xué)情境下讓學(xué)生對(duì)于自己要做的東西充滿興趣，勾起他們的求知欲;提出問題確定建模對(duì)象后，給予學(xué)生充足的時(shí)間討論設(shè)計(jì)出各種不同的解決方案（畫出建模設(shè)計(jì)圖），發(fā)掘他們的創(chuàng)造性。建立模型是學(xué)生最喜歡做的環(huán)節(jié)，應(yīng)提供豐富的材料和工具幫助他們最大限度地完成作品，培養(yǎng)他們的動(dòng)手操作和使用工具的能力。

3.校內(nèi)外資源整合間的平衡

實(shí)施STEM建模課例，將STEM教育理念融入小學(xué)科學(xué)建模并在課堂上開展并非易事，一個(gè)完整的STEM建模課例需要花費(fèi)很多課時(shí)去做，這樣才能真正做出好的東西。根據(jù)每個(gè)學(xué)校的具體情況開展，畢竟小學(xué)科學(xué)是一門綜合實(shí)踐課程，不局限于科學(xué)課堂。教師可以采用校內(nèi)外結(jié)合的方式開展STEM課例，整合多方面的資源，尋求各界的幫助，讓所有的孩子都有機(jī)會(huì)參與。

4.小組成員間分工的平衡

一般的科學(xué)課堂小組人數(shù)為4～6人，劃分小組成員的標(biāo)準(zhǔn)似乎就是按照座位順序、性別比例等。但是學(xué)生做科學(xué)實(shí)驗(yàn)尤其是參與STEM建模這樣的活動(dòng)時(shí)，教師需要合理安排小組成員以便達(dá)到最好的教學(xué)效果。例如不同的學(xué)生擅長的東西不一樣，有的記筆記又快又清楚，有的想法非常多，有的數(shù)學(xué)特別好等，給每個(gè)小組都安排具有不同長處的學(xué)生，這樣他們?cè)趯?shí)驗(yàn)的過程中分別發(fā)揮自己的長處，而且具有明確的分工可以使每個(gè)學(xué)生都參與其中，可以更加順利地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。