例談基于STEM教育理念的“四線五階”科學(xué)建模

蔡呈騰

摘 要：初中科學(xué)課程中部分內(nèi)容適合基于STEM教育理念應(yīng)用“四線五階”來建構(gòu)科學(xué)模型學(xué)習(xí).“電磁繼電器”的學(xué)習(xí)就是以建構(gòu)“熱水壺防干燒裝置”為項(xiàng)目學(xué)習(xí)的任務(wù)展開的.此學(xué)習(xí)先要對(duì)STEM教育理念下的建構(gòu)模型課程內(nèi)容進(jìn)行整合，補(bǔ)足工程設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)容;其次要確定情境、問題、活動(dòng)和目標(biāo)“四線”，并設(shè)置“呈現(xiàn)產(chǎn)品，感知模型”“功能倒推，假設(shè)模型”“解釋評(píng)價(jià)，建構(gòu)模型”“實(shí)踐拓展，完善模型”“開發(fā)制作，評(píng)價(jià)模型”五階，明確“裝置功能”這個(gè)核心進(jìn)階變量，從而建構(gòu)“防干燒裝置”.

關(guān)鍵詞：STEM;四線五階;科學(xué)建模;電磁繼電器

文章編號(hào)：1008-4134（2020）12-0021中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

STEM教育具有綜合性和跨學(xué)科的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得在教學(xué)中，常常運(yùn)用現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)存在的情景來創(chuàng)設(shè)問題，此時(shí)就創(chuàng)造了所謂的“大挑戰(zhàn)”[1-2].這里的“大挑戰(zhàn)”，不僅針對(duì)教師的教學(xué)，更有學(xué)生的學(xué)習(xí).STEM教育理念下的課堂學(xué)習(xí)，已經(jīng)打破原有固定區(qū)域束縛，走向真實(shí)世界.這種狀況會(huì)給STEM教育戴上“雄心勃勃”的帽子，但并不是不可行，因?yàn)樗峭ㄟ^科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等跨學(xué)科的方式為真實(shí)生活中的問題（可以是個(gè)人的、社會(huì)的、國家的甚至全球性的）提供解決方案.STEM教育課程中的學(xué)生不再是課堂被動(dòng)接受知識(shí)者，而是主動(dòng)利用STEM課程中的知識(shí)，培養(yǎng)思維和解決問題的綜合能力.當(dāng)然，這種“大挑戰(zhàn)”的可能性，是建立在已有成功解決復(fù)雜問題實(shí)踐案例的基礎(chǔ)上，再開發(fā)創(chuàng)新出更多更新的解決問題的策略.

浙教版初中科學(xué)教材中有許多內(nèi)容可拓展為STEM課程內(nèi)容.其中，浙教版《科學(xué)》（八年級(jí)下冊(cè)）第1章第3節(jié)“電磁鐵的應(yīng)用”就是其中的代表，特別是這節(jié)內(nèi)容中的電磁繼電器，可融合科學(xué)、技術(shù)、工程以及數(shù)學(xué)等開發(fā)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)課程，解決真實(shí)問題.

與教材中內(nèi)容僅僅用科學(xué)知識(shí)解釋電磁繼電器工作原理不同，基于STEM教育理論的學(xué)習(xí)，就是利用現(xiàn)實(shí)生活中使用電磁鐵達(dá)到一定的功能（如電水壺中水過少時(shí)的“防干燒裝置”）開展跨學(xué)科學(xué)習(xí).使學(xué)習(xí)者進(jìn)入到真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問題、產(chǎn)生問題、整合綜合學(xué)科知識(shí)，從而解決問題.整個(gè)學(xué)習(xí)過程沒有固定的思維路徑和明確的解決問題策略，需要學(xué)生在分工協(xié)作下，通過交流與合作進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)批判性能力和創(chuàng)新能力.

1 STEM教育理念下的科學(xué)建模課程內(nèi)容整合

本文倡導(dǎo)STEM教育理念下科學(xué)建模的課程開發(fā)，并非是構(gòu)建一門全新的STEM課程，而是在初中科學(xué)學(xué)科（國家基礎(chǔ)課程）中選擇特定的教學(xué)內(nèi)容（如電磁鐵的應(yīng)用），結(jié)合STEM教育理念開發(fā)課例，是初中科學(xué)國家課程實(shí)施的創(chuàng)新與補(bǔ)充.基于這樣的課程實(shí)施特性，課程不是以外顯的物化成果為目的，而是以內(nèi)化的知識(shí)內(nèi)容作為手段獲得多元知識(shí)，更好地為實(shí)踐初中科學(xué)教育服務(wù).

浙教版《科學(xué)》（八年級(jí)下冊(cè)）第1章第3節(jié)“電磁鐵的應(yīng)用”之一就是電磁繼電器.教材先介紹電磁繼電器的功能，并通過圖1來介紹電磁繼電器的工作原理.隨后，設(shè)置一個(gè)“活動(dòng)”，先讓學(xué)生觀察電磁繼電器;再把電磁繼電器接入電路，觀察其工作時(shí)觸點(diǎn)相連情況;隨后連接有小燈泡的工作電路，觀察繼電器控制小燈泡的亮與滅;然后以連接電路圖的辦法解釋水位自動(dòng)報(bào)警器的工作原理.最后，以“思考與討論”的方式解釋電鈴的工作原理.

顯然，教材安排的所有內(nèi)容都是在理解和解釋電磁繼電器工作原理的層面上，缺乏培養(yǎng)學(xué)生交流、合作、創(chuàng)新和批判思維與問題解決能力（簡(jiǎn)稱“4C”能力）的平臺(tái).STEM教育理念下的科學(xué)建構(gòu)在解決科學(xué)問題的同時(shí)，突出工程和技術(shù)教育，并應(yīng)用數(shù)學(xué)，正好是培養(yǎng)學(xué)生“4C”能力最好的平臺(tái).同時(shí)結(jié)合工程、技術(shù)和數(shù)學(xué)的科學(xué)探究的深化學(xué)習(xí)，通過科學(xué)建構(gòu)的方式來解釋和預(yù)測(cè)自然（人工）現(xiàn)象.具體課程內(nèi)容整合目標(biāo)見表1.

具體說來，“防干燒裝置”的STEM學(xué)科整合，科學(xué)方面主要在于整個(gè)裝置從“無”到“有”建構(gòu)過程的電磁繼電器科學(xué)原理的解釋與應(yīng)用;工程方面主要是針對(duì)“防干燒”的功能進(jìn)行工程設(shè)計(jì);技術(shù)方面主要是將工程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為技術(shù)產(chǎn)品;而數(shù)學(xué)方面是保證“防干燒”功能能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)學(xué)應(yīng)用.此外，課程的整合還包括解決問題的方法與教師資源的整合.產(chǎn)品最終的制作完成，是在現(xiàn)實(shí)需求的基礎(chǔ)上，按照“需求”逐步構(gòu)建.大致流程如圖2所示.

2 STEM教育理念下的科學(xué)建模學(xué)習(xí)進(jìn)階

STEM教育理念下，科學(xué)建模最大的特征是解決一個(gè)由困難、需求或期望所引發(fā)的問題或任務(wù)，屬于項(xiàng)目式學(xué)習(xí).組織學(xué)生開展STEM教育理念下的科學(xué)建構(gòu)的目的是了解科學(xué)、技術(shù)和數(shù)學(xué)是如何被用于解決工程實(shí)踐問題的，而一個(gè)成功的解決方案應(yīng)當(dāng)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)和面臨一定的限制條件[3].項(xiàng)目式學(xué)習(xí)需要通過工程實(shí)踐達(dá)成提高學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，其中包括科學(xué)建模、基于證據(jù)的論證、符合邏輯的推理等思維能力的培養(yǎng);通過科學(xué)建模能解決現(xiàn)實(shí)實(shí)踐模型體系上存在的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)問題解決的可能性方案作出回應(yīng);項(xiàng)目式學(xué)習(xí)最大的特征是在科學(xué)范疇內(nèi)使用模型，并通過解釋與預(yù)測(cè)超越已知模型范疇的新問題和新任務(wù)，從而使解決新問題和新任務(wù)成為可能.此外，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能對(duì)多個(gè)學(xué)習(xí)領(lǐng)域中體現(xiàn)的問題和結(jié)果尋求最佳的平穩(wěn)方案，選擇最優(yōu)化的解決問題的路徑.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)總體是基于深度學(xué)習(xí)，需要滿足諸如產(chǎn)品是否達(dá)到預(yù)期功能、技術(shù)的可行性、產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)生的成本、產(chǎn)品的安全性能、產(chǎn)品的藝術(shù)特性等多方面的標(biāo)準(zhǔn)和條件，這就需要課堂中結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，設(shè)計(jì)從“無”到“有”、從“共性”到“個(gè)性”的學(xué)習(xí)進(jìn)階過程.

STEM教育理念下的科學(xué)建模，其最關(guān)鍵的實(shí)踐操作要點(diǎn)是尋找并確定認(rèn)知發(fā)展過程中不同思維層級(jí)水平的“立足點(diǎn)”，即“階”.基于認(rèn)知心理學(xué)對(duì)科學(xué)建模的要素分析，核心的進(jìn)階變量是科學(xué)模型的“功能”.構(gòu)建科學(xué)模型的“五階”教學(xué)流程，是從產(chǎn)品符合“特定需求”的功能出發(fā)，形成初步的假設(shè)模型;再通過假設(shè)、推理和論證等復(fù)雜的認(rèn)知行為，對(duì)科學(xué)模型進(jìn)行修正，形成科學(xué)模型再進(jìn)行修正;最終利用科學(xué)模型解釋、開發(fā)滿足新問題和新要求的新模型.整個(gè)過程是融合STEM教育理念的主動(dòng)內(nèi)在心智行為過程.分5個(gè)層級(jí)，即5個(gè)階，如圖3所示.

3 STEM教育理念下的科學(xué)建模四條主線

科學(xué)建模是基于STEM教育理念下多門學(xué)科、多種能力相互聯(lián)動(dòng)，這不僅僅是指知識(shí)本身由淺入深的線性發(fā)展過程，還是能力水平不斷進(jìn)階提升的過程，更是學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的整個(gè)素養(yǎng)發(fā)展提升的過程.在此過程中需要真實(shí)STEM教學(xué)情境設(shè)置，需要核心問題推動(dòng)，需要體驗(yàn)活動(dòng)演進(jìn)，還需要關(guān)于學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)置.情境、問題、活動(dòng)和目標(biāo)就是STEM教育理念下科學(xué)建模的“四線”.

3.1 STEM教學(xué)情境設(shè)置

STEM教學(xué)情境來自真實(shí)生活“需求”，為STEM課堂教學(xué)服務(wù)，是STEM教學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)者可望可及的，又有一定難度要求;情境要求與STEM教學(xué)內(nèi)容完全匹配;同時(shí)情境簡(jiǎn)潔，表述清楚.結(jié)合比利時(shí)教育專家羅日葉的情境類型學(xué)和王俊民等[4]對(duì)試題情境的研究成果，課題組開發(fā)了表2的STEM教育理念下科學(xué)建模課堂情境框架，實(shí)例是“電磁繼電器”進(jìn)階學(xué)習(xí)中的“四階”.

3.2 核心問題推動(dòng)

STEM教育理念下科學(xué)建模課堂教學(xué)需要在情境中挖掘核心問題，從而推進(jìn)科學(xué)模型建構(gòu)的思維路徑.核心問題除了要注意頻次、設(shè)問方式等問題形式之外，還要關(guān)注問題的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，如問題與問題之間的關(guān)聯(lián)性，問題與情境的相關(guān)度，問題對(duì)科學(xué)建模的影響度等.特別需要考慮的是，核心問題設(shè)置了學(xué)生活動(dòng)的邊界，設(shè)置了邊界條件、遵循的規(guī)律.在教學(xué)解決問題的活動(dòng)過程中，盡量不再給予學(xué)生其他信息，以免干擾學(xué)生活動(dòng).

基于課堂教學(xué)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的原則，STEM教育理念下“防干燒裝置”科學(xué)建模的核心問題的推動(dòng)設(shè)計(jì)見表3.

3.3 體驗(yàn)活動(dòng)演進(jìn)

體驗(yàn)活動(dòng)的主體是學(xué)生，為達(dá)到項(xiàng)目式學(xué)習(xí)問題的解決任務(wù)，需要引導(dǎo)學(xué)生明確活動(dòng)任務(wù)，特別是遵守活動(dòng)規(guī)則：

（1）每個(gè)成員明確自己在小組中的角色定位，完成自己的任務(wù);

（2）遇到問題不隨意向老師求救幫助，而是在小組內(nèi)共同討論解決;

（3）討論時(shí)注意遵守規(guī)律，只討論與問題相關(guān)的內(nèi)容;

（4）每個(gè)解決方案都可質(zhì)疑.無法說服對(duì)方時(shí)，可民主協(xié)商或舉手表決確定;

（5）小組負(fù)責(zé)人時(shí)刻提醒注意時(shí)間.

“防干燒裝置”科學(xué)建?！八碾A”的活動(dòng)內(nèi)容見表4.

3.4 學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)置

綜合我國中學(xué)生核心素養(yǎng)所要求的必備品格和關(guān)鍵能力，參考高中物理、化學(xué)、生物學(xué)科核心素養(yǎng)框架，結(jié)合《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)（NGSS）的科學(xué)和工程實(shí)踐》，制定STEM教育理念下科學(xué)建模學(xué)習(xí)目標(biāo)框架為科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度四個(gè)維度（見表5）.

4 STEM教育理念下“四線五階”模型建構(gòu)教學(xué)實(shí)例

“防干燒裝置”科學(xué)模型的構(gòu)建，縱向以五步進(jìn)階為方向?qū)訉舆f進(jìn)，橫向以情境、問題、活動(dòng)和目標(biāo)四條主線為路徑全面展開.通過“四線五階”課堂模式構(gòu)建的“防干燒裝置”科學(xué)模型，猶如一座五層大樓，情境、問題、活動(dòng)和目標(biāo)是大樓的四根立柱支撐著大樓;每一層樓相當(dāng)于構(gòu)建“防干燒裝置”科學(xué)模型總?cè)蝿?wù)的一個(gè)“階”;核心進(jìn)階變量是工程實(shí)踐“防干燒裝置功能”的完成度.如圖4所示.

STEM教育理念下“四線五階”科學(xué)建模教學(xué)采用逆向工程教學(xué)，它是從教師（或?qū)W生）使用或測(cè)試防干燒裝置（已有作品或半成品）的展示或演示開始，展示其功能，再從功能倒推到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，重新設(shè)計(jì)或復(fù)原一件防干燒裝置.顯然，逆向工程并不是模擬，對(duì)從沒有接觸產(chǎn)品的學(xué)生來說就是創(chuàng)造.

4.1 呈現(xiàn)產(chǎn)品，感知模型

反向設(shè)計(jì)首先呈現(xiàn)的是功能完善的產(chǎn)品，展示介紹如圖5所示的產(chǎn)品功能.從產(chǎn)品發(fā)明創(chuàng)新的角度來看，反向設(shè)計(jì)的工程思維對(duì)開發(fā)產(chǎn)品沒有發(fā)明創(chuàng)新的現(xiàn)實(shí)意義，但對(duì)于STEM教育理念下項(xiàng)目式學(xué)習(xí)來說，它是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力最重要的渠道.對(duì)于參與STEM課程的學(xué)生來說，呈現(xiàn)的產(chǎn)品，僅僅是學(xué)習(xí)活動(dòng)過程的最終目標(biāo)，而不是學(xué)習(xí)的知識(shí)儲(chǔ)備;他們還需要在產(chǎn)品的最終功能中分解、剝離出關(guān)于產(chǎn)品的科學(xué)知識(shí)、工程設(shè)計(jì)、技術(shù)手段和數(shù)學(xué)應(yīng)用，以使能達(dá)成最終要求.

一階的進(jìn)階變量（裝置功能）是通過教師展示“防干燒”電熱壺時(shí)介紹的，將工程實(shí)踐的“需求”從整個(gè)的產(chǎn)品細(xì)化為“水位變化（以10mm為臨界）而引起通斷”的開關(guān)（見表6）.

4.2 功能倒推，假設(shè)模型

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)不僅僅只有利用科學(xué)原理進(jìn)行解釋，如“電磁繼電器”的教學(xué)，并非如教材所示直接呈現(xiàn)圖1的原理圖，再進(jìn)行解釋，而是通過功能倒推的方式假設(shè)電磁繼電器模型.在這個(gè)過程中，首先是繼上“一階”任務(wù)，在工作電路中加入一個(gè)能自動(dòng)控制加熱電阻的“開關(guān)”.再通過“四階”具體解決“10mm水位”作為自動(dòng)開關(guān)通斷臨界點(diǎn)的定量計(jì)算.換言之，此過程將“一階”的總體大任務(wù)進(jìn)行了解析：首先解決最基本的“自動(dòng)控制開關(guān)”問題，即結(jié)合上節(jié)課學(xué)習(xí)的電磁鐵的結(jié)構(gòu)與功能.所以，首先完成的任務(wù)是利用電磁鐵設(shè)計(jì)自動(dòng)開關(guān).組織學(xué)生以小組為單位，利用電磁鐵和相應(yīng)的復(fù)位裝置等作為控制加熱電阻R工作的自動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)電路圖.學(xué)生設(shè)計(jì)的電路圖大致有圖6中的甲、乙、丙三類.

二階的進(jìn)階變量（裝置功能）是利用電磁鐵以及復(fù)位裝置設(shè)計(jì)出符合要求的自動(dòng)開關(guān)（見表7）.

4.3 解釋評(píng)價(jià)，建構(gòu)模型

“三階”的任務(wù)是理解并能解釋評(píng)價(jià)完整的電磁繼電器模型，此過程是學(xué)生小組內(nèi)自我評(píng)價(jià)，小組間展示評(píng)價(jià)的過程.

三階的進(jìn)階變量（裝置功能）是通過對(duì)控制電路和工作電路的分析，解釋整個(gè)模型的工作過程.“四幅”電磁繼電器設(shè)計(jì)圖有所差別，但它們有共性，即通過控制電路中電流的變化引起電磁鐵磁性強(qiáng)弱的變化，從而造成電磁鐵吸合或復(fù)位銜鐵.找出引起“自動(dòng)開關(guān)”工作的“變量”，也就找到了解決問題的路徑.大致的工作原理如下：控制電路電流大小變化—電磁鐵磁性強(qiáng)弱變化—銜鐵被吸合（或彈開）—工作電路通路（或斷路）—加熱電阻工作（或停止工作）（見表8）.

4.4 實(shí)踐拓展，完善模型

“四階”的任務(wù)回到設(shè)計(jì)“10mm水位時(shí)自動(dòng)切斷加熱電阻”，以達(dá)到防干燒的目的.相對(duì)“三階”的定性解釋，此時(shí)需通過具體數(shù)學(xué)關(guān)系來定量計(jì)算設(shè)計(jì)模型.接續(xù)“三階”的工作原理，按圖6甲的設(shè)計(jì)要求，為了“10mm水位時(shí)自動(dòng)切斷加熱電阻”，變量的起始是電熱水壺中的水位為10mm及以下時(shí)，力敏傳感器受到水的壓力太小，力敏傳感器上電阻較大，則控制電路中的電流變小;通過電磁鐵的電流變小，則磁性變?nèi)?，銜鐵彈回復(fù)位，工作電路斷開，加熱電阻R不工作，這樣就起到了“防干燒”的作用.

四階的進(jìn)階變量（裝置功能）是把引起“控制開關(guān)”（電磁繼電器）開合的起始變量推進(jìn)到具體的“10mm水位”，這是整個(gè)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)最起始要求（見表9）.

總問題：當(dāng)水位不大于10mm時(shí)，加熱電阻不工作.針對(duì)你的原有設(shè)計(jì)圖進(jìn)行修改以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

1.分析圖7 FSR406力敏電阻的力學(xué)特性，說明力敏電阻Rt阻值大小與壓力大小的關(guān)系

2.分析有哪些量影響銜鐵吸合？

分小組討論交流、匯報(bào)、評(píng)價(jià)從數(shù)學(xué)應(yīng)用定量的角度分析控制電路電源電壓、力敏電阻、電磁鐵特性、復(fù)位裝置性能（如杠桿、彈簧等）等對(duì)銜鐵吸合的影響.此環(huán)節(jié)主要是應(yīng)用科學(xué)原理、工程設(shè)計(jì)以及數(shù)學(xué)應(yīng)用

4.5 開發(fā)制作，評(píng)價(jià)模型

STEM教育理念下開發(fā)實(shí)施課程，難免會(huì)涉及“超綱”現(xiàn)象.解決這個(gè)問題的共識(shí)是對(duì)“超綱”內(nèi)容進(jìn)行“擱置”.如本案例中力敏電阻特性、杠桿原理、彈簧彈力的胡克定律等，對(duì)八年級(jí)學(xué)生都是“超綱”的，但在具體應(yīng)用技術(shù)將工程設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品過程中，“擱置”這些知識(shí)，提供現(xiàn)成的配件及其詳細(xì)的功能說明即可.

如“四階”所分析的多變量影響銜鐵的吸合，給制作帶到很大困難.為提高產(chǎn)品制作成功率，只對(duì)一個(gè)變量（彈簧彈力的力臂）進(jìn)行調(diào)節(jié).如根據(jù)圖6甲連接好電路，在模擬水壺中倒入10mm水位，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)彈簧連接杠桿上的位置（可嘗試左右移動(dòng)），選擇恰好使銜鐵彈開的彈簧位置并固定，其他如控制電路的電源電壓、力敏電阻的特性、杠桿的性能、彈簧的特性等都保持不變.

五階的進(jìn)階變量（裝置功能）是把“四階”的工程設(shè)計(jì)通過技術(shù)開發(fā)成產(chǎn)品（見表10）.

如“問題線”中的“思考”，當(dāng)一個(gè)變量的范疇不能滿足實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能時(shí)，可調(diào)節(jié)其他變量，如改變彈簧的特性（選擇彈性更強(qiáng)的彈簧）、力敏電阻的力學(xué)特性、控制電路的電源電壓大小等.

基于STEM教育理念的“四線五階”科學(xué)建模，除了適合電磁繼電器的學(xué)習(xí)外，還適合初中科學(xué)教材中的體溫計(jì)、密度計(jì)、浮力秤、滑動(dòng)變阻器以及生態(tài)球等具體科學(xué)模型的學(xué)習(xí).在實(shí)施過程中，產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用成為STEM教育理念下“四線五階”的“中心骨架”，也成為核心進(jìn)階變量提取的關(guān)鍵.對(duì)于科學(xué)課程上的STEM教育理念下的“四線五階”科學(xué)建模課，并不缺乏對(duì)產(chǎn)品科學(xué)原理的解釋，所以要把主要的學(xué)習(xí)要求落實(shí)到工程設(shè)計(jì)與技術(shù)應(yīng)用上，真正在學(xué)科融合的前提下培養(yǎng)“4C”能力.

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（收稿日期：2020-03-11）