例谈基于STEM教育理念的“四线五阶”科学建模

蔡呈腾

摘 要：初中科学课程中部分内容适合基于STEM教育理念应用“四线五阶”来建构科学模型学习.“电磁继电器”的学习就是以建构“热水壶防干烧装置”为项目学习的任务展开的.此学习先要对STEM教育理念下的建构模型课程内容进行整合，补足工程设计和技术应用的内容;其次要确定情境、问题、活动和目标“四线”，并设置“呈现产品，感知模型”“功能倒推，假设模型”“解释评价，建构模型”“实践拓展，完善模型”“开发制作，评价模型”五阶，明确“装置功能”这个核心进阶变量，从而建构“防干烧装置”.

关键词：STEM;四线五阶;科学建模;电磁继电器

文章编号：1008-4134（2020）12-0021中图分类号：G633.7文献标识码：B

STEM教育具有综合性和跨学科的特点，这些特点使得在教学中，常常运用现实世界中真实存在的情景来创设问题，此时就创造了所谓的“大挑战”[1-2].这里的“大挑战”，不仅针对教师的教学，更有学生的学习.STEM教育理念下的课堂学习，已经打破原有固定区域束缚，走向真实世界.这种状况会给STEM教育戴上“雄心勃勃”的帽子，但并不是不可行，因为它是通过科学、技术、工程、数学等跨学科的方式为真实生活中的问题（可以是个人的、社会的、国家的甚至全球性的）提供解决方案.STEM教育课程中的学生不再是课堂被动接受知识者，而是主动利用STEM课程中的知识，培养思维和解决问题的综合能力.当然，这种“大挑战”的可能性，是建立在已有成功解决复杂问题实践案例的基础上，再开发创新出更多更新的解决问题的策略.

浙教版初中科学教材中有许多内容可拓展为STEM课程内容.其中，浙教版《科学》（八年级下册）第1章第3节“电磁铁的应用”就是其中的代表，特别是这节内容中的电磁继电器，可融合科学、技术、工程以及数学等开发项目式学习课程，解决真实问题.

与教材中内容仅仅用科学知识解释电磁继电器工作原理不同，基于STEM教育理论的学习，就是利用现实生活中使用电磁铁达到一定的功能（如电水壶中水过少时的“防干烧装置”）开展跨学科学习.使学习者进入到真实情境中发现问题、产生问题、整合综合学科知识，从而解决问题.整个学习过程没有固定的思维路径和明确的解决问题策略，需要学生在分工协作下，通过交流与合作进行深度学习，培养批判性能力和创新能力.

1 STEM教育理念下的科学建模课程内容整合

本文倡导STEM教育理念下科学建模的课程开发，并非是构建一门全新的STEM课程，而是在初中科学学科（国家基础课程）中选择特定的教学内容（如电磁铁的应用），结合STEM教育理念开发课例，是初中科学国家课程实施的创新与补充.基于这样的课程实施特性，课程不是以外显的物化成果为目的，而是以内化的知识内容作为手段获得多元知识，更好地为实践初中科学教育服务.

浙教版《科学》（八年级下册）第1章第3节“电磁铁的应用”之一就是电磁继电器.教材先介绍电磁继电器的功能，并通过图1来介绍电磁继电器的工作原理.随后，设置一个“活动”，先让学生观察电磁继电器;再把电磁继电器接入电路，观察其工作时触点相连情况;随后连接有小灯泡的工作电路，观察继电器控制小灯泡的亮与灭;然后以连接电路图的办法解释水位自动报警器的工作原理.最后，以“思考与讨论”的方式解释电铃的工作原理.

显然，教材安排的所有内容都是在理解和解释电磁继电器工作原理的层面上，缺乏培养学生交流、合作、创新和批判思维与问题解决能力（简称“4C”能力）的平台.STEM教育理念下的科学建构在解决科学问题的同时，突出工程和技术教育，并应用数学，正好是培养学生“4C”能力最好的平台.同时结合工程、技术和数学的科学探究的深化学习，通过科学建构的方式来解释和预测自然（人工）现象.具体课程内容整合目标见表1.

具体说来，“防干烧装置”的STEM学科整合，科学方面主要在于整个装置从“无”到“有”建构过程的电磁继电器科学原理的解释与应用;工程方面主要是针对“防干烧”的功能进行工程设计;技术方面主要是将工程设计转化为技术产品;而数学方面是保证“防干烧”功能能够实现的数学应用.此外，课程的整合还包括解决问题的方法与教师资源的整合.产品最终的制作完成，是在现实需求的基础上，按照“需求”逐步构建.大致流程如图2所示.

2 STEM教育理念下的科学建模学习进阶

STEM教育理念下，科學建模最大的特征是解决一个由困难、需求或期望所引发的问题或任务，属于项目式学习.组织学生开展STEM教育理念下的科学建构的目的是了解科学、技术和数学是如何被用于解决工程实践问题的，而一个成功的解决方案应当达到一定的标准和面临一定的限制条件[3].项目式学习需要通过工程实践达成提高学生科学核心素养的学习目标，其中包括科学建模、基于证据的论证、符合逻辑的推理等思维能力的培养;通过科学建模能解决现实实践模型体系上存在的优缺点，对问题解决的可能性方案作出回应;项目式学习最大的特征是在科学范畴内使用模型，并通过解释与预测超越已知模型范畴的新问题和新任务，从而使解决新问题和新任务成为可能.此外，项目式学习能对多个学习领域中体现的问题和结果寻求最佳的平稳方案，选择最优化的解决问题的路径.项目式学习总体是基于深度学习，需要满足诸如产品是否达到预期功能、技术的可行性、产品开发产生的成本、产品的安全性能、产品的艺术特性等多方面的标准和条件，这就需要课堂中结合学习进阶理论，设计从“无”到“有”、从“共性”到“个性”的学习进阶过程.

STEM教育理念下的科学建模，其最关键的实践操作要点是寻找并确定认知发展过程中不同思维层级水平的“立足点”，即“阶”.基于认知心理学对科学建模的要素分析，核心的进阶变量是科学模型的“功能”.构建科学模型的“五阶”教学流程，是从产品符合“特定需求”的功能出发，形成初步的假设模型;再通过假设、推理和论证等复杂的认知行为，对科学模型进行修正，形成科学模型再进行修正;最终利用科学模型解释、开发满足新问题和新要求的新模型.整个过程是融合STEM教育理念的主动内在心智行为过程.分5个层级，即5个阶，如图3所示.

3 STEM教育理念下的科学建模四条主线

科学建模是基于STEM教育理念下多门学科、多种能力相互联动，这不仅仅是指知识本身由浅入深的线性发展过程，还是能力水平不断进阶提升的过程，更是学生作为学习主体的整个素养发展提升的过程.在此过程中需要真实STEM教学情境设置，需要核心问题推动，需要体验活动演进，还需要关于学习目标设置.情境、问题、活动和目标就是STEM教育理念下科学建模的“四线”.

3.1 STEM教学情境设置

STEM教学情境来自真实生活“需求”，为STEM课堂教学服务，是STEM教学时学习者可望可及的，又有一定难度要求;情境要求与STEM教学内容完全匹配;同时情境简洁，表述清楚.结合比利时教育专家罗日叶的情境类型学和王俊民等[4]对试题情境的研究成果，课题组开发了表2的STEM教育理念下科学建模课堂情境框架，实例是“电磁继电器”进阶学习中的“四阶”.

3.2 核心问题推动

STEM教育理念下科学建模课堂教学需要在情境中挖掘核心问题，从而推进科学模型建构的思维路径.核心问题除了要注意频次、设问方式等问题形式之外，还要关注问题的实质内容，如问题与问题之间的关联性，问题与情境的相关度，问题对科学建模的影响度等.特别需要考虑的是，核心问题设置了学生活动的边界，设置了边界条件、遵循的规律.在教学解决问题的活动过程中，尽量不再给予学生其他信息，以免干扰学生活动.

基于课堂教学任务驱动的原则，STEM教育理念下“防干烧装置”科学建模的核心问题的推动设计见表3.

3.3 体验活动演进

体验活动的主体是学生，为达到项目式学习问题的解决任务，需要引导学生明确活动任务，特别是遵守活动规则：

（1）每个成员明确自己在小组中的角色定位，完成自己的任务;

（2）遇到问题不随意向老师求救帮助，而是在小组内共同讨论解决;

（3）讨论时注意遵守规律，只讨论与问题相关的内容;

（4）每个解决方案都可质疑.无法说服对方时，可民主协商或举手表决确定;

（5）小组负责人时刻提醒注意时间.

“防干烧装置”科学建模“四阶”的活动内容见表4.

3.4 学习目标设置

综合我国中学生核心素养所要求的必备品格和关键能力，参考高中物理、化学、生物学科核心素养框架，结合《新一代科学教育标准（NGSS）的科学和工程实践》，制定STEM教育理念下科学建模学习目标框架为科学观念、科学思维、科学探究和科学态度四个维度（见表5）.

4 STEM教育理念下“四线五阶”模型建构教学实例

“防干烧装置”科学模型的构建，纵向以五步进阶为方向层层递进，横向以情境、问题、活动和目标四条主线为路径全面展开.通过“四线五阶”课堂模式构建的“防干烧装置”科学模型，犹如一座五层大楼，情境、问题、活动和目标是大楼的四根立柱支撑着大楼;每一层楼相当于构建“防干烧装置”科学模型总任务的一个“阶”;核心进阶变量是工程实践“防干烧装置功能”的完成度.如图4所示.

STEM教育理念下“四线五阶”科学建模教学采用逆向工程教学，它是从教师（或学生）使用或测试防干烧装置（已有作品或半成品）的展示或演示开始，展示其功能，再从功能倒推到产品的结构和设计方法，重新设计或复原一件防干烧装置.显然，逆向工程并不是模拟，对从没有接触产品的学生来说就是创造.

4.1 呈现产品，感知模型

反向设计首先呈现的是功能完善的产品，展示介绍如图5所示的产品功能.从产品发明创新的角度来看，反向设计的工程思维对开发产品没有发明创新的现实意义，但对于STEM教育理念下项目式学习来说，它是培养学生创新能力最重要的渠道.对于参与STEM课程的学生来说，呈现的产品，仅仅是学习活动过程的最终目标，而不是学习的知识储备;他们还需要在产品的最终功能中分解、剥离出关于产品的科学知识、工程设计、技术手段和数学应用，以使能达成最终要求.

一阶的进阶变量（装置功能）是通过教师展示“防干烧”电热壶时介绍的，将工程实践的“需求”从整个的产品细化为“水位变化（以10mm为临界）而引起通断”的开关（见表6）.

4.2 功能倒推，假設模型

项目式学习不仅仅只有利用科学原理进行解释，如“电磁继电器”的教学，并非如教材所示直接呈现图1的原理图，再进行解释，而是通过功能倒推的方式假设电磁继电器模型.在这个过程中，首先是继上“一阶”任务，在工作电路中加入一个能自动控制加热电阻的“开关”.再通过“四阶”具体解决“10mm水位”作为自动开关通断临界点的定量计算.换言之，此过程将“一阶”的总体大任务进行了解析：首先解决最基本的“自动控制开关”问题，即结合上节课学习的电磁铁的结构与功能.所以，首先完成的任务是利用电磁铁设计自动开关.组织学生以小组为单位，利用电磁铁和相应的复位装置等作为控制加热电阻R工作的自动开关设计电路图.学生设计的电路图大致有图6中的甲、乙、丙三类.

二阶的进阶变量（装置功能）是利用电磁铁以及复位装置设计出符合要求的自动开关（见表7）.

4.3 解释评价，建构模型

“三阶”的任务是理解并能解释评价完整的电磁继电器模型，此过程是学生小组内自我评价，小组间展示评价的过程.

三阶的进阶变量（装置功能）是通过对控制电路和工作电路的分析，解释整个模型的工作过程.“四幅”电磁继电器设计图有所差别，但它们有共性，即通过控制电路中电流的变化引起电磁铁磁性强弱的变化，从而造成电磁铁吸合或复位衔铁.找出引起“自动开关”工作的“变量”，也就找到了解决问题的路径.大致的工作原理如下：控制电路电流大小变化—电磁铁磁性强弱变化—衔铁被吸合（或弹开）—工作电路通路（或断路）—加热电阻工作（或停止工作）（见表8）.

4.4 实践拓展，完善模型

“四阶”的任务回到设计“10mm水位时自动切断加热电阻”，以达到防干烧的目的.相对“三阶”的定性解释，此时需通过具体数学关系来定量计算设计模型.接续“三阶”的工作原理，按图6甲的设计要求，为了“10mm水位时自动切断加热电阻”，变量的起始是电热水壶中的水位为10mm及以下时，力敏传感器受到水的压力太小，力敏传感器上电阻较大，则控制电路中的电流变小;通过电磁铁的电流变小，则磁性变弱，衔铁弹回复位，工作电路断开，加热电阻R不工作，这样就起到了“防干烧”的作用.

四阶的进阶变量（装置功能）是把引起“控制开关”（电磁继电器）开合的起始变量推进到具体的“10mm水位”，这是整个项目式学习最起始要求（见表9）.

总问题：当水位不大于10mm时，加热电阻不工作.针对你的原有设计图进行修改以实现目标

1.分析图7 FSR406力敏电阻的力学特性，说明力敏电阻Rt阻值大小与压力大小的关系

2.分析有哪些量影响衔铁吸合？

分小组讨论交流、汇报、评价从数学应用定量的角度分析控制电路电源电压、力敏电阻、电磁铁特性、复位装置性能（如杠杆、弹簧等）等对衔铁吸合的影响.此环节主要是应用科学原理、工程设计以及数学应用

4.5 开发制作，评价模型

STEM教育理念下开发实施课程，难免会涉及“超纲”现象.解决这个问题的共识是对“超纲”内容进行“搁置”.如本案例中力敏电阻特性、杠杆原理、弹簧弹力的胡克定律等，对八年级学生都是“超纲”的，但在具体应用技术将工程设计图转化为产品过程中，“搁置”这些知识，提供现成的配件及其详细的功能说明即可.

如“四阶”所分析的多变量影响衔铁的吸合，给制作带到很大困难.为提高产品制作成功率，只对一个变量（弹簧弹力的力臂）进行调节.如根据图6甲连接好电路，在模拟水壶中倒入10mm水位，闭合开关，调节弹簧连接杠杆上的位置（可尝试左右移动），选择恰好使衔铁弹开的弹簧位置并固定，其他如控制电路的电源电压、力敏电阻的特性、杠杆的性能、弹簧的特性等都保持不变.

五阶的进阶变量（装置功能）是把“四阶”的工程设计通过技术开发成产品（见表10）.

如“问题线”中的“思考”，当一个变量的范畴不能满足实现产品功能时，可调节其他变量，如改变弹簧的特性（选择弹性更强的弹簧）、力敏电阻的力学特性、控制电路的电源电压大小等.

基于STEM教育理念的“四线五阶”科学建模，除了适合电磁继电器的学习外，还适合初中科学教材中的体温计、密度计、浮力秤、滑动变阻器以及生态球等具体科学模型的学习.在实施过程中，产品的工程设计和技术应用成为STEM教育理念下“四线五阶”的“中心骨架”，也成为核心进阶变量提取的关键.对于科学课程上的STEM教育理念下的“四线五阶”科学建模课，并不缺乏对产品科学原理的解释，所以要把主要的學习要求落实到工程设计与技术应用上，真正在学科融合的前提下培养“4C”能力.

参考文献：

[1]王俊民，卢星辰，唐颖捷.国际大规模科学学业评估的试题情境比较研究——基于情境类型学的量化分析[J].中国考试，2019（02）：32-40.

[2]夏莉颖，钟柏昌.试论STEM教育的两种取向与四种方法[J].中小学数字化教学，2018（09）：8-11.

[3]杨元魁，叶兆宁.突破STEM教育中科学与工程的链接难题——基于工程问题解决的教学模式[J].人民教育，2018（10）：57-62.

[4]宋怡，马宏佳，祁宇.STEM教育愿景中的课程、教学与评价——基于美国《STEM2026：STEM教育创新愿景》报告[J].现代教育科学，2017（11）：126-131.

[5]赵慧臣，马悦，陆晓婷.STEM教育质量标准的制定、内容及启示——以美国圣地亚哥郡为例[J].开放教育研究，2017，23（03）：50-61.

（收稿日期：2020-03-11）