從賽耶模型看STEM教育中的科學(xué)表達(dá)
——以“滑輪”教學(xué)為例

(1.南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097;2.南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210023)

1 問題的提出

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》提倡學(xué)生要積極主動地參與科學(xué)探究，要求學(xué)生能書面或口頭表述自己的觀點，有初步的信息交流能力。但在實際教學(xué)中，教師更多地將關(guān)注點放在學(xué)生的動手操作能力和觀察分析能力上，忽視了科學(xué)表達(dá)能力的培養(yǎng)，使得學(xué)生對實驗結(jié)論的概括不夠準(zhǔn)確清晰，作業(yè)中非良性結(jié)構(gòu)題目的回答也缺少邏輯性和科學(xué)性。有目的地關(guān)注學(xué)生的書面、口頭表達(dá)，可以對學(xué)生的思維進行間接觀測，追蹤學(xué)生知識內(nèi)化和思維轉(zhuǎn)變的過程，可有效解決上述問題。

2 STEM中的科學(xué)表達(dá)

近年來逐步走入中國教育者視野的STEM教育非常重視科學(xué)表達(dá)能力的培養(yǎng)。STEM教育將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)進行有機的融合，以解決真實情境中的問題。在STEM課程中，教師講授相關(guān)的理論知識，學(xué)生則以數(shù)學(xué)為工具，以技術(shù)為手段，運用科學(xué)知識，按照工程設(shè)計流程完成教師布置的任務(wù)，從而提高動手操作、分析推理、科學(xué)表達(dá)等多種能力，培養(yǎng)創(chuàng)新、工程、發(fā)散性等思維能力。STEM教學(xué)通常以小組為單位，學(xué)生首先獨立理解任務(wù)，用科學(xué)的語言描述問題，在組內(nèi)進行頭腦風(fēng)暴，設(shè)計、優(yōu)化解決方案，在此過程中，師生、生生進行交流，將自己的想法通過書面、口頭的方式準(zhǔn)確無誤地傳達(dá)給對方，使思維發(fā)生碰撞，錯誤及時得到糾正。

從學(xué)科分解的視角來看，STEM素養(yǎng)指的是科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)以及數(shù)學(xué)素養(yǎng)，包括運用科學(xué)知識了解自然界并改進自然界的能力，使用、理解與評估技術(shù)的能力，利用工程設(shè)計流程開發(fā)技術(shù)的能力，解決數(shù)學(xué)問題時有效分析、推理、溝通的能力。[1]認(rèn)識、理解的能力即建構(gòu)知識的能力，其培養(yǎng)過程就是自己與自己進行對話。評估、解決問題的能力則在與同學(xué)、老師的交流中培養(yǎng)，對話交流都要借助科學(xué)表達(dá)來提高效率。

綜上所述，科學(xué)表達(dá)不僅是STEM教育的過程要素、教學(xué)內(nèi)容，也是STEM素養(yǎng)中不可忽視的能力。筆者試圖以賽耶模型為例，闡述STEM教育應(yīng)當(dāng)如何貫穿、訓(xùn)練科學(xué)表達(dá)。

3 賽耶模型簡介

美國提出將STEM融入K-12階段后，各級各類學(xué)校采用了多種方法將STEM教育付諸實踐，佛蒙特州辛斯伯格市的尚普蘭山谷聯(lián)合高中在1996年為“將科學(xué)課開展得更為活潑和真實”，設(shè)置了基于賽耶模型的工程課。在這門課中，學(xué)生們要按照賽耶模型的步驟，運用科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)知識，確定問題并解決問題。[2]

賽耶模型主要有四個重要的步驟：引導(dǎo)學(xué)生定義問題，描述具體要求，確定解決方案，然后重新定義問題。運行過程如圖1所示，首先，教師給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個生活中常見的情景，引導(dǎo)學(xué)生在情境中找出問題，并用科學(xué)的語言將問題表述出來；接著，學(xué)生對問題進行全面分析，概括出解決問題的具體要求；然后學(xué)生進行頭腦風(fēng)暴，根據(jù)提出的具體要求，運用科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)知識，制定出多種解決方案，并對各個方案進行評估；最后，在交流討論中反思之前的步驟，對遇到的新問題進行思考，重新定義問題，開始一個新的四步循環(huán)。以上四個步驟都有具體的表達(dá)環(huán)節(jié)：表述問題、概括具體要求、評估方案、交流問題，因此，賽耶模型既需要學(xué)生具有基本的表達(dá)能力，也要在循環(huán)中有效提升學(xué)生的科學(xué)表達(dá)水平。賽耶模型的核心是循環(huán)，如果問題的關(guān)鍵是圓心，不同的解決方案就是半徑的區(qū)別，循環(huán)定義新問題，本質(zhì)就是逐步縮小半徑，逼近關(guān)鍵點。學(xué)生在反復(fù)的循環(huán)中，熟練掌握了賽耶模型，擁有了動手操作、觀察推理能力和科學(xué)表達(dá)能力，能在今后的生活中解決復(fù)雜的問題，甚至是發(fā)明新技術(shù)改造世界。

圖1

4 基于賽耶模型、著力于科學(xué)表達(dá)訓(xùn)練的“滑輪”教學(xué)設(shè)計

“滑輪”是蘇科版初中物理九年級上冊中第十一章“簡單機械和功”的第二節(jié)內(nèi)容，是第一節(jié)“杠桿”知識的延伸，也是之后要學(xué)習(xí)的功、功率等的基礎(chǔ)，具有承上啟下的作用。本節(jié)的重點實驗是探究定、動滑輪的特點。在傳統(tǒng)課堂中，該實驗課題通常由教師提出，目的性較強，學(xué)生按照要求亦步亦趨地完成實驗，缺乏創(chuàng)新性，表達(dá)的機會較少。賽耶模型強調(diào)解決實際情境中的問題，將其融入教學(xué)中，可以為學(xué)生制造更多科學(xué)表達(dá)的機會，彌補傳統(tǒng)課堂的不足。

4.1 第一輪循環(huán)

(1) 確定問題

教師創(chuàng)設(shè)情景，學(xué)校要在暑假更換教室內(nèi)的講臺，但因教學(xué)樓樓層較高，工人數(shù)量有限，講臺質(zhì)量、體積較大，無法直接搬運，請設(shè)計方案解決這個問題。學(xué)生整理情境中的關(guān)鍵詞，定義問題的參數(shù)，用簡潔的語言重新描述問題：如何利用工具將質(zhì)量較大的講臺運到教學(xué)樓中的教室？

(2) 確定具體要求

學(xué)生四人一組討論將講臺運到教室需要滿足的要求。第一輪循環(huán)的要求應(yīng)該是最基本、一般性的，例如：安全、講臺不受損、工具大小合適……通過此步驟，讓學(xué)生認(rèn)識到工程設(shè)計最基礎(chǔ)的要求是安全、合理。

(3) 可選擇的解決方案

學(xué)生根據(jù)列出的要求討論解決方案。多數(shù)學(xué)生提出使用杠桿，但因空間有限，傳統(tǒng)形狀的杠桿并不方便實施，此時，教師介紹一種杠桿的變形——滑輪，結(jié)合實例展示滑輪的使用方法，引導(dǎo)學(xué)生歸納滑輪的定義和組成。每個學(xué)生自主操作動滑輪和定滑輪提升鉤碼，分析記錄二者的區(qū)別：工作時，定滑輪軸不動，輪轉(zhuǎn)動；動滑輪軸隨物體的運動而動。然后學(xué)生分組測量教室講臺的規(guī)格和樓層高度，根據(jù)比例設(shè)計出講臺和教學(xué)樓的模型，教師檢查后制作模型并討論運輸方案。全班主要得出甲、乙兩種方案：只使用定滑輪或只使用動滑輪(如圖2)。

圖2

4.2 第二輪循環(huán)

(1) 重新定義問題

學(xué)生回顧第一輪循環(huán)中的步驟，互相提問：有沒有新的問題產(chǎn)生？有沒有可以改進的地方？討論后重新定義問題：如何輕松高效地運送講臺？在此步驟中，將初始問題進一步縮小，逐漸接近問題核心。

(2) 確定具體要求

學(xué)生討論得出“輕松高效”的具體要求為：省力、更易施力。將較為籠統(tǒng)的要求具體化、細(xì)致化，有效降低問題的難度，可使學(xué)生腳踏實地深入研究。

(3) 可選擇的解決方案

分析甲、乙方案是否滿足要求。每組學(xué)生利用滑輪、講臺模型、教學(xué)樓模型、彈簧測力計設(shè)計實驗，采用相同方案的組共享實驗數(shù)據(jù)，分析、檢驗方案，完成表1。

表1

教師用杠桿的知識解釋上述結(jié)論，分析使用動滑輪時，動力方向不能改變的原因。之后，教師提出滑輪組的概念，學(xué)生分組畫出滑輪組的設(shè)計方案，利用現(xiàn)有的器材測試，并記錄實驗數(shù)據(jù)，最后依次展示制作好的滑輪組和實驗數(shù)據(jù)，全班根據(jù)所有組的方案、數(shù)據(jù)思考分析滑輪組的特點：省力、易施力。

4.3 第三輪循環(huán)

學(xué)生再次互相提問：當(dāng)前的設(shè)計可以直接運用嗎？通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的設(shè)計方案僅符合科學(xué)原理，運用到實際運輸中還需考慮材料等現(xiàn)實方面，例如繩子的粗細(xì)、滑輪的大小等。教師根據(jù)各組的興趣分配任務(wù)，學(xué)生自主收集資料，按照賽耶模型繼續(xù)循環(huán)，完善模型的設(shè)計，每組依次使用多媒體課件匯報，由其他小組評價。

在本節(jié)課中，教師主要通過引導(dǎo)，讓學(xué)生自主總結(jié)規(guī)律，并給予學(xué)生充分的時間進行小組討論、匯報發(fā)言，在此過程中教師及時糾正學(xué)生發(fā)言的錯誤，表揚準(zhǔn)確清晰的學(xué)生，也可以讓學(xué)生互相糾正。此外，學(xué)生需要將頭腦風(fēng)暴的關(guān)鍵點(包括整體方案、細(xì)節(jié)、創(chuàng)新點)和實驗數(shù)據(jù)順序記錄在紙上，以便教師通過學(xué)生的書面語言(包括表格、圖像、文字)，了解學(xué)生在學(xué)習(xí)中知識內(nèi)化的過程和表達(dá)的順序性與邏輯性。采取書面表達(dá)與口頭表達(dá)結(jié)合，有針對性地進行表格、圖像與文字結(jié)合的訓(xùn)練，能夠有效地提高學(xué)生的科學(xué)表達(dá)能力，讓學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和生活中勇于表達(dá)、善于表達(dá)。

5 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)的“滑輪”課堂，以賽耶模型為框架的教學(xué)設(shè)計體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的理念，將工程與科學(xué)結(jié)合，給予學(xué)生充分的自主探索時間和表達(dá)的機會，在多次循環(huán)中逐步逼近問題的核心，從而提高書面、口頭表達(dá)能力。需要強調(diào)的是，這樣的訓(xùn)練，不只是把話說利落、把圖畫漂亮。在物理課堂上，表達(dá)能力的首要目標(biāo)應(yīng)定位在表達(dá)的正確、科學(xué)、合理上。這是個漸次遞進、接近目標(biāo)的過程，在此過程中，通過教師的指導(dǎo)，學(xué)生的表達(dá)技能得以提升。