STEM教育理念下的科學建模實踐研究

徐敬標

在課堂整合的時代背景下，STEM教育在國內外科學教育界掀起了熱潮。STEM教育理念包含體驗、協作、創造、分享等，而科學建模作為一項重要的科學探究過程技能，它能夠有效突出STEM教育理念。通過研究小學教材中經典的模型制作探究性課例——《降落傘》，尋找STEM教育理念與科學建模相融合的有效途徑，為一線教師提供參考。

STEM教育理念下的科學建模過程

科學模型是一種再現原型某種特征（如結構、功能、關系、過程等）的物質或思維等形式的類似物，建模即建構模型，主要是利用模型進行研究與學習。STEM教育理念下的科學建模流程如圖1，五個階段貫徹了STEM教育的四種理念，突出了STEM教育的特征。

研究設計及實施過程

《降落傘》是蘇教版《科學》教材四年級下冊第三單元《無處不在的力》的最后一課，它是小學教材中經典的模型制作探究性課例，一共開展三次系列活動，每次活動時長為一個半小時。《降落傘》所體現的STEM教育素養見表1。

1.設計與實施

教學目標：了解降落傘是利用空氣對傘的阻力減緩下降速度與降落傘結構;能設計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。

教學重點：設計、制作與分析降落傘模型。

教學難點：探究影響降落傘下降快慢的因素。

教學準備：塑料袋、防水布、棉線、膠帶、剪刀、夾子、秒表、熟雞蛋等。

（1）確定建模對象

師：（播放一段運動員跳傘的視頻）是什么原因讓運動員從高空落下卻安全著陸呢？

生：降落傘幫助運動員減慢了下落的速度。

師：在無風的條件下，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：運動員跳傘時降落傘起到什么樣的作用呢？

師：根據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結構？

（小結：降落傘由傘面、傘繩和重物構成。）

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

生：能減慢下落的速度;能平穩（豎直向下）下落;不能破損或破洞、美觀……

師：沒錯！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單。最終我們制作的降落傘能從3樓落下并最大限度保護運送的熟雞蛋的蛋殼不破碎。

（2）建立合適模型

根據任務單的要求設計并繪制出降落傘的設計圖，任務單見表2。

（每個小組匯報自己的設計。）

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

交流：有沒有什么其他的問題？

每個小組按照設計圖選擇材料開始制作降落傘。小組制作完成后對其進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

對制作好的降落傘進行調試，給每個小組3次機會試放降落傘并觀察現象，記錄每次降落傘下降的時間。

師：剛剛同學們都測試了自己的降落傘，在觀察每個小組放飛的降落傘之后。你有什么發現？

生：降落傘下降的速度不同。

交流：為什么降落傘下降快慢會不同，你覺得這與什么因素有關呢？為了達到要求，我們需要什么樣的降落傘？

討論：選擇一個你認為會影響降落傘下降快慢的因素，設計實驗來證明你的觀點。

交流：每個小組匯報實驗設計，其他小組質疑或提出意見，確定實驗設計。選用教師準備好的不同尺寸的降落傘進行實驗探究。

將實驗結果記錄在實驗記錄單上，討論實驗結果，得出實驗結論。

總結：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）修改優化模型

為了最大限度地使降落傘下降得慢一些，每個小組根據實驗結果、制作中遇到的問題和之前的制作反思討論降落傘的改進方法，寫在實驗記錄單的背面。有些小組準備重新制作降落傘，寫出或畫出重新設計的降落傘，部分學生的想法如下：

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，換牢固一些的膠帶捆綁。

按照要求改進降落傘，下課之前所有小組的作品上交給教師。

（5）反思評價模型

明確最終對降落傘的評價標準。給每個小組充分的時間繼續改進和完善降落傘，對每個小組制作降落傘的美觀度進行打分。給予每個小組2次機會再次試放降落傘，活動中觀察并思考自己作品的不足之處，做測試前最后一次調試。

給準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，教師進行打分。最終根據是否豎直下落、雞蛋的完好程度和降落傘的美觀程度評選出一組制作最精良的降落傘。

2.測試與評價

為檢測研究者的教學是否有效地達到了設定的教學目標，研究者對學生及其作品做了測試和評價。評價分為兩個部分，一是在整個課例實施過程中學生測試、反思自己的作品并調試和改進的形成性評價，二是最終課例結束之后對學生的降落傘測試和對學生發放調查問卷的終結性評價。這兩次評價都在之前的課例實施過程中有所體現，下面研究者主要針對終結性評價對此課的教學效果進行分析。

首先分析對學生作品的測試與評價。研究者依據教學目標和本課所體現的STEM教育理念設計評價單對學生的作品進行測試（見表3、表4）。

對作品的評價包含了對學生STEM素養的評價，特別是技術和工程素養。研究者為檢測學生科學知識的掌握情況，進行了問卷調查（見表5）。調查問卷由單選和問答題組成，問卷對于科學知識的考查分為降落傘原理、結構、影響降落傘下降快慢的因素和降落傘的作用，最后一題考查科學態度。

教學反思

本課一共三個課時，第一課時以制作為主，第二課時以探究實驗為主，第三課時是拓展延伸。在實施之前對教學設計進行了多次修改。根據學生所做出的降落傘模型和對學生科學知識的調查結果顯示：大多數學生的學習達到了原定的教學目標，在制作模型的過程中培養了學生動手操作和解決問題的能力;人數較少、課堂時間充足、工具材料齊全等因素使得課例進行得十分順利;學生在課堂上發言活躍、設計制作環節認真投入，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，學生不會控制變量，教師的引導和解釋也沒有讓他們完全理解，導致他們雖然通過觀察得出了正確的結論，但是不明白其中的原理。

由此，我認為STEM教育理念與科學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

在每個環節中有效滲透STEM教育理念，這需要設計出的課例能夠體現出STEM教育的體驗性、綜合性、趣味性、開放性等特征，需要強調工程設計的思想，讓學生考慮所做模型的實用性。

2.案例的難易與學生接受間的平衡

STEM建模課例的設計要抓住學生的心理特點和STEM教育的特點。首先在特定的教學情境下讓學生對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象后，給予學生充足的時間討論設計出各種不同的解決方案（畫出建模設計圖），發掘他們的創造性。建立模型是學生最喜歡做的環節，應提供豐富的材料和工具幫助他們最大限度地完成作品，培養他們的動手操作和使用工具的能力。

3.校內外資源整合間的平衡

實施STEM建模課例，將STEM教育理念融入小學科學建模并在課堂上開展并非易事，一個完整的STEM建模課例需要花費很多課時去做，這樣才能真正做出好的東西。根據每個學校的具體情況開展，畢竟小學科學是一門綜合實踐課程，不局限于科學課堂。教師可以采用校內外結合的方式開展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會參與。

4.小組成員間分工的平衡

一般的科學課堂小組人數為4～6人，劃分小組成員的標準似乎就是按照座位順序、性別比例等。但是學生做科學實驗尤其是參與STEM建模這樣的活動時，教師需要合理安排小組成員以便達到最好的教學效果。例如不同的學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，有的數學特別好等，給每個小組都安排具有不同長處的學生，這樣他們在實驗的過程中分別發揮自己的長處，而且具有明確的分工可以使每個學生都參與其中，可以更加順利地完成實驗任務。