从赛耶模型看STEM教育中的科学表达——以“滑轮”教学为例

(1.南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097;2.南京师范大学物理科学与技术学院,江苏 南京 210023)

1 问题的提出

《义务教育物理课程标准(2011年版)》提倡学生要积极主动地参与科学探究，要求学生能书面或口头表述自己的观点，有初步的信息交流能力。但在实际教学中，教师更多地将关注点放在学生的动手操作能力和观察分析能力上，忽视了科学表达能力的培养，使得学生对实验结论的概括不够准确清晰，作业中非良性结构题目的回答也缺少逻辑性和科学性。有目的地关注学生的书面、口头表达，可以对学生的思维进行间接观测，追踪学生知识内化和思维转变的过程，可有效解决上述问题。

2 STEM中的科学表达

近年来逐步走入中国教育者视野的STEM教育非常重视科学表达能力的培养。STEM教育将科学、技术、工程、数学进行有机的融合，以解决真实情境中的问题。在STEM课程中，教师讲授相关的理论知识，学生则以数学为工具，以技术为手段，运用科学知识，按照工程设计流程完成教师布置的任务，从而提高动手操作、分析推理、科学表达等多种能力，培养创新、工程、发散性等思维能力。STEM教学通常以小组为单位，学生首先独立理解任务，用科学的语言描述问题，在组内进行头脑风暴，设计、优化解决方案，在此过程中，师生、生生进行交流，将自己的想法通过书面、口头的方式准确无误地传达给对方，使思维发生碰撞，错误及时得到纠正。

从学科分解的视角来看，STEM素养指的是科学素养、技术素养、工程素养以及数学素养，包括运用科学知识了解自然界并改进自然界的能力，使用、理解与评估技术的能力，利用工程设计流程开发技术的能力，解决数学问题时有效分析、推理、沟通的能力。[1]认识、理解的能力即建构知识的能力，其培养过程就是自己与自己进行对话。评估、解决问题的能力则在与同学、老师的交流中培养，对话交流都要借助科学表达来提高效率。

综上所述，科学表达不仅是STEM教育的过程要素、教学内容，也是STEM素养中不可忽视的能力。笔者试图以赛耶模型为例，阐述STEM教育应当如何贯穿、训练科学表达。

3 赛耶模型简介

美国提出将STEM融入K-12阶段后，各级各类学校采用了多种方法将STEM教育付诸实践，佛蒙特州辛斯伯格市的尚普兰山谷联合高中在1996年为“将科学课开展得更为活泼和真实”，设置了基于赛耶模型的工程课。在这门课中，学生们要按照赛耶模型的步骤，运用科学、数学、技术知识，确定问题并解决问题。[2]

赛耶模型主要有四个重要的步骤：引导学生定义问题，描述具体要求，确定解决方案，然后重新定义问题。运行过程如图1所示，首先，教师给学生创设一个生活中常见的情景，引导学生在情境中找出问题，并用科学的语言将问题表述出来；接着，学生对问题进行全面分析，概括出解决问题的具体要求；然后学生进行头脑风暴，根据提出的具体要求，运用科学、数学、技术知识，制定出多种解决方案，并对各个方案进行评估；最后，在交流讨论中反思之前的步骤，对遇到的新问题进行思考，重新定义问题，开始一个新的四步循环。以上四个步骤都有具体的表达环节：表述问题、概括具体要求、评估方案、交流问题，因此，赛耶模型既需要学生具有基本的表达能力，也要在循环中有效提升学生的科学表达水平。赛耶模型的核心是循环，如果问题的关键是圆心，不同的解决方案就是半径的区别，循环定义新问题，本质就是逐步缩小半径，逼近关键点。学生在反复的循环中，熟练掌握了赛耶模型，拥有了动手操作、观察推理能力和科学表达能力，能在今后的生活中解决复杂的问题，甚至是发明新技术改造世界。

图1

4 基于赛耶模型、着力于科学表达训练的“滑轮”教学设计

“滑轮”是苏科版初中物理九年级上册中第十一章“简单机械和功”的第二节内容，是第一节“杠杆”知识的延伸，也是之后要学习的功、功率等的基础，具有承上启下的作用。本节的重点实验是探究定、动滑轮的特点。在传统课堂中，该实验课题通常由教师提出，目的性较强，学生按照要求亦步亦趋地完成实验，缺乏创新性，表达的机会较少。赛耶模型强调解决实际情境中的问题，将其融入教学中，可以为学生制造更多科学表达的机会，弥补传统课堂的不足。

4.1 第一轮循环

(1) 确定问题

教师创设情景，学校要在暑假更换教室内的讲台，但因教学楼楼层较高，工人数量有限，讲台质量、体积较大，无法直接搬运，请设计方案解决这个问题。学生整理情境中的关键词，定义问题的参数，用简洁的语言重新描述问题：如何利用工具将质量较大的讲台运到教学楼中的教室？

(2) 确定具体要求

学生四人一组讨论将讲台运到教室需要满足的要求。第一轮循环的要求应该是最基本、一般性的，例如：安全、讲台不受损、工具大小合适……通过此步骤，让学生认识到工程设计最基础的要求是安全、合理。

(3) 可选择的解决方案

学生根据列出的要求讨论解决方案。多数学生提出使用杠杆，但因空间有限，传统形状的杠杆并不方便实施，此时，教师介绍一种杠杆的变形——滑轮，结合实例展示滑轮的使用方法，引导学生归纳滑轮的定义和组成。每个学生自主操作动滑轮和定滑轮提升钩码，分析记录二者的区别：工作时，定滑轮轴不动，轮转动；动滑轮轴随物体的运动而动。然后学生分组测量教室讲台的规格和楼层高度，根据比例设计出讲台和教学楼的模型，教师检查后制作模型并讨论运输方案。全班主要得出甲、乙两种方案：只使用定滑轮或只使用动滑轮(如图2)。

图2

4.2 第二轮循环

(1) 重新定义问题

学生回顾第一轮循环中的步骤，互相提问：有没有新的问题产生？有没有可以改进的地方？讨论后重新定义问题：如何轻松高效地运送讲台？在此步骤中，将初始问题进一步缩小，逐渐接近问题核心。

(2) 确定具体要求

学生讨论得出“轻松高效”的具体要求为：省力、更易施力。将较为笼统的要求具体化、细致化，有效降低问题的难度，可使学生脚踏实地深入研究。

(3) 可选择的解决方案

分析甲、乙方案是否满足要求。每组学生利用滑轮、讲台模型、教学楼模型、弹簧测力计设计实验，采用相同方案的组共享实验数据，分析、检验方案，完成表1。

表1

教师用杠杆的知识解释上述结论，分析使用动滑轮时，动力方向不能改变的原因。之后，教师提出滑轮组的概念，学生分组画出滑轮组的设计方案，利用现有的器材测试，并记录实验数据，最后依次展示制作好的滑轮组和实验数据，全班根据所有组的方案、数据思考分析滑轮组的特点：省力、易施力。

4.3 第三轮循环

学生再次互相提问：当前的设计可以直接运用吗？通过总结发现当前的设计方案仅符合科学原理，运用到实际运输中还需考虑材料等现实方面，例如绳子的粗细、滑轮的大小等。教师根据各组的兴趣分配任务，学生自主收集资料，按照赛耶模型继续循环，完善模型的设计，每组依次使用多媒体课件汇报，由其他小组评价。

在本节课中，教师主要通过引导，让学生自主总结规律，并给予学生充分的时间进行小组讨论、汇报发言，在此过程中教师及时纠正学生发言的错误，表扬准确清晰的学生，也可以让学生互相纠正。此外，学生需要将头脑风暴的关键点(包括整体方案、细节、创新点)和实验数据顺序记录在纸上，以便教师通过学生的书面语言(包括表格、图像、文字)，了解学生在学习中知识内化的过程和表达的顺序性与逻辑性。采取书面表达与口头表达结合，有针对性地进行表格、图像与文字结合的训练，能够有效地提高学生的科学表达能力，让学生在今后的学习和生活中勇于表达、善于表达。

5 结语

相比于传统的“滑轮”课堂，以赛耶模型为框架的教学设计体现了“以学生为中心”的理念，将工程与科学结合，给予学生充分的自主探索时间和表达的机会，在多次循环中逐步逼近问题的核心，从而提高书面、口头表达能力。需要强调的是，这样的训练，不只是把话说利落、把图画漂亮。在物理课堂上，表达能力的首要目标应定位在表达的正确、科学、合理上。这是个渐次递进、接近目标的过程，在此过程中，通过教师的指导，学生的表达技能得以提升。