科学精神视域下培养学生建模能力的策略——以自制创意小乐器魔琴为例

福建省三明市梅列区实验小学 杨瑞花

小学科学中常用的STEM 项目教学，从本质上而言是呈现一个真实的问题情境，提供相关背景知识与材料，让学生不受思维的局限，自由探索，最终很好地解决问题。STEM 项目教学兼顾了国家课程与拓展性课程两者的互补性和侧重点，以不同领域、不同材料为探究对象，使得小学科学知识教学更加具备系统、完整性。在实际教学过程中，教师要以学生发展核心素养为要求，在依据课程标准的前提下，努力营造和谐的教学氛围，加强建模实验过程中的科学指导，以实验建模、主题式小项目形式为起点，鼓励学生的个性化科学创新思维，锻炼学生的实践能力，并通过构建情境导入学习，发散思维形成设计方案，再到动手制作模型以及成果经验交流展示等学习环节，引导学生在建模的过程中，能够发挥积极性去主动参与探究，切实提高学生合作交流、动手实践、解决问题、创新等方面的能力，从而有效地提升学生的科学素养。

一、感知情境，激发学习兴趣

小学阶段的学生受认知发展的局限性影响，相对于抽象思维而言，他们的直观思维更加凸显。然而在小学科学STEM 项目学习过程中，虽然项目目标很明确，但任务执行时并没有一个明晰的直观细节，需要学生去探索实践。因此，在小学科学基于STEM 项目的建模教学中，教师可以将模糊的学习任务与现实生活进行关联，即教师应努力在学生的生活中来收集信息，使用学生在日常生活中可观、可感、可触的材料来抽象出问题进行教学。这样的教学方式比学生通过模仿和死记硬背的机械学习要更加生动有趣，所以小学科学教学要从学生已有的生活经验出发，让学生自己体会把生活中的原型转变成模型，然后以多媒体视频进行展示，让学生更直观地感知项目任务与生活的关系，达到分解任务的目的，并从感官上让学生直接感受到其中的趣味性，从而在他们的生活意识领域中，提前植入对科学建模的学习兴趣，为后期的学习带来积极的动能。

如在小学科学教科版教材四年级“声音”单元的科学知识学习中，以“自制创意小乐器——魔琴”为例，教师通过构建一段多媒体视频，让学生与现实生活中的乐器发声场景相联系，然后导入乐器发声原理的学习。准备一把学习中常用的直尺，接着在教师演示的基础上，学生也来动手感受一下用不同力度拨动直尺产生的不同震动发出的不同声音。这样的情境引导能很好地激发学生对于乐器制作原理的进一步了解，也让学生想进一步知道它的内部构造是如何运作的。这时，教师就可以引导学生了解，声音是通过物体振动产生的，物体震动能使周围的空气产生疏密变化从而产生声波，让直尺振动起来就可以发出声音，能帮助学生更好地进入下一步建模设计过程中去。

二、自主交流，启动头脑风暴

STEM 教育的魅力在于能让学生发散思维，形成头脑风暴，将自己的奇思妙想通过作品展示出来。在这其中，如何将想法变成设计方案，是制作模型很重要和关键的一步。教师在这个过程中，要发挥好指导作用，引导学生形成自主合作交流。从某种层面上来看，小学生的集体合作能力至关重要，小学生本身就有爱玩、爱交朋友的特性，良好的课堂协作往往能让小学生更好地运用知识，养成较好的学习能力。首先，在科学课堂上有意识地培养学生的建模能力，可以让小学生优势互补，通过合作交流，小学生能够在好的学习氛围中培养自身的建模能力。其次，一个班集体的良好学习氛围是要靠大家努力的，大家都踊跃地参与课堂的讨论交流，就能够在更深层的意义上优化班级的学习氛围，也能助力学生在讨论中发挥想象力，并在头脑中构成“我要做什么”和“我该怎么做”的思维方式，最终让学生将想法与现实相关联，形成可实施的建模设计方案。

如在指导学生进行“自制创意小乐器——魔琴”的设计过程中，需要引导学生形成制作乐器模型的方案。首先，需要完成魔琴的模型设计图。教师可以先让学生通过小组合作的方式进行交流，产生思想碰撞，明白电磁感应现象：当闭合电路的一部分在磁场中做切割磁感线运动时，电路中就会产生感应电流。当我们用手指拨动这根琴弦的时候，实际上就是让琴弦在磁场中做切割磁感线的运动，这样就可以发出美妙的声音了。形成自己小组的设计思维后，就让学生将想法画出来。由于小学阶段的学生无法使用专业计算机软件工具来作图，教师就可以引导学生画出最初的设计草图，配上简单的说明文字，对自己的设计想法进行表达。接着，进入创意小乐器魔琴的制作步骤及小组的工作分工。教师要指导每一组学生将魔琴模型设计制作步骤进行分解标注，同时让小组成员进行自主任务分工。最后，明确创意小乐器魔琴的各个部分分别用什么材料制作、需要多少以及需要用什么工具制作，并一起来准备建模所需的材料、数量及所需工具。通过这样的合作交流与分工，学生能更好地明确学习任务，在可实施的设计方案辅助下，更好地进入实践探索阶段。

三、探究合作，学会解决问题

探究合作有助于培养小学生的问题解决能力。建模能力是小学科学最重要的一种能力，学生要具有充分的学习动能，才能真正获得建模能力。学生通过积极的探究合作，尤其是学生的深度互动、合作，能够更加激发其学习建模的内因，这其实也正是对小学生在小学科学学习过程中的一个基本要求。建模活动以发展学生的科学素养为核心，在科学精神视域下，它不同于有条理的规划，更具开放性和创新性。所以建模过程中可以让学生自由、自主运用多思维、多方法制作模型，从而让学生产生学习更多知识的强烈动机，并在遇到困难时，会从优秀的解决方案中寻找启发，进而解决问题，完成模型。

如在“自制创意小乐器——魔琴”的模型制作阶段，学生根据提供的相关背景知识，完成小组的设计方案，然后选择所需材料（如一块木板、一根琴弦、一块磁铁、两个螺丝钉、两根导线、一个扩音器等），尝试制作魔琴模型。制作要求：准备一个长方形的铁条，在铁条的两端打上螺丝钉，然后把一根废弃的琴弦缠在螺丝钉上；用螺丝刀调节琴弦的松紧度；将磁铁固定在琴弦的一侧，用螺丝刀按琴弦；找到正确的音节，用笔标出音节的位置，通过螺丝刀在琴弦上滑动来弹奏乐曲。在制作的过程中，学生可能会遇到如木板会弯、磁铁的磁力太小、琴弦拉不紧、声音过于单调、声音太小等问题，教师要让学生自主去思考、探索，并记录整个解决过程，以便在模型展示中进行经验智慧的分享汇报。

四、智慧分享，领悟核心奥秘

基于STEM 教育的“自制创意小乐器——魔琴”的模型制作这一课中，当然少不了最核心的智慧成果分享阶段，分享每个学生在智慧得到充分发挥的建模过程中形成的宝贵经验，是整个建模过程的重要环节。

如在成果完成后，进入项目结果展示阶段，教师安排各小组进行模型展示、交流、分享，即每组展示自己的魔琴模型，同时阐述制作的思路、遇到的问题、解决的方式，以及分享心得、体会，并进行总结。遇到问题，我们该怎样去思考、解决？有的小组说，自己遇到了木板会弯的问题，于是会换一块厚一点的木板；有的说，遇到了磁铁的磁力太小的问题，后来发现强力磁铁磁力更大，能产生更大的感应电流，就换一块强力磁铁来解决了问题；有小组说发现魔琴声音太小，通过分析发现是内部具有很大的空间，但如果把木板换成木箱，可以更好地扩大声音，就能够将弦的声音聚拢，再与木板形成共振，将声音放大……在整个展示交流中，每个小组都能把自己的想法清楚地表达出来，根据自己的制作过程，来解释魔琴内部是如何运作的，很好地展现了思维创造过程。科学智慧结晶得到充分的分享，使得每个学生能更深刻地去理解科学的核心奥秘，在日后的生活学习中，更好地去崇尚和贯彻落实科学精神。

五、结语

教师在小学科学课堂教学中要采取任务型教学方式，根据学生的实际学习情况，为他们安排一些能力范围内的、具有可操作性的学习任务。任务型教学关注学生在课堂中完成教师布置的课堂任务，学生只有在课堂上完成了教师布置的任务，才是真正地掌握了课堂的知识点。首先，教师在任务型教学方法中要根据学生实际的学习情况，为学生的建模能力培养布置相应的学习环节。如在科学课堂中，教师可以让学生通过绘画来表示自己的模型，而学生在绘画的过程中就无形地培养了其建模能力。其次，小学生的建模能力不可能仅仅通过课堂的教学就能得到提高，而是需要不断地训练，因此教师就有必要为小学生布置课堂任务，让小学生在不断的任务完成中提高自身的建模能力，进而小学生才能够将课堂知识应用于实际生活，增强自身理论联系实际的能力。本文中“自制创意小乐器——魔琴”的建模课程，是任务型教学的一个实例，也是一场科学奥秘的解读，更是一次思维智慧的潜力激发。在教学过程中，教师要善于构建合理化的情境，引导学生学会合作交流、分工任务，并运用已有的科学经验知识，积极参与到魔琴模型实践探究过程中，使学生将科学学科简单基础层面的认识，以工程设计的方式表达出来，为学生架起一座从科学知识到实际问题的桥梁，很好地锻炼了学生的解决问题能力、创新实践能力。