STEM教育理念下的科学建模实践研究

徐敬标

在课堂整合的时代背景下，STEM教育在国内外科学教育界掀起了热潮。STEM教育理念包含体验、协作、创造、分享等，而科学建模作为一项重要的科学探究过程技能，它能够有效突出STEM教育理念。通过研究小学教材中经典的模型制作探究性课例——《降落伞》，寻找STEM教育理念与科学建模相融合的有效途径，为一线教师提供参考。

STEM教育理念下的科学建模过程

科学模型是一种再现原型某种特征（如结构、功能、关系、过程等）的物质或思维等形式的类似物，建模即建构模型，主要是利用模型进行研究与学习。STEM教育理念下的科学建模流程如图1，五个阶段贯彻了STEM教育的四种理念，突出了STEM教育的特征。

研究设计及实施过程

《降落伞》是苏教版《科学》教材四年级下册第三单元《无处不在的力》的最后一课，它是小学教材中经典的模型制作探究性课例，一共开展三次系列活动，每次活动时长为一个半小时。《降落伞》所体现的STEM教育素养见表1。

1.设计与实施

教学目标：了解降落伞是利用空气对伞的阻力减缓下降速度与降落伞结构;能设计并画出降落伞的示意图，能选择合适的材料并使用工具制作出降落伞模型;能探究影响降落伞下降快慢的因素。

教学重点：设计、制作与分析降落伞模型。

教学难点：探究影响降落伞下降快慢的因素。

教学准备：塑料袋、防水布、棉线、胶带、剪刀、夹子、秒表、熟鸡蛋等。

（1）确定建模对象

师：（播放一段运动员跳伞的视频）是什么原因让运动员从高空落下却安全着陆呢？

生：降落伞帮助运动员减慢了下落的速度。

师：在无风的条件下，降落伞在下降的过程中受到哪些力的作用？

生：向下的重力和向上的空气阻力。

师：运动员跳伞时降落伞起到什么样的作用呢？

师：根据不同的用途降落伞也有许多不同的类型（出示图片），看过不同类型的降落伞后你觉得降落伞可以分为哪几个结构？

（小结：降落伞由伞面、伞绳和重物构成。）

师：这次同学们来做一回小小工程师，制作一个降落伞。你们觉得一个性能良好的降落伞需要具备哪些特点？

生：能减慢下落的速度;能平稳（竖直向下）下落;不能破损或破洞、美观……

师：没错！我们要制作的降落伞也是有要求的，我们来看一下本次制作降落伞的任务单。最终我们制作的降落伞能从3楼落下并最大限度保护运送的熟鸡蛋的蛋壳不破碎。

（2）建立合适模型

根据任务单的要求设计并绘制出降落伞的设计图，任务单见表2。

（每个小组汇报自己的设计。）

讨论：你准备做成什么形状的伞面？圆形的伞面要怎么剪？伞绳准备粘贴在哪里，怎么粘贴？

交流：有没有什么其他的问题？

每个小组按照设计图选择材料开始制作降落伞。小组制作完成后对其进行加固和系上同样重的重物，最后上交给教师。

（3）测试交流模型

对制作好的降落伞进行调试，给每个小组3次机会试放降落伞并观察现象，记录每次降落伞下降的时间。

师：刚刚同学们都测试了自己的降落伞，在观察每个小组放飞的降落伞之后。你有什么发现？

生：降落伞下降的速度不同。

交流：為什么降落伞下降快慢会不同，你觉得这与什么因素有关呢？为了达到要求，我们需要什么样的降落伞？

讨论：选择一个你认为会影响降落伞下降快慢的因素，设计实验来证明你的观点。

交流：每个小组汇报实验设计，其他小组质疑或提出意见，确定实验设计。选用教师准备好的不同尺寸的降落伞进行实验探究。

将实验结果记录在实验记录单上，讨论实验结果，得出实验结论。

总结：伞面面积越大、重物越轻、透气性越差的降落伞下降速度越慢。

（4）修改优化模型

为了最大限度地使降落伞下降得慢一些，每个小组根据实验结果、制作中遇到的问题和之前的制作反思讨论降落伞的改进方法，写在实验记录单的背面。有些小组准备重新制作降落伞，写出或画出重新设计的降落伞，部分学生的想法如下：

小组1：我们打算把伞绳剪短一些，再把伞绳对齐。胶带总是挣开，后期需要加紧。伞面的面积太小，我们打算把伞面改为边长50厘米的正方形。

小组2：我们打算更换材料重新制作降落伞，伞面要大一点，换牢固一些的胶带捆绑。

按照要求改进降落伞，下课之前所有小组的作品上交给教师。

（5）反思评价模型

明确最终对降落伞的评价标准。给每个小组充分的时间继续改进和完善降落伞，对每个小组制作降落伞的美观度进行打分。给予每个小组2次机会再次试放降落伞，活动中观察并思考自己作品的不足之处，做测试前最后一次调试。

给准备好测试的小组安装重物（熟鸡蛋），小组依次试放降落伞并记录鸡蛋下落之后蛋壳的破碎程度，教师进行打分。最终根据是否竖直下落、鸡蛋的完好程度和降落伞的美观程度评选出一组制作最精良的降落伞。

2.测试与评价

为检测研究者的教学是否有效地达到了设定的教学目标，研究者对学生及其作品做了测试和评价。评价分为两个部分，一是在整个课例实施过程中学生测试、反思自己的作品并调试和改进的形成性评价，二是最终课例结束之后对学生的降落伞测试和对学生发放调查问卷的终结性评价。这两次评价都在之前的课例实施过程中有所体现，下面研究者主要针对终结性评价对此课的教学效果进行分析。

首先分析对学生作品的测试与评价。研究者依据教学目标和本课所体现的STEM教育理念设计评价单对学生的作品进行测试（见表3、表4）。

对作品的评价包含了对学生STEM素养的评价，特别是技术和工程素养。研究者为检测学生科学知识的掌握情况，进行了问卷调查（见表5）。调查问卷由单选和问答题组成，问卷对于科学知识的考查分为降落伞原理、结构、影响降落伞下降快慢的因素和降落伞的作用，最后一题考查科学态度。

教学反思

本课一共三个课时，第一课时以制作为主，第二课时以探究实验为主，第三课时是拓展延伸。在实施之前对教学设计进行了多次修改。根据学生所做出的降落伞模型和对学生科学知识的调查结果显示：大多数学生的学习达到了原定的教学目标，在制作模型的过程中培养了学生动手操作和解決问题的能力;人数较少、课堂时间充足、工具材料齐全等因素使得课例进行得十分顺利;学生在课堂上发言活跃、设计制作环节认真投入，课堂参与度较高。但还是存在一些问题，比如讨论降落伞下降快慢的影响因素时，学生不会控制变量，教师的引导和解释也没有让他们完全理解，导致他们虽然通过观察得出了正确的结论，但是不明白其中的原理。

由此，我认为STEM教育理念与科学建模的融合需要遵循以下平衡原则。

1.与STEM教育理念间的平衡

在每个环节中有效渗透STEM教育理念，这需要设计出的课例能够体现出STEM教育的体验性、综合性、趣味性、开放性等特征，需要强调工程设计的思想，让学生考虑所做模型的实用性。

2.案例的难易与学生接受间的平衡

STEM建模课例的设计要抓住学生的心理特点和STEM教育的特点。首先在特定的教学情境下让学生对于自己要做的东西充满兴趣，勾起他们的求知欲;提出问题确定建模对象后，给予学生充足的时间讨论设计出各种不同的解决方案（画出建模设计图），发掘他们的创造性。建立模型是学生最喜欢做的环节，应提供丰富的材料和工具帮助他们最大限度地完成作品，培养他们的动手操作和使用工具的能力。

3.校内外资源整合间的平衡

实施STEM建模课例，将STEM教育理念融入小学科学建模并在课堂上开展并非易事，一个完整的STEM建模课例需要花费很多课时去做，这样才能真正做出好的东西。根据每个学校的具体情况开展，毕竟小学科学是一门综合实践课程，不局限于科学课堂。教师可以采用校内外结合的方式开展STEM课例，整合多方面的资源，寻求各界的帮助，让所有的孩子都有机会参与。

4.小组成员间分工的平衡

一般的科学课堂小组人数为4～6人，划分小组成员的标准似乎就是按照座位顺序、性别比例等。但是学生做科学实验尤其是参与STEM建模这样的活动时，教师需要合理安排小组成员以便达到最好的教学效果。例如不同的学生擅长的东西不一样，有的记笔记又快又清楚，有的想法非常多，有的数学特别好等，给每个小组都安排具有不同长处的学生，这样他们在实验的过程中分别发挥自己的长处，而且具有明确的分工可以使每个学生都参与其中，可以更加顺利地完成实验任务。